无线接收机中高动态范围数字自动增益控制电路设计

摘要 I 摘要 在射频无线通信系统中，由于受到障碍物、空气效应等因素的影响，会导致接收信号的衰减，信号的接收端要能够处理数据转换的最大范围。所以，在典型的射频系统的前端一般都会采用自动增益控制电路。而可变增益放大器（自动增益控制电路中的一个关键模块，自动增益控制系统的稳定性和对输入信号的响应灵敏度在很大程度上取决于 性能。 目前 统可以分为模拟 数字 大类型。模拟 通过模拟电路的反馈机制来控制整体电路的增益。所以对模拟电路的设计要求比较高，要兼顾系统的稳定性，功耗，面积等诸多要素。另外由于 统要求增益的建立时间不随输入信号的幅度变化而变化，这就要求增益与输入信号成 路的平方特性使得这种指数关系不能实现，所以我们必须需要额外的电路来产生一个指数信号作为 控制信号来控制增益。即通常所说的指数产生电路，这就增大了电路的设计难度。而在数字 统中，我们只需要设计一个可变增益放大器（其他的工作可以通过 片在数字域利用数字算法来完成，产生相应的控制信号进而控制整体电路的增益。这样就会大大减小模拟电路设计的难度，从而提高了集成度，缩小了面积和功耗。 本课题根据 频接收芯片系统的要求以及目前可变增益放大器的主流技术，设计了一个增益动态范围为 50宽大于 100M 的 变增益放大器。本文中的可变增益放大器采用的是六级放大器级联的方式，采用数字电平控制的方式来控制整体增益。整个电路包括三级 联的放大电路，整体电路的偏置电路以及一些产生控制位的数字电路。 本次设计采用 艺库，经过仿真验证，整个系统可以提供 50频范围为35M,65M，在温度变化范围5，系统输出峰峰值基本保持在 200右，变化范围不大于 统整体消耗小于 2关键词： 自动增益控制 可变增益放大器 性 b s t ra c t Ab s tr I n t e a r l y y e a r s r a di o c i r c ui t s ， f a di n g r e r e d c i a dj m e n t s i n t r e c e i v e r s i n or de r t o m a i nt a i n a r e l a t i c t a s i g na l . S uc h s i t ua t i on l e d t o t de si g n c i r c ui t s w hi c h pr i m a r y i de a l f un c t i on w a s t o m a i nt a i n a c a s i g n a l l e ve l a t t r e g a r dl e s s t s i g n a l s va r i a t i a t t i t s y st e m . O r i g i na l l y , t e c i r c ui t s w e r e de s c r i be d a s a ut om a t i c um e c r c i r c ui t s , a f e w y e a r s l a t e r t he y w e r e g e n e r a l i z e d r t na m e A ut om a t i c G a i n C r ( A G C ) c i r c ui t s. T m a j c om A G C i s a va r i a bl e g a i n a m pl i f i e r w e ga i n c a n b e d y na m i c a l l y va r i e d b y a f e e c k c r s i g na l . T a V G A i s a n i sp e ns a bl e f t i bl oc k f a l l r a di o c om m c a t i on s y s t e m s. B y A G C s y st e m s c a n b e di vi de d i nt o t w o t y p e s , t a n a l G C