可变增益放大器的研究的.docx
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可变增益放大器的研究的
可变增益放大器的研究的毕业论文
xx大学毕业论文（设计）任务书
1.毕业论文（设计）题目：
可变增益放大器的研究
2.毕业论文（设计）起止时间：
2015年1月12日～2015年6月10日
3.毕业论文（设计）所需资料与原始数据（指导教师选定部分）
[1]xx.CMOS可变增益放大器设计概述.微电子学，2005，35（6）：
612~617；
[2]xx.CMOS宽带可变增益放大器.半导体学报，2005，26（12）：
2401-2406；
[3]xx，等.宽带CMOS可变增益放大器的设计.半导体学报,2007，28（12）:
1967-1971;
[4]xxCMOS高线性变增益放大器.半导体技术，2004，29（11）:
65-67;
[5]xx.CMOS宽动态围的可变增益放大器.半导体学报，2003,24（8）:
595-599;
[6]xx.0.18umCMOS可变增益放大器.电子器件2006,29（4）:
1031-1034.;
[7]xx，等.宽带CMOS可变增益放大器的设计.半导体学报，2007，28（12）:
1967-1971;
4.毕业论文（设计）应完成的主要容
通过查阅可变增益放大器的相关资料、书籍与文献，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。
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。
并针对功耗以与线性度和输出摆幅进行优化分析，得到最优功效的VGA架构。
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。
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。
5.毕业论文（设计）的目标与具体要求
基于可变增益放大器的理论研究，设计满足60dB线性增益的宽动态围可变增益放大器的系统架构，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，确定个关键模块的性能指标。
6.完成毕业论文（设计）所需的条件与上机时数要求
上机100小时
任务书批准日期年月日教研室（系）主任（签字）
任务书下达日期年月日指导教师（签字）
完成任务日期年月日学生（签名）
xx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）:
物理与光电工程学院
专业班级
学生姓名
指导教师
辅导教师
开题报告日期
可变增益放大器的研究
学生：
xx物理与光电工程学院
指导老师：
xx物理与光电工程学院
一、题目来源
科研项目
二、研究的目的和意义
由于在大自然的空气中存在着各种不可预测的干扰因素，故接收机接收的外部信号的强弱会有不同。
为了提高接收效果，一般的通信接收系统都会采用自动增益控制电路，而可变增益放大器（VariableGainAmplifier,VGA）是自动增益控制电路的核心部件。
它起着改变系统增益，调整系统各级动态围并进行功率控制的作用。
可变增益放大器通常输出给模数转换器（AnalogtoDigitalConvertor,ADC），可变增益放大器必须满足ADC性能要求，由此可见可变增益放大器的优劣对通信接收系统的性能
有非常大的影响。
因此可变增益放大器在各种需要进行自动增益控制的系统中应用广泛。
三、阅读的主要参考文献与资料名称
[1]xx.CMOS可变增益放大器设计概述.微电子学，2005，35（6）：
612~617；
[2]xx.CMOS宽带可变增益放大器.半导体学报，2005，26（12）：
2401-2406；
[3]xx，等.宽带CMOS可变增益放大器的设计.半导体学报,2007，28（12）:
1967-1971;
[4]xx.CMOS高线性变增益放大器.半导体技术，2004，29（11）:
65-67;
[5]xx.CMOS宽动态围的可变增益放大器.半导体学报，2003,24（8）:
595-599;
[6]xx0.18umCMOS可变增益放大器.电子器件2006,29（4）:
1031-1034;
[7]xx，等.宽带CMOS可变增益放大器的设计.半导体学报，2007，28（12）:
1967-1971;
四、国外研究现状和发展趋势
1.国外现状
2010年，SoYoungKang等人发表一篇文章，该文章中的VGA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围的普与，无论是技术还是资金方面都存在着限制。
2012年，xx等人基于0.18μmCMOS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，增益动态围为62dB，步长精度为1dB，步进误差在0.2dB以，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与相关ADC高精度的发展。
2、提高线性度技术
3、低电压低功耗趋势
4、更高频率下使用的VGA
5、宽动态围发展趋势
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、宽动态围、低功耗指标的高性能可变增益放大器的研制课题。
五、主要研究容、需重点研究的问题与解决思路
1.主要研究容
（1）可变增益放大器的基本理论与结构学习
通过查阅可变增益放大器的相关资料、书籍与文献，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。
并针对功耗以与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/3.3VCMOS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。
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，但在放大器工作的围能够被近似为线性，而这种近似能够成立的围是由晶体管的增益决定的。
当增益增加时，近似能够成立围下降。
