（微电子学与固体电子学专业论文）无线传感网络接收芯片内嵌可变增益放大器设计.pdf

d e s i g no f v a r i a b l eg a i n a m p l i f i e r i nr e c e i v e r c h i pf o rw s na p p l i c a t i o n at h e s i ss u b m i r e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g b y w a n g h a o s u p e r v i s e db y p r o f w uj i a n h u i s c h o o lo fe l e c t r o n i cs c i e n c ea n de n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y m a r c h2 0 1 0 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。 ，1 研究生签名：玉兰日期：2 里2 生耋目圭了臼 研究生签名：皇筮日期：至里2 i 兰旦兰7 日 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予文档， 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( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、 英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：皇筮导师签名： 中曰 摘要 摘要 在射频接收机中，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 ) 与反馈环路组成的自动增益 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 ) 为基带a d c 提供恒定的信号功率，是射频接收机的关键 模块之一，其性能直接影响了接收机的可接收输入信号动态范围，因此对v g a 的研究与设计具有重要意 义。 论文主要设计z i g b e e 接收芯片中的v g a 电路。论文从a g c 环路入手，分析了a g c 电路的基本工作 原理，以及v g a 在a g c 环路中的作用，并对c m o sv g a 的主流增益控制技术进行总结，根据接收芯片 的系统要求，确定了v g a 的设计目标与系统架构，设计了一个由增益粗调级和增益精调级级联的宽增益 控制范围的中频v g a 。为了保证v g a 的增螽精度，同时有效改善线性度，在增益粗调级的内部固定增益 放大器电路采用g m b o o s t 结构，在增益精调级的内部采用电阻负反馈闭环结构。为了减小v g a 整体电路 的功耗，在增益粗调级中引入电源选通开关，关断不工作的模块：同时在增益精调级电路中采用a b 类输 出级，减小静态工作电流。 论文基于s m i c0 1 8 岬r f c m o s 工艺完成可变增益放大器的原理设计、版图设计以及后仿真，电路 电源电压为1 8 v 。仿真结果表明，中频v g a 电路的d b 线性增益控制范围为6 9 7 3 d b ；在0 5 m h z 3 5 m h z 的频带范围内，具有较小的增益误差o 2 1 d b ：输出三阶互调点o i p 3 高于2 0 2 5 d b m ，噪声系数n f 低于 1 6 7 3 d b ：最大功耗为4 2 6 m w ，满足z i g b e e 接收机系统的应用要求。 关键词：自动增益控制；可变增益放大器；增益粗调级；增益精调级；d b 线性增益 a b s t r a c t a bs t r a c t a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tb u i l d i n gb l o c k si nr a d i o f r e q u e n c yr e c e i v e r s ，v a r i a b l eg a i na m p l i f i e r ( v g a ) d e t e r m i n e st h ei n p u ts i g n a ld y n a m i cr a n g et h a tt h er e c e i v e r sc a np r o c e s st h r o u g ht h eg a i nc o n t r o lr a n g e ，a n dt h u s p r o v i d e sa c o n s t a n to u t p u ts i g n a lp o w e rf o rt h eb a s e