增益精确的可变增益放大器 时间：2009-08-03 13:13:54 来源：山西电子技术 作者：李 丹，闰涛涛，陈东坡，周健军 上海交通大学 引 言 可变增益放大器是GPS接收机中的一个关键模块，它与反馈环路组成的自动增益控制电路为模／数转换器(ADC)提供恒定的信号功率。模拟信号控制增益的VGA增益连续变化，但是线性度较差。 这里采用电阻形式的负反馈的放大器来设计一个0～30 dB增益变化的中频可变增益放大器，VGA的增益精度并不取决于工艺、电压和温度等因素对电阻、MOS管开关的影响，增益误差在各个工艺角下都小于5％。
1 可变增益放大器原理 模拟电路需要对信号进行放大或衰减，这一功能可由可变增益放大器(VGA)实现。它在无线通信的收／发信机模拟前端中，起着至关重要的作用。图1是用于GPS的接收机模拟前端图。处于基波频率的VGA补偿射频模块和中频模块的增益衰减；VGA将输出信号放大到A／D转换器需要的幅度。AGC环路改变接收机的增益，调整各级信号动态范围，稳定输出信号功率的作用。
对于VGA电路，IIP3和THD是重要的指标，因为它的输出信号幅度很大。其次，为了实现宽增益范围调节，同时保持不同增益输入功率下恒定的输出建立时间，要求VGA的增益与控制电压成dB线性。VGA增益步长越小越精确，则对ADC的要求越降低。在文中，数字控制的VGA电路提供了30 dB的增益控制范围，使用7b精确控制增益大小，所耗面积和功耗小。
2 可变增益放大器结构与性能比较 VGA主要分为开环和闭环两种结构。一种常见的开环结构是文献[1]采用的Gilbert结构，如图2所示电路。Ms上加一个基准电压，电压Vc控制耦合电流的大小，起到改变增益的作用。但是此结构电路堆叠了四层电路，限制了输出电压的摆幅，而且此电路不能实现指数增益的控制。这些运用最广泛的开环结构中，可变增益放大器主要基于简单差分，或者是伪差分对，使用源极反馈技术，模拟乘法器和使用二极管连接的MOS管作为负载等技术。这些结构最大的问题就是线性度和失真度的问题。 因为负反馈电路具有稳定输出，降低非线性失真的作用，所以闭环结构呈现更好的线性度。常见的闭环电路结构中的VGA使用电阻阵列实现增益控制，例如将电阻和MOS管串联，控制MOS管开关的通断状态实现阻值的变化，进而改变放大器的增益。因为继承电路中的电阻、MOS管开关都受到工艺、电压、温度的影响，难以实现精确的阻值，所以PGA的增益精度有限。文献[9]使用电流分割技术，实现了精确的增益控制，文献[10]对电阻网络进行了改进，但是这些电路复杂，额外电路也增加了功耗。这里在没有增加任何设计复杂性的情况下，实现了较为精确的增益控制。
3 高性能VGA结构和实现 为了达到要求的增益控制范围和步长，使用两个级联的VGA。第一个部分的VGA实现6 dB步长的增益控制，另一个部分实现精准的O．5 dB步长。因此整个VGA实现了粗调和细调(见图2)。 当运算放大器的增益足够大时，闭环VGA的增益等于两个电阻的比值：Gain=-Rf／Rs，改变电阻可以实现增益的变化。粗调的阻值变化很大，改变反馈Rf，会影响粗调输出节点的极点；电阻Rs可变，它对前级将形成变化的负载效应。选择改变Rs，在前级增加缓冲电路进行隔离。 首先进行第一级6 dB步长增益的考虑：取Rf=R0，Rs=R1，实现3 dB的增益，那么Rf不变，Rs=2R1，则实现9 dB的增益。同理：当Rs=4R1，实现15 dB增益；当Rs=8R1，实现21 dB增益；当Rs=16R1，实现27 dB增益。 为了更好地匹配，对与电阻串联的MOS管开关尺寸按图3比例设计，Rs等于MOS管的导通电阻和多晶硅电阻，MOS导通电阻与W／L成反比。 再考虑第二级O．5 dB步长增益可以发现，O．95转化为dB值等于-0．445 5 dB。0．9为-0．915 dB，0．85为-1．412 dB，O．8为-1．938 dB，0．75为-2．499 dB，O．7为-3．098 dB。1～0．7之间O．05的间隔对应于dB中基本接近于0．5 dB的间隔。使用这个规律，设计可以如下：
两级VGA就可以实现O～29．5 dB(2．5 dB+27 dB=29．5 dB)增益控制，且步长可以比较精准地达到O．5 dB。由于设计中用的都是电阻的相对值，所以电阻、MOS管开关都受到工艺电压和温度等因素VGA的增益精度的影响会很小。 如图4所示，可变电阻R1是用多晶硅电阻和工作在晶体管区的MOS开关来实现的。开关电阻通常被用在低失真可调模拟模块。MOS晶体管的非线性将产生谐波以及交调失真，这将会降低整个电路的线性度。在文献[11]中，推导出一个近似的公式来接近开关管的非线性特性。
输入电压Vin被转换成非线性电流Iin流入电流模式的VGA放大器。在弱非线性网络中，已经使用Vol-terra级数推导出非线性谐波失真(HD2和HD3)。
