學位論文：無線接收發(fā)機中可變增益放大器VGA電路設計及版圖設計

大學畢業(yè)論文
題目： 無線接收發(fā)機中可變增益放大器VGA電路設計及版圖設計
院（系） 　　　信息科學與工程學院　　　
專 業(yè) 　　　電子科學與技術　　　
屆 別 　　　2008級　　　

摘 要
本文介紹了可變增益放大器的原理和應用，并列出了常用的可變增益放大器的結構和原理。同時，針對無線接收發(fā)機的自動增益控制網絡, 設計了一種結構簡單的低壓、低功耗全差分可變增益放大器. 它由6 級子電路級聯而成, 提供范圍為81dB 的數字控制增益, 每一檔為3dB, 增益誤差小于0.5dB. 該電路工作于中頻300kHz 下. 采用TSMC 0.18um 1P6M CMOS 工藝制造, 芯片面積約為 左右, 低功耗及小芯片面積使其極適用于便攜式通信系統的應用. 測試結果達到設計要求.


關鍵詞：無線接收發(fā)機；可變增益放大器； 低壓； 低功耗；CMOS 射頻集成電路

ABSTRACT

This paper presents a low-voltage low-power variable gain amplifier,which is applied in the automatic gain control loop of a wireless receiver or sender.Si* stages are cascaded to provide an 81dB digitally controlled gain range in 3dB step.The gain step error is less than 0.5dB.It operates at an intermediate frequency of 300kHz.The prototype chip is implemented in a TSMCs 0.18um 1P6M CMOS process and occupies ap
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可編程增益放大器（programmable gain amplifier）。VGA使用模擬信號控制增益，由于增益連續(xù)變化，所以，在數字通信中不會因增益突變而造成調制信號的接收解調錯誤。PGA使用數字電路控制增益，從而簡化了模擬控制電路。因為其增益離散，所以能夠在這些離散點上對電路進行優(yōu)化，得到較好的性能。后文我們不再細作區(qū)分，統一稱為可變增益放大器（VGA）。
為了實現單芯片系統，接收發(fā)機中的電路需要使用CMOS工藝。因此，下面著重介紹CMOS模擬集成VGA的設計。VGA的主要功能是實現增益變化，相應的指標有增益變化范圍，增益變化步長和增益變化精度。此外，還包括電源電壓、功耗、帶寬、線性、線性、噪聲、輸入輸出信號動態(tài)范圍等。與固定增益放大器相比，VGA設計中需要考慮增益變化對其他性能的影響。
無線接收機中，實時控制信號大小的功能由自動增益控制（automatic gain control--AGC）環(huán)路實現。它包括信號幅度檢測電路、增益控制電路和VGA。為了在不同信號功率下，AGC環(huán)路都具有相同的瞬態(tài)響應和確切的環(huán)路建立時間，VGA的增益需要按指數規(guī)律變化。對于雙極工藝來說，由于晶體管固有的基極--發(fā)射極電壓與集電極電流之間的指數關系，這一電路功能很容易實現。對于CMOS工藝而言，工作在飽和區(qū)的MOS管，其溝道電流和柵極電壓成平方關系（長溝），因而需要構造電路，以實現增益指數變化的功能。
本文第一章將為大家介紹VGA的基本結構及相應增益控制方法、指數構造方法、高性能VGA的設計，第二章為大家介紹本次畢業(yè)設計的基本結構和原理及參數等各方面情況，第三章介紹下本設計的具體仿真結果和版圖實現情況。












第一章 可變增益放大器（VGA）設計概述

1 VGA的結構
VGA主要分成開環(huán)和閉環(huán)兩種結構。開環(huán)放大器的增益一般表示為等效輸入跨導 和等效輸出電阻 的乘積：
Gain= (1.1)
可以通過改變跨導或輸出電阻實現增益變化。直接改變輸出電阻是一種簡單的變增益方式。這種結構VGA的動態(tài)范圍大，工作穩(wěn)定。但由于輸出節(jié)點通常是放大器的主極點，因此，輸出電阻的變化將導致帶寬的變化。增益越高，帶寬越小。
另一種方法是改變放大器的等效跨導，或者說改變流入負載電阻的交流信號電流的大小。圖2是Gilbert結構的電路。圖中，M1和M2是輸入管，M3--M6是耦合管，電壓 控制耦合電流的大小，起改變增益的作用。該結構能夠提供較大的增益和較小的噪聲，適用于小信號輸入情況。但在大輸入信號下，MOS管可能進入線性區(qū)，電路不能正常工作。另一方面，該結構電路堆疊了3層MOS管，限制了輸出信號的動態(tài)范圍。

