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摘
要
可变增益放大器（VGA）是模拟集成电路中的常见结构，它能根据实际需要， 提供一定范围内的可调增益，能有效地处理或输出不固定的信号，广泛应用于通信 设备、医疗设备、显示成像等设备中。本文研究的 VGA 是用于微纳控光器件，将输 入的数字逻辑电平，经过可调放大，输出方波电压作用于液晶微纳控光器件。 本文首先详细介绍了 VGA 的主要三种结构，分析其特点和适用范围，综合比较 各种结构的优缺点，根据实际情况选择最合适的电路结构；之后介绍了 VGA 中的核 心电路运算放大器，对常见的几种运放结构分析比较，从运放的主要性能参数出发， 选取合适的结构；其次，从上而下的划分了电路框架，定义电路功能，自下而上的 完成了电路的设计，通过分析计算电路的仿真结果，与实际需求比对；最后，介绍 了 VGA 的版图设计。 本文设计的 VGA 采用可变反馈的闭环结构，通过将 8bit 的数字控制信号译码， 得到 120 种控制信号组合，从而对开关电阻阵列进行编程控制，得到 120 步线性可 变的放大倍数。电路中的运算放大器采用折叠式共源共栅和共源级的二级结构，全 差分运放由单级的折叠式共源共栅和带源跟随器的共模反馈放大器组成。另外，电 路在 0~5V 和±20V 的两个电压域内工作，用减法器电路实现电压转换。 研究中采用华虹 NEC BCD180 工艺，实现的 VGA 能将 0~3.3V 的信号放大至 3.03V~39.95V（峰峰值） ，步进精度为 0.15V，可变的增益范围为-0.746dB~21.69dB 工作频率在 100KHz 范围内可调，能实现较高精度的调节。
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Huahong NEC BCD180 process is used for the design of VGA , the digitally controlled VGA can output a voltage(Vpp) from 3.03V to 39.95V in a step size of 0.15V， the variable gain is -0.746dB ~ 21.69dB. This VGA achieves high accuracy and works at an adjustable frequency from 0 to 100 KHz.
分类号 学校代码 1 0 4 8 7
学号 密级
M201272459
硕士学位论文数字控制可变增益 Nhomakorabea大器的设计
学位申请人 学 科 专 业： 指 导 教 师： 答 辩 日 期：
： 陈 宇
控制工程 桑红石 副教授 2014.05.25
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A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements For the Degree of Master of Engineering
Keywords: VGA；operational amplifier；cascode；CMFB
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目
录
摘 要............................................................................................................... I Abstract .......................................................................................................... II 缩略语............................................................................................................ VI 1 绪论 1.1 研究背景与意义 .......................................................................................1 1.2 国内外研究现状 .......................................................................................1 1.3 本文的主要工作 .......................................................................................3 2 电路原理 2.1 可变增益放大器的常见结构 ...................................................................5 2.2 可变增益放大器的主要性能参数 ......................................................... 11 2.3 运算放大器的常见结构 .........................................................................13 2.4 运算放大器的主要性能参数 .................................................................16 3 基本电路单元设计与仿真 3.1 折叠式共源共栅放大器 .........................................................................18 3.2 全差分运算放大器 .................................................................................21 3.3 偏置电路..................................................................................................24 3.4 数字控制可变电阻网络 .........................................................................27 4 可变增益放大器的实现与仿真
Design of Digitally Controlled and Variable Gain Amplifier
Candidate : Major :
Chen Yu Control Engineering Associate Prof. Sang Hongshi
Supervisor:
Huazhong University of Science and Technology Wuhan, Hubei 430074, P. R. China May, 2014
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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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
关键词： 可变增益放大器；运算放大器；共源共栅；共模反馈
I
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Abstract
The variable gain amplifier (VGA) is a common structure of the analog integrated circuit system, it can provide a range of adjustable gain according to the actual needs. Because of the ability to deal with or output an uncertainty signal, the VGA is widely used in communication equipment, medical equipment, display imaging devices and so on. The VGA in this paper is designed for the Micro-nano optical controlled devices, amplify the digital voltage adjustable at the input port, and get a square wave voltage to the Micro-nano optical controlled devices at the output port. Firstly, this article introduces three common structures of VGA, then analyze its characteristics and scope of application, compare the advantages and disadvantages between the various structures, so that the most appropriate circuit structure was chose according to the actual situation. Secondly, the operational amplifiers are introduced as the most important circuit in VGA, several common op-amp circuits are analyzed and compared. Then the appropriate structure is selected according to the main property parameters. Thirdly, the circuit framework and functions are defined from up to down, completed the design of VGA from bottom to up, then the simulation results are compared with actual demand by analysis and calculation. Finally, the layout design of VGA is completed. Closed-loop feedback VGA structure is used in this article, 120 kinds of combinations of signals are got for the switching resistor arrays that can be controlled programmed. Meanwhile, a linear variable magnification is obtained at the steps of 120. A second-level structure with folded cascode and a common source stage is used in op-amp circuit, the structure with folded casecode and a common drain stage CMFB is used in fully differential op-amp circuit. In addition, the circuit is worked in two voltage domains that is 0 ~ 5V and ±20V, so the subtraction circuit is used for voltage conversion.