a nd t h e di g i t a l A G C . T h e a na l o g A G C s y st e m s g a i n i s c ha d t hr ou g h t f e e d ba c k a na l o g c i r c ui t s. T t r e r e m e t a na l o g c i r c ui t s i s ve r y hi g h, w e m us t m a a c om pr om i s e be t w e e n t s t a bi l i t y o f t s y st e m , p ow e r c um pt i a r e a a nd s o B e s i de s , i n or de r t o m a i n t a i n c t a se t t l i t i m e w i t h di f f e r e i si l a m pl i t i n a ut om a t i c g a i n c r o l ( A G C ) l t g a i n V G A sh d ha e x nt i a l g a i n c ha r a c t e r i st i c . D t o t sq ua r e - l a w c h a r a c t e r i s t i c s C M O S t e c i t i s di f f i c ul t t o g e n e r a t e a n e x nt i a l ga i n y b a G A i t se l f , s o w e n e e d a n e x t r a c i r c ui t t o g e n e r a t e t e x nt i a l s i g na l t o c r t g a i n , a nd t hi s i m pr t di f f i c ul t y t de si g n. W hi l e i n t di g i t a l A G C ( D A G C ) s y s t e m , w e j us t ne e d a V G A c i r c ui t , t c r ol l i si g n a l c a n b e g e n e r a t e d b y t h e D S P . T he n, w e c a n de c r e a s e t di f f i c ul t y t de si g n o f t c i r c ui t . T pr e d A G C i n t hi s pr oj e c t i s a t y pi c a l di g i t a l A G C w e ga i n i s c r ol l e d b y f i di g i t a l c s. T V G A c i r c ui t i s c a s c a de d b y 6 a m pl i f i e r s . T g a i n c r r a n g e t pr o d V G A c a n 50 w i t h t l i ne a r i t y e r r l e s s t ha n 0.2 a nd t h e ba i dt h i s m or e t ha n 10 0M H z . pr e d A G C i s i m pl e m e nt e d i n C m M O S t e c F t c a s e o f s y t a g e s V D D = 1. 8 V , t c ur r e c m pt i on i s l e t ha n 2 m W . K e yw or d s : A ut om a t i c G a i n C r ( A G C ) ; V a r i a bl e G a i n A m pl i f i e r ( V G A ) ; l i ne a r c ha r a c t e r i s t i c . V 目录 摘要. 