论文总字数：38300字

摘 要

无线通信的发展带动了无线收发机在通信系统中的广泛使用。无论是无线接收机还是无线发射机，都需要自动增益控制环路对发射信号或接收信号进行幅度调节，可变增益放大器（VGA）是通信系统中的自动增益环路必不可少的一部分。可编程增益放大器是（PGA）利用数字信号控制的VGA。

本文主要研究了目前的VGA和PGA的发展现状，对现有VGA和PGA的结构进行了分类总结，并给出了每类下的典型实现结构，对各种结构的原理进行了详细的分析，对比归纳出结构的优缺点。根据现有结构，提出了一款可以用于IOT无线收发机的可变增益放大器。由于放大器的一些指标存在相互制约的关系，所以通过合理设计电路中各个元器件的参数，设计出了具有较好性能的PGA。该放大器可以在1.8V的低电压下正常工作，并且有较大的增益范围，可以实现从3dB到18dB，增益步长可以达到2.15dB，带宽可以达到30MHz，为确保后级可以正常检测，输出摆幅可以达到0 dBm。且该结构具有较好的线性度和噪声系数。本设计适合深亚微米CMOS工艺，利用中芯国际0.18μm工艺和Cadence平台进行原理图搭建和仿真工作，仿真结果表明性能指标满足预期要求。

关键词：可变增益放大器，可编程增益放大器，IOT无线收发机

Abstract

The development of wireless communication has led to the widespread use of wireless transceiver in communication systems. Both the wireless receiver and the wireless emitter need the automatic gain control circuit (AGC) to adjust the range of the transmitting signal or receiving signal to achieve the optimal working state. Variable gain amplifier (VGA) is an essential part of AGC of telecommunication systems. Programmable gain amplifier is a special VGA controlled by digital signal.

The current development status of VGA and PGA is studied in this paper. The structures of existing VGA and PGA are classified, and a typical implementation under each type of structure is presented. After analyzing the principle of various structures, the advantages and disadvantages of the structures have been summed up .According to the existing structure, a variable gain amplifier which can be used for IOT wireless transceiver is proposed. Because some of the parameters of the amplifier are restricted by each other, the PGA of better performance is designed by reasonably designing the parameters of various components in the circuit. This design can work normally under low voltage of 1.8 V, and it can achieve a larger gain range, from 3dB to 18dB. In order to ensure the proper detect of the backward stage, the output swing of this amplifier can be 0 dBm. Besides, the good linearity and noise figure can also be achieved. This design is suitable for the deep submicron CMOS process, and the schematic construction and simulation work were carried out using SMIC 0.18μm technology and Cadence platform. The simulation results show that the performance indexes meet the expected requirements.

KEY WORDS: variable gain amplifier, programmable gain amplifier, IOT wireless transceiver

目 录

摘要 III

Abstract i

第一章 绪论 1

1.1 课题背景与意义 1

1.1.1 无线收发机 1

1.1.2 自动增益控制系统与可变增益放大器 1

1.1.3 研究意义 2

1.1.4 研究现状 2

1.2 论文设计内容 3

1.3 论文结构 4

第二章 可编程增益放大器概述 5

2.1 自动增益控制系统 5

2.2 PGA和VGA的原理 5

2.3 PGA和VGA的主要性能指标 6

2.3.1 线性度 6

2.3.2 带宽 7

2.3.3 增益控制特性 7

2.3.4 输出摆幅 8

2.3.5 共模抑制能力 8

2.3.6 噪声系数 8

第三章 可编程增益放大器结构及实现 10

3.1 PGA的结构 10

3.1.1 开环结构 10

3.1.2 闭环结构 16

第四章 PGA的设计与实现 21

4.1 结构分析 21

4.2 结构设计 25

4.2.1 跨导级设计 26

4.2.2 跨阻级OCA设计 30

4.2.3 可编程部分设计 32

第五章 仿真与结果 35

5.1 跨导级电路 35

5.1.1 输入单端转双端 35

5.1.2 电流镜部分 36

5.1.3 可编程电阻部分 36

5.2 跨阻级电路 38

5.3 PGA结构仿真结果 40

第六章 总结 45

绪论

课题背景与意义

无线收发机

无线通信自上个世纪发明以来，发展十分迅速，已经成为现代生活中不可缺少的一个系统，而收发机作为无线通信系统中最为重要的一个模块，对整个无线通信系统具有十分重要的意义。收发机分为无线通信发射机和接收机。

无线通信发射机主要是通过调制、放大和滤波等过程来使信号达到发送端的功率要求。无线接收机是将接收到的信号经过下变频放大后交由解调器来进行解调，也就是通过一系列处理得到可以被后续系统处理的电信号。

自动增益控制系统与可变增益放大器

对于无线发射机，信号从数字基带发送后要通过DAC和低通滤波器，这时候若要满足射频发送端要求，需要有调节发射信号幅度的部分，实现幅度改变的系统是自动增益控制系统^[1]。

