摘要：近年来消费电子、通讯、网络等应用领域的发展，使电子元器件市场始终保持着对高性能运算放大器的巨大需求。应对市场需要，现在社会上对可控增益放大器，Variable Gain Amplifier，简称VGA的研究也越来越多。本文也正是针对这样的市场背景，对增益可调放大器的设计进行了初步的研究。
　　关键词：运算放大器；VGA；可控
　　中图分类号：TN722.3 文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2012) 06-0000-02
　　一、研究对象
　　（一）可控增益放大器的分类
　　可控增益放大器按其增益控制方式，可分为以下几类：
　　1.数字可控型：
　　这种放大器结构复杂，精度高，成本也就比较高，一般属于数、模混合型的电路。典型的产品有AD8370、AD6140；
　　2.电压控制型：
　　结构稍微复杂，其增益控制范围大，典型产品有AD601、AD602、AD603；
　　3.电流控制型：
　　结构较简单，成本较低，代表产品有CF14573。
　　本文研究的设计主要是针对电压控制型。
　　（二）可控增益低噪声CMOS放大器的应用
　　可控增益低噪声CMOS放大器起着变化增益、调整信号动态范围、稳定信号功率的作用。主要应用于以下几个方面：自动增益控制系统、模拟乘法器、多谐振荡器、有源滤波器、函数发生器。
　　二、实现原理
　　（一）放大器的结构
　　
　　表一
　　（二）放大器的电路原理图
　　
　　图一
　　（三）增益控制原理
　　1.电路的小信号增益与工作电流的关系： 式一
　　2.利用这个特性，我们只需改变电流Iss便可实现增益可控。因此整个增益可控由增益控制级和可变增益级两级电路来实现。
　　（四）增益控制级
　　1.增益控制级相当于一个压控电流源，给增益可变级提供可控的工作电流，从而控制其增益。其电路如图二如示：
　　图二
　　2.M1的栅级接一固定偏压，当增益控制电压Vcon变化时，M1的栅源电压VGS发生变化，将导致输出电流的变化，由饱和萨氏方程，我们可以得出下列关系:
　　 式二
　　（五）可变增益级
　　1.可变增益级是一个双端输入双端输出的差分电路结构。其偏置电流由增益控制级提供，如图三：
　　图三
　　2.输入管采用PMOS管，为了减小电路噪声。采用双端输出的目的是减小偏置电流变化时后级静态工作点的偏移。
　　3.将（式二）代入（式一）可得：
　　式三
　　可以看出，增益与控制电压成线性的关系。
　　（六）后级增益放大器
　　1.后级增益放大器作用是提高电路系统的增益和提升其电压输出电压幅度。
　　2.因此后级增益放大器采用普通的两级运放结构能够符合我们的设计要求。
　　3.两级运放输入级采用双端输入-单端输出的差分结构。输出级采用共源级电路，既能满足增益的要求又符合其输出的电压幅度要求。
　　三、性能测试
　　（一）电路系统的增益测试
　　图四
　　（二）从图四可以看出，当Vcon=-1V时，电路系统低频增益达到最小值为60dB；当Vcon=1V时，电路系统低频增益达到最大值为82.5dB左右。增益变化曲线是由两部分组成，即刚开始时的弯曲部分和之后的直线部分。
　　（三）电路系统的噪声优化
　　在放大器的设计过程中，噪声是运放的一个非常重要的性能指标，噪声主要分为热噪声，1/f噪声和散粒噪声。其中1/f噪声在CMOS电路中尤为突出，本文这里主要讨论怎样对放大器的1/f噪声进行优化。
　　1.在我们这个放大器中，噪声主要来源于前三级电路。而每一级的噪声主要来源于输入管，降低噪声主要有两个方法：一是采用PMOS管作为输入管；二是增加管子的面积。
　　2.前三级电路中的输入管全部采用的是PMOS管，经过仔细选择各管的宽长比，将噪声降至最低。HSPICE仿真结果表明，增益最大处，1KHz时其噪声带宽为。 1Hz至1KHz内的平均输入噪声为4.4uV。
　　
　　图五
　　3.为了测试放大器稳定性，对其工作在负反馈条件下的频率响应进行了仿真，如图五所示。从图中可以看出，22MHz频率处，增益下降到1时，其相位裕度为50度，因此系统是稳定的。
　　四、参数总结
　　参数名称 工业指标 测试结论
　　电源电压 ±5V 满足
　　增益调节范围 ≥20dB 60dB~82.5dB
　　最小低频电压增益 ≥60dB 满足
　　输出电压幅度 ±4V 满足
　　驱动负载电容 10pF 满足
　　单位增益带宽 ≥2MHz 2MHz~22MHz
　　最大共模输入电压 ±3.5V 满足
　　增益最大处噪声 5uV 4.4uV
　　表二
　　五、结论
　　对增益可调CMOS放大器，本文只是做了一些粗浅的分析与基本的研究，经过努力，基本上能达到所设定的工业指标。本文的特色在于针对怎样处理好CMOS放大器增益变化与噪声和带宽之间的权衡作了有效的分析。但是该研究还是有许多不足的地方需要改进，比如增益变化会影响其单位增益带宽，当增益为max时，其带宽可达到22MHz以上；但增益为min时，带宽却只有2MHz等等，这些还需今后的继续研究来解决。
　　参考文献：
　　[1]吴建辉.CMOS模拟集成电路分析与设计.第一版.电子工业出版社,2004,9
　　[2]恽廷华,唐守龙,时龙兴.一种指数增益控制型高线性CMOS中频可变增益放大器,半导体学报,2006,09
　　[3]孙宇,陈华君,吴孙桃,郭东辉.增益自适应高频低噪声放大器的单片集成设计研究,现代电子技术,2008,11