【導(dǎo)讀】參考文獻.......

　　

【正文】 增益范圍，或者顯著的帶寬變化。另外一種常有的技術(shù)是基于電阻負載的源級退化差分對，這種技術(shù)使用模擬控制信號或者數(shù)字控制信號均能實現(xiàn)。 圖 20 所示是最簡單的模擬實現(xiàn)電路 可變增益放大器的設(shè)計基礎(chǔ) 第 19 頁 （共 26 頁） 圖 20 基于電阻負載的源級退化差分對 這個電路用一個晶體管做可變的源級退化電阻，并施加一個模擬控制電壓 Vc 在這個晶體管的柵極來改變電阻值，以此來改變共源級差分對的跨導(dǎo)，從而達到控制增益的目的。 采用這種技術(shù)，增益變化單位很小。但是只用一個晶體管很難實現(xiàn)寬電阻變化范圍，從而實現(xiàn)高增益范圍。 用數(shù)字可變電阻來代替三極管電阻可以實現(xiàn)數(shù)字控制，通過改變源級退化電阻或者負載電阻可以改變放大器的增益，源級退化電阻技術(shù)非常適用于高線性度要求的系統(tǒng)?？偟膩碚f，這些電路比前面提到的數(shù)學(xué)控制 VGA 的性能要好。 本章小結(jié) 本章首先介紹了自動增益控制，可變增益放大器是自動增益控制的核心部分； 然后對可變增益放大器的性能參數(shù)進行了簡要的介紹，包括噪聲、線性度、增益等； 最后簡要介紹了可變增益放大器的各種結(jié)構(gòu)。 3 指數(shù)增益控制技術(shù)和實現(xiàn)方式 在 AGC 系統(tǒng)中，可變增益放大器是其主要組成部分。為了使 AGC 系統(tǒng)環(huán)路的建立時間與輸入信號的幅度無關(guān)，可變增益放大器的增益需要隨控制信號的線性變化而指數(shù)變化，即增益與控制信號成 dB 線性關(guān)系。在 CMOS 工藝中，由于電流與電壓的頻率關(guān)系，不能直接得到指數(shù)關(guān)系的控制電路。因此，在 VGA 的設(shè)計中需要構(gòu)造專門的指數(shù)控制電路，以滿足增益 dB 線性變化的要求。 指數(shù)控制電路 指數(shù)控制電路是組成 VGA 的重要模塊，其作用是使可變增益放大器的增益隨控可變增益放大器的研究 第 20 頁 （共 26 頁） 制信號的線性變化而指數(shù)變化。構(gòu)造指數(shù)控制電路主要有以下三種技術(shù) [13]，它們廣泛的應(yīng)用在各類的 VGA 中。 寄生三極管技術(shù) 在雙極型晶體管中，電流與電壓是成指數(shù)關(guān)系的。利用寄生三極管的技術(shù) CMOS 工 藝下 可以構(gòu)造出具有指數(shù)規(guī)律的電流與 電壓關(guān)系 ，從而達到增益 dB 線性變化 的 要求 。 指數(shù)增益控制技術(shù)和實現(xiàn)方式 第 19 頁 （共 26 頁） 亞閾值區(qū) MOS 管技術(shù) 工作在亞閾值區(qū)的 MOS 管具有亞閾值導(dǎo)電性，當 VDS 超過幾個 VT 時，漏電 流與柵源電壓呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系， (19) 式中， ξ1，是一個非理想因子。利用 MOS 管亞閾值區(qū)的電流電壓指數(shù)特性 構(gòu)造電路，也可以實現(xiàn)增益 dB 線性變化的要求。 CMOS 指數(shù)近似技術(shù) 采用上述兩種技術(shù)均能實現(xiàn)具有指數(shù)控制特性的電路，但是由于其在 CMOS工藝中欠缺工作穩(wěn)定性以及輸出信號范圍有限制，應(yīng)用不是非常普遍。目前最常見的方法是是利用 CMOS 技術(shù)，基于近似指數(shù)函數(shù)構(gòu)造電路，實現(xiàn)增益 dB 線性變化的要求。 