可变增益放大器的研究的毕业论文.docx

可变增益放大器的研究的毕业论文目录毕业论文（设计）I长江大学毕业论文(设计)任务书I毕业设计开题报告III长江大学毕业论文(设计)指导教师评审意见IX长江大学毕业论文(设计)评阅教师评语X长江大学毕业论文(设计)答辩记录及成绩评定XI中文摘要XII英文摘要XIII1 前言11.1 课题意义11.2 可变增益放大器的发展现状和趋势12可变增益放大器的设计基础32.1 自动增益控制环路基础32.2 VGA 的性能参数42.3 VGA 的结构92.4 本章小结183指数增益控制技术和实现方式183.1指数控制电路183.2增益dB 线性的实现方式204 可变增益放大器的设计204.1 输入匹配电路204.2 主体放大电路214.3 控制电压转换电路234.4 输出匹配电路234.5 仿真结果245总结25参考文献26致谢27xx大学毕业论文(设计)任务书 1. 毕业论文(设计)题目：可变增益放大器的研究2. 毕业论文(设计)起止时间：2015 年1月12日2015 年6月10 日3. 毕业论文(设计)所需资料及原始数据（指导教师选定部分）1xx. CMOS可变增益放大器设计概述. 微电子学，2005，35(6)：612617；2xx. CMOS 宽带可变增益放大器. 半导体学报，2005 ，26(12)：2401-2406；3xx，等. 宽带 CMOS 可变增益放大器的设计. 半导体学报,2007，28(12):1967-1971;4xx CMOS 高线性变增益放大器. 半导体技术，2004，29(11):65-67;5 xx. CMOS 宽动态范围的可变增益放大器. 半导体学报， 2003, 24(8): 595-599;6 xx. 0.18um CMOS 可变增益放大器.电子器件2006,29(4):1031-1034.;7 xx，等. 宽带 CMOS 可变增益放大器的设计. 半导体学报， 2007，28(12): 1967-1971;4. 毕业论文(设计)应完成的主要内容通过查阅可变增益放大器的相关资料、书籍及文献，研究 VGA 的基本理论，熟悉多种 VGA 结构和优缺点，并选择可实现增益 dB 线性的 VGA 结构。研究 VGA 的基础理论与架构，结合电路理论，完成各模块电路的建模。并针对功耗以及线性度和输出摆幅进行优化分析，得到最优功效的 VGA 架构。根据各关键模块的性能指标，选择合适的拓扑结构，分析各种电路和工艺的非理性因素，仔细分析设计电路以达到指标要求。完成各关键模块的结构和电路参数设计后，将各模块联结起来对整个 VGA进行仿真、调试。5. 毕业论文(设计)的目标及具体要求 基于可变增益放大器的理论研究，设计满足60dB线性增益的宽动态范围可变增益放大器的系统架构，完成增益dB线性的VGA的设计。根据VGA系统模块化性能指标分配理论，确定个关键模块的性能指标。6. 完成毕业论文(设计)所需的条件及上机时数要求 上机100小时任务书批准日期 年 月 日 教研室(系)主任(签字) 任务书下达日期 年 月 日 指导教师(签字) 完成任务日期 年 月 日 学生（签名） xx大学毕业设计开题报告题 目 名 称 : 可变增益放大器的研究 院 （系） : 物理与光电工程学院 专 业 班 级 学 生 姓 名指 导 教 师辅 导 教 师 开题报告日期可变增益放大器的研究 学 生：xx 物理与光电工程学院 指导老师：xx 物理与光电工程学院一、题目来源科研项目二、研究的目的和意义由于在大自然的空气中存在着各种不可预测的干扰因素，故接收机接收的外部信号的强弱会有不同。为了提高接收效果，一般的通信接收系统都会采用自动增益控制电路，而可变增益放大器(Variable Gain Amplifier, VGA)是自动增益控制电路的核心部件。它起着改变系统增益，调整系统各级动态范围并进行功率控制的作用。可变增益放大器通常输出给模数转换器（Analog to Digital Convertor,ADC），可变增益放大器必须满足 ADC 性能要求，由此可见可变增益放大器的优劣对通信接收系统的性能有非常大的影响。因此可变增益放大器在各种需要进行自动增益控制的系统中应用广泛。三、阅读的主要参考文献及资料名称1xx. CMOS可变增益放大器设计概述. 微电子学，2005，35(6)：612617；2xx. CMOS 宽带可变增益放大器. 半导体学报，2005 ，26(12)：2401-2406；3xx，等. 宽带 CMOS 可变增益放大器的设计. 半导体学报,2007，28(12):1967-1971;4xx. CMOS 高线性变增益放大器. 