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1 引言
在无线通信中接收信号的功率变化极大，因此接收机的模拟前端必须具有增益调节的功能，这主要由中频变增益放大器实现。中频增益控制范围一般在60～80dB，通常由级联的变增益放大器实现。这些增益控制放大器位于中频滤波器前后，前级放大器主要用来抑制噪声，降低滤波器输入端的动态范围；后级放大器则将滤波后的信号放大到模数变换器需要的幅度[1]。 后级变增益放大器要处理大输入输出信号，而且它的线性也决定了接收机的线性，所以它必须具有在大信号下低失真的特性。如果使用带有源级负反馈电阻的变增益放大器，则为了克服输入管跨导的非线性，必须使用大的负载电阻和负反馈电阻。即便如此，输出信号的失真也很难达到-80dB以下。如果使用Gilbert结构的变增益放大器，通过调节偏置电流实现增益的变化，则跨导的非线性将更加显著。该结构只适于处理小输入输出信号。因此，用闭环负反馈结构的变增益放大器是合适的选择。 本文分析了使用闭环负反馈结构的变增益放大器产生失真的原因，并以此为依据设计了用于接收机最后一级的放大器。 
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2 闭环VGA失真分析
由电路的对称性，可以使用半边电路进行分析。因而对图2的单端放大器的分析同样对差分放大器有效。Rin，Rout分别表示运放的输入、输出电阻；A表示运放的有限开环增益；R1，R2构成反馈电路，运放工作在深度负反馈状态。 列方程有 （1） 解得输入输出之间的关系为 （2） 其中从前两项得到反馈放大器的增益 （3） 而后一项表示由于运放的非理想特性造成的误差。对于CMOS运放，输入端是MOS管的栅极，输入阻抗在低频下可近似看成无穷大。则误差的大小主要由增益A、输出电阻Rout、反馈电阻R1和R2决定。在式（2）中R1，R2是纯电阻，具有很好的线性。输出信号的非线性主要由误差项中运放的增益A和输出电阻Rout的非线性决定。 设Rin>>R1，Rin>>R2，放大器的开环增益表示为A=Gm×Rout，其中Gm表示运放从输入到输出的等效跨导。Gm和Rout两者都是非线性的。则式（2）中的误差项可表示为 （4） 为了减小误差项带来的非线性，可以采用以下的措施： ①R1或者R2都可以减小误差项的大小，从而达到减小失真的目的。当放大器实现变增益时，有两种选择：一是保持R2不变，通过调节R1从大到小的变化实现从小到大的增益；二是保持R1不变，通过调节R2从小到大的变化实现从小到大的增益。考虑到放大器的后级通常只需要提供增益，从式（3）可知R2≥R1。因此当增益控制范围确定后，应该尽量增加R1和R2的值。所以保持R2不变，而调节R1，能获得更好的线性。当然这意味着更大的输入噪声。但作为接收机中的后级电路，线性比噪声更重要。 ②考虑Gm或Rout带来的非线性时，可以只考虑如何减小式（4）中后面一项，即 （5） 下面以Rout为例进行分析。设Rout=Rout0+DRout，其中Rout0表示线性部分；DRout表示非线性部分。则对式（5）只分析Rout的非线性影响时，有 （6） 所以，增加Rout有利于降低失真。同理，增大Gm也可降低失真。换句话说，增大运放的开环增益有益于提高输出信号的线性。 ③有一种降低放大器失真的有效方法就是提高Gm和Rout的线性度。当使用MOS管电流源作为负载的时候，由于漏极电压的大幅度变化，使得MOS管输出电阻的非线性十分严重，使用电阻代替MOS管作为负载，非线性项DRout/Rout变得很小，这一方法对于降低输出信号的失真更有用。 |
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3 运算放大器
这是一个两级的运放。第一级使用telescopic结构，提供高增益，和folded cascode结构的运放相比，减小了功耗；第二级是输出级，使用电阻作为负载。电源电压3.3V，输入和输出的直流电平1.4V。第一级的输出直流电平2V。这样，在满足第二级的输入管不进入线性区的前提下，单端输出信号的幅度可达到峰峰值2V；而第二级提供了大约10倍的电压增益，使得第一级的信号输出幅度在200mV以内，这说明使用telescopic结构是合适的。 运放的输出级在电阻两端并联了可控电流源，起到在工艺、温度、电源电压变化时稳定输出直流电平的作用。输出级的偏置电流较大，使得电源电压在±10％变化时，输出电平仍然稳定。 |
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4 变增益放大器
变增益放大器由运算放大器和电阻反馈网络构成，如图1。该变增益放大器用于接收机的最后一级，处理大信号。由第二节的分析可知，为了减小失真，需要较大的R2，因此设计中保持R2的值不变，通过改变R1的值，实现增益的控制。该放大器的增益控制为0～14dB，控制步长1dB。列出了2MHz信号，差分2Vpp输出下，不同增益时的总谐波失真。表3是变增益放大器的性能总结。 和文献[2]的闭环VGA相比，本文放大器在带宽、线性度相当的情况下功耗更低；和文献[3]的使用源极负反馈电阻的VGA相比，本文放大器具有更高的线性；和文献[4]的Gilbert结构的VGA相比，本文放大器能够在低失真下处理大信号。 |
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5 结论
本文设计了用于无线接收机最后输出级的中频闭环变增益放大器。分析了该放大器产生失真的原因，并主要通过提高运放输出电阻的线性等方法降低了输出大信号的失真。在差分2 Vpp输出下，失真低于-80dB。 |
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