學(xué)位論文：無(wú)線接收發(fā)機(jī)中可變?cè)鲆娣糯笃鱒GA電路設(shè)計(jì)及版圖設(shè)計(jì)

大學(xué)畢業(yè)論文
題目： 無(wú)線接收發(fā)機(jī)中可變?cè)鲆娣糯笃鱒GA電路設(shè)計(jì)及版圖設(shè)計(jì)
院（系） 　　　信息科學(xué)與工程學(xué)院　　　
專 業(yè) 　　　電子科學(xué)與技術(shù)　　　
屆 別 　　　2008級(jí)　　　

摘 要
本文介紹了可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑砗蛻?yīng)用，并列出了常用的可變?cè)鲆娣糯笃鞯慕Y(jié)構(gòu)和原理。同時(shí)，針對(duì)無(wú)線接收發(fā)機(jī)的自動(dòng)增益控制網(wǎng)絡(luò), 設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的低壓、低功耗全差分可變?cè)鲆娣糯笃? 它由6 級(jí)子電路級(jí)聯(lián)而成, 提供范圍為81dB 的數(shù)字控制增益, 每一檔為3dB, 增益誤差小于0.5dB. 該電路工作于中頻300kHz 下. 采用TSMC 0.18um 1P6M CMOS 工藝制造, 芯片面積約為 左右, 低功耗及小芯片面積使其極適用于便攜式通信系統(tǒng)的應(yīng)用. 測(cè)試結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)要求.


關(guān)鍵詞：無(wú)線接收發(fā)機(jī)；可變?cè)鲆娣糯笃鳎?低壓； 低功耗；CMOS 射頻集成電路

ABSTRACT

This paper presents a low-voltage low-power variable gain amplifier,which is applied in the automatic gain control loop of a wireless receiver or sender.Si* stages are cascaded to provide an 81dB digitally controlled gain range in 3dB step.The gain step error is less than 0.5dB.It operates at an intermediate frequency of 300kHz.The prototype chip is implemented in a TSMCs 0.18um 1P6M CMOS process and occupies ap
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可編程增益放大器（programmable gain amplifier）。VGA使用模擬信號(hào)控制增益，由于增益連續(xù)變化，所以，在數(shù)字通信中不會(huì)因增益突變而造成調(diào)制信號(hào)的接收解調(diào)錯(cuò)誤。PGA使用數(shù)字電路控制增益，從而簡(jiǎn)化了模擬控制電路。因?yàn)槠湓鲆骐x散，所以能夠在這些離散點(diǎn)上對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化，得到較好的性能。后文我們不再細(xì)作區(qū)分，統(tǒng)一稱為可變?cè)鲆娣糯笃鳎╒GA）。
為了實(shí)現(xiàn)單芯片系統(tǒng)，接收發(fā)機(jī)中的電路需要使用CMOS工藝。因此，下面著重介紹CMOS模擬集成VGA的設(shè)計(jì)。VGA的主要功能是實(shí)現(xiàn)增益變化，相應(yīng)的指標(biāo)有增益變化范圍，增益變化步長(zhǎng)和增益變化精度。此外，還包括電源電壓、功耗、帶寬、線性、線性、噪聲、輸入輸出信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍等。與固定增益放大器相比，VGA設(shè)計(jì)中需要考慮增益變化對(duì)其他性能的影響。
無(wú)線接收機(jī)中，實(shí)時(shí)控制信號(hào)大小的功能由自動(dòng)增益控制（automatic gain control--AGC）環(huán)路實(shí)現(xiàn)。它包括信號(hào)幅度檢測(cè)電路、增益控制電路和VGA。為了在不同信號(hào)功率下，AGC環(huán)路都具有相同的瞬態(tài)響應(yīng)和確切的環(huán)路建立時(shí)間，VGA的增益需要按指數(shù)規(guī)律變化。對(duì)于雙極工藝來(lái)說(shuō)，由于晶體管固有的基極--發(fā)射極電壓與集電極電流之間的指數(shù)關(guān)系，這一電路功能很容易實(shí)現(xiàn)。對(duì)于CMOS工藝而言，工作在飽和區(qū)的MOS管，其溝道電流和柵極電壓成平方關(guān)系（長(zhǎng)溝），因而需要構(gòu)造電路，以實(shí)現(xiàn)增益指數(shù)變化的功能。
本文第一章將為大家介紹VGA的基本結(jié)構(gòu)及相應(yīng)增益控制方法、指數(shù)構(gòu)造方法、高性能VGA的設(shè)計(jì)，第二章為大家介紹本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的基本結(jié)構(gòu)和原理及參數(shù)等各方面情況，第三章介紹下本設(shè)計(jì)的具體仿真結(jié)果和版圖實(shí)現(xiàn)情況。