无线电在传播时由于散射、衍射和反射等的存在会产生多路径分量，而当分量相位相同，信号幅度增强；当分量间相位不一致，就会削弱信号强度；传输过程中的噪声干扰，环境变化，外频段电磁信号的夹扰，通信距离变化等都会使接收机接收到的信号的强度变化范围很大^[2]。所以，能够处理多大动态范围的无线信号是射频接收机重要的指标之一。由于信号强度变化很大，相差能有几十分贝，对于过大的信号，要采用小增益来防止后级电路进入饱和，而对于幅度较小的信号，若仍采用相同的小增益，将会使信号太小而被噪声淹没丢失。所以，无线接收机中需要一个部分控制增益大小的来稳定信号，使输出信号固定在一个固定的强度上，这个部分就是自动增益控制电路（AGC）。为了确保无线接收机的正常工作，采用AGC可以在一定程度上补偿解决接收机本身产生的误差，所以自动增益控制电路系统越来越广泛应用在电子学领域，越来越普遍应用在接收机上，在移动通信等等上一般都会得到引入和应用^[2]。

可变增益放大器是自动增益控制环路的核心部分，处在射频收发机的后端部位，负责根据输入信号的大小来调节信号幅度的大小，当信号过大或过小时，通过反馈调节来实现适合幅度的输出，目前已广泛用于无线传感网络、磁盘驱动器等领域^[3]。随着数字电路技术的发展，越来越多信号处理转移到数字领域实现，因此增益控制可通过连续或者离散信号来控制，后者成为可编程增益放大器（PGA）。在如今的系统中，使用PGA代替VGA就不需要额外的电路来将数字信号转化为模拟信号^[4]。在现代通信接收器中，接收的信号是通过模拟数字转换器（ADC）进行量化的，这样可以在数字域执行复杂的信号处理。在图1- 1中可以看到，一个PGA通常放置在ADC的前面，适应传输通道的损耗变化，来缓解ADC的动态范围的要求。PGA的增益是由自动增益控制（AGC）环路数字控制的。

图1- 1模拟前端设计框图

研究意义

在无线收发系统中，由于在传输过程中信号会经过很多的衰减过程，所以需要AGC系统来控制输出信号幅度，使其可以被后续系统正确的识别和处理，而VGA和PGA作为自动增益控制系统中最为关键的一部分，VGA对AGC系统能否正常工作有很大的影响，所以对增益放大器结构有明确的要求，例如要使整个系统的建立时间恒定，通常需要控制这个PGA的linear-in-dB 增益。在宽带有线接收机如高速数字用户线（VDSL），ADC通常要求12 bit 分辨率和0.2-11 MHz 信号频谱。这表明PGA需要在信号频谱上小于-74dB的总谐波失真（THD），并且能达到放大接受信号达到0到20dB 增益控制范围的能力。信号衰减可能需要适应大信号摆幅。这个PGA需要在确保整个信号带宽和增益范围内的同时维持它的高线性度和低噪声^[4]。可编程增益放大器的设计指标有增益范围、增益步长、增益精度、线性度、带噪声和功耗等。此外，PGA内在的各种由温度工艺等引起的误差对于处在外边的控制环路来说是看不到的。这时候提高外部电路的性能是不可靠的，只能通过改变PGA电路来减小误差。PGA技术的研究是射频电路的重点，因为AGC的稳定度和灵敏度都受PGA的影响。

研究现状

由于PGA和VGA在自动增益控制系统中具有重要地位，所以国内外高校都在研究和设计各种类型的结构。鉴于PGA中的各个指标存在制约关系，设计合理的结构来实现各个指标间的权衡就非常重要。

VGA可以分为开环结构和闭环结构。Mohamed A.I. Mostafa^[5]等人提出了一款用于全球通信系统的可变增益放大器（VGA），该设计通过改变输出电阻值的大小来实现增益改变。为了提升噪声系数，采用三级级联结构，每级增益在-5dB-15dB，总增益控制范围为60dB。该结构采用0.35μm CMOS工艺，工作在246MHz，增益步长2dB。

同时也可以通过改变跨导来实现增益变化，基于分流器的结构，由于二次线性存在，难以实现dB线性的增益控制，Osamii Watanabe^[6]等人提出了一种结构，增加一级来实现对控制电压的预失真处理，在传统的CSC1和两级VGA的基础上，又增加了增益补偿的CSC3的前级和后级的一个VGA，最终增益变化实现近似线性化，从-70dB~11dB，增益偏移小于0.2dB。

也有学者研究基于基尔伯特单元的VGA。Paolo Orsatti^[7]等人在2000年提出了通过控制MOS开关开合状态来改变偏置电流大小，该设计就利用到了吉尔伯特单元，利用0.25μm CMOS工艺，实现了在2.5V供电电压下，-20到60dB的带宽范围，增益步长为2dB。

Baghtash^[8]提出了一种基于源级退化电阻和跨导可变结构结合的一种新结构，通过同时改变源级和漏级的退化电阻的大小来实现增益变化，可以使该结构的dB线性特性和增益范围获得显著提高。带宽可以通过调节偏置电流I来改变，最终的结构在1.8V电压下，功耗仅为0.036mW，带宽为20MHz，步长仅为1.25dB，增益范围为-20~16.6dB。

