通用可变放大器的设计

1、现代通信原理课程设计通用可变增益放大器内容摘要：跟着增益控制放大电路技术的不断发展和科学技术的不断进步,根据放大器的特性在自动测控领域、智能测控领域、智能设备等方面有着举足轻重的作用，在一些重要领域的应用也比较广泛。可变增益放大器的增益方式主要有：连续变化和非连续变化两大种类。实际改变增益方有许多种方法，每种方法都各有各自的特点，各有各的优势，各有其优点和缺点。根据理论可分析,如果要改变通用可变增益放大器反馈控制电路的电阻和控制电路的输入电阻,都可以有效改变增益的效果。如果仅是简单地改变控制电路的电阻和控制电路的输入电阻，这样的可变增益放大器往往性能不是很好，有的甚至不能很好的正常运行。所以通

2、用可变增益放大器的选择和使用是非常关键的且意义重大。 关键词： 增益放大器 自动测控 集成运算放大器General variable amplifier designAbstract: With the continuous and control, intelligent measurement and control, intelligent instruments and meters and other important is becoming more and more widely in the field of application. Variable gain amplif

3、ier gain change ways mainly have artificial (or machinery) and programmable two categories (the latter usually with the aid of mu P), there are many types of specific methods, each method has its advantages and limitations. In theory, change the integrated operational amplifier (op amp) feedback res

4、istance or input resistance, can change the gain of the amplifier. But simply change the feedback resistance or input resistance of variable gain amplifier, often do not have the ideal performance, some can't normal use. From the perspective of application, the realization method of typical vari

5、able gain amplifier is given to the correct selection and use of variable gain amplifier has a guiding significance. Keywords: Variable gain amplifier Automatic measurement and control Integrated operational amplifier前言31 通用可变增益放大器的概述41.1 可变增益放大器的研究意义41.2 可变增益放大器的发展趋势72 通用可变增益放大器的基础82.1 增益放大器的分类82.2

6、 增益控制82.2.1 指数增益控制92.3 高性能可变增益放大器123 增益放大器的结构133.1 可变增益放大器的原理133.2 吉儿伯特VGA133.2.1 指数性质VAG153.2.2 VAG结构154 增益放大器的设计164.1 程控放大器设计164.2 控制电路的设计175 结束语18参考文献19前言 随着科学技术的发展目前可实现通用可变增益放大器的方法有很多，其中常用的放法就是利用普通带宽放大器构成的放大器电路。AGC这一模块则采用分立元件来组成来改变反馈的放发,从而改变放大器的增益。与此同时利用电场效应管来作为AGC的控制端,就可实现高频率和低噪声的放大效果。但是这种放大器的精

7、确增益控制受制于温度和电源的影响，很难实现放大器的稳定性，为了进一步实现放大器可编程控制，需要可编程放大器的控制电压与增益的幅度成线性关系。AD603放大器的增益效果可以通过编程控制。AD603是一中低噪声、温度稳、定性高可编程通用增益放大器，因为AD603放大器的增益与控制电压成线性关系，所以能实现可变增益放大器的放大效果。1 通用可变增益放大器的概述 1.1 可变增益放大器的研究意义21世纪是一个全新的信息化时代的天堂，科技的进步，集成电路、放大器电路的发展，令我们的生活正发生着巨大的变化，生活质量有了巨大的提高，各种各样的电器进入我们的生活。同样深处在21世纪这样的信息化时代中，各种网络

8、电子技术有了飞跃性的提高，集成电路和放大电路起到了重要的作用。随着电子技术和放大电路高速发展和普及，如几年前的3G网络技术和 WIFI 局域网络，使我们越来越受益。集成电路的发展越来越倾向于大规模化集成电路和超大规模集成电路。因此集成电路在世界范围内的发展也是相当的迅速的，在一些技术领域已经是一个信息产业链，可变增益放大器的角色也发挥着越来越大的作用。在我们平时的空气层存在着各种的不同不可预测的非理想因素，引起一些不好的效果，在系统的传输的过程中信号有了很大的变化，直接导致通信系统的质量。天线接收到的信号强弱就有了很大的变化，如：噪声大、通话质量下降，信号衰减。在传输信道的非线性因素的影响下，