一章 绪论.文的背景.文结构.结.二章 论思想及发展概况.发展状况及发展方向.拟 论基础及 计特点 . 模拟 体构架. 指数产生电路.字 论基础. 数字 点. 数字 构框图. 11 字 统中的主要模块. 11 字 实现方法. 设计中存在的问题.计基本要求.种常见的模拟、数字 . 基于 元的 . 基于共源级的模拟 路. 基于数字控制的 路.结.三章 .路结构与原理.统电压电流偏置电路 . 与温度无关的基准电压及基准电流. 电阻偏置与电流源偏置的区别.增益微调电路.电容引起的增益下降.宽要求. 无线接收机中高 动态范围数字自动增益控制电路设计 V I 小结 . . . . 34 第四章 V G A 电路仿真 结果 . . . 35 增益仿真 . . . . 35 声仿真分 析 . . . . 37 1仿真 . . . . 38 状态下的噪声系数 、 P 1以及功耗 . . 40 度仿真 . . . . 42 艺角仿真 . . . . 43 路中参考源的分布 . . . 45 小结 . . . . 46 第五章 V G A 的版图设 计 . . . 47 图设计概要 . . . . 47 图寄生参数 . . . 47 号的耦合效应 . . . 48 件适配 . . . . 48 体电路的版图实现 . . . 49 电路的最终版图 . . . 54 小结 . . . . 55 第六章 测试结果 . . . . 57 试过程 . . . . 57 试结果及分析 . . . 59 小结 . . . . 61 第七章 总结与展望 . . . . 63 致谢 . . . . . 65 参考文献 . . . . 67 绪论 1 第一章 绪论 1 . 1 论文 的背景 在无线接收机中 （ 系统结构如图 示 ） ， 由于 发射功率大小及 各种 外界 因素 的 影 响 ， 接 收 机 所 接 收 的 信 号 强 弱 变 化 范 围 很 大 。 而 且 由 于 传 输 信 道 的 非 线 性而 造 成 信 号 的 多 径 衰 落 ， 同 时 传 输 信 号 也 受 到 各 种 噪 声 的 干 扰 ， 这 将 使 得 接 收 机接收到的信号时强时 弱 ， 其 信号变化的强度可以从几微伏至几毫伏 ， 如对于 G S 它能接收到的最弱有用信号为 - 10 0 dB m ， 所能接收到的最强有用信号为- 20 dB m ， 信号的能量变 化范围为 8 0 如果 接收机的增益不变 ， 则信号太强时会造 成 接 收 机 的 饱 和 或 阻 塞 ， 甚 至 能 够 造 成 接 收 机 的 损 坏 ， 而 信 号 太 弱 时 又 可 能 造成 信 息 的 丢 失 。 因 此 ， 在 接 收 弱 信 号 时 ， 要 求 接 收 机 的 增 益 高 ， 而 接 收 强 信 号 时增 益 低 ， 并 且 使 输 出 信 号 保 持 适 当 的 电 平 ， 不 至 于 因 为 输 入 信 号 太 小 而 无 法 正 常工 作 ， 也 不 至 于 因 为 输 入 信 号 太 大 而 使 接 收 机 发 生 饱 和 或 堵 塞 。 而 这 种 要 求 靠 人工实现是很困难的 ， 必 须采用自动增益控制 ( A ut om a t i c G a i n C r 简称 A G C ) ，其目的在于使接收机的增益能够随输入信号的强弱而自动调整 ， 其功能如图 1. 2 所示 。 只 有 在 自 动 增 益 控 制 电 路 的 控 制 下 ， 整 个 系 统 的 性 能 才 能 得 到 保 证 ， 并 使 得下 一 级 电 路 能 够 在 正 常 的 状 态 下 工 作 ， 因 此 自 动 增 益 控 制 电 路 在 无 线 接 收 机 中 具有十分重要的作用 。 图 线 接收 机系 统结 构 图 1. 2 A G C 功 能示 意图 自 动 增 益 控 制 电 路 的 原 理 为 ， 当 天 线 接 收 到 的 信 号 强 度 变 化 很 大 时 ， 保 持接收机输出电压恒定或基本不变 。 