（微电子学与固体电子学专业论文）dvbc调谐芯片中cmos中频可变增益放大器的设计.pdf

摘要 摘要 在现代无线通信接收机中，通常设置有自动增益控制电路( a u t o m a t i cg a i nc o n t r o l ，简称a g c ) ， 自动增益控制电路是通信设备，特别是通信接收设备中的重要电路模块之一，它的作用是为了尽可 能宽范围地接收信号，通过自动增益控制使输出维持在一个相对恒定的幅值，从而减小后级电路的 设计难度，降低电路实现的成本。而可变增益放大器单元( v a r i a b l eg a i na m p l i f i e r ，简称v g a ) 是 自动增益控制电路中的关键单元，其性能决定了自动增益控制环路的性能。 本课题以数字电视接收机中的调谐芯片为依托，从a g c 环路系统入手，首先分析了自动增益控 制电路的基本工作原理，与可变增益放大器在a g c 环路中的地位和作用，在总结目前c m o s 可变 增益放大器的主流技术的基础上，根据数字电视调谐芯片中i fv g a 的性能指标，设计了一个用于 m i x e r 后中频带的可变增益放大器，其增益的控制范围为4 0 d b ，根据a g c 系统的要求，设计其增 益与控制信号成d b 线性的关系。所设计的i f v g a 由模拟乘法器、指数电压生成电路和固定增益的 输出放大电路三个主要模块组成。其中模拟乘法器是其主体电路，其功能是实现输入信号与指数电 压生成电路的输出的相乘，利用c u r r e n t s t e e r i n g 技术实现增益可变。为了实现a g c 环路的恒定建 立时间，需要使v g a 的增益与控制信号之间呈现d b 线性的关系，从而，需要首先将控制信号转换 成为指数的形式，因此，设计了指数电压生成电路，利用差分对的传输函数特性及工作在亚阈值区 的m o s 具有指数特性的性质，实现了指数转换。为了获得所需要的信号电平，需要对模拟乘法器的 输出进一步放大，因此引入了一级固定增益的放大器作为i fv g a 的输出级，该输出级采用全差分 结构，内部采用推挽结构和负反馈结构，以使电路具有较好的线性度。 本设计基于c a d e n c e 仿真集成环境，基本仿真利用s p e c 仃e r f 和s y n o p s y sh s p i c e ，而版图的实 现与验证则利用v i r t u o s oc o m p o s e r 、d i v ad r c l v s 实现。工艺采用c h a r a c t e r e d 公司的0 2 5 1 a mn - w e l l c m o s2 p 5 mp r o c e s s 。测试表明，所设计的中频可变增益放大器的增益控制范围达到4 5 d b ，实现了 增益与控制信号之间的d b 线性关系。一l d b 带宽的最小值为2 0 m h z 7 0 m h z 。在3 0 m h z - 一4 0 m h z 范 围内增益波动小于0 1 d b 。p l d b 压缩点的输出功率值达到1 9 5 d b m 。测试结果表明放大器性能与设 计指标能够很好地吻合，可以应用在数字有线电视接收机的中频段以协同完成中频段的调谐放大作 用。 关键词自动增益控制可变增益放大器d b 线性增益模拟乘法器指数电压生成电路 a b s t r a c t t h ea u t o m a t i cg a i nc o n t r o lf a g cf o rs h o r oc i r c u i ti sa l w a y sn e e d e dj nm o d e mw i r e l e s sr e c e i v e r s a g ci so n eo ft h ei m p o r t a n tb u i l d i n gb l o c k si nc o i i u t i u n i c a d o ne q u i p m e n t s 。e s p e c i a l l yi nt h er e c e i v e r e q u i p m e n t s s i n c et h er e c e i v e ds i g n a lp o w e ri su n p r e d i c t a b i e i t sp r i m a r yf u u e t i o ui st om a i n t a i nac o n s t a n t o u t p u ts i g n a ll e v e l ，r e g a r d l e s so ft h es i g n a l sv a r i a t i o na tt h es y s t e mi n p u t b ye m p l o y i n ga g cb e f o r e s a m p l i n g i o w e rg e s o l u t i o na d c sw i t hh i g h e rs a m p l i n gr a t e sm a yb eu s e dt op r o v i d