9、使得信号产生衰减，同时信道中的噪声同样也会对信号的传输产生重大影响，从而就使信号的强度起伏波动大，信号时大时小，信号强度有时甚至只有几十个分贝。信号强度的最大值和最小值的差值范围称为接收机的动态范围，要使接受到的信号尽可能的稳定准确，自动增益控制（自动增益控制电路，简称AGC）在接收机系统通常是必不可少的。自动增益控制电路的作用是输入信号的振幅值较低，系统会自动选择的输出幅值较大的增益在一定范围内是稳定的，同样的当输入信号的幅度值逐渐偏高时，AGC自动选择相应的增益使得输出的幅度值稳定在一个特定的范围，也就是说对于不同的幅度值会有相应得反应。自动增益控制电路可以使输出幅度值在一定范围内，基本一

10、致（如图 1-1）。性能高的优良的控制电路会使输出幅度值控制在下级ADC需要的输入信号动态范围之内。和自动增益控制系统最重要的部分是一个可变增益放大器（可变增益放大器，简称VGA）。 图 1-1 具有数字AGC的闭环VGA结构由图 1-1可知具有数字AGC的闭环VGA图主要是由反馈控制器和控制对象（VGA）两大部分组成，反馈控制器由电压比较器单元，控制电压发生器单元，直流放大器，低通滤波器单元，一个电平检测器单元，控制VGA的基本单位是基本恒定的输出信号和之前的不变。随集成电路的发展使可变增益放大器发展带动了 AGC 的发展， AGC 在许多的测控设备、智能设备等方面的应用也越来越广泛。增益模

11、式可变增益放大器是：不断变化和不连续变化中两类。实际改变增益方有许多种方法，每种方法都各有各自的特点，各有各的优势，各有其优点和缺点。具有开环源极电阻负反馈结构的集成运算放大器，在改变运算放大器的源极电阻、输出等效阻抗或等效输入跨导是都可以有效的改变其增益的幅度。但是仅仅单纯的改变简单地源极电阻和输出等效阻抗并不能很好的得到高且优良的可变增益放大器，特别值得提出的是动态性能方面确实很难得到满足。因此在本次的通用可变增益放大器设计中就是针对在这个基础上去创新的。从各方面，从通用可变增益放大器，电流流动的角度使用，和使用可变增益放大器的选择是非常重要的，这是很有意义的，其实VGA 已经运用于多个领

12、域之中，如：多种遥感技术、现代通信技术、超声波雷达、激光雷达、无线局域网方面都有很重要的运用，VGA 的频率范围涉及的非常广泛。由于VGA的增益特性前景大、发展空间大、利润高、广泛运用与各领域，因此有越来越多的公司人力愿意投入到 VGA 的研究与开发方面，VGA在最近几年里的发展很快，许多的实行的新观点、新技术被提出来，但是由于VAG的本身制作难度大，真正用来做成产品的方案却不是那么很多。VGA的应用的历史和实践证明，实际电路的实现已经变得越来越成熟，并在电路中具有重要作用。1.2 可变增益放大器的发展趋势u 随着无线技术以及相关ADC 高精度的发展。系统中对于噪声的要求越来越高，对于不同的A

13、DC或者射频接收器等来说，噪声是绝对不能忽略的因素。例如随着 ADC 位数的增加，噪声的要求必然增加。现在国内外对于 VGA 的研究都会对如何降低噪声进行研究。u 由于高性能的VGA将面对着高性能射频电路、高位数的ADC的拼接，如何能够在降低噪声的同时达到高线性度是一个研究方向。目前提出提高线性度的方法分为三类：第一类是增大系统中电流，但是这会带来功耗的增加。第二类是用于低频电路。第三类方法是针对小输入摆幅的电路设计。以上的三种方式无论哪种方式都需要对 VGA 系统中的其它性能进行折衷。u 在21世纪这样信息化的时代越来越多的电子终端和便捷式电子终端走进了我们的生活，成为我们生活中不可缺少的一

14、部分。如：手机终端、电脑、等。这些电子产品生产厂家通常配备单节或两节电池供电，一般额定电压为1.5V-3.7V之间。随着生活水平的提高，和繁忙的工作使我们越来越离不开我们的电子设备，因为电池的待机能力是有限的，这样我们就要需要提高电子设备待机的能力。而提高电子终端的待机的方法主要有两种方式：一是提高电池的容量，二是在电子设备本身属性上下工夫，如：简化电路，使其低功耗。在这两点的基础上提高电池的容量这个很容易实现，而在电子的本身找下功夫就需要简化电路，多使用低损耗的工作电路。然而低损耗电路就迫切的需要降低电压、和实现低耗能的转换器。因而对于那些低电压、低耗能的VGA迫切的需要，这样的话就需要通用

