可变增益放大器的研究

长江大学

毕业设计开题报告

题目名称：可变增益放大器的研究院系：物理与光电学院

专业班级：应用物理11103班

学生姓名：

指导教师：李林

辅导教师：李林

开题报告日期：2015年4月2日

可变增益放大器的研究

学生：王双全物理与光电工程学院

导师：李林物理与光电工程学院

一.题目来源

题目来源于老师的科研项目

二.研究目的和意义

在大自然的空气中由于存在着各种不可预测的非理想因素，从而导致通信系统传输过程中的信号会有较大的变化，导致天线从外部接受的信号的强弱会有不同（绝大多数信号被衰减了）。而且传输信道的非线性因素的存在使得信号衰减，同时信道中的噪声也会对信号的传输有影响，导致信号的强度时大时小。信号强度的大小差别有时会很大，甚至会有几十个分贝。信号强度最大值和最小值的差值范围称为接收机的动态范围，为了使接受到的信号尽可能的可靠，自动增益控制电路（Automatic Gain Control，简称AGC）通常都是接收机系统中必不可少的。AGC 的作用是当输入信号的幅度值偏低时，AGC 会选择较大的增益使其输出的幅度值限定在一个需要的范围，同样当输入信号的幅度值偏高时，AGC 会选择较小的增益使其输出的幅度值限定在一个需要的范围，也就是说对于幅度值不固定的输入信号，AGC 可以保证输出幅度值在一定范围内，基本一致。性能优良的AGC 会把输出幅度值控制在下级ADC 最需要的输入信号动态范围内。而AGC 系统中最重要的部分就是可变增益放大器（Variable Gain Amplifier，简称VGA）。AGC 主要是由反馈控制器和控制对象（VGA）两部分组成，其中反馈控制器由电平检测器、低通滤波器、直流放大器、电压比较器、控制电压产生器构成的。而其控制着VGA 使得输出信号的幅度基本恒定不变。可变增益放大器不断的发展带动了AGC 的发展，使得AGC 在许多的测控设备、智能设备等领域的应用也越来越广泛。可变增益放大器的增益改变方式主要有连续变

化和非连续变化两大类。实际改变增益方法的有多种，每种方法各有其优点和局限性。对于开环源极电阻负反馈结构的运算放大器，改变运算放大器的源极电阻、输出等效阻抗或等效输入跨导都可以改变增益。但简单地改变源极电阻或输出等效阻抗并不能得到性能优良的可变增益放大器，特别是动态性能方面很难得到满足。所以本次的VGA 设计就是在这个基础上去创新的。从应用角度出发，给出典型的VGA 的实现方法，对VGA 的正确选择和使用有指导意义。VGA 已用于多种遥感和通信设备达半个多世纪。从超声波雷达、激光雷达到无线通信甚至语音分析等方面的应用都利用VGA 的可变增益特性以提高动态性能。VGA 的频率范围涉及非常的广泛。由于VGA 的广泛运用，从而有越来越多的公司人力投入到VGA 的研究与开发方面，VGA 在最近几年里的发展是飞速的，许多的实行观点被提出来，但真正用来做成产品的方案却不是那么多。VGA 的运用已经得到了历史和实践的证明，其实际电路的实现也逐渐成熟并在电路领域占据了重要的地位。

三.阅读的主要参考文献及资料名称

【1】 C. Popa. Improved accuracy pseudo-exponential function generator with applications 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 Taylor’s 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】郑吉华，李永明，陈弘毅. CMOS 宽动态范围的可变增益放大器. 半导体学报，2003, 24(8): 595-599

【5】龚正，冯军. 0.18um CMOS 可变增益放大器.电子器件

2006,29(4):1031-1034.

【6】郭峰，李智群，陈东东，等. 宽带CMOS 可变增益放大器的设计. 半导体学报，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.国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向

1.国内外现状

国外

2010 年，So Young Kang 等人发表一篇文章，该文章中的VG A 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范围的普及，无论是技术还是资金方面都存在着限制。

国内

2010 年，曲明、檀柏梅、赵毅强、姜俊伟、李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，最终可以满足系统10bit 的精度要求。

2011 年，陈斯、彭艳军、王侠、朱士虎等人通过构造伪Taylor 指数函数，同时利用可变跨导、可变负载结构，并基于TSMC 0.18μm CMOS 工艺，实现了一种增益dB 线性、动态范围有40dB 的VGA。其-3dB 带宽约为

200Mhz，功耗约为5.28mW。

2012 年，何晓丰、莫太山、王晴晖、马成炎等人基于0.18μm 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精度。最终，增益动态范围为62 dB，步长精度为 1 dB，步进误差在0.2 dB 以内，功耗只有2.7mW，-3dB 带宽为80Mhz，芯片面积0.3mm ×0.8mm。

2.发展趋势