可变增益放大器的研究

1、长江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： 物理与光电学院 专 业 班 级： 应用物理11103班 学 生 姓 名： 指 导 教 师： 李林 辅 导 教 师： 李林 开题报告日期： 2015年4月2日 可变增益放大器的研究学 生：王双全 物理与光电工程学院导 师：李 林 物理与光电工程学院一.题目来源题目来源于老师的科研项目二.研究目的和意义 在大自然的空气中由于存在着各种不可预测的非理想因素，从而导致通信系统传输过程中的信号会有较大的变化，导致天线从外部接受的信号的强弱会有不同（绝大多数信号被衰减了）。而且传输信道的非线性因素的存在使得信号衰减，同时信道中的噪声也

2、会对信号的传输有影响，导致信号的强度时大时小。信号强度的大小差别有时会很大，甚至会有几十个分贝。信号强度最大值和最小值的差值范围称为接收机的动态范围，为了使接受到的信号尽可能的可靠，自动增益控制电路（Automatic Gain Control，简称 AGC）通常都是接收机系统中必不可少的。AGC 的作用是当输入信号的幅度值偏低时，AGC 会选择较大的增益使其输出的幅度值限定在一个需要的范围，同样当输入信号的幅度值偏高时，AGC 会选择较小的增益使其输出的幅度值限定在一个需要的范围，也就是说对于幅度值不固定的输入信号，AGC 可以保证输出幅度值在一定范围内，基本一致。性能优良的 AGC 会把输

3、出幅度值控制在下级 ADC 最需要的输入信号动态范围内。而AGC 系统中最重要的部分就是可变增益放大器（Variable Gain Amplifier，简称VGA）。AGC 主要是由反馈控制器和控制对象（VGA）两部分组成，其中反馈控制器由电平检测器、低通滤波器、直流放大器、电压比较器、控制电压产生器构成的。而其控制着 VGA 使得输出信号的幅度基本恒定不变。可变增益放大器不断的发展带动了 AGC 的发展，使得 AGC 在许多的测控设备、智能设备等领域的应用也越来越广泛。可变增益放大器的增益改变方式主要有连续变化和非连续变化两大类。实际改变增益方法的有多种，每种方法各有其优点和局限性。对于开环

4、源极电阻负反馈结构的运算放大器，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都可以改变增益。但简单地改变源极电阻或输出等效阻抗并不能得到性能优良的可变增益放大器，特别是动态性能方面很难得到满足。所以本次的 VGA 设计就是在这个基础上去创新的。从应用角度出发，给出典型的 VGA 的实现方法，对 VGA 的正确选择和使用有指导意义。VGA 已用于多种遥感和通信设备达半个多世纪。从超声波雷达、激光雷达到无线通信甚至语音分析等方面的应用都利用 VGA 的可变增益特性以提高动态性能。VGA 的频率范围涉及非常的广泛。由于 VGA 的广泛运用，从而有越来越多的公司人力投入到 VGA 的研究与开发

5、方面，VGA 在最近几年里的发展是飞速的，许多的实行观点被提出来，但真正用来做成产品的方案却不是那么多。VGA 的运用已经得到了历史和实践的证明，其实际电路的实现也逐渐成熟并在电路领域占据了重要的地位。三.阅读的主要参考文献及资料名称 【1】 C. Popa. Improved accuracy pseudo-exponential function generator withapplications in analog signal processing. IEEE Transactions on VLSI Systems,2008, 16(3): 318-321【2】 T. Arthan

6、siri, V. Kasemsuwan. Current mode pseudo exponential control variablegain amplifier using fourth order Taylors series approximation. Electronics letters.2006, 42(7): 379-380【3】 A. Carlos. Compact Power Effcient CMOS Exponential Voltage to VoltageConverter. IEEE International Symposium on Circuits an

7、d Systems, 2006:1539-1542【4】 郑吉华，李永明，陈弘毅. CMOS 宽动态范围的可变增益放大器. 半导体学报， 2003, 24(8): 595-599【5】 龚正，冯军. 0.18um CMOS 可变增益放大器.电子器件2006,29(4):1031-1034.【6】 郭峰，李智群，陈东东，等. 宽带 CMOS 可变增益放大器的设计. 半导体学报， 2007，28(12): 1967-1971【7】 Chan Tat Fu, Howard Luong. A CMOS Linear-in- dB High-Linearity Variable GainAmplifie

8、r for UWB Receivers. IEEE Asian Solid State Circuits Conference,2007:103-107四.国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向 1.国内外现状 国外 2010 年，So Young Kang 等人发表一篇文章，该文章中的 VG A 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

9、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。 国内 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，最终可以满足系统 10bit 的精度要求。2011 年，陈斯、彭艳军、王侠、朱士虎等人通过构造伪 Taylor 指数函数，同时利用可变跨导、可变负载结构，并基于 TSMC 0.18m CMOS 工艺，实现了一种增益 dB 线

10、性、动态范围有 40dB 的 VGA。其-3dB 带宽约为 200Mhz，功耗约为5.28mW。2012 年，何晓丰、莫太山、王晴晖、马成炎等人基于 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

11、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。 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开环可变增益放大器（Variable Gain Amplifier，简称 VGA）系统架构，并针对曲线拼接技术的理论思想，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，确定各关键模块的性能指标。五.主要研究内容、需重点研究的的关键问题及解决思路1.主要研究内容（1）可变增益放大器的基

12、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 0.13µm/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

13、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。（6）电路版图的设计及后仿真 设计 VGA 版图，提取寄生参数进行后仿真验证和调试，最终得到满足规格要求的 60dB 线性增益的 VGA 电路和版图。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.完成毕业设计