圖2.Gilbert結構的VGA

圖3結構則通過直接控制跨導實現增益變化

圖3.控制輸入管跨導的VGA
圖3中，M1和M2是輸入管，M3和M4是Cascode管，控制電壓 加在Cascode管的柵極。當 較高時，M1和M2管工作在飽和區(qū)，跨導較大，放大器獲得高增益；當 較低時，M1和M2共走在線性區(qū)，跨導較小，放大器獲得低增益。這一方法實現簡單，可以獲得大帶寬和低噪聲；缺點是難以準確控制增益，輸出信號動態(tài)范圍同樣受限。


圖4.使用源極負反饋電阻的VGA
圖4的放大器稱為使用源極負反饋電阻的VGA，它也是一種改變等效跨導的電路。設輸入管的跨導為 ，在源極負反饋電阻 的作用下，放大器的等效跨導變成（1.2）式，放大器的增益可用（1.3）式計算。改變負反饋電阻 的值，可以實現增益變化。不過，通常把它看成增益由電阻比值決定的放大器。本次設計就是采用的這種結構的放大器,在本設計中，我們稱之為源極退化電阻。
（1.2）
（1.3）
利用源極退化結構設計的VGA分為開環(huán)和閉環(huán)兩種。由于反饋作用，放大器的線性較好，帶寬不隨增益變化，溫漂小。但電路比較復雜，而且由于堆疊了多層MOS管，最大輸出信號受到限制。

圖5.閉環(huán)結構的VGA
在閉環(huán)結構VGA中，最常見的是基于運算放大器、使用電阻負反饋網絡的放大器。圖5所示是一個基于電壓運算放大器的全差分放大器。當使用理想運算放大器時，其增益等于兩個電阻的比值，如
Gain= (1.4)
改變電阻，即可實現工藝變化。如果電阻 可變，它會影響輸入、輸出節(jié)點的極點，使放大器的帶寬發(fā)生變化；如果電阻 可變，它對前級將形成變化的負載效應，需要增加緩沖電路來隔離。和開環(huán)VGA相比，閉環(huán)VGA使用負反饋結構，性能穩(wěn)定。它的增益取決于電阻之比，線性度較高。在適當的設計下，它可以實現端到端的輸入輸出，信號動態(tài)范圍大。然而，對運算放大器高增益、大帶寬、低噪聲、低失真的要求，使得電路設計比較復雜，功耗相對較高。而且，由于運算放大器自身的限制，難以實現寬帶VGA。
此外，實現可變增益還有很多方法，如使用多輸入跨導級，構造乘法器等。這里不再一一敘述。






2 VGA指數增益控制的實現

在許多場合，VGA增益需要按照指數規(guī)律變化，即增益和控制電壓（或電流）之間滿足指數關系。雙極工藝下，電路很容易實現這一功能；而在CMOS工藝下，則需要構造指數控制電路。
一個最直接的想法，就是在CMOS工藝中構造寄生雙極晶體管，產生指數規(guī)律的電流-電壓關系。但是，為了保證寄生晶體管正常工作，需要額外的輔助電路。由這一方法構造的電路功耗高、可靠性差。
第二個思路是讓MOS管工作在亞閾值區(qū)，這時，漏極電流和柵極電壓滿足指數關系。這樣，實現了指數特性，但柵極控制電壓的變化范圍有限，輸出電流也較小。
在CMOS電路中，更普遍的做法是根據近似公式實現指數功能。（2.1）式表明，在*較小時，指數 可以用多項式近似。我們可以利用適當的控制電流或電壓實現指數功能，也可以用數控方式實現多項式對指數的近似，還可以再（2.1）的基礎上，設計新型的指數發(fā)生電路。
（2.1）
（2.1）式的近似關系只在一定范圍內成立，通常*在[-0.7,0.7]之間，對應的指數變化范圍大約在30dB左右。可以對其進行改進，得到新的近似公式（2.2）。通過設置a=0.25或0.75，來增大*的負值或正值范圍。采用分段函數的方式，可以將控制范圍。 ……（未完，全文共20973字，當前僅顯示3772字，請閱讀下面提示信息。收藏《學位論文：無線接收發(fā)機中可變增益放大器VGA電路設計及版圖設計》）