b a n da n a l o g - t o - d i g i t a lc o n v e r t e r t h em a i nt a s ko f t h i st h e s i sw a st od e s i g nav a r i a b l eg a i na m p l i f i e ru s e di nz i g b e er e c e i v e r t h eb a s i cw o r k p r i n c i p l eo ft h ea g cl o o pa n dt h ef u n c t i o no fv g a c i r c u i ti nt h ea g cl o o pw e r ef i r s ts t u d i e d a n dt h e n ，s e v e r a l k e yi s s u e so nt h ev a r i a b l eg a i na m p l i f i e r si m p l e m e n t e di nc m o st e c h n o l o g yf o rm o d e m r e c e i v e ra p p l i c a t i o n s w e r ei n v e s t i g a t e dt od e t e r m i n ev g a st o p o l o g ya n dp a r a m e t e r s t h ew h o l ev g aw a sc o n s i s t e do ft w op a r t s ： c o a r s eg a i ns t a g ea n df i n eg a i ns t a g e t oi m p r o v eg a i na c c u r a c ya n dl i n e a r i t y ，g m b o o s ts t r u c t u r ew a su s e di n f i x e dg a i na m p l i f i e rw h i c hw a st h ec o r ec i r c u i ti nc o a r s eg a i ns t a g e a n dr e s i s t o rf e e d b a c kn e t w o r kw a su s e di n f i n eg a i ns t a g e c o n s i d e r i n gt h ep o w e rd i s s i p a t i o n ，e n a b l es w i t c h e sw e r eu s e dt op o w e r - d o w nc i r c u i t st h a tw e r e o u to fs i g n a lc h a i n ，a n dc l a s sa bo u t p u tw a su s e di nf i n eg a i ns t a g et ol o w e rq u i e s c e n tc u r r e n t t h e1 fv g aw a sd e s i g n e da n ds i m u l a t e di ns m i co 18 1 x mr f c m o sp r o c e s s 。t h es i m u l a t e dr e s u l t s i n d i c a t e dt h ev g ah a dt h ed bl i n e a rg a i nr a n g eo f6 9 7 3 d b a n dh i g hg a i na c c u r a c yo f0 21d ba tt h eb a n d w i d t h c o v e r e dt h er a n g ef r o m0 5 m h zt o3 5 m h z t h ew h o l ec i r c u i to i p 3w a sa b o v e2 0 2 5 d b ma n dn fw a sb e l o w 16 7 3 d b t h em a x i m u mp o w e rd i s s i p a t i o no ft h ev g ac i r c u i tw a sa b o u t4 2 6 m w ，w h i c hm e tt h ez i g b e er e c e i v e r r e q u i r e m e n t 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 ；c o a r s eg a i ns t a g e ；f i n eg a i ns t a g e ；d bl i n e a rg a i n i l 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目j i 乏i i i 第一章绪论1 1 1 课题背景1 1 2 相关研究现状2 1 3 本论文丰要工作。