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CMOS宽带线性可变增益放大器的设计

作　者: 汪金真
导　师: 李建成
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 电子科学与技术
关键词: 自动增益控制 可变增益放大器 带通滤波器 信号相加式 并联峰值 源极跟随器
分类号: TN722
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


在射频通信系统中,由于受到诸如障碍物、空气效应等因素的影响引起信号的衰减,信号的接收需要能够处理最大范围的数据转换。基于这种考虑,在典型的射频系统的前端一般都采用自动增益控制电路。可变增益放大器(Variable Gain Amplifier, VGA)是自动增益控制(Automatic Gain Control, AGC)电路中的一个关键模块,自动增益控制系统的稳定性和对输入信号的响应灵敏度在很大程度上取决于可变增益放大器的设计性能。本课题以射频接收芯片的研制为背景,从自动增益控制环路系统入手,分析了自动增益控制电路的基本工作原理,以及可变增益放大器在AGC环路中的地位和作用。在总结目前CMOS可变增益放大器的主流技术的基础上,设计了一个CMOS宽带线性可变增益放大器,其增益的控制范围为24dB。根据AGC系统的要求,设计其增益与控制信号成dB-线性关系。所设计的可变增益放大器由输入匹配电路、控制电压转换电路、主体电路和输出匹配电路四个部分组成。输入阻抗匹配电路采用带通滤波器技术实现VGA的频带选择,并在频带范围内满足输入阻抗匹配及较低噪声的要求;控制电压转换电路将变化范围较大的控制电压转换成变化范围较小的电压直接控制VGA主体电路,实现增益-控制电压呈dB-线性关系;主体电路将输入信号和控制信号相乘,进而实现增益的连续可调,通过控制输入管漏源电压,在输入信号强度较大时,使输入管工作在饱和区,提供较好的线性度;输出匹配电路采用并联峰值(Shunt-Peaking)结构,通过电感引入零点来补偿因电容引起的增益下降,扩展了带宽,同时采用源极跟随器作放大器的输出级,驱动片外负载。本设计基于Agilent Technologies公司的ADS2009仿真平台,采用TSMC公司的0.18μm RF CMOS工艺进行仿真。仿真结果表明,VGA的3dB带宽为570MHz~770MHz。在带宽570MHz~770MHz及控制电压0.95V~1.13V条件下,输入输出回波损耗S11、S22均小于-10dB,反向隔离度S12小于-50dB,VGA的增益动态范围为-8.9dB~15.9dB,并且增益和控制电压呈现近似的dB-线性关系;噪声系数最小可达到0.34dB,最大不超过10dB;VGA输入三阶交调点(IIP3)的变化范围为-6dBm~5dBm。同时,平均功耗为11.245mW,波动幅度为0.092mW。

全文目录


摘要  9-10
ABSTRACT  10-12
第一章 绪论  12-22
  1.1 研究背景及意义  12-15
  1.2 国内外研究现状与发展趋势  15-19
  1.3 论文的主要工作  19-20
  1.4 论文结构  20-22
第二章 可变增益放大器的概述  22-35
  2.1 自动增益控制基础  22-26
    2.1.1 AGC 环路稳定时间  22-24
    2.1.2 检测器  24-25
    2.1.3 环路滤波器  25-26
  2.2 可变增益放大器相关性能指标  26-34
    2.2.1 增益控制范围及控制特性  26-27
    2.2.2 线性度  27-31
    2.2.3 噪声系数  31-33
    2.2.4 稳定性  33-34
  2.3 本章小结  34-35
第三章 可变增益放大器结构设计  35-50
  3.1 VGA 常见结构和原理  35-42
    3.1.1 闭环结构的VGA  35-37
    3.1.2 基于负载可变的VGA  37-38
    3.1.3 基于跨导可变的VGA  38-42
  3.2 指数增益控制技术和实现方式  42-46
    3.2.1 指数控制电路  42-45
    3.2.2 增益dB 线性的实现方式  45-46
  3.3 本文VGA 的设计方案及电路结构  46-49
  3.4 本章小结  49-50
第四章 可变增益放大器电路设计及仿真  50-73
  4.1 输入匹配电路的设计  50-52
  4.2 控制电压转换电路的设计  52-56
    4.2.1 VGA 指数控制的必要性  52-53
    4.2.2 电路设计  53-56
  4.3 主体电路的设计  56-58
  4.4 输出匹配电路的设计  58-60
  4.5 VGA 相关性能指标的实现  60-67
    4.5.1 宽带的实现  60-63
    4.5.2 dB-线性增益  63-64
    4.5.3 提高放大增益  64-65
    4.5.4 线性度  65-66
    4.5.5 噪声  66-67
  4.6 仿真结果及分析  67-71
  4.7 本章小结  71-73
第五章 结束语  73-76
  5.1 工作总结  73-74
  5.2 工作展望  74-76
致谢  76-77
参考文献  77-82
作者在学期间取得的学术成果  82

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 基本电子电路 > 放大技术、放大器 > 放大器
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