eac o s te f f e c t i v e s o l u t i o n a n di na l la u t o m a t i cg a i nc o n t r o ll o o p ，t h ev a f f a b l eg a i na m p l i f i e r ( v c a ) i st h ek e r n e l d e t e r m i n i n gt h es y s t e mp e r f o r m a n c e t h i sd i s s e r t a t i o ni sb a s e do nt h ed i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g - e a b l ec o w - cf o rs h o r t ) t r u e rc h i p a f t e r t h es t u d yo l lt h ea g cl o o p t h ea u t h o ra n a l y z e dt h ew o r kp r i n c i p l eo ft h ev g a a n dt h ef u n c t i o ni nt h e a g cl o o p b a s e do nt h em a i n s t r e a mt e c h n i q u eo ft h ec m o sv g aa n di t sp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r si nt h e d v b - ct a n e rc h i p a l li n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yv g ai sp r o p o s e dt h a ti sl o c a t e da tt h el a s ts t a g eo ft h ec h i p a f t e rt h em i x e r , t of 0 1 t ut h ea g cl p o p a c c o r d i n gt ot h es y s t e mr e q u i r e m e n t ，t h ei fv g ai sd e s i g n e dt o r e a l i z cag a i nc o n t r o lr a n g eo f4 0 d b ，a n dt h ew h o l ev g ac o n s i s bo ft h r e ep a r t s ：t h ea n a l o gm u l t i p l i e r ， e x p o n e n t i a lv o l t a g eg e n e r a t o ra n dt h ef i x e d - g a i no u t p u ts t a g e a m o n gw h i c h t h ea n a l o gm u l t i p l i e ri st h e c o r ec i r c u i to ft h ev g a al i n e a r i t yo p t i m i z a t i o nm e t h o di sp r e s e n t e dt ot h ev g ac o r ew h i c hi sb a s e do n t h ec u r r e n t s t e e r i n gs t r u c t u r e i no r d e l t or e a l i z eac o n s t a n ta g cs e t t l i n gt i m e ，al i n e a r - i n - d b 叠a i n c h a r a c t e r i s t i cb e t w e e nt h eg a i na n dt h ec o n t r o ls i g n a ls h o u l db eg u a r a n t e e d ，t h e n ，ac m o se x p o n e n t i a l v o l t a g eg e n e r a t o ri sd e s i g n e db a s e do nt h et r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i co ft h eb a s i cd i f f e r e n t i a ip a i r t h eo u t p u t s t a g ei sa d d e dt 0p r o v i d et h ed e s i r e ds i g n a ll e v e l t h ed e s i g ni sd e v e l o p e di nt h ec a d e n c ee n v i r o n m e n t a n ds p e g t r e r fa