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、完成毕业论文（设计）所必须具备的工作条件与解决方法
1．需要一台计算机完成编辑工作
2．需要一台计算机与其安装相应的仿真软件进行模拟分析，上机时数约100学时
3．能够进入期刊数据库查阅相关文献
七、工作的主要阶段、进度与时间安排
1）查阅相关资料文献；1月15日—3月2日
2）完成开题报告；3月25日—4月2日
3）完成可变增益放大器的基本理论与结构学习；4月02日—5月1日
4）VGA开环系统架构建模和关键模块性能指标确定;5月2日—5月10日
5）整体电路的仿真与调试；5月11日—5月21日
6）完成论文写作并修改定稿；5月21日—5月31日
7）论文答辩；6月。
八、指导教师审查意见
指导教师：
年月日
xx大学毕业论文（设计）指导教师评审意见
学生
xx
专业班级
xx
毕业论文
（设计）题目
可变增益放大器的研究
指导教师
xx
职称
副教授
评审日期
评审参考容：
毕业论文（设计）的研究容、研究方法与研究结果，难度与工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。
学生的学习态度和组织纪律，学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文（设计）是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。
评审意见：
指导教师签名：
评定成绩（百分制）：
_______分
xx大学毕业论文（设计）评阅教师评语
学生
xx
专业班级
xx
毕业论文
（设计）题目
可变增益放大器的研究
评阅教师
职称
评阅日期
评阅参考容：
毕业论文（设计）的研究容、研究方法与研究结果，难度与工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。
学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文（设计）是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。
评语：
评阅教师签名：
评定成绩（百分制）：
_______分
长江大学毕业论文（设计）答辩记录与成绩评定
学生
xx
专业班级
xx
毕业论文
（设计）题目
可变增益放大器的研究
答辩时间
年月日～时
答辩地点
一、答辩小组组成
答辩小组组长：
成员：
二、答辩记录摘要
答辩小组提问（分条摘要列举）
学生回答情况评判
三、答辩小组对学生答辩成绩的评定（百分制）：
_______分
毕业论文（设计）最终成绩评定（依据指导教师评分、评阅教师评分、答辩小组评分和学校关于毕业论文（设计）评分的相关规定）
等级（五级制）：
_______
答辩小组组长（签名）：
秘书（签名）：
年月日
院（系）答辩委员会主任（签名）：
院（系）（盖章）
可变增益放大器的研究
学生：
xx，物理与光电工程学院
指导教师：
xx，物理与光电工程学院
[摘要]可变增益放大器（VGA）是模拟电路的一个基本组成模块。
随着微电子技术的发展，可变增益放大器广泛地应用于电视调谐器、助听器、移动通信系统，硬盘驱动系统和无线通讯等诸多领域之中。
随着深亚微米CMOS工艺的到来，集成电路的特征是尺寸越来越小，电源电压逐渐降低，高性能的VGA设计向模拟电路设计师提出了严峻的挑战，目前可变增益放大器的研究向着高的线性度、低电压低功耗、宽的动态围等方向发展。
鉴于此，探讨了一些高性能VGA的设计技术，对开环VGA和闭环VGA两种结构作了详细的论述，并分析相应的增益控制方法和优缺点是很有意义的。
我国在相关方面的研究还处于起步阶段，因此也就成为一项人们关注的课题。
本文的主要工作是：
首先介绍了可变增益放大器的设计挑战与VGA的研究现状；接着对VGA的性能指标与常见结构进行阐述；探讨了一些高性能VGA的设计技术；对开环VGA和闭环VGA两种结构作了详细的论述；并分析了相应的增益控制方法和优缺点。
[关键词]可变增益放大器；VGA；开环；闭环；增益控制；
Studyonvariablegainamplifier
B.SCandidate:
WangShuangquanSchoolofPhysicalScienceandTechnology
Supervisor:
LiLinSchoolofPhysicalScienceandTechnology
[Abstract]Avariablegainamplifier（VGA）isoneofthebasicmodulesofanalogcircuit.Withthedevelopmentofmicroelectronictechnology,variablegainamplifieriswidelyapplicatedinTVtuner,hearingaids,mobilecommunicationsystem,harddiskdrivesystemandwirelesscommunicationsandotherfields.WiththeadventofdeepsubmicronCMOStechnology,featuresizeofintegratedcircuitsisgettingsmallerandsmaller,powersupplyvoltagedecreases,VGAdesignofhighperformanceanalogcircuitdesignerstoproposedseverechallenges,thevariablegainamplifierresearchtowardthedirectionofhighlinearity,lowvoltageandlowpowerconsumption,widedynamicrange.Inviewofthis,discussesingsomehighperformanceVGAdesigningtechnology,openloopVGAandclosedtwostructuresindetail,andanalysesthecorrespondinggaincontrolmethodsandtheiradvantagesanddisadvantages.IntherelativeresearchinChinaisstillintheinitialstage,ithasbecomeatopicofconcern.
