引 言
可变增益扩大器是GPS接收机中的一个要害模块，它与反应环路组成的自动增益操控电路为模／数转换器（ADC）供给安稳的信号功率。模仿信号操控增益的VGA增益接连改动，可是线性度较差。
这儿选用电阻方式的负反应的扩大器来规划一个0～30 dB增益改动的中频可变增益扩大器，VGA的增益精度并不取决于工艺、电压和温度等要素对电阻、MOS管开关的影响，增益差错在各个工艺角下都小于5％。
1 可变增益扩大器原理
模仿电路需求对信号进行扩大或衰减，这一功用可由可变增益扩大器（VGA）完成。它在无线通信的收／发信机模仿前端中，起着至关重要的效果。图1是用于GPS的接收机模仿前端图。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将输出信号扩大到A／D转换器需求的起伏。AGC环路改动接收机的增益，调整各级信号动态规模，安稳输出信号功率的效果。
关于VGA电路，IIP3和THD是重要的目标，因为它的输出信号起伏很大。其次，为了完成宽增益规模调理，一起坚持不同增益输入功率下安稳的输出树立时刻，要求VGA的增益与操控电压成dB线性。VGA增益步长越小越准确，则对ADC的要求越下降。在文中，数字操控的VGA电路供给了30 dB的增益操控规模，运用7b准确操控增益巨细，所耗面积和功耗小。
2 可变增益扩大器结构与功能比较
VGA首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］选用的Gilbert结构，如图2所示电路。Ms上加一个基准电压，电压Vc操控耦合电流的巨细，起到改动增益的效果。可是此结构电路堆叠了四层电路，约束了输出电压的摆幅，并且此电路不能完成指数增益的操控。这些运用最广泛的开环结构中，可变增益扩大器首要根据简略差分，或者是伪差分对，运用源极反应技能，模仿乘法器和运用二极管衔接的MOS管作为负载等技能。这些结构最大的问题便是线性度和失真度的问题。
因为负反应电路具有安稳输出，下降非线性失真的效果，所以闭环结构出现更好的线性度。常见的闭环电路结构中的VGA运用电阻阵列完成增益操控，例如将电阻和MOS管串联，操控MOS管开关的通断状况完成阻值的改动，从而改动扩大器的增益。因为承继电路中的电阻、MOS管开关都受到工艺、电压、温度的影响，难以完成准确的阻值，所以PGA的增益精度有限。文献［9］运用电流切割技能，完成了准确的增益操控，文献［10］对电阻网络进行了改善，可是这些电路杂乱，额定电路也添加了功耗。这儿在没有添加任何规划杂乱性的情况下，完成了较为准确的增益操控。
3 高功能VGA结构和完成
为了到达要求的增益操控规模和步长，运用两个级联的VGA。榜首个部分的VGA完成6 dB步长的增益操控，另一个部分完成精准的O．5 dB步长。因而整个VGA完成了粗谐和细调（见图2）。
当运算扩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，改动电阻能够完成增益的改动。粗调的阻值改动很大，改动反应Rf，会影响粗调输出节点的极点；电阻Rs可变，它对前级将构成改动的负载效应。挑选改动Rs，在前级添加缓冲电路进行阻隔。
首要进行榜首级6 dB步长增益的考虑：取Rf=R0，Rs=R1，完成3 dB的增益，那么Rf不变，Rs=2R1，则完成9 dB的增益。同理：当Rs=4R1，完成15 dB增益；当Rs=8R1，完成21 dB增益；当Rs=16R1，完成27 dB增益。
为了更好地匹配，对与电阻串联的MOS管开关尺度按图3份额规划，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步长增益能够发现，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的距离对应于dB中根本挨近于0．5 dB的距离。运用这个规则，规划能够如下：
两级VGA就能够完成O～29．5 dB（2．5 dB+27 dB=29．5 dB）增益操控，且步长能够比较精准地到达O．5 dB。因为规划顶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要素VGA的增益精度的影响会很小。
如图4所示，可变电阻R1是用多晶硅电阻和作业在晶体管区的MOS开关来完成的。开关电阻通常被用在低失真可调模仿模块。MOS晶体管的非线性将发生谐波以及交调失真，这将会下降整个电路的线性度。在文献［11］中，推导出一个近似的公式来挨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流入电流形式的VGA扩大器。在弱非线性网络中，现已运用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。因而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 地图与后仿真成果
图5是用SMIC 0．18μm CMOS工艺完成的VGA地图，芯片面积为：510μm×160μm，整个地图包含VGA中心部分，直流偏移消除模块，和CMOS源极跟从缓冲电路，安稳Gm的偏置电路。
图6～图8给出了VGA在Candence环境下用Spectre东西模仿得到的后仿真成果。图6为输入阶越跳变，得到的输出瞬态呼应曲线。
图7为不同的数字增益设置对应的VGA增益。图8是扩大器不同增益的频域呼应。其增益从0 dB改动到29．5 dB，其间0．5 dB一档。
5 结 语
本文介绍一种O．18μm CMOS工艺完成，运用于GPS全球定位系统得可变增益扩大器。文中奇妙地运用反应系统中环路安稳性理论规划扩大器；在增益步长的操控上，增益随bit线性化，并确保增益精度不受工艺角误差影响。仿真成果表明，该扩大器适合在接收机模仿前端中运用。
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