n ds y n o p s y sh s p i c ea r eu s e d f o rs i m u l a t i o nw h i l ev i r t a o s oc o m p o s e r 、d i v ad r c l v sf o rl a y o u tr e a l i z a t i o na n dv a l i d a t i o n a n dt h e p r o p o s e di fv g ai sv e r i f i e dw i t hc h a r a c t e r e d s0 2 5 4 r nn w e l lc m o s2 p 5 mp r o c e s s t h em e a s u r e m e n t r e s u l t ss h o wt h a t ，t h ep r o p o s e di fv g ac a nr e a l i z ea4 5 d bc o n t i n u o u sg a i nc o n t r o lr a n g e ，a n dt h e m i n i m u mb a n d w i d t hi sf r o m2 0 m h zt o7 0 m h z t h ep l d bc o m p r e s s i o np o i n ti su pt o1 9 5 d b ma tt h e o u t p u t t h ep e r f o r m a n c eo ft h ep r o p o s e di fv g a i sc o n s i s t e n tw i t l lt h es p e c i f i c a t i o na n di tc a l lb ea p p l i e d i nt h ei n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yb a n dt oa c c o m p l i s ht h ea m p l i f i c a t i o nf u n c t i o nf o r t h ed v b cr e c e i v e r k e y w o r d s ：a u t o m a t i cg a i nc o n t r o l ，v a r i a b l eg a i na m p l i f i e r , d b - l i n e a rg a i n ，a n a l o gm u l t i p l i e r , e x p o n e n t i a l v o l t a g eg e n e r a t o r 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名： 翌堑 导师签名：日 弓卜j 第一章绪论 1 1 论文的背景 第一章绪论 在现代无线通信接收机中，通常设置有自动增益控制电路( a u t o m a t i cg a i nc o n t r o l ，简称a g c ) ， 自动增益控制电路是通信设备，特别是通信接收设备“”的重要电路模块之一，其组成结构如图1 - i 所示，包括可变增益放大器，振幅检测器，低通滤波器和比较器。主要的作用是使设备的输出电平 保持为一定的数值，因此，a g c 也被称为自动电平控制( a l c ) 电路州。 一 图1 - 1a g c 的组成方框图 自动增益控制电路的提出是根据接收机的输入信号动态范围并且充分利用接收机的动态范围而 提出的。在通信传输过程中，由于各种原因，如空气，障碍物的影响，以及传输信道的非线性和各 种噪声的影响，信号会受到衰减，使得接收机的输入信号在一个范围内变化，最强和最弱信号其强 度可相差几十d b 。为了克服外界因素对信号的影响，尽可能宽范围地接收信号，需要使用自动增益 控制电路。信号在a g c 电路的控制下能够根据输入信号的强弱调整可变增益放大器的增益，使输出 信号保持在适当的电平。 !a g c ! l 一一：i 图1 - 2 数字电视接收系统 可变增益放大器( v a r i a b l eg a i na m p l i f i e r ，简称v g a ) 是a g c 电路中的核心模块，a g c 系统 的稳定性和对输入信号的响应灵敏度在很大程度上取决于v g a 的设计性能，因此，在所有输入端为 变化范围不可预知的信号，而在输出端期望得到稳定信号的系统中都采用了v g a 模块。图1 - 2 所示 的数字电视接收系统，其中调谐芯片的作用是将射频输入下变频到中频信号，该中频信号输入到其 后的解调芯片中进行解调，在此过程中由于射频输入在不同频段内幅度随机变化，而数字解调部分 东南大学硕士学位论文 需要相对恒定的中频信号，因此，在数字电视接收系统中，a g c 成为不可缺少的功能部分。 