可變增益放大器（VGA）是一種能夠利用電壓設定增益的信號調(diào)理放大器，可以分為模擬VGA以及數(shù)字VGA,即：DVGA.以上兩種VGA都通過模擬電壓控制增益，不同之處在于施加電壓的方式。用戶可通過數(shù)模轉換器（DAC）、函數(shù)發(fā)生器，或者直流信號源來提供VGA的控制電壓。VGA的頻率范圍能從直流到吉赫茲，并能采用多種輸入/輸出（I/O）配置。VGA有助于對動態(tài)范圍較寬的信號進行調(diào)理。以手機接收器為例，輸入信號電平范圍從數(shù)微伏特到數(shù)伏特，這取決于基站和手機之間的距離。在科研、工業(yè)和醫(yī)療應用中也可以找到類似寬動態(tài)范圍的實例，如測量設備和超聲成像設備的"前端",這兩種設備均可以用于生物診斷和工業(yè)故障分析。近來，有不少電路構造指數(shù)規(guī)律VGA,但電路相對復雜。本文針對某超外差電視中頻接收機芯片中的前置可變增益放大器，構造了一種由穩(wěn)壓源，VGA和控制電路組成的新電路結構。該電路從電源電壓、動態(tài)范圍、帶寬等關鍵指標出發(fā)，具有高增益，大帶寬等特點，并保證了良好的線性度，而且在控制電路設計中還考慮了噪聲分配，提高了電路信噪比。結構框圖如圖1所示。

　　1 電路設計與分析

　　1.1 穩(wěn)壓電路

　　在輸入電壓、負載、環(huán)境溫度、電路參數(shù)等發(fā)生變化時仍能保持輸出電壓恒定的電路。這種電路能提供穩(wěn)定的直流電源，廣為各種電子設備所采用。在輸入直流電壓和負載之間串聯(lián)入一個三極管，用三極管的管壓降代替穩(wěn)壓二極管電路中的穩(wěn)壓電阻R.當UI或RL變化引起輸出電壓UO變化時，UO的變化將反映到三極管的發(fā)射結電壓UBE上，引起UCE的變化，從而調(diào)整UO,以保持輸出電壓的基本穩(wěn)定。

　　為了避免外界電源波動及溫度變化對MOS管漏源兩端電壓的影響，提高增益控制的準確性，每級VGA設計配有獨立的穩(wěn)壓源。穩(wěn)壓過程是一個負反饋過程，利用調(diào)整管跨導的調(diào)節(jié)，使輸出維持在一定范圍內(nèi)，如圖2所示。

　　圖2中Q1,Q2構成比較器，M3為調(diào)整管。當外界電源擾動或負載變化使Vout增大時，Vout的增加量通過電阻R2~R4取樣得到，Vref-Vbl值下降，比較器輸出減小，跨導gm3變小，迫使Vout降低，從而輸出穩(wěn)定的參考電壓。工作時：

　　為了消除放大器自激，在電路中加上C1=C2=1.25 pF.C1跨接在放大器M3兩端，形成密勒補償；C2在反饋回路中和R2并聯(lián)，形成超前補償，有效保證相位裕度大于45°，提高反饋電路的穩(wěn)定性。另外加大了調(diào)整管M3的尺寸，使（W/L）3=10（W/L）1、2,保證其在壞情況下極限參數(shù)都有充分的余量，保證電路正常工作。

　　1.2 VGA電路

　　文獻簡單采用多晶硅電阻和MOS管并聯(lián)的結構，利用柵壓改變輸出電阻值。為了提高線性度和可控性，本文采用輸出電阻和射極電阻并存結構，分別并聯(lián)上不同尺寸的管子P1~P5,N1~N6,結構簡化如圖3所示。

　　圖3中：（W/L）P2>（W/L）P1, （W/L）N2>（W/L）N1電路工作時以N管為例：開始Vc=0,此時Vgs-Vth<0,所有N管截止。當Vc上升到剛好使0

    并聯(lián)在射極，使射極電阻Rs減小。當控制電壓Vc繼續(xù)上升時，N1管才導通，Rs進一步減小。通過選擇管子寬長比，保證并聯(lián)電阻Ron2   

　　Vc增加時，N管逐個導通Rs減小，P管逐個截止Rc變大，Av變大。因Vc控制Rc,Rs同時變化，可實現(xiàn)在較小范圍控制條件下實現(xiàn)較大輸出動態(tài)范圍變化。

　　1.3 控制電路

　　為了盡量降低噪聲系數(shù)，調(diào)整增益范圍，設計如下電路，產(chǎn)生互延遲的控制電壓V1,V2,從第二第三級起控，保證級處在較大增益處。如圖4所示。

　　C1,C2分別經(jīng)Q5,Q4充電使Vc1=Vc2=Vb=4 V,當Iin>O時，兩路分別和由Q8,Q7構成的電流鏡形成放電回路，分流控制電容電壓值。電容電壓為：

　　P1,P2組成電流鏡給C1充電，減小分流帶來的影響，使Iin很小時，V1能基本維持不變，產(chǎn)生延遲作用。電流鏡如下：

　　當Iin足夠大時，電容電壓下降經(jīng)二極管Q5,Q4箝位，保持在O.7 V左右。為了控制輸入電流在一定范圍，可以選擇合適的電阻比值和電流鏡大小。偏置部分電路未畫出。

　　2 版圖設計和仿真結果

　　使用HSpice電路仿真軟件在UMC 0.5μmBiCMOS工藝庫下仿真。在Vb=4 V下對控制電路進行直流分析，圖5為控制電壓隨輸入電流大小變化關系圖。從圖中可看出，無放電回路時C1,C2充電在Vb=4 V,當0V2;當30μA

　　要求增益不大時，由二三級調(diào)節(jié)可得，當增益要求更高時，級起控，以此加大放大器總增益范圍，達到寬范圍調(diào)節(jié)的目的。增益在66 dB范圍內(nèi)具有良好的線性度，見圖6.

　　圖7為電路在5種不同輸入電流時的頻率響應。當輸入電流為0時，放大器處在增益處66 dB;輸入電流增加，控制電壓減小，增益減?。划斴斎腚娏鞒^60μA時，Av下降到0 dB左右?？傇鲆孀兓洼斎腚娏鞒煞幢取Ｔ肼曄禂?shù)仿真不超過28 dB.

　　增益分配對接收機來說很關鍵，設計要求增益為60 dB.本文采用三級差分放大器串聯(lián)組成，每級控制范圍20 dB左右，66 dB,帶寬為15~88 MHz,滿足設計指標，見表1.

　　3 結語

　　本文針對某中頻接收機芯片設計需要，提出一種寬范圍VGA電路，通過控制和穩(wěn)壓模塊，進一步提高增益動態(tài)范圍和電路穩(wěn)定性。仿真結果表明放大器在70 μA控制條件下實現(xiàn)66 dB的增益線性寬范圍調(diào)節(jié)，性能滿足指標，可投入實際生產(chǎn)。在其他寬范圍VGA應用場合，此電路同樣適用。