低电源电压可变增益放大器的设计

摘要

低功耗是无线移动终端发展的基本趋势，可变增益放大器作为无线射频接收链路(如GPS)中的一个关键模块，研究低功耗可变增益放大器是当前的热点之一，而工作电压的降低是减小功耗的最有效方法。论文开展低电压可变增益放大器的研究与设计，具有较高的理论意义与应用价值。
　　论文设计了一种用于GPS接收链路中的低电源电压可变增益放大器。为了满足增益动态范围的要求，采用了粗调增益级和精调增益级级联结构，其中粗调增益级由直流耦合的四级自偏置差分结构的固定增益放大器构成，精调增益级则采用了适用于低电源电压下的开环源极退化结构，在简化电路结构的同时还降低了功耗。经仿真验证后进行流片，测试结果表明:可变增益放大器电路在0.7V电源电压下能够稳定地实现高增益放大和调节功能。可变增益放大器的功耗为0.84mW，最大增益不低于76dB，整体接收链路的灵敏度达到-95dBm。但是在缓冲级的输出端口存在约为220mY共模电平偏移，且在零输入时有低频饱和方波输出。
　　通过对测试结果的分析，对电路进行优化改进设计，完成基于低电压主从结构的可变增益放大器的电路与版图设计，并进行仿真验证。粗调级的尾电流源的共模抑制能力得到了提高，同时还增加了放大器电路的电压裕度和输出摆幅。精调级在实现增益的高精度调节的同时，既改善了传统闭环结构在低电源电压下稳定性问题，又使得传统源极退化结构由尾电流源引起的增益“上翘”现象得到缓解。结果表明优化改进的结构提高了电路的可靠性和稳定性:粗调级放大器的共模抑制能力提高了48.6dB;电路对低频小信号抑制能力高达-60dB;输出共模电平随工艺角(TT/FF/SS)变化幅度约为±1mV。整体可变增益放大器的增益范围为44.73dB-81.6dB，增益步长为5dB，增益误差低于0.5dB，-0.5dB带宽达到4.79MHz，整体可变增益放大器的噪声系数为28.6dB，在0.7V的电源电压下电路的功耗为1.2mW，满足设计指标的要求。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．3 论文研究内容及意义

1．4 论文结构

第二章 低电源电压可变增益放大器概述

2．1 可变增益放大器的作用与种类

2．1．1 可变增益放大器的作用

2．1．2 可变增益放大器的种类

2．2 可变增益放大器的主要指标

2．2．1 增益

2．2．2 线性度

2．2．3 噪声

2．2．4 带宽

2．2．5 直流失调

2．3 低电源电压可变增益放大器的电路实现方式

2．3．1 衬底正偏或衬底输入

2．3．2 伪差分结构

2．3．3 降低输入共模电平

2．3．4 多种阈值电压晶体管的联合使用

2．3．5 基于反相器结构的放大器结构

2．3．6 基于升压式的放大器结构

2．4 本章小结

第三章 GPS接收机中低电源电压可变增益放大器的设计

3．1 接收机的架构与接收链路的指标

3．1．1 接收机的架构与选取

3．1．2 接收链路的指标

3．2 可变增益放大器指标与整体结构的确定

3．2．1 可变增益放大器指标汇总

3．2．2 整体可变增益放大器结构的确定

3．3 低电源电压可变增益放大器电路设计与仿真

3．3．1 粗调增益级电路的设计与仿真

3．3．2 精调增益级电路的设计与仿真

3．4 整体可变增益放大器仿真结果

3．5 本章小结

第四章 低电压可变增益放大器版图设计与后仿验证

4．1 模拟集成电路版图设计概述

4．1．1 匹配性

4．1．2 寄生参数

4．1．3 耦合效应

4．1．4 天线效应

4．2 低电压可变增益放大器版图设计

4．2．1 粗调增益级电路的版图设计

4．2．2 精调增益级电路的版图设计

4．2．3 直流失调消除电路的版图设计

4．2．4 整体可变增益放大器的版图设计

4．3 低电压可变增益放大器后仿结果与分析

4．4 本章小结

第五章 测试分析与优化改进设计

5．1 测试与分析

5．1．1 测试方案

5．1．2 测试内容与结果

5．1．3 测试结果分析

5．2 优化设计

5．2．1 电路优化

5．2．2 优化后电路的仿真结果

5．3 版图设计与后仿真

5．3．1 版图设计

5．3．2 后仿真结果

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

作者简介