系统设计中为了得到最优的整体性能，一般接收机的增益可变范围由射频段的a g c 与中频段的 a g c 共同实现，输入信号较小时，r fa g c 的增益保持最大不变，随着输入信号功率的不断增大， 1 fa g c 的增益值减小以维持输出端信号功率保持恒定，当输入信号足够大，1 fa g c 增益范围不足 以维持恒定输出时，前端r fa g c 开始工作，减小其增益，使输出信号功率仍能满足后级电路的处 理要求，r f a g c 和i f a g c 的工作情况见图1 - 3 中所示。 a g c 2 ( m a x 1 。 a g c l m a x ) 。 a g c 2 ( m i n ) 。 a g c l ( m i n ) 。 a g cc o n t r o ll e v e l ( f w mr a t e ) t a k e o v e rr fi n p u tl e v e l p o i n t 图1 - 3r f a g c 和a g c 工作情况 图1 3 中a g c l 为前端r fa g c ，a g c 2 为i fa g c ，r fa g c 维持一定的增益直到输入端信号 功率大于t a k e - o v e rp o i n t ，其增益才开始下降，使接收机系统的输出保持恒定。如果系统中i fa g c 的增益范围能够覆盖输入信号的变化范围，则系统只需要i f a g c 作用即可。 在d v b c 接收机中，由于接收到的信号的动态范围较大，可以直接采用高分辨力的a d c 对中 频信号进行采样解调，但是考虑到其带来的高成本与很高的功耗，一般在a d c 之前设置可变增益放 大器，减小信号的动态范围，使后级可以采用较低分辨力且具有高采样率的a d c ，从而减小了设计 难度以及成本【5 】 1 2 论文的主要工作 本课题的主要工作是在明确a g c 系统工作原理以及目前v g a 的发展概况和主流技术之后，设 计出个增益控制范围为4 0 d b 的c m o si fv g a ，且该v g a 的增益与控制电压成d b 线性的关系。 具体工作如下所示： a g c 系统工作原理分析，v g a 发展概况和主流技术综述； v g a 核心部分以吉尔伯特单元( g i l b e r tc e l l ) 为原型，输入信号与控制信号相乘，实现增 益随控制信号变化，采用小电流支路避免增益相位翻转的问题，并控制输入管漏源电压， 在输入信号强度较大时，使输入管工作在线性区，提供较好的线性度。 利用工作在亚阈值区的m o s f e t 其电流具有指数特性及差分对转移特性，设计指数电压生 成电路，生成的电压是外部控制信号的指数形式，从而实现v g a 增益与外部控制电压之间 的d b 线性关系。 输出级的作用是放大模拟乘法器的输出信号，使之满足后级电路的处理要求。同时输出级 对整个电路起到频率补偿的作用，提高电路的性能。 1 3 论文的结构 本论文由九章组成。本章对课题的选题背景和目的意义做了简要的概述。第二章对a g c 系统的 工作原理做一个简单的分析。第三章根据v g a 的发展概况以及设计要求，提出所设计的v g a 的总 体结构及其指标要求。第四章详述v g a 核心单元的设计，在吉尔伯特单元的基础上，对其结构进行 改进。第五章叙述指数电压生成电路的实现，第六章是输出级电路的设计，第七章与第八章分别讲 述v g a 电路的版图设计以及仿真测试结果分析。第九章作课题总结和展望，简要说明了v g a 的发 展趋势，拟定将来研究的重点。 2 第二章a g c 系统概述 第二章a g c 系统概述 自动增益控制电路框图如图2 1 所示，图中，可变增益放大器的增益加受控制电压您的控制， 闭环系统对a v 自动调整，电平检测电路检测出反映信号电平的平均值，通过低通滤波器后，与你 比较，生成控制信号跆去控制4 v ，通过环路的作用，无论 变化或是系统参数变化，输出信号电 平场都将保持在 图2 - 1自动增益控制环路结构框图 a g c 环路中，幅度检测器、低通滤波器和差分比较器构成了它的反馈网络，该系统可以用一个 传输函数来表示。理想的a g c 传输函数可以用图2 - 2 来表示：对于低电平输入信号，a g c 无效， 输出信号是输入的线性函数，当输入信号达到a g c 的门限值n 时，a g c 开始启动并且保持一个常 数输出，直到输入到达第二个门限值n 时，a g c 系统又变为无效。这样做的目的是为了防止高增 益区的稳定性问题 6 1 。 a g c 环路的主要参数依赖于系统内部的调制类型，如果使用a m 调制，a g c 就不能对振幅调 制的变化做出响应，否则会造成失真，所以a g c 的带宽就必须限定到一个低于最低调制频率的频率 点上，而对于频率调制和脉冲调制，系统的要求就不是很严格。 2 1a g c 分析模型 a g c 系统是非线性的，在对a g c 系统进行分析时，需要给非线性方程以准确解，这是很难做 到的，但是一般情况下，我们可以利用两种a g c 系统的数学模型对a g c 系统进行分析，即d b - 线 性模型和伪线性模型 7 1 。 东南大学硕士学位论文 图2 - 3d b 碱性a g c 系统模型 d b 线性模型的系统框图如图2 - 3 所示， p = k 1 e + 4 ”v o = 所k l e + 4 ” 在该模型中，v g a 的传输函数p 为： 其中，场和m 分别为系统的输出和输入信号， 测器的传输函数为线性函数，因此可以得到： ( 2 - 1 ) 鼢是常数，d 是v g a 的常数因子。