学位论文：无线接收发机中可变增益放大器VGA电路设计及版图设计

大学毕业论文
题目： 无线接收发机中可变增益放大器VGA电路设计及版图设计
院（系） 　　　信息科学与工程学院　　　
专 业 　　　电子科学与技术　　　
届 别 　　　2008级　　　

摘 要
本文介绍了可变增益放大器的原理和应用，并列出了常用的可变增益放大器的结构和原理。同时，针对无线接收发机的自动增益控制网络, 设计了一种结构简单的低压、低功耗全差分可变增益放大器. 它由6 级子电路级联而成, 提供范围为81dB 的数字控制增益, 每一档为3dB, 增益误差小于0.5dB. 该电路工作于中频300kHz 下. 采用TSMC 0.18um 1P6M CMOS 工艺制造, 芯片面积约为 左右, 低功耗及小芯片面积使其极适用于便携式通信系统的应用. 测试结果达到设计要求.


关键词：无线接收发机；可变增益放大器； 低压； 低功耗；CMOS 射频集成电路

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
……（新文秘网https://www.wm114.cn省略1343字，正式会员可完整阅读）……　
可编程增益放大器（programmable gain amplifier）。VGA使用模拟信号控制增益，由于增益连续变化，所以，在数字通信中不会因增益突变而造成调制信号的接收解调错误。PGA使用数字电路控制增益，从而简化了模拟控制电路。因为其增益离散，所以能够在这些离散点上对电路进行优化，得到较好的性能。后文我们不再细作区分，统一称为可变增益放大器（VGA）。
为了实现单芯片系统，接收发机中的电路需要使用CMOS工艺。因此，下面着重介绍CMOS模拟集成VGA的设计。VGA的主要功能是实现增益变化，相应的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、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。
无线接收机中，实时控制信号大小的功能由自动增益控制（automatic gain control--AGC）环路实现。它包括信号幅度检测电路、增益控制电路和VGA。为了在不同信号功率下，AGC环路都具有相同的瞬态响应和确切的环路建立时间，VGA的增益需要按指数规律变化。对于双极工艺来说，由于晶体管固有的基极--发射极电压与集电极电流之间的指数关系，这一电路功能很容易实现。对于CMOS工艺而言，工作在饱和区的MOS管，其沟道电流和栅极电压成平方关系（长沟），因而需要构造电路，以实现增益指数变化的功能。
本文第一章将为大家介绍VGA的基本结构及相应增益控制方法、指数构造方法、高性能VGA的设计，第二章为大家介绍本次毕业设计的基本结构和原理及参数等各方面情况，第三章介绍下本设计的具体仿真结果和版图实现情况。












第一章 可变增益放大器（VGA）设计概述

1 VGA的结构
VGA主要分成开环和闭环两种结构。开环放大器的增益一般表示为等效输入跨导 和等效输出电阻 的乘积：
Gain= (1.1)
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的变增益方式。这种结构VGA的动态范围大，工作稳定。但由于输出节点通常是放大器的主极点，因此，输出电阻的变化将导致带宽的变化。增益越高，带宽越小。
另一种方法是改变放大器的等效跨导，或者说改变流入负载电阻的交流信号电流的大小。图2是Gilbert结构的电路。图中，M1和M2是输入管，M3--M6是耦合管，电压 控制耦合电流的大小，起改变增益的作用。该结构能够提供较大的增益和较小的噪声，适用于小信号输入情况。但在大输入信号下，MOS管可能进入线性区，电路不能正常工作。另一方面，该结构电路堆叠了3层MOS管，限制了输出信号的动态范围。

图2.Gilbert结构的VGA

图3结构则通过直接控制跨导实现增益变化

图3.控制输入管跨导的VGA
图3中，M1和M2是输入管，M3和M4是Cascode管，控制电压 加在Cascode管的栅极。当 较高时，M1和M2管工作在饱和区，跨导较大，放大器获得高增益；当 较低时，M1和M2共走在线性区，跨导较小，放大器获得低增益。这一方法实现简单，可以获得大带宽和低噪声；缺点是难以准确控制增益，输出信号动态范围同样受限。


图4.使用源极负反馈电阻的VGA
图4的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。设输入管的跨导为 ，在源极负反馈电阻 的作用下，放大器的等效跨导变成（1.2）式，放大器的增益可用（1.3）式计算。改变负反馈电阻 的值，可以实现增益变化。不过，通常把它看成增益由电阻比值决定的放大器。本次设计就是采用的这种结构的放大器,在本设计中，我们称之为源极退化电阻。
（1.2）
（1.3）
利用源极退化结构设计的VGA分为开环和闭环两种。由于反馈作用，放大器的线性较好，带宽不随增益变化，温漂小。但电路比较复杂，而且由于堆叠了多层MOS管，最大输出信号受到限制。

图5.闭环结构的VGA
在闭环结构VGA中，最常见的是基于运算放大器、使用电阻负反馈网络的放大器。图5所示是一个基于电压运算放大器的全差分放大器。当使用理想运算放大器时，其增益等于两个电阻的比值，如
Gain= (1.4)
改变电阻，即可实现工艺变化。如果电阻 可变，它会影响输入、输出节点的极点，使放大器的带宽发生变化；如果电阻 可变，它对前级将形成变化的负载效应，需要增加缓冲电路来隔离。和开环VGA相比，闭环VGA使用负反馈结构，性能稳定。它的增益取决于电阻之比，线性度较高。在适当的设计下，它可以实现端到端的输入输出，信号动态范围大。然而，对运算放大器高增益、大带宽、低噪声、低失真的要求，使得电路设计比较复杂，功耗相对较高。而且，由于运算放大器自身的限制，难以实现宽带VGA。
此外，实现可变增益还有很多方法，如使用多输入跨导级，构造乘法器等。这里不再一一叙述。






2 VGA指数增益控制的实现

在许多场合，VGA增益需要按照指数规律变化，即增益和控制电压（或电流）之间满足指数关系。双极工艺下，电路很容易实现这一功能；而在CMOS工艺下，则需要构造指数控制电路。
一个最直接的想法，就是在CMOS工艺中构造寄生双极晶体管，产生指数规律的电流-电压关系。但是，为了保证寄生晶体管正常工作，需要额外的辅助电路。由这一方法构造的电路功耗高、可靠性差。
第二个思路是让MOS管工作在亚阈值区，这时，漏极电流和栅极电压满足指数关系。这样，实现了指数特性，但栅极控制电压的变化范围有限，输出电流也较小。
在CMOS电路中，更普遍的做法是根据近似公式实现指数功能。（2.1）式表明，在*较小时，指数 可以用多项式近似。我们可以利用适当的控制电流或电压实现指数功能，也可以用数控方式实现多项式对指数的近似，还可以再（2.1）的基础上，设计新型的指数发生电路。
（2.1）
（2.1）式的近似关系只在一定范围内成立，通常*在[-0.7,0.7]之间，对应的指数变化范围大约在30dB左右。可以对其进行改进，得到新的近似公式（2.2）。通过设置a=0.25或0.75，来增大*的负值或正值范围。采用分段函数的方式，可以将控制范围。 ……（未完，全文共20973字，当前仅显示3772字，请阅读下面提示信息。收藏《学位论文：无线接收发机中可变增益放大器VGA电路设计及版图设计》）