半导体技术，2004，29(11):65-67;5 xx. CMOS 宽动态范围的可变增益放大器. 半导体学报， 2003, 24(8): 595-599;6xx 0.18um CMOS 可变增益放大器.电子器件2006,29(4):1031-1034;7 xx，等.宽带 CMOS 可变增益放大器的设计. 半导体学报， 2007，28(12): 1967-1971;四、国内外研究现状和发展趋势 1.国内外现状2010 年，So Young Kang 等人发表一篇文章，该文章中的 VGA 采用数字控制与可编程增益放大器有许多相似之处，该 VGA 的功耗只有 2.16mW，但是它的线性度等相对要差一些，不能够用在高性能的系统中。2011 年，T.A.Wey 等人发表了一篇文章，在该文章中提出的 VGA 结构中使用了二氧化钛二极管忆阻器，这种采用物理式嵌入记忆的结构是很新颖的，能够通过这种物理式嵌入记忆的方式来降低功耗、提高带宽。但是这种依靠新材料或者元器件的方式在现在还并不能大范围的普及，无论是技术还是资金方面都存在着限制。 2012 年，xx等人基于 0.18m CMOS 工艺实现了一种数字控制的可变增益放大器，并且利用增益加强技术改进可了步进精度。最终，增益动态范围为 62 dB，步长精度为 1 dB，步进误差在 0.2 dB 以内，功耗只有 2.7mW，-3dB 带宽为 80Mhz，芯片面积 0.3mm 0.8mm。2.发展趋势根据国内外研究现状，目前在国际上对 VGA 的研究呈现如下发展态势：1、低噪声发展随着无线技术以及相关 ADC 高精度的发展。 2、提高线性度技术3、低电压低功耗趋势4、更高频率下使用的 VGA5、宽动态范围发展趋势6、更多的使用纯 CMOS 工艺3.研究的主攻方向 本论文主要讨论具有低噪声、高线性度、宽动态范围、低功耗指标的高性能可变增益放大器的研制课题。 五、主要研究内容、需重点研究的问题及解决思路1.主要研究内容（1）可变增益放大器的基本理论与结构学习 通过查阅可变增益放大器的相关资料、书籍及文献，研究 VGA 的基本理论，熟悉多种 VGA 结构和优缺点，并选择可实现增益 dB 线性的 VGA 结构。（2）60dB 线性增益的宽动态范围 VGA 开环系统架构建模 研究 VGA 的基础理论与架构，结合电路理论，完成各模块电路的建模。并针对功耗以及线性度和输出摆幅进行优化分析，得到最优功效的 VGA 架构。（3）关键模块性能指标确定 确定 VGA 系统架构后，评估 0.13m/3.3V CMOS 工艺，结合工艺参数和系统性能指标，根据 VGA 系统模块化性能指标分配理论，确定各关键模块的性能指标。（4）关键模块设计与仿真 根据各关键模块的性能指标，选择合适的拓扑结构，分析各种电路和工艺的非理性因素，仔细分析设计电路以达到指标要求。（5）整体电路的仿真与调试 完成各关键模块的结构和电路参数设计后，将各模块联结起来对整个 VGA进行仿真、调试。2.重点研究问题 关键模块性能指标确定。各种设计指标的折中应该是 VGA 设计中最具挑战的任务。尤其是噪声和线性度的折中，比如，一种 VGA 的设计优化提供最大的增益和最小的噪声系数，而具有很差的线性度，相反，另一种 VGA 设计优化提供了最好的线性度，其代价是更小的最大增益和更高的噪声。这些矛盾的产生是因为晶体管本身是非线性器件，但在放大器工作的范围内能够被近似为线性，而这种近似能够成立的范围是由晶体管的增益决定的。当增益增加时，近似能够成立范围下降。同时噪声因子与增益是正相关关系。因此优化 VGA 的设计使其满足上述三个指标非常的具有挑战性。 3.解决思路1）负反馈技术能更进一步的减低失真来提高电路的线性度 2）差分电路可以消除噪声 3）源级负反馈电阻的伪差分结构的功耗很低，结构也简单。此外，在低电压的情况下可以提供良好的线性度和高精度的增益补偿。六、完成毕业论文（设计）所必须具备的工作条件及解决方法1需要一台计算机完成编辑工作2需要一台计算机及其安装相应的仿真软件进行模拟分析，上机时数约100学时3能够进入期刊数据库查阅相关文献七、工作的主要阶段、进度与时间安排1）查阅相关资料文献； 1月15日3月2日2）完成开题报告； 3月25日4月2日3）完成可变增益放大器的基本理论与结构学习； 4月 02日5月1日4）VGA 开环系统架构建模和关键模块性能指标确定; 5月2日5月10日5）整体电路的仿真与调试； 5月11日5月21日6）完成论文写作并修改定稿； 5月21日5月31日 7）论文答辩； 6月。