對于指數(shù)函數(shù) ex，可以近似表達為 （ 20） 當 x 較小時，該式的近似程度較高。若采用該式構(gòu)造電路，能實現(xiàn)大約 30dB 的 指數(shù)控制。 把指數(shù)函數(shù)展開成泰勒級數(shù)有 (21) 取到泰勒級數(shù)表達式的二階項，構(gòu)造出滿足二階泰勒級數(shù)的近似指數(shù)函數(shù)電 路，可以實現(xiàn)增益 dB 線性變化的要求。 增益 dB 線性的實現(xiàn)方式 控制電路直接連接的方式 如前所述，各類可變增益放大器 核心單元都有控制信號的輸入端口，如果其增可變增益放大器的研究 第 20 頁 （共 26 頁） 益的 dB 量與控制電流或電壓的對數(shù)成線性關(guān)系，那么只需將指數(shù)控制電路的輸出直接連接每個 VGA 單元的控制端，再多個 VGA 單元級聯(lián)，就可以實現(xiàn)可變增益放大器增益的 dB 線性控制。這是實現(xiàn) VGA 增益 dB 線性的一種常用方式 [14]。 利用 VGA 單元產(chǎn)生內(nèi)部控制信號的方式 對于某些 VGA 單元，如果其增益隨控制信號變化的具體關(guān)系并不明確，那么就需要利用 VGA 單元產(chǎn)生內(nèi)部控制信號，使 VGA 單元的增益與該控制信號成 dB 線性。 4 可變增益放大器的設(shè)計 本文的目標是設(shè)計一種在中頻應(yīng)用的增益連續(xù)可調(diào)的 VGA。增益動態(tài)范圍約30dB，頻率范圍是 46MHz~268MHz。噪聲系數(shù) ? 10dB。 對于具有較寬增益范圍的 VGA，文獻中大多采用多級 VGA 單元級聯(lián)的方式實現(xiàn)。但是多級級聯(lián)會帶來級間失調(diào)和功耗增加的問題，從線性度考慮，多級系統(tǒng)對后級線性度的要求也更苛刻。本文則采用單級的方式實現(xiàn)較寬范圍的增益變化，避免了上述問題。 本文設(shè)計的 VGA由一個 VGA主放大電路、一個輸入匹配電路、一個控制電壓轉(zhuǎn)換電路和一個輸出匹配電路組成。 VGA 主放大器的增益大小由控制電壓轉(zhuǎn)換電路控制，其輸出接入輸出匹配電路，得到整個 VGA 電路的輸出。 輸入匹配電路 由于輸入匹配電路作為電路的第一級，它的性能的好壞直接決定了整個電路的性能，例如帶寬、噪聲，針對帶寬、噪聲等 性能較差的情況，我們可以采用帶通濾波器結(jié)構(gòu)來解決，通過改變帶通濾波器中的 RLC 取值來改變?yōu)V波器 3dB 帶寬進而改變VGA 的帶寬。 指數(shù)增益控制技術(shù)和實現(xiàn)方式 第 21 頁 （共 26 頁） 圖 21 輸入匹配電路 可變增益放大器的設(shè)計 第 21 頁 （共 26 頁） 無源元件 L C L C2和 Zin構(gòu)成一個寬帶 Chebychev帶通濾波器，其中 Zin是 源簡并電感型窄帶共源放大器的輸入阻抗，在 M1的柵源之間插入 Cp1可以增加設(shè)計的靈活性，方便無源元件的取值。 主體放大電路 可變增益放大器按照增益變化方式的不同可以分為增益步進變化的可編程增益放大器和增益連續(xù)變化的可變增益放大器，雖然簡化了控制電路的設(shè)計，但是增益是離散的。 VGA 使用模擬信號控制增益，增益可以連續(xù)變化，可以避免因增益突變而造成調(diào)制信號的接收解調(diào)錯誤，因此，本文采用信號相加式結(jié)構(gòu)作為 VGA 的主體。 信號相加式結(jié)構(gòu)單元如下圖所示，設(shè) W W L L VTH VTH4 分別為NMOS 管 M M4 的寬、長、開啟電壓， L3=L4， Vc 為 M3 管柵端控制電壓， Vref 為 M4 管柵端參 考電壓， Iout 為流過電阻 RL1 的電流， Iin 為 M M4 漏源電流之和。 (22) 由公式 (22)可知，電路的電流增益與 Vc 呈線性關(guān)系。為使電路的增益與控制電壓呈 dB線性關(guān)系，必須外加具有指數(shù)特性的控制電壓轉(zhuǎn)換電路。 圖 22 信號相加式單元結(jié)構(gòu) 可變增益放大器的研究 第 22 頁 （共 26 頁） 圖 23 主體放大電路 主體電路中差分對管 M M2 為工作在飽和區(qū)的共源放大器，負責(zé)將輸入的射頻電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)樯漕l電流信號并提供增益。信號相加式結(jié)構(gòu)通過調(diào)節(jié)控制電壓 Vc，改變 Vc 和參考 Vref 之間的電壓差，調(diào)節(jié)信號電流在 M M4 與 M M6 之間的分配，以實現(xiàn)增益的單調(diào)連續(xù)可調(diào)。 控制電壓轉(zhuǎn)換電路 在射頻電路中放大器的增益通常用對數(shù)表示，以 dB 為單位，為了使外部控制信號能夠有效方便地控制增益，因此需要放大器的對數(shù)增益能夠隨控制電壓線性變化，也就是說，增益要隨控制電壓呈指數(shù)變化。對于雙極型工藝，利用雙極型晶體管固有的基極 發(fā)射極電壓與集電極電 流之間的指數(shù)關(guān)系可以方便地實現(xiàn)對數(shù)增益與控制電壓的線性關(guān)系，而對于 CMOS 工藝而言，工作在飽和區(qū)的長溝道 MOS 管，其漏源電流和柵源電壓成平方關(guān)系而非指數(shù)關(guān)系，因而需要為可變增益放大器構(gòu)造一個控制電壓轉(zhuǎn)換電路，以實現(xiàn)對數(shù)增益隨控制電壓呈線性變化的特性。 可變增益放大器的設(shè)計 第 23 頁 （共 26 頁） 圖 24 控制電壓轉(zhuǎn)換電路 輸出匹配電路 為了適當擴展帶寬、提高增益平坦度，將能量盡可能地傳送給下一級，同時又可以很好地和下級電路進行很好的隔離，必須采用輸出匹配電路。 圖 25 輸出匹配電路 仿真結(jié)果 仿真結(jié)果如下：增益動態(tài)范圍約 30dB，頻率范圍是 46MHz~268MHz。噪聲系數(shù)? 10dB。圖 26 給出了增益和 CV 成 dB線性關(guān)系的曲線圖，圖 27 給出了 VGA 的增益變化范圍。 可變增益放大器的研究 第 24 頁 （共 26 頁） 圖 26 增益與電壓關(guān)系圖 由上圖可以看出增益與電壓基本上成 dB 線性關(guān)系，動態(tài)范圍為 12dB 至 25dB，滿足要求。 由圖 27 可以看出， VGA 的頻率范圍為 46MHZ~267MHZ,帶寬為 221MHZ。 圖 27 增益變化范圍 可變增益放大器的設(shè)計 第 25 頁 （共 26 頁） 5 總結(jié) 可變增益放大器是十分重要的模擬電路之一，它在模擬前端中起著調(diào)節(jié)增益，穩(wěn)定輸出，降低后級電路輸入信號動態(tài)范圍的作用。它在不同應(yīng)用場合需要滿足大帶寬、高線性、低壓、低功耗等不同要求。因此，研究可變增益放大器的設(shè)計具有十分重要的意義。本文概述了 CMOS 模擬集成可變增益放大器的設(shè)計，分析了可變增益放大器的各種結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的增益控制方法，說明了增益指數(shù)變化的幾種途徑。最后設(shè)計了一種增益約為 30dB，頻率范圍為 46MHZ~268MHZ 的 VGA。 參考文獻 [1]王自強，池保勇，王志華 . 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