具体的说 ， 当输入信号很弱时 ， 接收机的增益大 ， 无线接收机中高 动态范围数字自动增益控制电路设计 2 自动增益控制电路不起作用 ； 当输入信号很强时 ， 自动增益 控制电路开始起作用 ，使 接 收 机 的 增 益 减 小 。 从 而 使 接 收 机 输 出 端 的 信 号 强 度 仍 可 以 保 持 不 变 或 基 本 不变 。 为了实现自动增益控制 ， 必须产生一个随外来信号强度变化的电压 （ 或电流 ）信号 ， 然后再用这个电压 （ 或电流 ） 信号去控制接收机有关级的增益 。 如 1. 3 （ a ）给 出 了 模 拟 自 动 增 益 控 制 电 路 的 方 框 图 ， 它 由 四 个 模 块 组 成 ： 可 变 增 益 放 大 器（ V a r i a bl e G a i n A m pl i f i e r ， 简称 V G A ） 、 峰值 检测器 、 差分放大器 （ 或比较器 ） 以及 低 通 滤 波 器 。 可 变 增 益 放 大 器 具 有 一 个 增 益 控 制 输 入 端 ， 它 的 增 益 受 到 增 益 控制输入端信号 V c 的控 制 ； 峰值检测器 的作用是 对 V G A 输出信号的 峰值进行检测 ，并将这个峰值与参考电平 V r e f 进行比较 ， 比 较后的电平经低通滤波器后产生直流控制信号 V c 去控制可变增益放大器的增益 A v 。 若输入电压幅度 V i n 增 大 或电路参数变化使增益变大导致 V 小 时 ， 环路产生一 个 控制信号 V c ， 使 A v 增加 ；反之在各种因素造成 V 加 时 ， 环路也会产生控制信号 V c ， 使 A v 减小 。 即通过环路控制的作用 ， 无论 V i n 或者系统参数变化 ， 输出信号电平 V 将保持在由参考电平 V r e f 决定 的电平上几乎不变 1 。 图 1. 3 （ b ） 给出了自动增益控制电路的 输 入 输 出 传 输 曲 线 ， 并 且 将 该 曲 线 同 没 有 自 动 增 益 控 制 机 制 的 电 路 进 行 比 较 ，从曲线中我们可以看到 ， 当输入信号幅度很小时 ， 自动增益控制电路不发生作用 ，而 随 着 输 入 信 号 幅 度 的 增 加 ， 自 动 增 益 控 制 电 路 的 增 益 受 到 调 节 ， 并 且 在 此 增 益控 制 下 ， 输 出 信 号 幅 度 基 本 保 持 不 变 ， 而 输 入 信 号 超 过 工 作 量 程 时 ， 自 动 增 益 控制电路失去作用 ， 因此 ， 一般要保证输入信号工作在自动增益控制电路量程之内 。 图 1. 3 自动 增益 控制 电路 的基本 原路 （ a ） 为 A G C 结 构框 图 ， （ b ） A G C 输 入 - 输出传输 曲线 随 着 数 字 处 理 技 术 的 发 展 以 及 数 模 混 合 集 成 电 路 的 出 现 ， 越 来 越 多 的 接 收机采用数字信号来控制可变增益放大器的增益 ， 如图 1. 4 2 所示 。 图 1. 3 （ a ） 中所示的 模拟 A G C 中的 各个模块 ， 除了可变增益放大器外 ， 其他的模块都可以在数字域实现 ， 提高增益控制的精度 ， 并且 减小了模拟电路设计的难度 。 V G A 的输出经模数转换器后转变为数字信号 ， 在数字域 内通过 D S P 对信号强度进 行 数字化处理 ， 绪论 3 并给出数字控制字来控制 V G A 的增益 ， V G A 的增益一般根据数字控制字的大小按 长变化 。 图 1. 4 数字 自动 增益 控制 电路 由于数字自动增益控制电路中 的增益控制位主要由数字信号处理模块产生 ，所以对模拟电路的设计难度没有太高的要求 ， 并且 ， 数字 A G C 的精度要远远高于模拟 A G C 的精度 。 同时 ， 在当今 C M O S 工艺下 ， 数字电路的尺寸更小 ， 集成度更高 ， 功耗也更低 ， 并 且可以和模拟电路有很好的兼容性 ， 所以 ， 将 来 A G C 系统的主流应该为数字 A G C 系统 。 本文的重点也是数字 A G C 系统中 V G A 模块的设计 。在图 1. 