基于BiCMOS宽动态可变增益放大器的设计

论文摘要

可变增益放大器（Variable-Gain Amplifier, VGA）广泛地应用于超声波,激光雷达,卫星导航和无线通讯等方面,实现对不同幅度信号进行调节,为后续电路提供恒定幅度信号的作用。随着通讯技术的迅猛发展,VGA主要向大动态范围,高线性度和高分辨率,低功耗等方向发展。对其的研究一直是业界的热点。本文基于UMC 0.5um BiCMOS工艺,以一中频图像解调芯片为依托,提出一款应用于芯片前端的具有高动态,高线性的可变增益放大器。利用栅压控制工作在线性区的MOS管,以改变其等效电阻的方法,在源极退化放大器基础上构造电路,使放大器等效跨导和输出电阻同时受控,改变了以往VGA单方面改变其中某一因素的思想,实现了在较小控制电压下有较宽的增益动态范围。核心电路由三级可变增益放大单元级联而成,进一步加大了增益动态范围;稳压源电路提供稳定的工作电压,保证电路工作的稳定性;增益控制模块采用电流补偿技术,产生两个相对延迟的控制电压,实现增益的延迟控制,获得了较好的信噪比和增益控制的灵活性。整个电路结构简单,鲁棒性强。在低功耗,宽动态和大带宽等方面均达到芯片指标要求,兼顾了电路噪声并具有良好的线性度。本文首先综述了自动增益控制放大器应用背景和发展状况,总结了VGA增益控制原理,主流技术和基本设计要求;接着针对系统设计要求,对本文电路进行了详细的分析,设计与仿真;最后简单介绍了BiCMOS工艺,基于Cadence Virtuoso工具设计了电路版图,通过了Dracula工具的DRC和LVS验证。本文的设计依托于姑苏创新创业领军人才项目“无线接收机中中频图像解调芯片的研发”。因其性能良好,在其他可变增益应用场合,该放大器同样适用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究应用现状和发展趋势
• 1.3 本文的主要工作与创新点
• 1.4 章节安排
• 第二章 自动增益控制电路基础
• 2.1 VGA 和AGC 概述
• 2.1.1 VGA 的应用
• 2.1.2 AGC 系统的组成和工作原理
• 2.1.3 AGC 分类及优缺点比较
• 2.2 常见VGA 结构与比较
• 2.2.1 基于可变反馈网络的VGA
• 2.2.2 基于负载可变的VGA
• 2.2.3 基于跨导可变的VGA
• 2.3 指数型VGA 技术和研究
• 2.3.1 Bipolar/BiCMOS 可变增益放大器
• 2.3.2 寄生BJT 晶体管
• 2.3.3 弱反型MOS 晶体管
• 2.3.4 伪指数函数
• 2.4 VGA 的基本设计要求和重要参数
• 2.4.1 增益调节范围
• 2.4.2 带宽
• 2.4.3 线性度
• 2.4.4 级联电路的噪声
• 2.5 本章小结
• 第三章 系统电路设计与仿真
• 3.1 引言
• 3.2 稳压电路的设计
• 3.2.1 稳压电路结构的选择
• 3.2.2 电路设计与分析
• 3.2.3 电路功能仿真
• 3.3 VGA 单元的设计
• 3.3.1 传统的指数转换电路
• 3.3.2 本文电路设计与分析
• 3.3.3 仿真结果及结论
• 3.4 延迟增益控制单元的设计
• 3.4.1 延迟控制的原理
• 3.4.2 本文电路设计与分析
• 3.4.3 电路仿真与结论
• 3.5 整体仿真
• 第四章 工艺介绍及版图设计
• 4.1 BiCMOS 工艺介绍
• 4.1.1 高速BiCMOS 器件制作技术
• 4.1.2 BiCMOS 电路制作工艺和微细加工技术的特殊考虑
• 4.1.3 BiCMOS 技术的应用趋势
• 4.2 版图设计
• 第五章 总结
• 参考文献
• 硕士期间发表论文
• 致谢