可变增益放大器的研究的.docx

1、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）1xx. CMOS可变增益放大器设计概述. 微电子学，2005，35(6)：612617；2xx. CMOS 宽带可变增益放大器. 半导体学报，2005 ，26(12)：2401-2406；3xx，等. 宽带CMOS可变增益放大器的设计. 半导体学报,2007，28(12):1967-1971;4xxCMOS 高线性变增益放大器. 半

2、导体技术，2004，29(11):65-67;5xx. CMOS 宽动态围的可变增益放大器. 半导体学报， 2003, 24(8): 595-599;6xx. 0.18um CMOS 可变增益放大器.电子器件2006,29(4):1031-1034.;7xx，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

3、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

4、 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(Variable Gain Amp

5、lifier, 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（Analog to Digital Convertor,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1xx. CMOS可变增益放大器设计概述. 微电子学，2005，35(6)：612617；2xx. CMOS 宽带可变增益放大器. 半导体学报，2005 ，26(12)：2401-24

6、06；3xx，等. 宽带CMOS可变增益放大器的设计. 半导体学报,2007，28(12):1967-1971;4xx. CMOS 高线性变增益放大器. 半导体技术，2004，29(11):65-67;5xx. CMOS 宽动态围的可变增益放大器. 半导体学报， 2003, 24(8): 595-599;6xx 0.18um CMOS 可变增益放大器.电子器件2006,29(4):1031-1034;7xx，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，So Young Kang 等

7、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 0.18m CMOS 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

8、精度。最终，增益动态围为 62 dB，步长精度为 1 dB，步进误差在 0.2 dB 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 VGA5、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（

9、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 0.13m/3.3V CMOS 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

10、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

11、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

12、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

13、，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：

14、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：

15、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

16、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； Study on variable gain amplifierB.S Candidate: Wang Shuangquan School of Physical Science and TechnologySupervisor: Li Lin School of Physical Sci

17、ence and TechnologyAbstractA variable gain amplifier (VGA) is one of the basic modules of analog circuit. With the development of microelectronic technology, variable gain amplifier is widely applicated in TV tuner, hearing aids, mobile communication system, hard disk drive system and wireless commu

18、nications and other fields. With the advent of deep sub micron CMOS technology, feature size of integrated circuits is getting smaller and smaller, power supply voltage decreases, VGA design of high performance analog circuit designers to proposed severe challenges, the variable gain amplifier resea

19、rch toward the direction of high linearity, low voltage and low power consumption, wide dynamic range. In view of this, discussesing some high performance VGA designing technology, open loop VGA and closed two structures in detail, and analyses the corresponding gain control methods and their advant

20、ages and disadvantages. In the relative research in China is still in the initial stage, it has become a topic of concern.The main work of this paper is: introduced the research status of the variable gain amplifier design challenges and VGA; then expounded the performance indexes of VGA and common

21、structure; discusses some high performance VGA design technology; open-loop VGA VGA and closed two structures for the detailed discussion; and analyzes the corresponding gain control methods and their advantages and disadvantages.Keywords Variable gain amplifier; high performance; open loop; closed

22、loop;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(Variable Gain Amplifier, 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（Analog to Digital Convertor,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

23、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，CSrinivasan 等人设计的VGA 具有15d

24、B 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，Abdelfattah K. M 采用0.5m CMOS 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，Yuanjin Zheng 等人采用0.35m 工艺设计出增益围60dB 的VGA，

25、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 TSMC 0.25m CMOS 工艺设计实现了一款动态围在 040dB；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 0.25m CMOS 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 848dB，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

26、、海松、王志功等人采用 TSMC 0.18m RFCMOS 工艺实现了动态围为-3.39.5dB 的 增益dB 线性的可变增益放大器2008 年，Yong-Ju Suh 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 030dB 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 31d

27、Bm，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

28、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(AGC Automatic GainControl)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 V

29、GA 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2.2 VGA 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

30、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(PowerSpectral Dens)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