15、可变增益放大器。u 更高频率下使用的VGA，随着高速 ADC 的发展，对于高速下使用的 VGA 需求也越来越大。如何在保持低功耗、高线性度和低噪声的情况下实现高速 VGA 也是一种研究趋势。2 通用可变增益放大器的基础2.1 增益放大器的分类目前我们可依据可变增益放放大器器的核心领域：增益控制方式。就可把增益放大器的增益效果和增益变化的快慢步来实现编程增益放大。通用可变增益放大器的模拟信号的增益调制的影响。我们知道，该可变增益放大器的增益是不断变化的，因此不能接收解调，提高了放大器的增益调制是现代通信系统的误差引起的突变。因为PGA所使用的是增益控制电路,这样就从根本上简化了模拟电路的电路控制

16、。通用可变增益放大器的其增益是要经过抽样的，所以放大器的增益是离散的,把这些离散的点找出来进行很好的处理和优化，就能得到很好的性能。从一般的可变增益放大器的结构可以看出，在放大器是VGA的重要组成部分。VGA分为开环和闭环，同时也有开环VGA和闭环VGA之称，闭环有时候包含开环的VGA，开环和闭环研究的方向有所不同，开环电路的结构和内部电路如研究：增益的线性范围，信噪比和一些重要的性能指标。我们的闭环主要由增益控制电路与开环VGA构成，主要研究的是系统与VGA。2.2 增益控制就目前的可以实现自动增益控制电路的方法有两种,构成他们的主要元件是AGC,分别是模拟电路AGC和数字电路AGC。对于通

17、信系统来说,AGC的高性能设计和模拟电路的实现是具有高度的困难性和复杂性，但是随着通信系统的不断改进和进步,科学家提出了数字化的AGC，它就能很好的解决上述问题，是一个很好的解决方案。 在正常情况下，至少有一个数字AGC电路模块的基带DSP芯片，这将导致DSP芯片来管理这一模块，导致响应时间的一个小的差距，由于DSP的主要工作是基带信号处理，这增加了DSP芯片的负担，如果从基带DSP芯片的工作除了AGC的数字电路，它们是独立的工作，这样就不是让DSP独立的运行，达到这种效果就大大的降低了元件之间的相关性。闭环的且独立的AGC可以独立的将自己繁重的任务进行转移，又不会做任何的改动，这样就大大的提

18、高了VGA的通用性能，让系统能灵活的应对不同的问题，自动的找到解决的方案，随意闭环电路的VGA是非常重要的元器件。图4是闭环VGA的结构图。 图 2-1 具有数字AGC的闭环VGA结构2.2.1 指数增益控制这一部分主要介绍了指数增益放大器，它主要的可变增益放大器，一个单级增益。如果要同时实现电路的增益dB线性和控制电压的dB线性就要用到MOSFET的亚阀值和转移特性。如图2-4是通用可变增益放大器的结构图,由图我们可知我们的增益单元有两部分构成，它们是可变增益单元和固定增益单元组成。图中的耦合电容是用来排除级间失调。指数电压转换电路主要用来完成增益和外部控制电压的dB线性特性。 可变增益的单

19、元 固定增益的单元 输入输出外部控制电路电压指数电压转换电路图 2-2 CMOS 通用可变增益放大器整体结构图如果你希望实现的放大器电路的增益可调，操作简单，双频率信号，如：添加或减去，增益调整已广泛应用于双极。是乘数变增益放大增益电路基于Gilbert模型（栅极驱动器通用可变增益放大器）如图2-5 VIN的输入信号作为控制信号显示，VC，VC为控制信号，等效放大器跨导公式为： 从图中我们可以看到，是一个不断向M1-M4尺寸与过程有关的；电路中的Ia和Ib的尾电流信号，分支的大小，我们可以很容易地看到IA + IB = ISS。为了避免另一相电路的总增益放大器，VC必须大于或小于0。我们可以假

