可變增益放大器的研究.doc

長江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告題 目 名 稱：可變增益放大器的研究 院 系： 物理與光電學(xué)院 專 業(yè) 班 級： 應(yīng)用物理11103班 學(xué) 生 姓 名： 指 導(dǎo) 教 師： 李林 輔 導(dǎo) 教 師： 李林 開題報(bào)告日期： 2015年4月2日 可變增益放大器的研究學(xué) 生：王雙全 物理與光電工程學(xué)院導(dǎo) 師：李 林 物理與光電工程學(xué)院一.題目來源題目來源于老師的科研項(xiàng)目二.研究目的和意義 在大自然的空氣中由于存在著各種不可預(yù)測的非理想因素，從而導(dǎo)致通信系統(tǒng)傳輸過程中的信號會有較大的變化，導(dǎo)致天線從外部接受的信號的強(qiáng)弱會有不同（絕大多數(shù)信號被衰減了）。而且傳輸信道的非線性因素的存在使得信號衰減，同時(shí)信道中的噪聲也會對信號的傳輸有影響，導(dǎo)致信號的強(qiáng)度時(shí)大時(shí)小。信號強(qiáng)度的大小差別有時(shí)會很大，甚至?xí)袔资畟€(gè)分貝。信號強(qiáng)度最大值和最小值的差值范圍稱為接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍，為了使接受到的信號盡可能的可靠，自動(dòng)增益控制電路（Automatic Gain Control，簡稱 AGC）通常都是接收機(jī)系統(tǒng)中必不可少的。AGC 的作用是當(dāng)輸入信號的幅度值偏低時(shí)，AGC 會選擇較大的增益使其輸出的幅度值限定在一個(gè)需要的范圍，同樣當(dāng)輸入信號的幅度值偏高時(shí)，AGC 會選擇較小的增益使其輸出的幅度值限定在一個(gè)需要的范圍，也就是說對于幅度值不固定的輸入信號，AGC 可以保證輸出幅度值在一定范圍內(nèi)，基本一致。性能優(yōu)良的 AGC 會把輸出幅度值控制在下級 ADC 最需要的輸入信號動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)。而AGC 系統(tǒng)中最重要的部分就是可變增益放大器（Variable Gain Amplifier，簡稱VGA）。AGC 主要是由反饋控制器和控制對象（VGA）兩部分組成，其中反饋控制器由電平檢測器、低通濾波器、直流放大器、電壓比較器、控制電壓產(chǎn)生器構(gòu)成的。而其控制著 VGA 使得輸出信號的幅度基本恒定不變?？勺冊鲆娣糯笃鞑粩嗟陌l(fā)展帶動(dòng)了 AGC 的發(fā)展，使得 AGC 在許多的測控設(shè)備、智能設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛?？勺冊鲆娣糯笃鞯脑鲆娓淖兎绞街饕羞B續(xù)變化和非連續(xù)變化兩大類。實(shí)際改變增益方法的有多種，每種方法各有其優(yōu)點(diǎn)和局限性。對于開環(huán)源極電阻負(fù)反饋結(jié)構(gòu)的運(yùn)算放大器，改變運(yùn)算放大器的源極電阻、輸出等效阻抗或等效輸入跨導(dǎo)都可以改變增益。但簡單地改變源極電阻或輸出等效阻抗并不能得到性能優(yōu)良的可變增益放大器，特別是動(dòng)態(tài)性能方面很難得到滿足。所以本次的 VGA 設(shè)計(jì)就是在這個(gè)基礎(chǔ)上去創(chuàng)新的。從應(yīng)用角度出發(fā)，給出典型的 VGA 的實(shí)現(xiàn)方法，對 VGA 的正確選擇和使用有指導(dǎo)意義。VGA 已用于多種遙感和通信設(shè)備達(dá)半個(gè)多世紀(jì)。從超聲波雷達(dá)、激光雷達(dá)到無線通信甚至語音分析等方面的應(yīng)用都利用 VGA 的可變增益特性以提高動(dòng)態(tài)性能。VGA 的頻率范圍涉及非常的廣泛。由于 VGA 的廣泛運(yùn)用，從而有越來越多的公司人力投入到 VGA 的研究與開發(fā)方面，VGA 在最近幾年里的發(fā)展是飛速的，許多的實(shí)行觀點(diǎn)被提出來，但真正用來做成產(chǎn)品的方案卻不是那么多。VGA 的運(yùn)用已經(jīng)得到了歷史和實(shí)踐的證明，其實(shí)際電路的實(shí)現(xiàn)也逐漸成熟并在電路領(lǐng)域占據(jù)了重要的地位。三.