Sautto^[9]提出了利用leveraging regeneration技术构成的PGA，通过两个交叉耦合对实现负阻。输出电压的大小是通过取样阶段的时间来控制，取样时间越长，增益越大。最终结构利用180nm技术，增益在15~66dB，OIP3为14.3dB，输入噪声为10.7,功率为0.42mW。

基于闭环结构的VGA和PGA也较为常用。Pui-In Mak^[10]等人在2008年提出了两种可以在低压WLAN系统中工作的PGA，使用了运算跨导放大器（OTA）。提出了两种技术手段，利用开关电流电阻（SCR）来降低增益变化，在直流偏置消除技术中用到了跨导运放，有效地抑制了非线性。最终的结构利用0.35μm CMOS工艺，可以在1V电压下，实现17MHz带宽，IIP3为8.4dBm，带宽范围-22~30dB。

S. Pennisi^[11]提出了基于OCA的PGA，是两级结构构成的电流运算放大器，在输入级使用了差分输出电流放大器，用到了包含一个误差放大器的共模反馈（CMFB）该结构的共模抑制比在相同的条件下可以达到127而传统的结构只有69，同时输入电阻也是传统结构的百分之一。

Cheng-Chung Hsu等人^[12]利用源级耦合对来增加OCA的共模抑制能力，。由于负反馈的存在，该结构失真由于负反馈的存在而较小，10MHz的失真为-74dB，增益范围0~19dB，互补电容的存在提高了该结构的线性度。

跨导跨阻结构多级结构,也常应用在PGA中。L.Acosta^[13]等人基于Cherry-Hooper 放大器结构（“OTA-op-amp”）设计出了一种跨导跨阻结构PGA实现了高线性高带宽共存，避开了OCA的低共模抑制比低线性度缺点，也避开了OTA结构带宽小且不恒定的缺点。该结构的跨导级是基于电压翻转跟随器的全差分OTA，跨阻级是AB类两级op-amp，利用0.5μm CMOS工艺，实现了1~124dB的增益，带宽为30MHz。

综上，可以看出目前对PGA和VGA的研究较为充分，有各种结构来实现各指标间的权衡。但是目前，没有满足本论文设计指标的结构，即很难实现较高的线性度的同时保持大带宽、低功耗。并且本结构要求的3~18dB和小于等于3dB的增益步长，仍然需要合理的选择和设计结构来实现。

论文设计内容

可编程增益放大器的性能直接影响着整个AGC环路的性能，而PGA具有很多性能设计指标，如增益范围、增益步长、增益精度、线性度、噪声、带宽、功耗等等。而各个指标间彼此相互制约。很多结构的增益和带宽会受到GBW的影响，即增益和带宽成反比；对于可以实现稳定带宽的结构，CMRR低，表明电路对共模信号的抑制能力差；高线性度也很难在低电压下实现。所以如何让设计出的PGA需要在确保整个信号带宽和增益范围的同时，维持高线性度和低噪声是PGA设计的重点和难点。

本文的主旨在与研究并在深亚微米CMOS工艺下设计一个可以应用于IOT无线收发机的可变增益放大器。通过阅读相应的文献和相关书籍，了解VGA在AGC环路中的重要性，掌握VGA的工作原理，并理解了目前现有的各种VGA和PGA结构，对优缺点进行了逐一分析和比对，在这些基础上利用Cadence平台设计出符合要求的电路，并利用SPECTRE对设计的电路进行仿真。

论文结构

本文的主要目的是设计一个可以应用在IOT无线收发机的VGA。

本文的主要结构安排如下：

第一章：简要概述课题的背景和研究意义

第二章：对自动增益控制系统和可编程增益放大器的原理和进行简要介绍，并对PGA和VGA结构中涉及到的各项指标做了简要分析，概括了其对整体结构的影响。

第三章：总结和分析了各种现有的VGA和PGA结构，指出了各种结构的优缺点，通过分析和比对，设计了一种在SMIC 0.18μm工艺下的满足设计指标的放大器结构。

第四章：将Cadence软件得出的仿真结果进行分析和展示。

可编程增益放大器概述

自动增益控制系统

对于多数可达到的有线频道和光接收机中，自动增益控制系统对于在模拟前端调整输入摆幅变化起到了至关重要的作用。为了实现低功耗和宽带等指标，理想的AGC应该在支持大的输入动态范围的同时具有恒定带宽^[14]。

可变増益放大器，运放和峰值检测器通常可以组成一个完整的自动増益控制系统。AGC主要有两种，一是前馈式自动增益控制(图2-1(a))，一是反馈式自动增益控制（图2-1(b)）。反馈式自动增益控制由于存在反馈环，所以线性度较高，但该结构会产生震荡，带来不稳定性。在反馈方式中，系统的稳定时间较长，往往调整时间要尽量小，是为了充分利用带宽，所以系统的稳定时间要充分考虑。

前馈式不受最小稳定时间的影响，一般是常数，取决于峰值检测器的值，然而,前馈式需要很大的输入动态范围,这就需要较高的线性度因为信号是直接加在detector上的。前馈式的AGC结构的线性度也较差。

(a)前馈式

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