8、 指导教师审查意见 指导教师： 年 月 日 xx大学毕业论文(设计)指导教师评审意见学生姓名xx专业班级xx毕业论文(设计)题目可变增益放大器的研究指导教师xx职 称 副教授评审日期评审参考内容：毕业论文(设计)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生的学习态度和组织纪律，学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文(设计)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。评审意见： 指导教师签名： 评定成绩（百分制）：_分xx大学毕业论文(设计)评阅教师评语学生姓名xx专业班级xx毕业论文(设计)题目可变增益放大器的研究评阅教师职 称评阅日期评阅参考内容：毕业论文(设计)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文(设计)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。评语：评阅教师签名： 评定成绩（百分制）：_分长江大学毕业论文(设计)答辩记录及成绩评定学生姓名xx专业班级xx毕业论文(设计)题目可变增益放大器的研究答辩时间 年 月 日 时答辩地点一、答辩小组组成答辩小组组长：成 员：二、答辩记录摘要答辩小组提问（分条摘要列举）学生回答情况评判三、答辩小组对学生答辩成绩的评定（百分制）：_分 毕业论文(设计)最终成绩评定(依据指导教师评分、评阅教师评分、答辩小组评分和学校关于毕业论文(设计)评分的相关规定)等级(五级制)：_答辩小组组长(签名) ： 秘书(签名)： 年 月 日院(系)答辩委员会主任(签名)： 院(系)(盖章)可变增益放大器的研究 学 生：xx，物理与光电工程学院指导教师：xx，物理与光电工程学院摘要 可变增益放大器(VGA)是模拟电路的一个基本组成模块。随着微电子技术的发展，可变增益放大器广泛地应用于电视调谐器、助听器、移动通信系统，硬盘驱动系统和无线通讯等诸多领域之中。随着深亚微米CMOS工艺的到来，集成电路的特征是尺寸越来越小，电源电压逐渐降低，高性能的VGA设计向模拟电路设计师提出了严峻的挑战，目前可变增益放大器的研究向着高的线性度、低电压低功耗、宽的动态范围等方向发展。鉴于此，探讨了一些高性能VGA的设计技术，对开环VGA和闭环VGA两种结构作了详细的论述，并分析相应的增益控制方法和优缺点是很有意义的。我国在相关方面的研究还处于起步阶段，因此也就成为一项人们关注的课题。本文的主要工作是：首先介绍了可变增益放大器的设计挑战与 VGA 的研究现状；接着对 VGA 的性能指标及常见结构进行阐述；探讨了一些高性能VGA的设计技术；对开环VGA和闭环VGA两种结构作了详细的论述；并分析了相应的增益控制方法和优缺点。关键词可变增益放大器；VGA；开环；闭环；增益控制； Study on variable gain amplifierB.S Candidate: Wang Shuangquan School of Physical Science and Technology Supervisor: Li Lin School of Physical Science and TechnologyAbstract A variable gain amplifier (VGA) is one of the basic modules of analog circuit. With the development of microelectronic technology, variable gain amplifier is widely applicated in TV tuner, hearing aids, mobile communication system, hard disk drive system and wireless communications and other fields. With the advent of deep sub micron CMOS technology, feature size of integrated circuits is getting smaller and smaller, power supply voltage decreases, VGA design of high performance analog circuit designers to proposed severe