vga线信号放大器_宽范围VGA电路可变增益放大器的设计

简介可变增益放大器(VGA)可以放大不同幅度的输入信号，广泛应用于光盘读取驱动电路、电视调谐器等具有宽输入动态范围的系统中。它在无线信号收发机和通信AGC系统的模拟前端中也起着重要的作用。常见的VGA形式多种多样。通过改变放大器的等效跨导，即改变流入负载的信号电流，从而改变增益，如Gilhert结构电路，但其全差分电路由多层管堆叠而成，限制了输出动态范围。可以简单的改变输出电阻，但此时输出节点是放大器的主极点，输出电阻的改变会引起带宽发生很大的变化。最近很多电路都构造了指数型VGA，但是电路相对复杂。本文针对超外差电视中频接收芯片中的前置可变增益放大器，提出了一种由稳压电源、可变增益放大器和控制电路组成的新电路结构。基于电源电压、动态范围、带宽等关键指标，该电路具有高增益、大带宽的特点，并保证了良好的线性度。此外，在控制电路的设计中考虑了噪声分布，提高了电路的信噪比。结构框图如图1所示。

1电路设计与分析1.1稳压电路为了避免外部电源波动和温度变化对MOS晶体管漏源两端电压的影响，提高增益控制的精度，每个VGA设计都配有独立的稳压源。稳压过程是一个负反馈过程，通过调节调节管的跨导使输出维持在一定范围内，如图2所示。

在图2中，Q1和Q2形成一个比较器，M3是一个调整管。当外部电源扰动或负载变化使Vout增大时，通过电阻R2 ~ R4采样得到Vout的增大，Vref-Vbl的值减小，比较器输出减小，跨导gm3减小，迫使Vout减小，从而输出稳定的基准电压。工作中：

为了消除放大器的自激，电路中加入了C1=C2=1.25 pf。C1跨接在放大器M3上，形成米勒补偿；C2在反馈回路中与R2并联，形成超前补偿，有效保证了相位裕度大于45，提高了反馈电路的稳定性。此外，增加了调整管M3的尺寸，使(w/L) 3=10 (w/L)1、2，以保证极限参数在最坏情况下有足够的裕量，保证电路正常工作。

1.2 VGA电路文献简单采用多晶硅电阻和MOS晶体管并联结构，通过栅极电压改变输出电阻值。为了提高线性度和可控性，本文采用输出电阻和发射极电阻共存的结构，分别并联不同尺寸的P1 ~ P5和N1 ~ N6管。该结构被简化，如图3所示。

在图3中：

(西)P2”》(西)P1，(西)N2”》(西)N1

电路工作时，以N管为例：开始时Vc=0，此时VGS-vth"0，N管全部关断。当Vc上升到刚好为0“vgs 2-vth”VDS 2，Vgs1《Vgs2，Vds1=Vds2，N2先导通，N1关断。N2管处于饱和区，等效电阻为：

发射极并联降低了发射极电阻Rs。当控制电压Vc继续上升时，N1管导通，Rs进一步降低。通过选择管宽长比，保证并联电阻Ron 2“r-on1”，导通后电阻先快后慢变化，很好地控制了单个电阻变化对整体电阻的影响，保证了精度，而P管导通则相反。收益如下：

当Vc增大时，N管逐个导通时Rs减小，P管逐个关断时Rc增大，Av增大。由于Vc同时控制Rc和Rs变化，所以可以在小范围控制的情况下实现大的输出动态范围变化。

1.3控制电路为了尽可能地降低噪声系数并调整增益范围，以下电路被设计成产生相互延迟的控制电压V1和V2，它们由第二和第三控制电压t控制

当Iin足够大时，电容器的电压降被二极管Q5和Q4箝位并保持在大约0.7 V.为了将输入电流控制在一定范围内，可以选择合适的电阻比和电流镜尺寸。偏置部分电路未示出。

2利用HSpice电路仿真软件，在UMC 0.5 m CMOS工艺库下对版图设计和仿真结果进行了仿真。控制电路的DC分析是在VB=4 V下进行的，图5显示了控制电压与输入电流之间的关系。从图中可以看出，没有放电电路时，C1和C2在Vb=4 V充电，0.《Iin《30A时，C2通过Q7放电V2开始下降，而V1则由电流镜补偿，电压得到补充，V1下降缓慢有一个延迟过程，V1》 V2时；当30 a IIN 70 a时，V1和V2以同步速率下降；当输入电流大于70A时，两个压降最终箝位在VDS=0.7 V.

当需要的增益不大时，可以通过两级调节来获得，当增益要求较高时，控制第一级，以增加放大器的总增益范围，达到宽范围调节的目的。增益在66 dB范围内具有良好的线性度，如图6所示。

图7显示了电路在五种不同输入电流下的频率响应。当输入电流为0时，放大器处于最大增益66db；输入电流增加，控制电压降低，增益降低；当输入电流超过60A时，Av降至约0 dB。总增益变化与输入电流成反比。噪声系数模拟不超过28 dB。

增益分布对接收机非常重要，设计要求最大增益为60 dB。在本文中，三个差分放大器串联连接。每级控制范围约为20 dB，最大为66 dB，最小带宽为15 ~ 88 MHz，满足设计指标，如表1所示。

结论根据中频接收芯片的设计要求，本文提出了一种宽范围VGA电路，通过控制和稳压模块进一步提高了增益动态范围和电路稳定性。仿真结果表明，在70 A的控制条件下，放大器的增益可以在66 dB的宽范围内线性调节，性能满足要求，可以投入实际生产。该电路也适用于其它宽范围VGA应用。