由于幅度检 v2=invi=inkwo(2-2) 其中胁表示幅度检测器的线性增益，经过差分比较器和一级低通滤波器之后得到可变增益放大 器的控制信号跆为： v c = f ( s ) ( v r v 2 ) = ，( 0 ( 一i n k w o ) ( 2 - 3 ) 其中f ( s ) 表示低通滤波器的传输函数，根据v g a 的传输特性，可以得到： 1nvo=avc+invik,(2-41 消去式( 2 3 ) 和式( 2 - 4 ) 中的圪，可以得到输入和输出信号之间的关系： i n v o i + a f ( s ) 】- i n v i + a f ( s ) g r + l n k l a f ( s ) v r i n k 2 ( 2 - 5 ) 假定鼢和勋均为1 ，并将1 n 转化成l o g l o 的形式，可以得到用曲表示的输入信号和输出信号 之间的关系： ：垡l + 8 7 a f ( s ) v rf 2 - 6 ) 1 + a f ( s )1 + a f ( s ) 可见，当输入与输出均表示成d b 的形式时，他们之间成线性关系，从上式还可以看出，a g - c 系统的性能主要是由v g a 的n 因子和滤波器的传输函数刑决定的，由于系统稳定性的问题，和为 了保证系统不对输入信号中的幅度调制信息做出响应，需要限定a g c 系统环路的带宽，因此，f f 砂 通常为低通滤波器。当删的直流增益远大于1 时，输出近似等于8 7 v r ，可见，输入端信号的波动 被大大的减小了。 伪线性模型的系统框图如图2 - 4 所示，在该系统环路中，没有对数放大器，但其受控放大器v g a 依然采用指数型可变增益放大器。 输出信号砌等于p l , q ，其中p 为可变增益放大器的增益，为控制信号跆的函数，而控制信号 为v 硝v r - v o ) * f ，而输出对于输入的导数为： 盟：旦( p v i ) ：p + v 堡( 2 - 7 ) d 所 d 所 d 所 又因为v g a 的增益p 对输入信号的导数为： 堡：堡盟：堡丝丝：堡( 廿1 一d v o ( 2 - 8 ) d v d 聆d v d v c d v od v d v c 、 7 d v 从而可以得到a g c 系统的小信号微分方程： 磐( 1 + f v 鲨- ) ：p ( 2 9 ) d 所、d 7 、 这样a g c 系统的环路增益为： , h p l = 一f r s ) 所二二一( 2 一1 0 ) 4 第二章a g c 系统概述 图2 _ 4 伪线性a g c 系统模型 由式( 2 1 0 ) 可知，系统的环路增益为： l i p 工= 一f ( 曲聍( 2 1 1 ) j 。d v c 可见，系统的环路增益是输入信号的函数，因此该系统是非线性的。由于环路增益与输入信号 有关，因此环路的极点也与输入信号有关，这给分析系统的瞬态响应增加了难度。但是当受控放大 器的增益特性符合指数特性时，系统的环路增益为一常数，这样，系统的环路建立时间就为一常数， 系统就成为一个线性系统】，对系统环路建立时间的分析详见下一部分。 2 2a g c 系统建立时间的确定 a g c 系统环路的建立时间是指，环路对输入信号参数的变化做出响应而调整可变增益放大器增 益以维持恒定的输出所需要的时间p j 。 a g c 系统调整输入信号的幅度来无错恢复输入信号中的有用信息，而该恢复必须在一定的时间 ( p r e a m b l e ) 内完成，如图2 - 5 所示，环路的建立时间小于p r e a m b l e 时，信息不会丢失。如果a g c 环路建立时间与输入信号强度有关，该p r e a m b l e 时间必须大于a g c 环路的最慢建立时间，从而占 用很大的带宽，因此a g c 环路建立时间需要是一个恒定的值，与输入信号无关。 r e o e i ”d 球i 妇m 耐a n a l o gi n p u t 图2 - 5 输入信号组成 图2 - 6 中所示的a g c 系统，或是a g c 系统的第一种分析模型，其环路建立时间是跟输入信号 有关的，是一个非线性系统，但是如果在环路中加入虚线框中所示的对数放大器，该a g c 系统将实 现d b 一线性特性，也就是说，当输入和输出都表示成d b 的形式时，他们之间成线性关系。 v r e f 图2 - 6 环路中带对数放大器a g c 系统框图 5 东南大学硕士学位论文 图2 7 图2 - 6 中a g c 系统的等效电路框图 a g c 的反馈环路只是对输出信号幅值的变化做出响应，因此可以用信号的幅值来代表信号，输 出信号的幅值为： a o u t = g ( v c ) a i n 上式可以等效为： a o u t ：k v le x p h a g ( v c 也 竽】 l ( 2 一1 2 ) ( 2 一1 3 ) 其中b l 为一个单位与d i n 、a o u t 相同的常数，根据上式，可以将图2 - 6 等效为图2 - 7 ，其中x ( f ) 和) ，( f ) 分别为输入和输出信号幅值的d b 值，同样，z 表示参考信号的d b 表示。 