3 1 4 论文结构3 第二章可变增益放大器概述4 2 1 接收机架构4 2 2 自动增益控制环路6 2 3 可变增益放大器主要性能指标13 2 4 基于c m o s 工艺的可变增益放大器实现方法1 6 第三章z i g b e e 接收芯片内嵌可变增益放大器的设计2 2 3 1 z i g b e e 接收芯片系统架构2 2 3 2v g a 电路设计指标2 4 3 3v g a 电路设计。2 4 第四章可变增益放大器版图设计与后仿真4 0 4 1v g a 电路版图设计4 0 4 2v g a 整体电路后仿真4 4 总结与展望5 l 致谢5 2 参考文献5 3 作者简介5 5 i i i 第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍本论文课题背景，详细阐述本论文研究意义，然后简单介绍相关研究现状，最后阐明本 论文的研究内容和组织架构。 1 1 课题背景 无线传感网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，简称w s n ) 是一种应用于短距离范围内，低传输数据速率下 的各种电子设备之间的无线通信网络。其不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域有着巨大的运 用价值，而且在未来可以应用到人类日常生活和社会生产活动的许多领域中，具有很大的研究价值。 无线传感网络的通信标准主要有蓝牙和z i g b e e 。其q b z i g b e e 是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、 低数据率、低成本的无线通信技术，主要用于近距离无线连接。根据8 0 2 1 5 4 标准，z i g b e e 可以在数千个 微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据 从一个传感器传到另一个传感器，有较高的传输速率。和蓝牙相比。z i g b e e 具有结构更简单、功耗更低、 组网规模更大的特点，因此正成为移动传感器平台的主流通信标准，基于z i g b e e 通信技术的接收机也正成 为射频与模拟集成电路设计的一个热门方向。图1 1 给出了一种z i g b e e 接收机系统框图。 q 图l 1z i g b e e 接收机系统框图 当存在多路衰减和路径损耗时，接收信号要求的动态范围典型值要大于1 0 0 d b 。由于最小的可检测信 号在微伏( “v ) 量级，所以不仅输入噪声，而且串扰也变得很关键。动态范围的另一个极端是接收机可能会 接收到很大的信号，例如，如果接收机接近发送机，则接收到的信号幅度可能会高达几百毫伏( m v ) 。解决 这一问题导致需要使用自动增益控制( a u t o m a t i cg a i nc o n t r o l ，简称a g c ) ，a g c 如图1 1 所示。 图1 2a g c 功能示意图 自动增益控制电路的目的是使接收机的增益能够随输入信号的强弱而自动调整【l l 。自动增益控制的主 要功能是在输入信号幅度变化较大的情况下，使输出信号幅度保持恒定或在特定的范围内变化，如图l - 2 所示。它能够保证在接收弱信号时，使接收机增益升高，而接收强信号时则增益降低，从而使输出信号保 持在适当的电平，不至于因为输入信号太小而无法正常工作，也不至于因为输入信号太大而使接收机发生 饱和或堵塞。如果没有自动增益控制电路，则很可能在接收很强或极弱信号时，使接收机产生饱和或过载 l 东南大学硕士学位论文 或使信号淹没在噪声中而接收不到信号，从而使接收机工作失常。在自动增益控制电路的控制下，整个系 统的性能才能得到保证，使得下一级电路能够在正常的状态下工作。自动增益控制电路在光纤通信、微波 通信、卫星通信等通信系统以及雷达、无线传感网络系统中得到了广泛的应用，具有相当重要的地位。 典型的闭环模拟a g c 电路如图1 3 所剥到，环路包括检测输出信号功率大小的幅度检测器( p e a k d e t e c t o r ) 、信号功率参考电艇( v r e f ) 、环路滤波器( l o o pf i l t e r ) 及可变增益放大器( v a r i a b l eg a i n a m p l i f i e r ， 简称v g a ) 。a g c 通过反馈环路调节可变增益放大器的增益，从而实现恒定的信号功率输出。在a g c 系 统中，可变增益放大器是其主要组成部分，直接决定了a g c 系统的性能。a g c 系统的稳定性和对输入信 号响应的灵敏度在很大程度上取决于v g a 的设计性能。 