第一章 可變?cè)鲆娣糯笃鳎╒GA）設(shè)計(jì)概述

1 VGA的結(jié)構(gòu)
VGA主要分成開環(huán)和閉環(huán)兩種結(jié)構(gòu)。開環(huán)放大器的增益一般表示為等效輸入跨導(dǎo) 和等效輸出電阻 的乘積：
Gain= (1.1)
可以通過(guò)改變跨導(dǎo)或輸出電阻實(shí)現(xiàn)增益變化。直接改變輸出電阻是一種簡(jiǎn)單的變?cè)鲆娣绞�。這種結(jié)構(gòu)VGA的動(dòng)態(tài)范圍大，工作穩(wěn)定。但由于輸出節(jié)點(diǎn)通常是放大器的主極點(diǎn)，因此，輸出電阻的變化將導(dǎo)致帶寬的變化。增益越高，帶寬越小。
另一種方法是改變放大器的等效跨導(dǎo)，或者說(shuō)改變流入負(fù)載電阻的交流信號(hào)電流的大小。圖2是Gilbert結(jié)構(gòu)的電路。圖中，M1和M2是輸入管，M3--M6是耦合管，電壓 控制耦合電流的大小，起改變?cè)鲆娴淖饔�。該結(jié)構(gòu)能夠提供較大的增益和較小的噪聲，適用于小信號(hào)輸入情況。但在大輸入信號(hào)下，MOS管可能進(jìn)入線性區(qū)，電路不能正常工作。另一方面，該結(jié)構(gòu)電路堆疊了3層MOS管，限制了輸出信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。

圖2.Gilbert結(jié)構(gòu)的VGA

圖3結(jié)構(gòu)則通過(guò)直接控制跨導(dǎo)實(shí)現(xiàn)增益變化

圖3.控制輸入管跨導(dǎo)的VGA
圖3中，M1和M2是輸入管，M3和M4是Cascode管，控制電壓 加在Cascode管的柵極。當(dāng) 較高時(shí)，M1和M2管工作在飽和區(qū)，跨導(dǎo)較大，放大器獲得高增益；當(dāng) 較低時(shí)，M1和M2共走在線性區(qū)，跨導(dǎo)較小，放大器獲得低增益。這一方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，可以獲得大帶寬和低噪聲；缺點(diǎn)是難以準(zhǔn)確控制增益，輸出信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍同樣受限。


圖4.使用源極負(fù)反饋電阻的VGA
圖4的放大器稱為使用源極負(fù)反饋電阻的VGA，它也是一種改變等效跨導(dǎo)的電路。設(shè)輸入管的跨導(dǎo)為 ，在源極負(fù)反饋電阻 的作用下，放大器的等效跨導(dǎo)變成（1.2）式，放大器的增益可用（1.3）式計(jì)算。改變負(fù)反饋電阻 的值，可以實(shí)現(xiàn)增益變化。不過(guò)，通常把它看成增益由電阻比值決定的放大器。本次設(shè)計(jì)就是采用的這種結(jié)構(gòu)的放大器,在本設(shè)計(jì)中，我們稱之為源極退化電阻。
（1.2）
（1.3）
利用源極退化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的VGA分為開環(huán)和閉環(huán)兩種。由于反饋?zhàn)饔�，放大器的線性較好，帶寬不隨增益變化，溫漂小。但電路比較復(fù)雜，而且由于堆疊了多層MOS管，最大輸出信號(hào)受到限制。