閱讀的主要參考文獻(xiàn)及資料名稱 【1】 C. Popa. Improved accuracy pseudo-exponential function generator withapplications in analog signal processing. IEEE Transactions on VLSI Systems,2008, 16(3): 318-321【2】 T. Arthansiri, V. Kasemsuwan. Current mode pseudo exponential control variablegain amplifier using fourth order Taylors series approximation. Electronics letters.2006, 42(7): 379-380【3】 A. Carlos. Compact Power Effcient CMOS Exponential Voltage to VoltageConverter. IEEE International Symposium on Circuits and Systems, 2006:1539-1542【4】 鄭吉華，李永明，陳弘毅. CMOS 寬動(dòng)態(tài)范圍的可變增益放大器. 半導(dǎo)體學(xué)報(bào)， 2003, 24(8): 595-599【5】 龔正，馮軍. 0.18um CMOS 可變增益放大器.電子器件2006,29(4):1031-1034.【6】 郭峰，李智群，陳東東，等. 寬帶 CMOS 可變增益放大器的設(shè)計(jì). 半導(dǎo)體學(xué)報(bào)， 2007，28(12): 1967-1971【7】 Chan Tat Fu, Howard Luong. A CMOS Linear-in- dB High-Linearity Variable GainAmplifier for UWB Receivers. IEEE Asian Solid State Circuits Conference,2007:103-107四.國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢與研究的主攻方向 1.國內(nèi)外現(xiàn)狀 國外 2010 年，So Young Kang 等人發(fā)表一篇文章，該文章中的 VG A 采用數(shù)字控制與可編程增益放大器有許多相似之處，該 VGA 的功耗只有 2.16mW，但是它的線性度等相對要差一些，不能夠用在高性能的系統(tǒng)中。2011 年，T.A.Wey 等人發(fā)表了一篇文章，在該文章中提出的 VGA 結(jié)構(gòu)中使用了二氧化鈦二極管憶阻器，這種采用物理式嵌入記憶的結(jié)構(gòu)是很新穎的，能夠通過這種物理式嵌入記憶的方式來降低功耗、提高帶寬。但是這種依靠新材料或者元器件的方式在現(xiàn)在還并不能大范圍的普及，無論是技術(shù)還是資金方面都存在著限制。 國內(nèi) 2010 年，曲明、檀柏梅、趙毅強(qiáng)、姜俊偉、李瑞杰等人對傳統(tǒng)的可變增益放大器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，改進(jìn)并采用相關(guān)雙采樣的功能，芯片面積減少約 5l，功耗降低約 27，帶寬為 44.9MHz，噪聲在 1MHz 頻率點(diǎn)只有 18.5nV，最終可以滿足系統(tǒng) 10bit 的精度要求。2011 年，陳斯、彭艷軍、王俠、朱士虎等人通過構(gòu)造偽 Taylor 指數(shù)函數(shù)，同時(shí)利用可變跨導(dǎo)、可變負(fù)載結(jié)構(gòu)，并基于 TSMC 0.18m CMOS 工藝，實(shí)現(xiàn)了一種增益 dB 線性、動(dòng)態(tài)范圍有 40dB 的 VGA。其-3dB 帶寬約為 200Mhz，功耗約為5.28mW。2012 年，何曉豐、莫太山、王晴暉、馬成炎等人基于 0.18m CMOS 工藝實(shí)現(xiàn)了一種數(shù)字控制的可變增益放大器，并且利用增益加強(qiáng)技術(shù)改進(jìn)可了步進(jìn)精度。最終，增益動(dòng)態(tài)范圍為 62 dB，步長精度為 1 dB，步進(jìn)誤差在 0.2 dB 以內(nèi)，功耗只有 2.7mW，-3dB 帶寬為 80Mhz，芯片面積 0.3mm 0.8mm。2.發(fā)展趨勢根據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，目前在國際上對 VGA 的研究呈現(xiàn)如下發(fā)展態(tài)勢：1、低噪聲發(fā)展隨著無線技術(shù)以及相關(guān) ADC 高精度的發(fā)展。 