式中：Vin是输入的电压的峰值；R1等于R1α+Rds的总和；α2，α3是二次、三次非线性系数。因此如果把开关管放置在运放的虚地端(即运放的输入端)，则HD2和HD3近似等于0。
4 版图与后仿真结果 图5是用SMIC 0．18μm CMOS工艺实现的VGA版图，芯片面积为：510μm×160μm，整个版图包括VGA核心部分，直流偏移消除模块，和CMOS源极跟随缓冲电路，恒定Gm的偏置电路。
图6～图8给出了VGA在Candence环境下用Spectre工具模拟得到的后仿真结果。图6为输入阶越跳变，得到的输出瞬态响应曲线。 图7为不同的数字增益设置对应的VGA增益。图8是放大器不同增益的频域响应。其增益从0 dB变化到29．5 dB，其中0．5 dB一档。
5 结 语 本文介绍一种O．18μm CMOS工艺实现，应用于GPS全球定位系统得可变增益放大器。文中巧妙地应用反馈系统中环路稳定性理论设计放大器；在增益步长的控制上，增益随bit线性化，并保证增益精度不受工艺角偏差影响。仿真结果表明，该放大器适合在接收机模拟前端中使用。 通用可变增益放大器 悬赏分：20 | 提问时间：2010-8-13 18:43 | 提问者：2008051318
1．基本要求
（1）放大器的低频及直流最大不失真输入、输出信号幅度不低于±3V； （2）放大器的电压增益可设为三档：0.10—1.00，1.0—10.0，10—100，放大器在同一档位时增益线性度不低于1%，分辨力不低于1%； 增益为100时，在DC—1MHz带宽范围内，输出大信号幅度波动不超过5%； 增益为100时、输入端短路，输出端电压值不超过±5mV； ，并有过压保护能力；或50（5）输入端阻抗可开关设置为大于10M 或0。（6）放大器输出端阻抗可开关设置为50 2．发挥部分 （1）放大器的低频及直流最大不失真输入、输出信号幅度不低于±8V； （2）放大器的增益可设为四档：0.100—1.000，1.00—10.00，10.0—100.0，100.0—1000，放大器在同一档位时线性度不低于0.5%，分辨力不低于0.1%； （3）增益为1000，在DC—5MHz带宽范围内，输出大信号幅度波动不超过5%； ，在DC—5MHz频段内，大信号输出时波形失真度小于2%；，外接负载50（4）放大器输出端阻抗为50 （5）增益为1000时、输入端短路，输出端电压值不超过±20mV； （6）整体电路成本低，电路工艺简单； （7）其他。
基于可变增益放大器AD604的超声衰减补偿电路 作者： | 出处：电子发烧友 | 2010-10-27 11:16:13 | 阅读 440 次 基于可变增益放大器AD604的超声衰减补偿电路,AD604是一种低噪声、高精度、双通道、可变增益放大器。它具有增益的分贝数和增益控制电压成正比的特性
AD604是一种低噪声、高精度、双通道、可变增益放大器。它具有增益的分贝数和增益控制电压成正比的特性，特别适合于超声仪器中的时间增益补偿电路的应用。文中介绍了AD604的特点、结构和使用方法，并介绍了一种基于该芯片的超声衰减补偿的典型应用电路。
AD604是Analog Devices(AD公司)的产品。和同类产品相比，AD604具有超低噪声、高精度、增益连续可调，且增益的分贝(dB)数和增益的控制电压成正比的特点。而医用超声仪器的时间增益控制(TGC)电路要求其增益与控制电压呈指数关系，也就是增益的分贝(dB)数和控制电压成线性关系。因此，在这方面， AD604是一个理想的超声TGC放大器，它能有效减小送入A/D转换器的信号动态范围。
1 引脚功能 AD604采用24脚封装，并有DIP、SSOP和SOIC三种封装形式，其管脚排列如图1所示。各引脚的功能说明如下： PAI1/PAI2：前置放大器正输入; PAO1/PAO2：前置放大器输出; FBK1/FBK2：前置放大器反馈端; COM1/COM2：信号地;当其接正电源时，前置放大器通道被关闭; -DSX1/-DSX2：微分衰减器信号输入负端; +DSX1/+DSX2：微分衰减器信号输入正端; VGN1/VGN2：增益控制输入端以及电源关闭端。接地时，该衰减通道被关闭;否则随着正电压的增加，增益将逐渐增加; VREF：两个通道的增益控制档。当其电压为+2.5V时，增益为20dB/V，而当电压为+1.67V时，增益为30dB/V; VOCM：输出信号的共模信号控制端。用以确定这部分电路中直流信号的中值电压; OUT1/OUT2：信号输出端; VPOS/VNEG：接正/负电源; GND1/GND2：接地端。
2 内部结构及工作原理 AD604是一个双通道可变增益放大器。它的每一个通道都是由一个低噪声前置放大器和一个可变增益放大器(XAMP)组成。同时XAMP又由一个高精度受控微分衰减器、一个增益控制单元、一个固定增益反馈放大器及一个由分立元件R3、 R4组成的VOCM共模电压控制单元组成。其原理如图2所示。AD604的每一个通道都可提供一个范围为48dB的可变增益。