图2 - 6 中的环路滤波器用图2 - 7 中的积分器来表示，其传输函数为： 日( j ) = g u 2 j cr 2 1 4 ) 为了获得恒定的a g c 环路建立时间，需要使x 例和y ( o 成线性关系，根据图2 - 7 中各个量之间 的关系得到： y ( f ) = x ( f ) + i n g ( v c ) 而其中的控制信号为： 比( r ) = f 警 加t 矿一加z k ，p ) ) d f 由上述两式可以得到： 害= i d x + 1 d g gm2脚-昏b2iney()g(vc)dvcc 】 防破 。 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 为了得到x ( f ) 和y ( f ) 的线性关系，首先使志爰警为一个常数h ，这样上式等效为 考+ 黼z 加) = 鲁+ h 临 上式表示一个1 叭x ( t ) 至l j y ( t ) 的一阶线性系统，其时间常数为 f ：l ： l d g g m 2 加：】- 仁丽2 【西万百i 石了舭】 其中g m 2 和c 为常数，这样可变增益放大器的增益就需要满足： l d a ( v c ) ， g ( v c ) d v c 其中b - 为常数，这样就能解得可变增益放大器的增益特性为： g ( v c ) = 缸2 e ”1 ” 6 ( 2 - 1 8 ) r 2 - 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) 第二章a g c 系统概述 即可变增益放大器的增益特性符合指数特性时，增益与控制信号成d b 线性，当v g a 满足这种 增益特性时，a g c 环路的建立时间常数为： c f ”一坼。瓦磊忑( 2 - 2 2 ) 其中 e x p 一崦是指带有对数放大器的a g c 环路的建立时间常数，且该系统中的可变增益放大器 的增益特性符合指数特性，增益值与控制信号成d b 线性。在这种系统模型中，对于输入信号参数的 变化，输出的d b 值会有相同的变化量，在一个时间常数后，输出值维持在参考电平决定的电平上。 如图2 - 4 所示的第二种模型的环路中不包含对数放大器，或如图2 8 所示，系统中包括可变增益 放大器、固定增益放大器、幅度检测器、低通滤波器及比较器。为了得到理想的增益控制特性，即 恒定的环路建立时间，需要系统保持环路增益为一常数。 图2 - 8 不带对数放大器的a c j c 系统框图 图2 - 8 中砌为输入信号，经v g a 和f g a 后输出一个恒定的信号，该v g a 的控制信号是x ( o ， 是由输出信号陌经幅值检测器、低通滤波器和一个比较器之后得到的。 v g a 的输出信号为n = 砌妒俐，而v g a 的输出信号相对于控制信号的增益值为： p ：掣：v i n d p ( x ) ( 2 - 2 3 ) 出出 根据图2 - 8 ，我们得到系统的环路增益值为： l o o p g a i n = c p 爿f dr 2 2 4 ) 其中c 、4 、f 和d 均为常数，因此，系统的环路增益与v g a 相对于控制信号的增益值有关， 即与输入信号有关。 当可变增益放大器的增益符合线性特性时，可将其输出信号表示为： vi=vinkx(2-25) 这样，相对于控制信号的增益p 为v i n k ，从而环路增益为： l o o p g a i n = c g i n “a f d佗- 2 6 ) 可见，环路增益直接与输入信号的幅值有关，因此，根据a g c 环路建立时间与环路增益成反比， 当输入信号的幅值减小时，a g c 环路的建立时间按比例增大，对输入信号幅值的变化响应较慢。 为了得到一个与输入信号幅值无关的恒定的环路增益，需要对可变增益放大器的增益做出一定 的改变。假设a g c 系统输出的恒定值为砌o ，其值为： v o 。= v i n p ( 曲彳f ：= a v j o ( 2 2 7 ) 为了得到恒定的环路增益，假定v g a 相对于控制信号的增益p 为一常数k l ，即： p ：竺a p ( x ) k i( 2 2 8 ) p ( 曲凼 、 从上述两式即可求得v g a 的增益为： 尸( 力= k 2 e x p ( 令孚功 ( 2 2 9 ) y o 因此，当v g a 的增益与控制信号成指数关系时，能够得到与输入信号幅值无关的恒定的a g c 环路增益： 7 东南大学硕士学位论文 l o o p g a i n = c g l * a f df 2 3 0 ) 在这种情况下，a g c 的时域性能将与输入信号的幅值无关。如图2 - 9 所示，系统的环路建立时 间与输入信号的幅值无关，对于不同的输入信号幅值，a g c 对输入信号幅度的变化具有相同的响应 时间。 对于一般情况下的a g c 系统，只需要满足下式，即表示该系统具有恒定的环路建立时间。 