2、提高線性度技術(shù)3、低電壓低功耗趨勢4、更高頻率下使用的 VGA5、寬動(dòng)態(tài)范圍發(fā)展趨勢6、更多的使用純 CMOS 工藝3.研究的主攻方向 本論文主要討論具有低噪聲、高線性度、寬動(dòng)態(tài)范圍、低功耗指標(biāo)的高性能可變增益放大器的研制課題。 基于可變增益放大器的理論研究，設(shè)計(jì)滿足 60dB 線性增益的寬動(dòng)態(tài)范圍開環(huán)可變增益放大器（Variable Gain Amplifier，簡稱 VGA）系統(tǒng)架構(gòu)，并針對曲線拼接技術(shù)的理論思想，完成增益 dB 線性的 VGA 的設(shè)計(jì)。根據(jù) VGA 系統(tǒng)模塊化性能指標(biāo)分配理論，確定各關(guān)鍵模塊的性能指標(biāo)。五.主要研究內(nèi)容、需重點(diǎn)研究的的關(guān)鍵問題及解決思路1.主要研究內(nèi)容（1）可變增益放大器的基本理論與結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí) 通過查閱可變增益放大器的相關(guān)資料、書籍及文獻(xiàn)，研究 VGA 的基本理論，熟悉多種 VGA 結(jié)構(gòu)和優(yōu)缺點(diǎn)，并選擇可實(shí)現(xiàn)增益 dB 線性的 VGA 結(jié)構(gòu)。（2）60dB 線性增益的寬動(dòng)態(tài)范圍 VGA 開環(huán)系統(tǒng)架構(gòu)建模 研究 VGA 的基礎(chǔ)理論與架構(gòu)，結(jié)合電路理論，完成各模塊電路的建模。并針對功耗以及線性度和輸出擺幅進(jìn)行優(yōu)化分析，得到最優(yōu)功效的 VGA 架構(gòu)。（3）關(guān)鍵模塊性能指標(biāo)確定 確定 VGA 系統(tǒng)架構(gòu)后，評估 0.13m/3.3V CMOS 工藝，結(jié)合工藝參數(shù)和系統(tǒng)性能指標(biāo)，根據(jù) VGA 系統(tǒng)模塊化性能指標(biāo)分配理論，確定各關(guān)鍵模塊的性能指標(biāo)。（4）關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)與仿真 根據(jù)各關(guān)鍵模塊的性能指標(biāo)，選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分析各種電路和工藝的非理性因素，仔細(xì)分析設(shè)計(jì)電路以達(dá)到指標(biāo)要求。（5）整體電路的仿真與調(diào)試 完成各關(guān)鍵模塊的結(jié)構(gòu)和電路參數(shù)設(shè)計(jì)后，將各模塊聯(lián)結(jié)起來對整個(gè) VGA進(jìn)行仿真、調(diào)試。（6）電路版圖的設(shè)計(jì)及后仿真 設(shè)計(jì) VGA 版圖，提取寄生參數(shù)進(jìn)行后仿真驗(yàn)證和調(diào)試，最終得到滿足規(guī)格要求的 60dB 線性增益的 VGA 電路和版圖。2.重點(diǎn)研究問題 關(guān)鍵模塊性能指標(biāo)確定。各種設(shè)計(jì)指標(biāo)的折中應(yīng)該是 VGA 設(shè)計(jì)中最具挑戰(zhàn)的任務(wù)。尤其是噪聲和線性度的折中，比如，一種 VGA 的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供最大的增益和最小的噪聲系數(shù)，而具有很差的線性度，相反，另一種 VGA 設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了最好的線性度，其代價(jià)是更小的最大增益和更高的噪聲。這些矛盾的產(chǎn)生是因?yàn)榫w管本身是非線性器件，但在放大器工作的范圍內(nèi)能夠被近似為線性，而這種近似能夠成立的范圍是由晶體管的增益決定的。當(dāng)增益增加時(shí)，近似能夠成立范圍下降。同時(shí)噪聲因子與增益是正相關(guān)關(guān)系。因此優(yōu)化 VGA 的設(shè)計(jì)使其滿足上述三個(gè)指標(biāo)非常的具有挑戰(zhàn)性。 3.解決思路1）負(fù)反饋技術(shù)能更進(jìn)一步的減低失真來提高電路的線性度 2）差分電路可以消除噪聲 3）源級負(fù)反饋電阻的偽差分結(jié)構(gòu)的功耗很低，結(jié)構(gòu)也簡單。此外，在低電壓的情況下可以提供良好的線性度和高精度的增益補(bǔ)償。六.完成畢業(yè)設(shè)計(jì)