变增益放大器是 GPS 接收机中的一个关键模块，它与反馈环路组成的自动增益控制电路为模／数转换器（ADC）提供恒定的信号功率。模拟信号控制增益的 VGA 增益连续变化，但是线性度较差。

　　这里采用电阻形式的负反馈的放大器来设计一个 0～30 dB 增益变化的中频可变增益放大器，VGA 的增益    并不取决于工艺、电压和温度等因素对电阻、MOS 管开关的影响，增益误差在各个工艺角下都小于 5％。

　　1 可变增益放大器原理

　　模拟电路需要对信号进行放大或衰减，这一功能可由可变增益放大器（VGA）实现。它在无线通信的收／发信机模拟前端中，起着至关重要的作用。图 1 是用于 GPS 的接收机模拟前端图。处于基波频率的 VGA 补偿射频模块和中频模块的增益衰减；VGA 将输出信号放大到 A／D 转换器需要的幅度。AGC 环路改变接收机的增益，调整各级信号动态范围，稳定输出信号功率的作用。

　　对于 VGA 电路，IIP3 和 THD 是重要的指标，因为它的输出信号幅度很大。其次，为了实现宽增益范围调节，同时保持不同增益输入功率下恒定的输出建立时间，要求 VGA 的增益与控制电压成 dB 线性。VGA 增益步长越小越    ，则对 ADC 的要求越降低。在文中，数字控制的 VGA 电路提供了 30 dB 的增益控制范围，使用 7b     控制增益大小，所耗面积和功耗小。

　　2 可变增益放大器结构与性能比较

　　VGA 主要分为开环和闭环两种结构。一种常见的开环结构是文献［1］采用的 Gilbert 结构，如图 2 所示电路。Ms 上加一个基准电压，电压 Vc 控制耦合电流的大小，起到改变增益的作用。但是此结构电路堆叠了四层电路，限制了输出电压的摆幅，而且此电路不能实现指数增益的控制。这些运用    广泛的开环结构中，可变增益放大器主要基于简单差分，或者是伪差分对，使用源极反馈技术，模拟乘法器和使用二极管连接的 MOS 管作为负载等技术。这些结构    的问题就是线性度和失真度的问题。

　　因为负反馈电路具有稳定输出，降低非线性失真的作用，所以闭环结构呈现更好的线性度。常见的闭环电路结构中的 VGA 使用电阻阵列实现增益控制，例如将电阻和 MOS 管串联，控制 MOS 管开关的通断状态实现阻值的变化，进而改变放大器的增益。因为继承电路中的电阻、MOS 管开关都受到工艺、电压、温度的影响，难以实现    的阻值，所以 PGA 的增益    有限。文献［9］使用电流分割技术，实现了    的增益控制，文献［10］对电阻网络进行了改进，但是这些电路复杂，额外电路也增加了功耗。这里在没有增加任何设计复杂性的情况下，实现了较为    的增益控制。

　　3 高性能 VGA 结构和实现

　　为了达到要求的增益控制范围和步长，使用两个级联的 VGA。    个部分的 VGA 实现 6 dB 步长的增益控制，另一个部分实现精准的 O．5 dB 步长。因此整个 VGA 实现了粗调和细调（见图 2）。

　　当运算放大器的增益足够大时，闭环 VGA 的增益等于两个电阻的比值：Gain=-Rf／Rs，改变电阻可以实现增益的变化。粗调的阻值变化很大，改变反馈 Rf，会影响粗调输出节点的极点；电阻 Rs 可变，它对前级将形成变化的负载效应。选择改变 Rs，在前级增加缓冲电路进行隔离。

　　首先进行    级 6 dB 步长增益的考虑：取 Rf=R0，Rs=R1，实现 3 dB 的增益，那么 Rf 不变，Rs=2R1，则实现 9 dB 的增益。同理：当 Rs=4R1，实现 15 dB 增益；当 Rs=8R1，实现 21 dB 增益；当 Rs=16R1，实现 27 dB 增益。

　　为了更好地匹配，对与电阻串联的 MOS 管开关尺寸按图 3 比例设计，Rs 等于 MOS 管的导通电阻和多晶硅电阻，MOS 导通电阻与 W／L 成反比。

　　再考虑第二级 O．5 dB 步长增益可以发现，O．95 转化为 dB 值等于 -0．445 5 dB。0．9 为 -0．915 dB，0．85 为 -1．412 dB，O．8 为 -1．938 dB，0．75 为 -2．499 dB，O．7 为 -3．098 dB。1～0．7 之间 O．05 的间隔对应于 dB 中基本接近于 0．5 dB 的间隔。使用这个规律，设计可以如下：

　　两级 VGA 就可以实现 O～29．5 dB（2．5 dB+27 dB=29．5 dB）增益控制，且步长可以比较精准地达到 O．5 dB。由于设计中用的都是电阻的相对值，所以电阻、MOS 管开关都受到工艺电压和温度等因素 VGA 的增益    的影响会很小。

　　如图 4 所示，可变电阻 R1 是用多晶硅电阻和工作在晶体管区的 MOS 开关来实现的。开关电阻通常被用在低失真可调模拟模块。MOS 晶体管的非线性将产生谐波以及交调失真，这将会降低整个电路的线性度。在文献［11］中，推导出一个近似的公式来接近开关管的非线性特性。

　　输入电压 Vin 被转换成非线性电流 Iin 流入电流模式的 VGA 放大器。在弱非线性网络中，已经使用 Vol-terra 级数推导出非线性谐波失真（HD2 和 HD3）。

　　式中：Vin 是输入的电压的峰值；R1 等于 R1α+Rds 的总和；α2，α3 是二次、三次非线性系数。因此如果把开关管放置在运放的虚地端（即运放的输入端），则 HD2 和 HD3 近似等于 0。

　　4 版图与后仿真结果

　　是用 SMIC 0．18μm CMOS 工艺实现的 VGA 版图，芯片面积为：510μm×160μm，整个版图包括 VGA     部分，直流偏移消除模块，和 CMOS 源极跟随缓冲电路，恒定 Gm 的偏置电路。

　　给出了 VGA 在 Candence 环境下用 Spectre 工具模拟得到的后仿真结果。图 6 为输入阶越跳变，得到的输出瞬态响应曲线。

　为不同的数字增益设置对应的 VGA 增益。图 8 是放大器不同增益的频域响应。其增益从 0 dB 变化到 29．5 dB，其中 0．5 dB 一档。

　　5 结 语

　　本文介绍一种 O．18μm CMOS 工艺实现，应用于 GPS     定位系统得可变增益放大器。文中巧妙地应用反馈系统中环路稳定性理论设计放大器；在增益步长的控制上，增益随 bit 线性化，并保证增益    不受工艺角偏差影响。仿真结果表明，该放大器适合在接收机模拟前端中使用。