圖5.閉環(huán)結(jié)構(gòu)的VGA
在閉環(huán)結(jié)構(gòu)VGA中，最常見的是基于運(yùn)算放大器、使用電阻負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)的放大器。圖5所示是一個(gè)基于電壓運(yùn)算放大器的全差分放大器。當(dāng)使用理想運(yùn)算放大器時(shí)，其增益等于兩個(gè)電阻的比值，如
Gain= (1.4)
改變電阻，即可實(shí)現(xiàn)工藝變化。如果電阻 可變，它會(huì)影響輸入、輸出節(jié)點(diǎn)的極點(diǎn)，使放大器的帶寬發(fā)生變化；如果電阻 可變，它對(duì)前級(jí)將形成變化的負(fù)載效應(yīng)，需要增加緩沖電路來(lái)隔離。和開環(huán)VGA相比，閉環(huán)VGA使用負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，性能穩(wěn)定。它的增益取決于電阻之比，線性度較高。在適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)下，它可以實(shí)現(xiàn)端到端的輸入輸出，信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍大。然而，對(duì)運(yùn)算放大器高增益、大帶寬、低噪聲、低失真的要求，使得電路設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，功耗相對(duì)較高。而且，由于運(yùn)算放大器自身的限制，難以實(shí)現(xiàn)寬帶VGA。
此外，實(shí)現(xiàn)可變?cè)鲆孢�有很多方法，如使用多輸入跨導(dǎo)級(jí)，構(gòu)造乘法器等。這里不再一一敘述。






2 VGA指數(shù)增益控制的實(shí)現(xiàn)

在許多場(chǎng)合，VGA增益需要按照指數(shù)規(guī)律變化，即增益和控制電壓（或電流）之間滿足指數(shù)關(guān)系。雙極工藝下，電路很容易實(shí)現(xiàn)這一功能；而在CMOS工藝下，則需要構(gòu)造指數(shù)控制電路。
一個(gè)最直接的想法，就是在CMOS工藝中構(gòu)造寄生雙極晶體管，產(chǎn)生指數(shù)規(guī)律的電流-電壓關(guān)系。但是，為了保證寄生晶體管正常工作，需要額外的輔助電路。由這一方法構(gòu)造的電路功耗高、可靠性差。
第二個(gè)思路是讓MOS管工作在亞閾值區(qū)，這時(shí)，漏極電流和柵極電壓滿足指數(shù)關(guān)系。這樣，實(shí)現(xiàn)了指數(shù)特性，但柵極控制電壓的變化范圍有限，輸出電流也較小。
在CMOS電路中，更普遍的做法是根據(jù)近似公式實(shí)現(xiàn)指數(shù)功能。（2.1）式表明，在*較小時(shí)，指數(shù) 可以用多項(xiàng)式近似。我們可以利用適當(dāng)?shù)目刂齐娏骰螂妷簩?shí)現(xiàn)指數(shù)功能，也可以用數(shù)控方式實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)式對(duì)指數(shù)的近似，還可以再（2.1）的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)新型的指數(shù)發(fā)生電路。
（2.1）
（2.1）式的近似關(guān)系只在一定范圍內(nèi)成立，通常*在[-0.7,0.7]之間，對(duì)應(yīng)的指數(shù)變化范圍大約在30dB左右�？梢詫�(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，得到新的近似公式（2.2）。通過(guò)設(shè)置a=0.25或0.75，來(lái)增大*的負(fù)值或正值范圍。采用分段函數(shù)的方式，可以將控制范圍。 ……（未完，全文共20973字，當(dāng)前僅顯示3772字，請(qǐng)閱讀下面提示信息。收藏《學(xué)位論文：無(wú)線接收發(fā)機(jī)中可變?cè)鲆娣糯笃鱒GA電路設(shè)計(jì)及版圖設(shè)計(jì)》）