challenges, the variable gain amplifier research toward the direction of high linearity, low voltage and low power consumption, wide dynamic range. In view of this, discussesing some high performance VGA designing technology, open loop VGA and closed two structures in detail, and analyses the corresponding gain control methods and their advantages and disadvantages. In the relative research in China is still in the initial stage, it has become a topic of concern.The main work of this paper is: introduced the research status of the variable gain amplifier design challenges and VGA; then expounded the performance indexes of VGA and common structure; discusses some high performance VGA design technology; open-loop VGA VGA and closed two structures for the detailed discussion; and analyzes the corresponding gain control methods and their advantages and disadvantages. Keywords Variable gain amplifier; high performance; open loop; closed loop;XIII可变增益放大器的研究1 前言1.1 课题意义由于在大自然的空气中存在着各种不可预测的干扰因素，故接收机接收的外部信号的强弱会有不同。为了提高接收效果，一般的通信接收系统都会采用自动增益控制电路，而可变增益放大器(Variable Gain Amplifier, VGA)是自动增益控制电路的核心部件。它起着改变系统增益，调整系统各级动态范围并进行功率控制的作用。可变增益放大器通常输出给模数转换器（Analog to Digital Convertor,ADC），可变增益放大器必须满足 ADC 性能要求，由此可见可变增益放大器的优劣对通信接收系统的性能有非常大的影响。因此可变增益放大器在各种需要进行自动增益控制的系统中应用广泛。1.2 可变增益放大器的发展现状和趋势可变增益放大器作为RF接收器的关键模块，其设计技术的研究一直是RF集成电路的热点。众多设计技术和新颖电路结构都是围绕可变增益放大器各项性能展开的。可变增益放大器需要在增益范围、线性度、功耗、噪声等性能之间做折中，应用系统不同对各项性能的要求亦不同。由于VGA在数据传输和转换、通信领域等方面的重要作用，对VGA进行多方面的研究意义重大1。世界上许多高校和研究机构都在进行各种结构的可变增益放大器 研究和开发。从他们的研究成果中，我们可以了解到VGA 的发展动态。1996 年，CSrinivasan 等人设计的VGA 具有15dB 到40dB 的增益控制范围带宽为80MHZ，功耗为30mW。该设计是利用工作在线性区的MOS 管作为并联反馈部分来调节增益，电路增益与控制电压是成反相关的关系。2002 年，Abdelfattah K. M 采用0.5m CMOS 工艺设计了一种新型的VGA，使电路在较宽的范围内满足近似指数关系。用软件仿真，结果显示其增益动态范围可以达到50dB，供电电压为1.5V，功耗小于1.2mW.2003 年，郑吉华、李永明、陈弘毅等人采用函数近似的方法利用源极负反馈的电路结构来实现了增益dB线性的可变增益放大器。2004 年，Yuanjin Zheng 等人采用0.35m 工艺设计出增益范围60dB 的VGA， 带宽大于10MHz。并构造了一种新颖的指数控制电路实现增益dB 线性特性。