v i l l 图1 3a g c 环路结构示意图 可变增益放大器作为接收机中的关键模块，一直是射频与模拟集成电路领域的研究热点。宽增益控制 范围和高线性度是现今应用于接收机中可变增益放大器的主要性能参数。不同通信标准中天线接收信号强 度变化范围不同，对可变增益放大器增益控制范围要求也不同，例如，在z i g b e e 系统中增益控制范围需要 达到约1 0 0 d b 。另一方面，由于v g a 一般位于接收机的后端、模数转换器( a d c ) 之前，因此需要提供低 失真的大信号输出。例如，v g a 输出端的a d c 精度为1 0 位，则v g a 输出信号动态范围需要达到 ( 1 7 6 + 6 0 2 x 1 0 ) = 6 2 d a 。本论文中，设计的v g a 在接收机中位于中频滤波器和模数转换器之间，具有较高的 增益控制范围和较低的失真，提供了接收信号链路大部分增益动态范围，减小了后级a d c 对分辨力的要求， 降低了系统整体的设计难度及成本。 1 2 相关研究现状 可变增益放大器作为射频接收机的关键模块，其设计技术的研究一直是射频与模拟集成电路的研究热 点。众多设计技术和新颖电路结构都是围绕可变增益放大器各项性能展开的。可变增益放大器需要在增益 控制范围、线性度、功耗等性能之间进行折衷，应用系统不同对各项性能的要求亦不同。 现今，在可变增益放大器电路的许多应用中，都要求增益相对于控制信号的变化呈d b 线性关系，以 便a g c 能够获得精确定义的建立时间，优化a g c 环路的性能。 根据采用工艺的不同，可变增益放大器可分为c m o s 可变增益放大器和双极型可变增益放大器两大 类。双极型可变增益放大器具有较差的温度特性以及较高的功耗，需要加入温度补偿电路和增益补偿电路， 加大了电路的复杂性并进一步加大了功耗【3 l 【4 l 【5 】【6 】o 由于c m o st 艺高集成度、低电压、低功耗的特点， c m o s 可变增益放大器正成为主流。c m o s 可变增益放大器与双极型可变增益放大器相比，具有更好的温 度特性，更高的集成度和较低的功耗。 现今c m o s 可变增益放大器的研究重点主要为宽d b 线性增益控制范围，高增益精度，宽频率工作范 围。高线性度以及低噪声系数。根据增益控制信号的不同c m o s 可变增益放大器可分为模拟信号控制可变 增益放大器和数字信号控制可变增益放大器。 模拟信号控制可变增益放大器增益连续可调，主要由两部分组成：增益可变电路，指数电压产生电路。 增益可变电路主要为信号相加结构，如g i l b e r t 乘法器。指数电压产生电路是现今研究的热点，主要有构 2 第一章绪论 造伪指数函判7 】【8 】【9 】f 1 0 1 和指数函数的t a y l o r 级数展开【1 1 1 【1 2 】【1 3 1 两种方法，单级分别可以达到6 0 d b 和4 0 d b 的线性增益控制范围。为了得到更高的d b 线性增益控制范围，可以将多级进行串联，从而满足整个系统对 动态范围的需要。 数字信号控制可变增益放大器，通过控制数字编码方式实现增益的d b 线性。相比于模拟信号控制可 变增益放大器，数字信号控制可变增益放大器不需要单独构造指数电压产生电路并且可以在离散点优化 增益值，提高增益精度。现今数字信号控制可变增益放大器主要利用反馈电阻阵列，反馈电容阵列，有源 网络负反馈等结构实现增益可变。数字信号控制可变增益放大器利用负反馈结构，具有较高的线性度；并 且同时可单独选通关断各级，具有较小的功耗。本论文即采用的是数字信号控制可变增益放大器。 1 3 本论文主要工作 本论文主要工作是在明确a g c 系统工作原理以及目前可变增益放大器的发展概况和主流技术之后，设 计出一个增益控制范围为7 0 d b 的c m o s 中频可变增益放大器，且该可变增益放大器的增益与控制信号成d b 线性的关系，具体t 作如下所示： a g c 系统工作原理分析，可变增益放大器发展概况和主流技术综述； 可变增益放大器整体电路采用多级级联的结构，实现宽增益控制范围；并且通过设置控制字，实现增 益d b 线性； 采n g m b o o s t 和电阻负反馈结构，提高可变增益放大器增益精度与线性度； 通过关断不工作的电路模块以及采用a b 类输出级结构，减小电路功耗。 1 4 论文结构 本论文的组织结构及各章内容安排如下： 第一章：绪论中简要介绍了本论文的课题背景，阐述了本论文的研究意义，然后概述本论文相关研究 现状，最后介绍了论文的研究内容和组织框图。 第二章：首先介绍了接收机三种架构，然后阐述了自动增益控制环路的工作机理，并根据对自动增益 控制环路建立时间( s e t t l i n gt i m e ) 的分析得出v g a 的d b 线性增益特性要求，最后给出v g a 关注的主要 性能指标以及基于c m o s 工艺的v g a 实现增益控制的主要方法。 