Themainworkofthispaperis:
introducedtheresearchstatusofthevariablegainamplifierdesignchallengesandVGA;thenexpoundedtheperformanceindexesofVGAandcommonstructure;discussessomehighperformanceVGAdesigntechnology;open-loopVGAVGAandclosedtwostructuresforthedetaileddiscussion;andanalyzesthecorrespondinggaincontrolmethodsandtheiradvantagesanddisadvantages.[Keywords]Variablegainamplifier;highperformance;openloop;closedloop;
可变增益放大器的研究
1前言
1.1课题意义
由于在大自然的空气中存在着各种不可预测的干扰因素，故接收机接收的外部信号的强弱会有不同。
为了提高接收效果，一般的通信接收系统都会采用自动增益控制电路，而可变增益放大器（VariableGainAmplifier,VGA）是自动增益控制电路的核心部件。
它起着改变系统增益，调整系统各级动态围并进行功率控制的作用。
可变增益放大器通常输出给模数转换器（AnalogtoDigitalConvertor,ADC），可变增益放大器必须满足ADC性能要求，由此可见可变增益放大器的优劣对通信接收系统的性能有非常大的影响。
因此可变增益放大器在各种需要进行自动增益控制的系统中应用广泛。
1.2可变增益放大器的发展现状和趋势
可变增益放大器作为RF接收器的关键模块，其设计技术的研究一直是RF集成电路的热点。
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围、线性度、功耗、噪声等性能之间做折中，应用系统不同对各项性能的要求亦不同。
由于VGA在数据传输和转换、通信领域等方面的重要作用，对VGA进行多方面的研究意义重大[1]。
世界上许多高校和研究都在进行各种结构的可变增益放大器研究和开发。
从他们的研究成果中，我们可以了解到VGA的发展动态。
1996年，C．Srinivasan等人设计的VGA具有15dB到40dB的增益控制围带宽为80MHZ，功耗为30mW。
该设计是利用工作在线性区的MOS管作为并联反馈部分来调节增益，电路增益与控制电压是成反相关的关系。
2002年，AbdelfattahK.M采用0.5μmCMOS工艺设计了一种新型的VGA，使电路在较宽的围满足近似指数关系。
用软件仿真，结果显示其增益动态围可以达到50dB，供电电压为1.5V，功耗小于1.2mW.