20、设VC大于0,则Ia始终是大于Ib。尾电流的最大增益是通过M5，IA = ISS； 最小增益效果所产生的效果我们都是可以检测的，我们可以设最小增益的Ia和Ib分别为最大值和最小值。由于输出电路的性质本身并没有发生很大的变化，但是可以把增益控制范围可以表示为如下： 图2-3电流型CMOS可变增益单元如果我们考虑两个双频电流差我的收益，需要提出的是我相当不少于两个频率信号支路电流不匹配，所以该方程可化为： 从以上公式当中我们可以看出尾电流和失配因子的大小决定了通用可变增益的增益范围，在本次的论文设计中ISs约为2 %带入上式所得增益范围为36Db。 组成通用可变增益放大器的基本结构中最重要的是元件

21、VGA，在很多的方面存在重大的性能缺陷，这些先天的缺陷主要体现在信号输入时线性性能不好，线性特性的恶化，有由增益控制引起的尾电流调节不稳定现象。实际上VGA的增益最小时，输入信号的功率越大，VGA增益最大时，输入信号功率最小。由此输出三阶互调失真可以表示为： 由上式可以得出IM3 可以表示为X ( sin1 t +sin2 t)，电源的输出端引起21 ±2 或22 ±1的 失真和它的频分量2 或1比值。我们可以得到的IM3与输入信号成方形的生长变化的，只要你保持恒定的VGA VGA，然后有一个最大值和最小值，使三阶项比率： 式中和分别是VGA最小值和增益最大值的三阶项系数;

22、DR 为VGA增益的变化范围,即。电路在不同的工作状态都会产生不同的差异，当然性能方面也会有一定的影响，如果要减小性能的影响就要优化VGA在输出信号输入时，会产生失真现象。2.3 高性能可变增益放大器在通信系统中，如果系统的信号的带宽越大，就要求增益控制电路的放大器的增益效果越大。相应的我们知道往往很复杂的东西，它的来源一般都挺复杂，那样的话对我们增益控制电路的VGA的线性大小有所提高，在传统的通信系统中通信的时间越长，VGA的功率往往很大，但在现代的通信系统中就要求我们来降低VGA功耗。CMOS的发展使MOS的长度大大的减小，同时它的电压也随着减小，这样就为我们降低VGA提供了一个很好的渠道

23、，同时，保持VGA动态范围，VGA将被要求减少噪音。 所以当今的VGA正式向低噪声、低噪声、低功耗的方向良好的发展。在这一设计中我么讨论了怎样设计低噪声、低噪声、低功耗的VGA。我们把多级变频用到接收机的最前端时，百MHz以上在它的第一级设计。这样的设计是概述，是一种创新，同时也是一种挑战。从一般的可变增益放大器的结构可以看出，在放大器是VGA的重要组成部分。VGA分为开环和闭环，同时也有开环VGA和闭环VGA之称，闭环有时候包含开环的VGA，开环和闭环研究的方向有所不同，开环电路的结构和内部电路如研究：增益的线性范围，信噪比和一些重要的性能指标。我们的闭环主要由增益控制电路与开环VGA构成，

24、主要研究的是系统与VGA。号的线性处理，具有较高的。从一下的公式我们可以看出,人们为了将跨导的影响降到最小，同时在反馈电阻足够大时,可以得到增益的最大化。从另一个角度分析增益表达式类型，虽然线性输入管跨导的差的绝对值，然而，如果增益比可以表示为输入管，管的跨导的跨导和负载，线性输出信号也可以改善。此外，由于负反馈电路输出稳定，因此，减少非线性失真的影响，利用负反馈的VGA，线性度比较高的。3 增益放大器的结构3.1 可变增益放大器的原理模拟通用电路需要对信号进行放大或衰减，要实现这一功能可由可变增益放大器（VAG）来实现。它是通过收发无线通信仿真中起关键作用。图3-1用于GPS接收机模拟前端的

25、图，放大和VAG补偿射频模块衰减，如果基于基频模块，VAG是将输出的信号逐渐放大到A/D转换器需要的幅度。AGC环路来改变接收机的放大与增益来调整各级信号的动态范围，稳定输出信号功率的作用。 图 3-1 GPS的接收机模拟前端图要使整个系统的动态范围变化最大，有许多的设备都要用到VAG，它是可实现自动增益控制电路的核心。AGC是许多系统的一个基本组成部分，功能是实现在接收路径增益和放大的自动调整，无论是从外部的信号强度，信号转换成基带电路可以治疗。如:在磁盘驱动电路中，在读信道的时候为了使检测器和滤波器的电压保持稳定，就必须要适当的调节增益的大小，使听力不好的听到最好的语音效果。在早期的通信系