2005 年，王自强、池保勇、王志华等人基于 TSMC 0.25m CMOS 工艺设计实现了一款动态范围在 040dB；在负载为 5pF 电容，带宽大于 340MHz；输出的三阶互调截点在 3.5dBm 以上的可变增益放大器2006 年，恽廷华、唐守龙、时龙兴等人基于 0.25m CMOS 工艺采用跨导线性化原理实现了一种具有增益 dB 线性的可变增益放大器。测试结果表明该放大器的动态范围 848dB，最大增益值处的噪声系数是 8.7dB，差分输出摆幅为 1V 的三阶互调，失真小于-60dBc。2007 年，郭峰、李智群、陈东东、李海松、王志功等人采用 TSMC 0.18m RFCMOS 工艺实现了动态范围为-3.39.5dB 的 增益dB 线性的可变增益放大器2008 年，Yong-Ju Suh 等人设计了用于三波段WCDMA 的VGA，在800MHz 下动态范围大于100dB，在2GHz 下动态范围大于84dB。通过两级放大器实现了宽动态范围，并设计了新颖的电压-电流指数控制电路，在800MHz 下的最大输出功率为7dBm。2009 年，李丹、闫涛涛、陈东坡、周建军等人采用电阻负反馈的放大器闭环结构实现一个 030dB 动态范围的可变增益放大器，该可变增益放大器的带内纹波小于 0.1dB，IIP3 在 0dB 增益时达到了 31dBm，电流功耗为 3mA。2010 年，曲明、檀柏梅、赵毅强、姜俊伟、李瑞杰等人对传统的可变增益放大器进行了优化设计，改进并采用相关双采样的功能，芯片面积减少约 5l，功耗降低约 27，带宽为 44.9MHz，噪声在 1MHz 频率点只有 18.5nV。从以上国内外的研究成果中我们可看出，目前VGA 的研究大部分是基于CMOS 工艺，且研究重点集中在了以下这三个方面：CMOS 工艺下宽范围的指数控制电路、宽增益动态范围的增益模块以及高线性度的可变跨导。国内的研究进展与国外相比还存在较大的差距，为此，展开高性能VGA 的研究很有必要。第17页 （共26页）2可变增益放大器的设计基础2.1 自动增益控制环路基础在无线通信系统中，天线收到的信号可能是强度不同的信号，并且变化的范围很大，对于这种强度变化范围很大的信号，要做到正确的解调，必须根据信号的强度的不同实时的调整增益，使输出信号强度维持稳定。自动增益控制环路(AGC Automatic GainControl)就是实现这种功能的电路。AGC 的主要模块是可变增益放大器，如图 1 所示，给出了自动增益控制环路的框图，可变增益放大器的输入端是一个增益可控的输入端，增益控制输入端信号控制它的增益；峰值检测器对 可变增益放大器输出信号的包络进行检波，检波后的信号通过低通滤波器进行滤波，然后将 VGA 的输出信号幅度的平均值送入比较器中，与参考电平进行比较，再根据比较的结果对 VGA 的增益进行调整，使输出信号的幅度保持恒定。 图1 自动增益控制环路框图随着数字信号处理技术的发展，AGC 环路也可以通过数字信号来控制，如图 2 所示，给出了数字自动增益控制环路的框图。VGA 的输出信号通过模数转换器转换成数字信号，在数字域中判断信号的强度，并产生数字增益控制字对 VGA 增益进行控制2。图2 数字自动增益控制框图2.2 VGA 的性能参数VGA的主要功能是实现增益变化,相应指标有增益变化范围、增益变化步长和增益变化精度。此外，还包括电源电压、功耗、带宽、线性、噪声、输入输出信号动态范围等，与固定增益放大器相比VGA设计中需要考虑增益变化对其他性能的影响。2.2.1 噪声噪声是一种无规则变化的电流或电压所表征出来的起伏现象，当加载信号时，会导致信号中的信息量减少。噪声可根据噪声源分为两大类：内部噪声和外部噪声。内部噪声是指通信系统中的内部电路噪声；外部噪声则是从系统外界传入的噪声。对于接收机设计而言，内部电路产生的噪声是主要研究对象。电路中的噪声可以看作是由电路中的噪声源产生的随机信号，通常采用功率谱密度PSD(PowerSpectral Dens)表征随机信号的特性，电路中电流或电压的波动通常导致信号中带有噪声，直流电流或直流电压实际上是由理想的直流信号和波动的交流信号组成的。为了能够利用交流电路理论计算电路的噪声功率，通常定义噪声电压或电流产生器为： Vn(f)=Sv(f) （1） in(f)=Si(f) （2）式中Snf，Si(f)分别表示的是直流电流和直流电压的功率谱密度函教。后面阐述的器件噪声模型 主要是定义了各自的噪声电压 产生器Vn或噪声电流产生器。噪声系数描述信号在通过电路时的信噪比SNR的衰减程度，噪声系数定义为输入信噪比与输出信噪比之间的比值，即： NF=SiNiSONO （3）式中，SI输入信号功率，NI为输入噪声功率，SO为输出信号功率，NO为输出噪声功率。