3 中 ， A G C 系统的核心模块 是可变增益放大器 V G A ， 它直接 影响着 A G 种 性能 ， A G C 系统的稳定性以及对输入信号的响应灵敏度在很大程度上由 V G A 确定 ， 因此 ， 本论文主要围绕 V G A 展开工作 ， 结合当今主流的 C M O S 工艺 ， 提出 V G A 电路的 设计方案及仿真结果 ， 并采用 T S 艺进行了投片 ， 对芯片进行了系统的测试 。 1 . 2 论文 结构 本 论 文 由 七 章 组 成 。 本 章 主 要 对 课 题 的 选 题 背 景 和 目 的 做 了 简 要 的 概 述 。 第二章 对 A G C 的理论基础做了介绍 ， 其中包括模拟 ， 数字 A G C ， 并针对此 V G A 的设计要求 ， 提出了总的 V G A 设计架构 。 第三章主要介绍本课题中的 V G A 的设计与仿真 。 第四章 给出了该 V G A 电路的各项仿真结果 。 第 五 章主要内容为 V G A 的后 仿 真 结 果 以 及 版 图 设 计 结 果 ， 并 且 对 版 图 设 计 工 作 中 出 现 的 一 些 问 题 做 出 了 说明 。 第 六 章 主 要 为 芯 片 的 测 试 过 程 ， 包 括 了 测 试 过 程 中 使 用 的 仪 器 介 绍 ， 测 试 环境 的 搭 建 ， 测 试 方 法 以 及 最 终 的 测 试 结 果 。 第 七 章 主 要 是 对 课 题 研 究 成 果 的 总 结和展望 。 小结 本 章 主 要 就 选 题 背 景 和 论 文 的 整 体 结 构 做 一 个 说 明 ， 同 时 提 及 到 一 些 有 关A G C 的知识 ， 对模拟 A G C 和数字 A G C 的系统结构框图做一个简要的概括 ， 使 读者在宏观上对 A G C 有一个认识 ， 为后面的 V G A 电路的设计做准备 工作 。 无线接收机中高 动态范围数字自动增益控制电路设计 4 章 A G C 理论思想及发展 概况 5 第二章 理 论思想及 发展概 况 随着 C M O S V L S I 技术 的不断提高以及对器件低成本 、 低功耗的要求 ， 现在的绝大部分 V G A 电路都采用 C M O S 的电路结 构 ， 但 C M O S 本身的特 殊性 （ 与 B i a 平方特性 ， 不具有指数特性 ） 使 得 C V G A 电路设计存在 一定的难度 ，主要体现在指数产生电路上 。 本章首先 介绍 V G A 的 发展状况及发展方向 ； 其次通过模拟和数字 述可变增益放大器的理论基础 及 C M O S V G A 的设计特点 ； 最后给出一些常见的用 于A G C 系统中的 V G A 电 路 。 2 . 1 V G A 的发展状 况及发展 方向 可变增益放大器的概念早在上世纪八十年代就已经被提出来了 ， 在当时的应用主要是 磁盘数据读写系统 ， 在这个系统中 ， 可变增益放大器的主要作用是保证读回脉冲的平均幅度达到一个稳定的值 。 由于在读回脉冲幅度中包含了各种信息成分 ， 并且这个脉冲幅度要被大约放大 30右 ， 达到一个参考的电平值 ， 然后被送到峰值检波器中 ， 这样才可以达到最佳的检波效果 。 在磁盘数据读写系统中 ，可变增益放大器的设计主要有三方面的性能指标 ： 一是线性的相频特性 ； 二是低的噪声系统 ， 防止输出信噪 比下降 ； 三是 30动态范围 。 九十年代中期 ， 通信系统开始起步并且迅猛发展 。 在任何通信系统的众多焦点中 ， 高选择性和良好的输出信号电平的控制需要成为必须要考虑的重点 。 因为输入到接收机中的信号可能是从任何方向传来 ， 其幅度也是不可预知的 ， 所以必须经过自动增益控制系统才能稳定其幅度 ， 进而使输出电平标准化 ， 为下一步的数字信号处理提供方便 。 通常来讲 ， 可变增益放大器的增益调整动态范围和带宽范围分别为 ： 35 10 0 40 M H z 2 5 0M H z 。 近年来 ， 随着 射频 集成电路的 高速发展 ， 高水平的 可变增益放大器 设计已经可以 在 一个很高的频率范围内实现了宽的线性范围 。 可以通过级联 相同的增益单元获得更宽的增益范围 ， 但是这也意味着系统 噪声 的增加 ， 为了使增益放大器获得 最 佳的频率响应 ， 必须在可变增益放大器的后一级加上一个额外的输出级 。 