第三章：根据z i g b e e 接收信号链路指标给出了本文设计的v g a 性能指标，设计实现了满足z i g b e e 的基于r f c m o s 工艺的中频可变增益放大器。给出了中频v g a 电路设计、理论分析及设计要点。 第四章：归纳总结射频与模拟集成电路版图设计的一般经验，给出中频v g a 版图；给出中频v g a 前、 后仿真结果，并进行比较。 最后对本论文所做的工作进行了总结和展望。 3 东南大学硕士学f i 7 ：论文 第二章可变增益放大器概述 可变增益放大器作为射频接收机的关键模块之一，在无线传感网络芯片中得到了广泛应用。本章首先 介绍应用可变增益放大器的接收机相关架构，阐述应用v g a 的自动增益控制( a u t o m a t i cg a i nc o n t r 0 1 ) 系 统的一般工作原理，然后通过对a g c 环路建立时间( s e t t l i n gt i m e ) 的分析得出v g a 的d b 线性增益特性 要求，给出可变增益放大器主要性能指标以及基于c m o s _ 丁艺的主流实现方法。 2 1 接收机架构 一个完整的无线接收机由三部分组成：射频前端，基带处理部分，应用接口，如图2 1 所示。接收机射 频前端对从天线来的信号进行放大并将放大后的信号下变频到较低的频率；基带处理部分对从射频前端来 的低频信号进行解调；最后应用接口部分提供用户数据和应用之间的接口，在这一层上，可以定义各种各 样的服务。由于射频前端对整个接收机影响最大，性能要求也最高，通常采用射频与模拟电路来实现；而 基带处理部分和应用接口部分则是在较低的频率下进行的，主要采用数字技术来实现。由于射频前端部分 的系统结构对接收机性能有决定性的影响，我们将重点关注射频前端接收机架构。无线接收机架构有多种， 我们将讨论其中三种：超外差式接收机，零中频接收机，低中频接收机1 1 4 】。 声音 视频 数据 图2 1无线接收机功能模块框图 2 1 1超外差式接收机 超外差式接收机m e h a r m s t r o n g 于1 9 1 7 年提出。由于其性能可靠，在无线通信系统中得到了广泛的应 用。它的基本原理是将天线接收到的高频信号经放大和下变频后转换为一个固定的中频信号，然后进一步 下变频进行解调：其系统架构如图2 2 所示。 混频器低通滤波器 q 图2 2 超外差式接收机架构图 从天线接收到的信号由频带选择滤波器( b a n d s e l e c t i o nf i l t e r ) 滤去带外干扰信号并抑制镜像信号， 然后带内信号经低噪声放大器( l n a ) 进行放大，放大后的信号由镜像抑制滤波器( i m a g e r e j e c t i o nf i l t e r ) 进一步抑制镜像信号，滤波后的信号和本地射频频率合成器输出的本振信号在混频器( m i x e r ) q a 进行混频。 有用信号被转化为一固定的中频信号，经过信道选择滤波器( c h a n n e l s e l e c t i o nf i l t e r ) 滤波，由中频可变增 益放大器( i fv g a ) 调节信号幅度。第二次下变频为正交下变频，信号与一对正交本振信号混频，分为l q 支路正交信号输出，通过基带低通滤波器( l p f ) 进行信道选择，基带可变增益放大器( b a s e b a n dv g a ) 调节信 4 第二章可变增益放大器概述 号幅度以满足后级a d c 输入信号范围。 为了使接收机在很差的接收环境中依然保持较高的性能，镜像抑制滤波器必须高度抑制镜像信号，这 对滤波器提出较高要求。滤波器必须具有很高的品质因数，很高的阶数，而且中心频率还应可调。在目前 的技术条件下，这种滤波器很难集成在硅片上，一般采用外接的滤波器，例如声表滤波器( s a w ) 。 2 1 2零中频接收机 在零中频接收机中，有用信号被直接下变频到基带。其系统架构如图2 3 所示。 频篁篓梦 低噪声 滤波器 放大器 屣 直流失调消除 混频器i 低通滤波暑一 父江嘏糯 a d 錾卜u 蝴解铖器 跏慑一q 混频器i低通滤波琶一1i 直流失调消除 图2 3 零中频接收机架构图 从天线来的信号由射频带通滤波器滤去带外噪声，然后由低噪声放大器进行放大，放大后的射频信号 与一对正交本振信号相混频，经低通滤波器滤波和可变增益放大器放大后，得至l j l q 支路正交信号，输出给 后级的a d c 。在理想情况下，零中频接收机没有镜像抑制问题，所以不需要难以集成的高q 值滤波器；此 外，由于射频有用信号被直接下变频到基带，下变频后的低通滤波器和a d c 都工作在较低的频率下，降低 了电路设计的难度。但实际情况下，i q 两个支路存在幅度和相位不匹配，输入下混频器的本振信号也不是 理想的正交信号，因此零中频接收机也会受到镜像信号干扰。并且，零中频接收机将射频信号赢接转化到 基带时，混频器与后面模块引入的直流失调成分将直接叠加在有用信号上，对有用信号造成干扰，很可能 使得后面的各级处理模块出现饱和，同时基带部分受闪烁噪声干扰较严重。