NF通常采用dB对数形式。对于一个二端口网络而言，噪声系数可表示为： NF=SININOSO=NOGSI （4） 也即是说，噪声系数指的是系统总输出噪声与仅由于输入噪声引起的输出噪声之间的比值。对于可变增益放大器来说，由于电路的增益G是在一定的范围内变化，根据式（4）如果电路输出噪声No保持不变，则NF随G成反比变化，即高增益处放大器增益噪声系数是最小的，而在最小增益处VGA的噪声系数是最大的。图3 典型可变增益放大器噪声系数随控制电压的变化曲线图3表示的是一种典型NF随VGA增益控制电压的变化而变化的曲线，其中电路增益与控制信号成正比。由于VGA在最大增益处的输入信号功率最小，此时噪声对电路的 SFDR影响最大因此设计过程中一般都会给出VGA在最大增益处的噪声系数的指标，如图3中在最大增益处的噪声系数最小大约为9dB。2.2.2 线性度电路的线性度是 VGA 的另一个重要性能。线性度表征了系统加在输入信号上的非线性失真。在许多电路设计中，为了简化小信号响应，非线性系统被看作直流工作点上的线性电路。但是，当 AC 信号变大时，晶体管的直流工作点发生改变，非线性失真将变得显著，线性度的值决定了电路能够承受的最大输入信号功率3。通常一个非线性系统可以表示为：yt=a0+a1xt+a2xt2+a3xt3+ （5）其中 y是输出，x是输入，a1、a2、a3是多项式系数。通常我们用 1dB 压缩点来衡量电路的非线性。1dB 压缩点定义为系统的功率增益比理想的线性功率小 1dB 时输入输出的信号功率，如图 4 所示：图4 1dB点输入输出信号功率当两个频率的间隔非常小的信号加到非线性系统上时，两个信号的高次谐波就会使得输出信号中包含着不想要的分量，成为交调成分。这些交调项离基波非常近，会导致了失真，如图 5 所示：图5 三阶互调示意图在全差分电路结构中，对称的差分结构可以消除偶次谐波，电路中最重要的交调失真是三阶项。对于小信号，一阶项远远大于交调项，尽管如此，当输入信号的幅度增加时，三阶交调项以三次方的速度增加，远远快于一阶交调项的增加。三阶交调点定义为理想一阶输出曲线和两项三阶输出曲线的交点，如图 6 所示：图6 三阶互调点三阶交调点对应的输入信号的幅度为：AIP3=0.75a1a3 (6)最后一级子系统的非线性性能和增益对整个系统的影响最大。与噪声相反的是，当最后一级增益增加时，线性度降低。这表明为了满足设计要求，我们必须在线性度和噪声之间直接折中。2.2.3 增益与带宽级联系统的整体线性度和噪声是依赖于每一级的增益，因此，每一级增益的变化都会对整体的噪声和线性度造成相反的影响。另外一个重要的参数是放大器的带宽，同样也与增益相关，式(8)和(9)分别给出增益和带宽方程4。AV=R2R1+1gm (7)-3dB1R2C2 (8)从方程（7）中可以看出，增加输出阻抗将增加增益，但是会降低放大器的带宽。这表明，简单放大器中增益和带宽存在一个折中。但使用复杂的放大器时，这种关系也会变得更复杂，但是，增益和带宽总是相反变化的。不同系统中对可变增益放大器的带宽要求是不同的，根据系统需求不同及所使用的放大器结构的不同，可以使用不同的方法来加强系统的增益和带宽性能。多级放大器级联能够显著增加增益，但是会增加功耗，减小带宽。为了达到低功耗的需求以及更好的频率响应可以使用共源共栅结构，但这在低供电电压时会限制电压裕度，其它的技术比如电容补偿可以用来提高多级放大器的带宽，增益增强技术可以用来提高放大器的增益，上述方法都可以用于设计 VGA。2.2.4 增益范围和增益步长可变增益放大器与固定增益放大器的最大区别是增益控制范围和步长，为了实现恒定的环路建立时间，可变增益放大器必须具有对数线性增益控制特性。如图 7 所示：图7 VGA 的典型 dB线性增益控制特性上图是增益连续变化型 VGA，现在运用较多的是数字可变增益放大器，增益范围和增益步长是增益控制特性的两个最重要的指标，增益范围是指可变增益放大器最大的增益与最小的增益之差。现在VGA 电路可以提供的增益，从 20dB 至 190dB。一般来说，50dB 的动态范围就可以满足大多数无线通信系统的要求。增益步长的定义是每个增益控制位引起的增益变化，是衡量可变增益放大器调节精度的重要参数。典型值有 6dB、3dB、2dB、1dB。要想获得较小增益步长来提高增益精度，就需要更多的增益控制位，这将明显的增加系统的复杂度以及占用的面积5。2.3 VGA 的结构VGA主要分成开环和闭环两种结构。VGA 的特点在于增益是可变的，通常是在普通的闭环和开环放大器的基础上进行一定程度上的改进增益来实现。