目前 ， 可变增益放大器电路以 C M O S 放大器 为主 ， 另外一种可行方案是 采用 B i C M O S 工艺 ， 这种工艺结合了 C M O S 技术高集成度的特征 ， 并且同时可以实现指数关系的控制电路 3 。 近年来 ， 随着 V G A 技 术的发展 ， 在助听系统和医学等众多领域中也逐渐采用了 V G A 电路 ， 但是在 迅速发展的通信系统当中 ， 主要驱动力仍然是高性能的可 无线接收机中高动态范围数字自动增益控制电路设计 6 增益放大器。另外，由于 艺在低成本、低功耗、高集成度方面的优点，基于 艺的可变增益放大器已经成为主流。因此，针对无线无线通信以及艺的特点，近几年来，变增益放大器的研究和发展方向主要集中在以下三个主要的方面： （1）用 术实现增益的指数函数新的近似方法； （2）数字化的增益控制算法和实现； （3）更好的增益带宽积。 拟 论基础及 计特点 拟 体构架 在典型的则，统稳定增益的建立时间将是输入信号幅度的函数，则 总体预计的建立时间至少大于最长的环路增益建立时间。因此所设计的统要具有这样的特性，即其环路建立时间与信号幅度无关4。图 次给出模拟 统的电路结构，在峰值检测器之后加入对数放大器，主要是因为在示下，系统可以近似为线性系统，便于分析（后面说明在无此对数放大器下，依然满足在有对数放大器下推出的结论）。 )1型的模拟 路结构 )cG) yk) zk)拟 型结构图 论思想及发展概况 7 图 图 模型结构框图，其中 别表示输入输出信号的幅度，x(t)、y(t)、z 分别为 示形式。 下面推导使环路建立时间与信号幅度无关的条件。由图 以看出输入信号、输出信号、可变增益放大器增益之间满足式（2 )()(= 式（2控制信号 出峰值经比较器与 较并滤波后得到，可以通过下式（2到 210 -= 式（2对式（2导，并代入式（2即有： (1)(21式（2假设(1为常数， 则 2可以表示为 + )(2式（2从式（2以看出该一阶系统具有高通响应特性，该系统的时间常数的表达式为 122)(11-= 式（2因此可以看出，若 统建立时间恒定（ 为常数），应满足 )(1=式（2从式（2可以看出，在有对数放大器下， 统的建立时间恒定，其约束条件为：增益与控制信号之间具有指数关系，在此指数关系下，且建立时间由式（2定。下分析在无对数放大器中的情况。 当不存在对数放大器时，式（2以表示为 )( 式（2统中，终保持在由 确定的电平上几乎不变，因此 y(t)z，泰勒公式展开下为： 无线接收机中高 动态范围数字自动增益控制电路设计 8 )(1)(+-+ 2 - 8 ） 因此 ， 式 （ 2 - 7 ） 可以写为 += 式 （ 2 - 9 ） 同理可以得到 ， 无对数放大器下 ， 建立时间由式 （ 2 - 10 ） 确定 。 1)(11-=R E x 式 （ 2 - 10 ） 其恒建立时间 A G C 仍应满足式 （ 2 - 6 ） 综上所述 ， 可以得到 ： 在环路滤波器 G M 为线性时不变条件下 ， 恒建立时间A G C （ 无对数放大器 ） 的约束条件为 V G A 的 控制信号具有如式 （ 2 - 6 ） 所示的指数特性 ， 即 V G A 的增 益 G （ V c ） 与直流电 平 V c 成 指数关系 。 因此在 V G A 电路的设 计中 ， 要求 V G A 电路 的增益与控制信号之间成指数关系 （ 即 线性关系 ） ， 这不仅提高了 A G C 的动态范围 ， 而且无论增益值多少 ， 指数特性的 V G A 都能使 A G C 的增益建立时间为恒定值 。 V G A 电路的 这一特性在早期的双极 型 工艺中不难实现 ， 因为在双极工艺中 ， 基 极 与发射极之间的电压 V 但 双极工艺 固有的频率响应较差 ， 现在的V G A 中很少采用此工 艺 。 B i C M O S 工艺虽然 可以集 成 C M O S 管 ， 改善频率响应 ，但 其 工艺价格昂贵 ， 处于成本考虑 ， 用 B i C M O S 工艺来实现 V G A 并 不是一个 理想 的选择 。 因此 ， 随着低功耗