因此零中频接收机需要引入特 定的直流失调消除电路( d co f f s e tc a n c e l l a t i o n ) ，消除直流失调，闪烁噪声影响。 2 1 3低中频接收机 低中频接收机的核心是用一个具有正频率成分的复本振信号将射频信号转换到一个较低的中频，其系 统架构如图2 4 所示。 混频器复数滤波器 图2 4 低中频接收机架构图 5 q 东南大学硕士学位论文 从天线来的信号由射频带通滤波器滤去带外噪声，然后由低噪声放大器进行放大，放大后的射频信号 与对正交本振信号相混频。由于中频频率较低，下变频后的有用信号与镜像信号被分开，分别位于负频 率处和正频率处。后级复数滤波器滤去镜像信号，使有用信号不受镜像信号干扰。低中频接收机将镜像抑 制问题由射频转移到比较低的中频，缓解了实现压力，使得该类接收机比较容易集成，同时下变频后的信 号并不位于基带，避免了零中频接收机所遇到的直流失调问题。但在实际实现中，由于本振信号i q 支路存 在幅度与相位不匹配，使得本振信号不是一个纯净的、仅具有正频率成分的复信号，而存在一定的负频率 成分，因此低中频接收机依然会受到镜像信号干扰，影响接收机性能。 2 1 4不同接收机架构比较 表2 1 给出了超外差式接收机、零中频接收机、低中频接收机性能总结。不同的无线通信系统有不同的 性能指标，因此需要根据指定指标选择合适的接收机架构。 接收机接收到的信号有很宽的动态范围，因此在上述接收机架构中可变增益放大器不可缺少，不同之 处仅在于动态范围控制是在射频，中频还是在基带实现。 表2 1三种接收机架构优缺点比较 接收机架构优点缺点 性能可靠成本高，集成度低 超外差式接收机宽接收动态范围对多标准很难共用s a w 滤波器 高信道选择性和接收灵敏度功耗高 没有直流失调，1 f 噪声影响 成本低直流失调，l f 噪声影响 零中频接收机集成度高 正交下变频，对i q 失配敏感 没有镜像问题 功耗低 成本低 镜像抑制问题 低中频接收机集成度高正交下变频，对i q 失配敏感 较小直流失调，l f 噪声影响 功耗低 2 2 自动增益控制环路 2 2 1自动增益控制环路基础 随着通信系统的快速发展，能够控制输出信号等级已经成为现今通信系统的基本要求。自动增益控制 环路可以使得输出信号不变或者近似恒定，避免由于输出信号幅度变化过大导致信息丢失或者系统无法正 常工作。 自动增益控制环路电路框图如图2 5 所示，由四个模块组成：可变增益放大器、峰值检测器、低通滤 波器，以及差分放大器。输入信号经可变增益放大器( v g a ) 放大后为巧，可变增益放大器的增益彳，受控 制电压圪的控制，巧经后级进一步放大得到合适等级的圪；检测电路对圪包络进行检波，检波后结果经过 滤波器进行滤波，取出电平平均值送到差分放大器中，与参考电平昧进行比较，根据比较结果圪动态调 整v g a 增益。 a g c 是一个负反馈系统，可以用其传输函数描述。理想的a g c 传输函数可以用图2 6 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；当输入信号达至i j a g c 的门限值时，a g c 开始启 动并且保持一个常数输出；当输入到达第二个门限值班时，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趔”j 。 6 第二章可变增益放大器概述 图2 5自动增益控制环路结构 图2 6 理想a g c 传输函数 不同通信系统，输入信号有各自特点，因此对a g c 有不同的要求。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。 a g c 系统是非线性的，在对a g c 系统进行分析时，很难得到非线性方程准确解。然而，当知道主要模 块的小信号等效模型后，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，并得到较好精度。 这两种模型分别为d b 线性模型和伪线性模型1 6 】。 ( 1 ) a g c 系统d b 线性模型 d b 线性模型的系统框图如图2 7 所示，在该模型中，可变增益放大器传输函数尸为： p = k p + 口吃 圪= v , r l e 帕场 其中，圪和 分别为输出和输入信号，k - 是常数， 性函数，因此可以得到对数放大器增益为： ( 2 1 ) ( 2 2 ) a 是v g a 的常数因子。由于幅度检测器的传输函数为线 k = l i l k = i n 砭v o ( 2 3 ) 其中局为幅度检测器的线性增益。假设幅度检测器输出总是为正，则对数放大器输出为实数，控制信号圪 为： 7 东南大学硕士学位论文 = f ( s ) ( v r 一) = f o ) ( 一i n k 2 v o ) ( 2 4 ) 其中耶) 为低通滤波器的传输函数。