具有增益变化特性的闭环放大器是一种实现VGA 的主要方式。在开环放大器中，增益一般可表式为等效输入跨导和等效输出电阻的乘积，如式（12）。具有可变跨导或者输出电阻的开环放大器则是另外两种实现VGA 的主要方式。 AV=-GmRout （12）可以通过改变跨导或输出电阻实现增益变化，直接改变输出电阻是一种简单可行的改变增益的方式。2.3.1闭环结构的VGA闭环结构的VGA 如图9所示，如果运放理想，其闭环增益可表达为两个电阻之比。改变电阻R1 和R2，即可改变增益大小。图9 闭环结构的VGA AV=-R2R1 （13）若图中R1 不变，调节R2 从小到大变化从而实现增益从小到大变化；若R2 不变，调节R1 从小到大变化从而实现增益从大到小变化。如果电阻R2 改变，会影响输入、输出节点的极点，导致放大器的带宽发生改变；如果电阻R1 改变，对前一级将形成变化的负载效应，就需要增加缓冲电路来隔离6。闭环结构的可变增益放大器 使用负反馈的形式，性能较为稳定，其增益取决于电阻之比，线性度较高。在合适的设计下，可以实现端到端的输入输出，可以满足较大的信号动态范围。然而，由于实际中对运放高增益、大带宽、低失真和低噪声的要求，电路的设计会变得比较复杂，功耗相对较高。而且，由于运放自身的限制，难以实现宽带VGA。在设计闭环结构的VGA 时，应当注意非线性失真对电路的影响。在实际电路设计中还需要考虑芯片面积的因素，电阻不能做得太大。闭环结构VGA的实现有多种方式。其中一种是在输入端采用开关电阻阵列，通过电阻阵列实时切换实现增益的变化。另一种是在 闭环放大器中采用了一种基于 电流分配的网络，这种结构在实现 增益dB 线性变化的同时，也获得了60dB范围的增益控制。2.3.2基于负载可变的VGA在开环结构的VGA 中，通过改变输出电阻可以改变增益。文献7采用电阻和MOS 管并联的方式，通过控制MOS 管栅电压来改变整个并联结构的电阻，从而改变增益。文献9的输出电阻包含了MOS管 开环和电阻，通过开关的通断来控制输出电阻大小，从而达到控制增益的目的。一种常用的改变负载的方式是基于如图10所示 的电路结构。电路的负载为二级管连接的M3 和M4，其值为1/gm3,4。通过调节 三极管M3 和M4 的尾电流Ib 来调节输出电阻3,4，最终达到改变负载大小来实现增益变化的目的。实际上，电路增益可以表达为 AV=-gm1,2gm3,4 （14）若使电流Ia 和Ib 同时向相反方向变化，可以实现更大范围的增益控制。图10 负载可变的VGA2.3.2基于跨导可变的VGA改变电路的等效输入跨导也可以改变开环放大器的增益，这也是文献中最常采用的方式。对于不同类型的电路结构，等效跨导的调节方式是各不相同的，总的来说调节方式可以分为以下三类8。(1)线性区工作的共源共栅结构图11 线性区工作的共源共栅结构的VGA该结构的电路如图11 所示。共源共栅管 作为输入，输入对管M1、M2 工作在线性区，其等效跨导 是漏源电压VDS1,2 的线性函数，控制三极管M3 和M4 栅电压，调整M1、M2 的漏端电压VD1,2，从而改变VDS1,2，使电路的等效输入跨导变化。（2）基于源极负反馈的VGA如图12 的电路可以称为基于源极负反馈的VGA。连接在输入管源极的电阻2RS 阻值是可变的，增益可表示为 AV=-RDRS （15）M1、M2 的跨导越大，增益表达为两电阻阻值之比的准确程度就越高。调节源极负反馈电阻2RS 阻值就可调节增益。图12 基于源极负反馈的VGA（3）基于Gilbert 单元的VGA图13 Gilbert 单元的VGA图中M1和M2为输出管，M3至M6为耦合管，电压Vc控制耦合电流的大小，用于改变增益。Gilbert结构的优点是可以提供较大的增益和较小的噪声，适用于小信号输入情况。缺点则是一方面，在大输入信号下，MOS管可能会进入线性区，导致电路不能正常工作；另一方面，全差分结构的Gilbert电路叠堆了3层的MOS管，极大的限制了输出信号的动态范围。2.3.3 模拟控制 VGA传统的 VGA 电路完全基于模拟控制电路，传统的模拟 VGA 大部分基于Bipolar工艺的吉尔伯特乘法单元。双极性器件固有的指数 I-V 特性，能够很容易得到高增益范围和对数-线性增益变化特性。到了上世纪 80 年代底，利用 CMOS 工艺中的寄生双极性晶体管，将这种双极型控制技术运用于 CMOS 技术。这种技术的优点是寄生的横向和垂直双极型晶体管都能在标准的 CMOS 技术中实现，而且不需要任何额外的工艺步骤。不过由于这种寄生的器件的带宽有限，性能特性也不是很好，使得它们在实际应用中并不合适。