2003年，吉华、永明、弘毅等人采用函数近似的方法利用源极负反馈的电路结构来实现了增益dB线性的可变增益放大器。
2004年，YuanjinZheng等人采用0.35μm工艺设计出增益围60dB的VGA，带宽大于10MHz。
并构造了一种新颖的指数控制电路实现增益dB线性特性。
2005年，王自强、池保勇、王志华等人基于TSMC0.25μmCMOS工艺设计实现了一款动态围在0～40dB；在负载为5pF电容，带宽大于340MHz；输出的三阶互调截点在3.5dBm以上的可变增益放大器
2006年，恽廷华、唐守龙、时龙兴等人基于0.25μmCMOS工艺采用跨导线性
化原理实现了一种具有增益dB线性的可变增益放大器。
测试结果表明该放大器的
动态围8～48dB，最大增益值处的噪声系数是8.7dB，差分输出摆幅为1V的
三阶互调，失真小于-60dBc。
2007年，郭峰、智群、东东、海松、王志功等人采用TSMC0.18μmRF
CMOS工艺实现了动态围为-3.3～9.5dB的增益dB线性的可变增益放大器
2008年，Yong-JuSuh等人设计了用于三波段WCDMA的VGA，在800MHz下动态围大于100dB，在2GHz下动态围大于84dB。
通过两级放大器实现了宽动态围，并设计了新颖的电压-电流指数控制电路，在800MHz下的最大输出功率为7dBm。
2009年，丹、闫涛涛、东坡、周建军等人采用电阻负反馈的放大器闭环结构实现一个0～30dB动态围的可变增益放大器，该可变增益放大器的带纹波小于0.1dB，IIP3在0dB增益时达到了31dBm，电流功耗为3mA。
2010年，曲明、檀柏梅、毅强、姜俊伟、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。
从以上国外的研究成果中我们可看出，目前VGA的研究大部分是基于CMOS工艺，且研究重点集中在了以下这三个方面：
CMOS工艺下宽围的指数控制电路、宽增益动态围的增益模块以与高线性度的可变跨导。
国的研究进展与国外相比还存在较大的差距，为此，展开高性能VGA的研究很有必要。
2可变增益放大器的设计基础
2.1自动增益控制环路基础
在无线通信系统中，天线收到的信号可能是强度不同的信号，并且变化的围很大，对于这种强度变化围很大的信号，要做到正确的解调，必须根据信号的强度的不同实时的调整增益，使输出信号强度维持稳定。
自动增益控制环路（AGCAutomaticGainControl）就是实现这种功能的电路。
AGC的主要模块是可变增益放大器，如图1所示，给出了自动增益控制环路的框图，可变增益放大器的输入端是一个增益可控的输入端，增益控制输入端信号控制它的增益；峰值检测器对可变增益放大器输出信号的包络进行检波，检波后的信号通过低通滤波器进行滤波，然后将VGA的输出信号幅度的平均值送入比较器中，与参考电平进行比较，再根据比较的结果对VGA的增益进行调整，使输出信号的幅度保持恒定。
图1自动增益控制环路框图
随着数字信号处理技术的发展，AGC环路也可以通过数字信号来控制，如图2所示，给出了数字自动增益控制环路的框图。
VGA的输出信号通过模数转换器转换成数字信号，在数字域中判断信号的强度，并产生数字增益控制字对VGA增益进行控制[2]。
图2数字自动增益控制框图
2.2VGA的性能参数
VGA的主要功能是实现增益变化,相应指标有增益变化围、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、噪声、输入输出信号动态围等，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。
2.2.1噪声
噪声是一种无规则变化的电流或电压所表征出来的起伏现象，当加载信号时，会导致信号中的信息量减少。
噪声可根据噪声源分为两大类：
部噪声和外部噪声。
部噪声是指通信系统中的部电路噪声；外部噪声则是从系统外界传入的噪声。
对于接收机设计而言，部电路产生的噪声是主要研究对象。
电路中的噪声可以看作是由电路中的噪声源产生的随机信号，通常采用功率谱密度PSD（PowerSpectralDens）表征随机信号的特性，电路中电流或电压的波动通常导致信号中带有噪声，直流电流或直流电压实际上是由理想的直流信号和波动的交流信号组成的。
为了能够利用交流电路理论计算电路的噪声功率，通常定义噪声电压或电流产生器为：
（1）
（2）
式中
分别表示的是直流电流和直流电压的功率谱密度函教。
后面阐述的器件噪声模型主要是定义了各自的噪声电压产生器Vn或噪声电流产生器。
噪声系数描述信号在通过电路时的信噪比SNR的衰减程度，噪声系数定义为输入信噪比与输出信噪比之间的比值，即：
NF=
（3）
式中，
输入信号功率，
为输入噪声功率，
为输出信号功率，
为输出噪声功率。
NF通常采用dB对数形式。
对于一个二端口网络而言，噪声系数可表示为：
NF=
=
（4）
也即是说，噪声系数指的是系统总输出噪声与仅由于输入噪声引起
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