根据v g a 指数函数传输特性，将式( 2 2 ) 两边取对数，可以得到： l n v o = 口+ i n k ( 2 5 ) 消去式( 2 4 ) 和式( 2 5 ) 中的，可以得到： i nv o 1 + a f ( s ) 】= l n v , + a f ( s ) v r + i n k a f ( s ) v n i n 心 ( 2 6 ) 假定蜀和恐均为1 ，并将i n 转化成l o g l o 的形式，可以得到用d b 表示的输入信号和输出信号之间的关系： = 上l + a f ( s ) 1 - 酱 ( 2 7 ) 可见对于d b 线性a g c ，当输入与输出均以d b 形式表示时，它们之间成线性关系。式( 2 7 ) 可以看出， a g c 系统的性能主要是由v g a 的a 因子和滤波器的传输函数尺s ) 决定的。出于系统稳定性的考虑，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，耶) 通常为低 通滤波器。当邢) 的直流增益远大于l 时，输出近似等于8 7 砾，可见，输入端信号的波动被大大的减小了。 图2 7a g c 系统d b 线性模型 ( 2 ) a g c 系统伪线性模型 伪线性模型的系统框图如图2 8 ( a ) 所示，在该系统环路中，没有对数放大器，但其可变增益放大器依 然采用指数型可变增益放大器。整个系统中，只有v g a 和检测器为非线性部分。假设检测器和差分放大器 增益为1 ，系统框图可简化为图2 8 ( b ) 。其中v j 币n v o 分别为输入输出信号，为滤波器和差分放大器组合传输 函数。输出信号圪等于p v t ，其中p 为可变增益放大器的增益，为控制信号的函数，而控制信号为： 圪= ( v r v o ) ， ( 2 8 ) 输出对于输入的导数为： 等= a - - 鲁( 绷卵+ 杉嘉 ( 2 9 ) 又因为v g a 的增益尸对输入信号的导数为： 面d p = 两d p d v f = 瓦a p 瓦a v 瓦a v o d r= 老( 棚等(21。),d k d 圪d 圪d 圪d kd 圪、 7 d k 第章可变增益放大器概述 舅( 1 + f k 箦) - pd 杉l 。d 圪 即： 船d e = 甜i。d 圪j a g c 环路增益为： = 一刑巧万d p ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 环路增益是非线性的，且随输入信号变化而变化。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，这增加了分析系统瞬态响应的难度。但是当可变增益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【1 7 1 。 ( a ) ( b ) 图2 8a g c 系统模型( a ) a g c 系统伪线性模型；( b ) a g c 系统伪线性简化模型 伪指数型a g c 与指数型a g c 相比，伪指数型a g c 输出动态范围更难分析，并且输入动态范围受到限制。 因此，宽增益控制范围可变增益放大器通常应用于指数型a g c 。 2 2 2a g c 环路建立时间 a g c 环路建立时间( s e t t l i n g t i m e ) 是指输入信号强弱变化时，a g c 环路由非稳态到输出稳定的时间， 是a g c 环路的关键指标之一。建立时间的设计需要综合考虑通信系统工作频带的衰落特性、电磁环境、 通信体制等因素。一般在满足平滑慢衰落的条件下，环路建立时间要远大于信息的调制速率，要小于该通 信体制定义的功率变化频率，不能太短也不能太长，以免因为环路建立时间太短使得环路随输入信号的包 络变化过快而引起频率失真导致误码：或因为环路建立时间太长跟不上环路输入信号电平的变化，造成输 出信号幅度超过a d c 的幅度范围而引起误码。 为了无差错恢复输入信号中的有用信息，a g c 电路需要将输入信号的振幅调节到某一特定的范围。振 幅获取过程一般发生在前同步信号中，前同步信号之后将传输有用的数据。因此，a g c 环路建立时间必须 小于前同步信号的持续时间，否则将造成前同步信号之后的有用数据丢失。但另一方面，这个持续时间应 尽量缩短以充分利用信道带宽。若a g c 环路建立时间是输入信号振幅的函数，则前同步信号的持续时间必 须比a g c 电路的最长稳定时间长，而一般数字通信系统中前同步信号的持续时间是确定的。因此，为了优 化系统性能，a g c 环路稳定时间必须保持恒定并且与输入信号振幅无关。下面将分别分析指数型a g c 与伪 指数型a g c 环路建立时间。 9 东南大学硕士学位论文 ( 1 )指数型a g c 环路建立时间分析 图2 9 是指数a g c 环路分析模型【1 8 l 。虚线部分为对数滤波器。a g c 输出埘( ，) = g ( 圪) ( ，) 。