26、统中，AGC更是核心的元件。3.2 吉儿伯特VGA 你可以看到在图3-2，它是一种倍增增益电路单元，吉尔伯特电流可调，电流型可变增益单元，增减可变增益放大器类型我们的信号。具有开环源极电阻负反馈结构的集成运算放大器，在改变运算放大器的源极电阻、输出等效阻抗或等效输入跨导是都可以有效的改变其增益的幅度。但是仅仅单纯的改变简单地源极电阻和输出等效阻抗并不能很好的得到高且优良的可变增益放大器，特别值得提出的是动态性能方面确实很难得到满足。放大器的等级跨导可以表示： 从公式可以得出，a为与尺寸及工艺相关的常数，Is1、Is2为两个支路的尾电流信大小。我们为了避免相位电路的相位发生翻转，,因此增益控制电

27、路可以自动控制，让部分微电流全部都通过；在通常的情况下增益控制电路的增益最小发生在、，流过它们的尾电流基本是相等的时。由于电路的输出端的电阻并未发生多大的变，则它的增益的变化范围可以简单的表示为如下：由于VGA单元本身的局限性，因此它的性能存在许多的缺陷。这些大都体现在电路应用时间长时电路的元件发生畸变，长时间的工作电路的形度恶化。控制电路的电流也会存在增益控制不稳定性,这个单元主要由四层电路叠加而成，限制了电压的幅度的范围，所以就不能较好地实现增益，也存在一些问题。图 3-2 指数增益放大器电路3.2.1 指数性质VAG指数性质的VAG它的基本单元由集成运算放大器、三极管、二极管可变增益放大

28、器结果表示如下： 是输入管的跨导，是二极管接法的负载管的跨导。VGA 的 3db 带宽是输出阻抗和电容的函数。负载是由二极管晶体管的连接方法，使输出阻抗成正比，这取决于在高和低增益模式不同的带宽值。，低增益模式，小的值，所以有一个宽的带宽。3.2.2 VAG结构VGA分为开放式和封闭式的双回路结构。增益的变化可以通过跨导和相应的电阻来改变控制电路的增益效果，通常情况下Gm表示等效输入跨导，然而他们的乘机就是控制电路的增益，所以我们可以知道我们只要任意改变其中的一个就可以改变它的增益的大小，但是改变电阻是我们通常的选择，同时也是简单的一种。它的输出节点通常是放大器的主极点,所以,输出电阻的变化直

29、接导致带宽的变化。则带宽越小，增益越高。另一种方法是改变等效的跨导放大器，或改变交流信号电流流向负载电阻的大小。下是Gilbert结构的电路。在图中，M1和M2作为输入管，m3-m6管耦合，控制电压VC耦合电流的大小，改变的增益。 图 3-3 Gilbert结构的VGA图 3-3 所示放大器称为使用源极负反馈电阻的VGA,它也是一种改变等效跨导的电路。集管的输入跨导是通用的，源极负反馈电阻rdeg，等效跨导放大器为，该放大器的增益可以用下面公式表示。改变负反馈电阻Rdeg的值,就以实现增益变化的效果，通常被认为是增益的放大器电阻比测定。 4 增益放大器的设计4.1 程控放大器设计要使系统的可变

30、增益达到60dB以上的要求，就必须要求把程控放大器来用两级来实现放大的功能，AD603结构主要精密衰减器、增益控制电路、控制电压组成，用通用可变增益放大器把衰减信号进行放大，可以实现增益的最大化，还可以调节通用可变增益放大器可以调节出最理想话的状态。由于增益控制部分输入电阻很高，因此输入电流很小，通用可变增益放大器的内部控制电路和电压的影响很小，我们可以忽略。实际改变增益方有许多种方法，每种方法都各有各自的特点，各有各的优势，各有其优点和缺点。具有开环源极电阻负反馈结构的集成运算放大器，在改变运算放大器的源极电阻、输出等效阻抗或等效输入跨导是都可以有效的改变其增益的幅度。但是仅仅单纯的改变简单地源极电阻和输出等效阻抗并不能很好的得到高且优良的可变增益放大器，特别值得提出的是动态性能方面确实很难得到满足： 由于是两级放大器，那么增益步进1dB，控制电压应为1.25mV。AD603的输入阻抗比较小，一般只有100,为提高系统的输入阻抗那么需要增加缓冲级来提高输入阻抗，但是一般的前级放大器会影响电路的噪声，要降低电路中的噪声大小，它的前级必须采用AD818放