导航接收机中可变增益放大器的研究与设计

摘要

随着我国北斗卫星系统的大力建设与发展，国内市场对应用于北斗导航终端射频芯片的需求愈来愈强烈，高性能接收机亦成为如今的研究热点。由于射频信号功率具有很大的动态范围，电路中需要自动增益控制电路（automatic gain control，AGC）根据接收信号的强度调节接收机链路的增益，保证输出信号基本为一个恒定功率，再送到给后级电路模块进行处理，所以AGC电路是射频接收机中必不可少的一个模块。AGC电路中的核心模块是可变增益放大器（variable gain amplifier，VGA），VGA的性能优劣直接决定着AGC环路的环路稳定时间以及接收机的输入信号动态范围。随着无线通讯技术和CMOS工艺的不断发展，对VGA的要求也越来越高，所以对于VGA的研究与设计具有很重要的意义。
　　本文设计了一种应用于我国卫星导航接收机中的可变增益放大器，该可变增益放大器电路采用数字可变增益放大器结构，具体电路可分为两部分：增益粗调级和增益细调级。在增益粗调级可变增益放大器中，共有四个固定增益放大器（fixed gain amplifier，FGA），每个固定增益放大器的增益固定且相同，均为14dB，这四个固定增益放大器子级电路通过交流耦合的方式进行级联，并由4位数字控制信号S[3:0]控制开关的导通与关断，可以实现0dB～56dB的增益范围，粗调增益步长为14dB；细调级电路采用闭环可变反馈电阻可变增益放大器结构实现，通过3位数字控制信号T[2:0]控制反馈电阻，可以实现0dB～14dB的增益范围，细调增益步长为2dB。所以，本论文所设计的可变增益放大器最终可以实现0～70dB的增益范围，增益步长为2dB。
　　论文采用TSMC0.18μmRF CMOS工艺进行了电路原理图设计、版图设计以及后仿真。前仿真结果表明，所设计的可变增益放大器的增益范围为0.23dB～69.43dB；0dB增益时的输入三阶互调点IIP3为37.2dBm，70dB增益时的三阶互调点IIP3为-27.98dBm；0dB增益时噪声系数NF为39.29dB，70dB增益时噪声系数NF为26.84dB；4MHz时的总谐波失真结果为0.137％@0dB、0.168％@70dB，最大增益时消耗电流3.11mA。后仿真结果表明，该可变增益放大器的增益范围为0.06dB～68.69dB；0dB增益时的输入三阶互调点IIP3为37.13dBm，70dB增益时的三阶互调点IIP3为-37.64dBm；0dB增益时噪声系数NF为59.1dB，70dB增益时噪声系数NF为39.5dB。上述实验结果表明，本论文所设计的可变增益放大器满足设计要求，适用于我国卫星导航接收机。

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第一章 绪论

1 .1北斗导航系统概述

1 .2可变增益放大器概述

1 .3国内外研究现状及发展趋势

1 .4研究内容与结构安排

第二章 可变增益放大器的设计基础

2 .1射频接收机概述

2.2自动增益控制（AGC）电路概述

2.3可变增益放大器（VGA）性能

2 .4可变增益放大器的分类

2 .5本章小结

第三章 可变增益放大器的电路设计

3 .1 VG A的设计指标及拓扑结构

3 .2 VG A的增益粗调级的设计

3 .3 VG A的增益细调级的设计

3 .4其它模块的设计

3 .5 VG A整体的性能仿真及分析

3 .6本章小结

第四章 可变增益放大器的版图设计及后仿真

4 .1版图设计概要

4 .2 VG A的版图设计与后仿真

4 .3本章小结

第五章 总结与展望

5 .1总结

5 .2展望

参考文献

致谢

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