g m 2 ( v c ) 粥f 您) ， g f g c ) d v c 、 上式表示，积分器的跨导是控制信号的函数，在这种情况下，无论可变增益放大器的增益特性 是线性特性还是符合指数特性，都可以得到恒定的环路建立时间，只需要v g a 的增益与积分器的跨 导成比例，具有相类似的单调的表达式。 一量一 i t tt l7h l i ， 图2 - 9 带有e x p - v g a 的a g c 在不同输入下的时域性能 2 3q a m 解调器自动增益控制设计 针对有线电视信道对电视信号造成的衰减，接收端的q a m 解调芯片需要动态调整信号的功率 电平。q a m 解调器中的自动增益控制包括两部分，即前端a g c 和片内a g c 。 因为q a m 调制幅度含有信息，并且快速变化，那么q a m 信号工作的a g c 系统应该控制接收 机输出信号的相对长期的平均值，以便更快速的承载幅度变化的信息失真。a g c 系统包括一个低通 滤波器从由调制引起的快速幅度变化中分离出由衰减引起的较慢变化的载波幅值变化。 对于幅度调制信号4 ( 1 + m s i n 船f ) c o s 艘，经过检测器后得到是快速变化的幅值信息，即， a ( 1 + m s i n c 0 , t ) ，其变化速度要比载波幅值彳的变化速度要快的多，通过一个一阶低通滤波器，可 以将变化较快的信息滤除，得到由于衰落引起的a 的变化情况，进而控制a 的变化情况，使之恒定， 这样得到的信息信号没有损失掉。a g c 低通滤波工作原理见图2 1 0 所示。 图2 1 0a g c 系统中低通滤波工作原理 受控放大器的控制信号由数字解调部分生成的p w m 信号经一级低通滤波生成直流控制信号， 该模拟低通滤波器一般采用r c 网络实现【”】，如图2 1 l 所示，该电路根据p w m 信号的占空比形成 不同数值的直流电压，如占空比为0 时，输出直流电压为3 3 v ，占空比为5 0 时，输出电压为1 6 5 v ， 8 舭m 燃一洲恻埘黔 椒脚咖一删一 删 洲一 脚一 k叩 枷删一 杈：川驯；舭撇恻晰删恻 川鳃 腻脚血一撇一腓一 删 | 脚一 l叩 嘲蝴一 一：；。n刚；k 第二章a g c 系统概述 占空比为1 0 0 时，输出直流电压为o v 。 图2 1 1p w m 信号后用于产生直流控制电平的低通滤波器 东南大学硕士学位论文 第三章v g a 总体设计构架 随着无线通信领域的迅猛发展，射频集成电路对v g a 宽动态范围的设计要求如同低电压、低功 耗一样越来越受到关注。c m o s 工艺的低成本和所设计电路的低功耗特性使得现在的绝大部分v g a 电路都采用c m o s 的结构形式，但同时有些m o s 本身不具备的特性在将b i p o l a r 或b i c m o s 电路 转换为c m o s 时并不能简单的替换。因此设计c m o sv g a 具有特殊性。 本章首先对c m o sv g a 的发展作了简要的概括；其次指出了可变增益放大器基本的设计指标 及d v b - c 调谐芯片中i fv g a 的设计指标要求，并在此基础上提出了可变增益放大器的总体设计构 架。 3 1v g a 发展概况 v g a 主要应用于磁盘数据读写系统和远程通信。现在v g a 也被应用到了助听系统和医学等很 多领域。 可变增益放大器根据增益控制方式，可以分为增益连续可调的变增益放大器( v a r i a b l eg a i n a m p l i f i e r ) 和增益步进变化的可编程增益放大器( p r o g r a m m a b l eg a i na m p l i f i e r ) 。v g a 使用模拟信 号控制增益，由于增益连续变化，所以在数字电视中不会因增益突变而造成调制信号的接收解调错 误。而p g a 使用数字电路控制增益，从而简化了模拟控制电路，因其增益是离散的，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。 从工艺上来讲，c m o s 工艺的高集成度、低成本促使c m o s 射频集成电路成为近年来的研究热 点，c m o s 无线局域网( w l a n ) 和蓝牙( b l u et o o t h ) 已经盛行，同时g s m 收发机和g p s 接收机 正朝着c m o s 方向发展，随着研究的不断深入，c m o sv g a 也得到了长足的发展，因此下文重点 介绍c m o sv g a 的发展概况。 v g a 的主要功能是实现增益变化，为实现宽范围的增益控制，文献中提出了大量的电路结构创 新，但是从电路结构和增益控制方法来分，v g a 主要可以分为两种，即闭环结构和开环结构。表3 - 1 给出了v g a 的基本结构和增益控制方法。闭环结构v g a 包括反馈因子变化和开环增益变化两种形 式，而开环v g a 主要结构有源退化结构、模拟乘法器结构、二极管负载结构和共源共栅差分对结构。 