a g c 反馈环 路只对输出信号峰值变化做出响应，因此可以用信号峰值来代表信号，输出信号的幅值为： 厶，= g ( v c ) a m 其中a 胁为峰值。 图2 9 环路中带对数放大器a g c 系统框图 图2 1 0 为图2 9 q b a g c 系统等效电路框图。通过图2 1 0 ，可以得到： 如吨e x p 【h 1 【g ( 圪) 】仙【印 其中1 为常数，和4 胁，a 。埘单位相同。其中x ( 力年吵( f ) 分别为输入和输出信号幅值的d b 值， 号的d b 表示形式。 图2 1 0 环路滤波器用积分器来表示，传输函数为： 日( s ) = 瓯2 s c ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 同样，z 为参考信 图2 1 0 图2 9 中a g c 系统等效电路框图 1 0 ( 2 1 6 ) 第二章可变增益放大器概述 为了获得a g c 环路恒定的建立时间，输入x ( ，) 和输甘抄( ，) 必须是线性的。因为x ( 力是输入信号幅度，彳，“f ) 是d b 形式的；灭f ) 是输出信号幅度，彳。“，) 是d b 形式的，因此为了获得x ( 力至妙( f ) 的线性响应，a g c 环路输 入输出的幅度响应需要满足d b 线性。 图2 - 1 0 d p y ( t ) 输出为： y ( f ) = x ( r ) + i n g ( v c ) ( 2 1 7 ) 增益控制电压为： v a t ) = 降m 7 一：l n e m ) d r ( 2 1 8 ) 根据式( 2 1 7 ) 和式( 2 1 8 ) 可以得到： 去= 妄+ 南焉警c 屯i e z - - 2 i n e y t t ) ，亿 为了获得x ( 力至吵( ，) 的线性关系，令式( 2 1 9 ) 等号右边第二项系数为常数殷，有： 矣粤亟：颤 ( 2 2 0 ) g ( 圪) d 圪c 。 由式( 2 1 9 ) 得： 罢+ y = 争t ( 2 2 ，) a g c 环路建立时间常数为： r = 去= 丽1 瓦d g 了g m 2 u 。1 ( 2 2 2 ) 其中和c 为常数，令v g a 增益控制函数满足下述条件： 去雩婴： ( 2 2 3 ) g ( 圪)d 圪 州 、。 其中拓l 为常数。对式( 2 2 3 ) 两边进行积分，得至i j v g a 指数增益特性： g ( 圪) = 2 e k ， ( 2 2 4 ) 其中七8 2 为常数。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： k i o g2 赢 亿2 5 当满足上述约束条件，对任何输入信号变化，a g c 环路都将为一个d b 线性系统。 ( 2 ) 伪指数型a g c 环路建立时间分析 如图2 1 1 为伪指数型a g c 环路分析模型。和指数型a g c 环路模型相比，伪指数型a g c 环路模型中不包 含对数放大器。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。 可变增益放大器输出为： 巧= 尸( x ) ( 2 2 6 ) l g = c k 圪a f d ( 2 3 0 ) 图2 1 1 不带对数放大器的a g c 系统框图 可见，环路增益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的关系，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 输出信号恒定值为瞄，则有： 瑶= 圪p ( x ) a i 。昭2 a 巧。 ( 2 3 1 ) 对恒定p ，可以得到恒定的环路增益为： p = 瓤旷羔警= k ( 2 3 2 ) 其中墨为常数，由式( 2 3 1 ) 和式( 2 3 2 ) ，可以得到： 特局唧c 等嘎j 。亿3 3 ， ：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： l g = c 五a f d( 2 3 4 ) 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。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。 第二章可变增益放大器概述 2 3 可变增益放大器主要性能指标 可变增益放大器作为一类特殊用途的放大器，除了要求具有一般放大器的性能，如电压增益、带宽、 噪声等之外，d b 线性增益控制范围是其区别于其它放大器的关键指标。另外，由于可变增益放大器一般位 于接收机的前端和( 或) 后端，线性度的要求较为苛刻。在设计之初，对各项指标来源的深刻理解对整个 设计具有深远的意义。 2 3 1d b 线性增益控制范围 d b 线性增益控制范围是可变增益放大器区别于一般放大器的