因此，涌现了很多技术来尝试只用 MOS 这一种晶体管来实现线性-对数函数。一种方法是利用工作在弱反型或亚阈区 MOS 晶体管漏电流与栅电压的指数关系来实现。这种技术利用偏置在亚阈区的 MOS 管来实现大约 20dB 每级的对数-线性增益范围。不过这种技术也不是非常实用，因为它限制了可以接受的输入信号幅度，高频特性非常差，同时还需要额外的偏置电流9。另外一种可能性是采用近似技术，这可以在所有的 CMOS 工艺中实现指数函数。下面介绍几种基于工作在平方率区或先行区的 MOS 晶体管生成指数函数的近似方法。是基于以下近似： e2x1+x1-x (16)其中x表示独立的变量，多种 VGA 技术就是利用这种近似来用 CMOS 电路实现对数-线性特性，例如文献中的控制电路就是一个指数的电流电压变换器（伪指数电压产生器），这种指数控制电压产生器运用到 CMOS 吉尔伯特乘法器上，就可以获得指数变化的增益9。图 14 是这种伪指数电压发生器的功能框图。图14 伪指数电压发生器的功能框图一种具体的实现电路如图 15所示：图15 伪指数电压发生器电路图这个电路由两个背接的电流镜构成，信号 V1和 V2以差分的形式输入，如果信号 V3和 V4能够以指数的形式来变化，那么乘法器的输出也会以指数的形式变化。 当然这个电路只是这种近似方法的典型结构。另外在文献10中还提出了非常多的结构，这些结构能够提供更好的性能。另外一种近似被称为泰勒级数近似，它能够利用偏置在饱和区的 MOS 晶体管来生成近似的指数函数。忽略高阶项，二级泰勒级数近似可以表示为： ex1+x+12x2 （17）其中x是独立变量，文献中有几种结构就是采用了泰勒级数近似。一种泰勒级数的近似指数函数产生电路如图 17 所示：图16 近似指数函数产生电路但是总的来说，基于伪指数和泰勒级数近似的 CMOS VGA，并不能提供很高的增益范围，因此，有时候为了利用这些结构实现高增益范围，必须以很大的增益误差为代价。最近提出的一种新的近似指数方程如式 18 所示： f(x)=K+(1+ax)2k+(1-ax)2 （18）其中k 和a是常数，x 是独立变量。相比较前几种近似方法，基于式(18)的 VGA技术能够显著的提高增益范围。但是，这种结构的 VGA 带宽随着增益变化而变化较大。带宽从最高增益时低于 40MHz一直到最低增益时高于 1GHz。另外一种 CMOS 模拟 VGA 结构基于信号相加技术11。这种信号相加技术利用两种类型的增益补偿技术来完成线性对数增益控制。这种技术能够达到 380MHz 的带宽，同时能改善噪声和线性度。但是，这种 VGA 结构每一级的增益范围只有 20dB，而且尽管使用了两种增益补偿技术，增益误差依然高达 3dB。许多模拟 VGA 结构同样能被用于数字控制的 VGA，在接下来的一节里，将介绍几种典型的数字 VGA 技术。2.3.4数字控制 VGA 在现在大多数混合信号应用中，VGA 通常是必不可少的一部分，以在 ADC 的输入端获得一个合理的信号强度。当信号进入数字领域，便能用DSP 技术来实现复杂的数据控制和精确的增益计算。因此，在混合信号 IC 里面，自动增益控制电路中的增益控制部分由单片机控制来实现。如果使用模拟控制 VGA，那么 DSP 输出的数字信号就需要通过ADC转换为模拟信号，如图 18所示。不过，如果使用数字控制 可变增益放大器，那么 可变增益放大器 便可以直接由 DSP 输出的数字控制来直接控制，这样就可以简化电路，同时能简化模数接口。由于这些原因，数字控制 VGA从上世纪 90 年代开始流行用以简化模数接口。一种通用的 VGA 技术是使用电阻阵列的放大器。因为很难实现线性变化的模拟控制电阻，这种技术并不适合模拟 VGA，但是在数字控制 VGA 中非常流行。图 17是一种传统的由放大器和阶梯电阻构成的电阻阵列 VGA:图17 可编程电阻阵列的 VGA 结构这种 VGA 的增益由 Rf1/R1和 Rf2/ R2的比值决定，改变 Rf1、R1、 Rf2、R2这四个电阻中任何一个的阻值都能控制增益，这种简单的增益控制系统能够用多种不同的方法实现，一种方法如图 19 所示，这种方法使用电压模运算放大器，通过改变Rf来改变增益：图18 数字控制可编程反馈电阻网络的 VGA这种结构的最大优点在于它的简便，能够使用电阻反馈网络方便的实现。但是，反馈电阻 Rf的变化改变了反馈系数，从而导致输出极点的变化，最终使得带宽也发生了变化。有人提出了一种补偿技术，能在增益范围内补偿带宽的变化。但是如果使用这种额外的补偿技术，最高带宽将低于 12MHz，以及 0.5dB 的增益误差。另一种方式是使用高增益低输入阻抗