表3 - 1 可变增益放大器增益控制方法与结构总结 电路结构增益控制方法 增益控制范围参考文献 反馈电阻阵列切换 3 0 d b 【1 1 】 闭环结构 反馈电容阵列( 开关电容放大器) 3 0 d b 【1 2 】 有源网络负反馈( 电流分配网络) 4 5 d b 1 3 1 模拟乘法嚣电流改变等效跨导 5 0 d b 【1 4 1 开 源退化电阻改变等效跨导、负载电阻阵列 1 2 d b 1 1 5 j环源退化电阻差分对 切换 结 构 二极管负载差分对电流电压同时改变等效跨导和输出阻抗 4 5 d b 【1 6 共源共栅差分对 控制输入管跨导 2 0 d b 【l7 】 3 1 1 闭环结构 闭环结构的v g a 如图3 - i 所示，闭环增益为： 以= 而a 万 ( 3 1 ) a 为放大器开环增益，f 为反馈因子。一般a 不变，通过改变反馈因子f 来改变环路增益，从 i o 第三章v g a 总体设计构架 而改变放大器的闭环增益。反馈网络可以采用电阻阵列、电容阵列或有源反馈网络，下文按三种反 馈网络给出了各自的电路结构。 彤 彤 图3 - 1 闭环结构的v g a a 开关电阻阵确切换 改变放大器增益的最简单的方法就是改变运算放大器的反馈因子，从而实现增益变化，电阻反 馈型闭环v g a 实现方法简单，设计难点在于高增益、宽带宽、低功耗，同时由于放大器固定的增益 带宽积，因此闭环放大器在整个增益范围下性能差异很大，为满足最坏情况下放大器的性能要求， 必将带来功耗或芯片面积等的设计代价。 文献 1 l 】给出了一种输入衰减的闭环v g a 结构，如下图所示。闭环放大器的反馈因子恒定，通 过输入端电阻阵列切换，改变放大器增益，因此避免了由于反馈因子变化而带来的负面影响。 solectobl-altaratiorlfixedg a i n 图3 - 2 输入衰减网络的闭环v g a 1 通过电阻阵列的切换可以实现步进式可变增益，增益的突变可能造成调制信号的接收解调错误。 b 。反馈电容阵列切换( 开关电容放大器) 开关电容( s w i t c h e d c a p a c i t o r ) 放大器相对普通放大器功耗更低，因而应用在低电压低功耗的 场合。文献 1 2 1 提出了一种基于s c 放大器的低功耗闭环v g a ，结构如图3 3 所示，图中v g a l 的 反馈电容c f 通过2 位控制字分别取c l 、2 c s 、4 c 1 和8 c l ，实现步长为6 d b 的0 d b 一1 8 d b 的增益变 化。v g a 2 的增益表示为： r 、，f 1 ， g = ( c 口+ e ) “e e ) = ( 1 + 。殇) ( 1 一。殇) ( 3 - 2 ) ，、i7 、- t v g 2 _ “由 。茹。 图3 - 3 开关电容阵列实现的v g a 东南大学硕士学位论文 通过改变c x 实现步长为0 0 9 4 d b 的0 d b - - 6 d b 的增益变化，同时基于上式实现了增益与控制字 的d b 线性关系。电容反馈阵列或开关电容放大器实现的v g a 具有低功耗、低失调的优点，同时由 于m o s f e t 器件的特性以及c m o s 开关的优点，使得s c 放大器在c m o s 工艺中得到广泛的应用， 但由于电阻或电容反馈阵列等无源网络的寄生，放大器性能将受到影响。同时开关电容放大器中需 要时钟信号，在接收机的模拟射频前端应用十分有限，一般应用在模拟数字混合场合中。 c ? 电流分配网络 电容或电阻反馈网络的工艺寄生及对放大器的影响可以通过采用有源反馈网络的方法解决，文 献d 3 提出了一种基于电流分配网络的闭环v g a 。 叫囱董 ( a ) 图3 4 电流分配网络( a ) 电路结构( b ) 符号表示 根据图3 4 ，电流分配网络的输出电流表示为： 。= l - 2 ，i o ：= 厶q 2 。( 3 - 3 ) i = 1i = 1 采用c d n 的优点在于开环晶体管是网络的一部分，因而开关的有限电阻不会引起增益精度的恶 化。在r 2 r 电阻阵列中的开关晶体管必须保证其等效电阻远小于电阻阵列中的电阻大小以保证增益 的步进精度。采用c d n 的闭环v g a 电路结构如图3 5 所示，放大器的增益可以表示为： 老= ( 烈群 图3 - 5 采用c d n 的可变增益放大器 ( 3 4 ) 通过上式放大器实现了增益的曲线性，基于图3 4 中的电流分配网络实现的可变增益放大器可 以实现3 0 6 0 d b 的增益控制范围。 3 1 2 开环结构 开环结构v g a 在带宽和线性度方面具有更大的设计空间，当前v g a 的重要研究点也是在于创 新结构的开环v g a 及增益控制方法。开环v g a 基本工作原理如图3 - 6 所示： 1 2 第三章v g a 总体设计构架 。、 l 一 j多。r i 图3 - 6 开环结构v g a 工作原理 由增益表达式a v = g m * r o u t 可知，通过改变等效跨导g m 或( 和) 等效输出阻抗r o u t ，可以改 变放大器的增益。目前比较流行的开环v g a 主要包括模拟乘法器结构、源级退化结构、二极管负载 的差分对结构和共源共栅结构。 a ? 模钕乘法器 完成时域中两个模拟信号的乘积是模拟信号处理中的一个重要运算，模拟乘法器在混频器、调 制器中广泛采用。如果考虑乘法器中一路为输入信号砌删，另一路为控制信