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作为射频收发机中的关键模块，可变增益放大器(Variable-Gain Amplitier，VGA)的增益调节范围直接决定了收发机可以处理的信号动态范围，它与反馈环路组成的自动增益控制电路(Automatic Gain Control，AGC)为基带模数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)提供恒定的信号功率。位于接收机后端的可变增益放大器需要处理大输入信号，因此高线性是VGA的另一个关键设计指标。然而，宽范围高线性VGA，尤其基于CMOS工艺实现，更是VGA设计的一个难点，一方面在于CMOS工艺中不具备用来完成dB线性(linear-in-dB)控制特性的本征指数率器件，另一方面由于低电压工作的限制使得放大器的高线性设计成为巨大的挑战。
本文旨在解决宽范围高线性CMOS可变增益放大器设计技术中的关键问题。文章首先系统地归纳了包括双极型技术在内的可变增益放大器增益控制机理及指数增益特性实现方法，并深入研究了基于CMOS工艺的伪指数函数构造方法。在归纳总结前人工作的基础上设计了一种基于CMOS模拟乘法器的电流调节型交叉耦合差分对可变跨导单元，并采用输入晶体管漏源电压V<,DS>自适应偏置的跨导线性化方法改善了跨导单元在整个增益范围内的线性度及噪声等性能。该线性优化方法使得输入跨导晶体管可以根据输入信号的功率自适应选择偏置在高线性的线性区(三极管区)或高增益低噪声的饱和区。基于线性区和饱和区的统一晶体管模型建立了线性化可变跨导电路的三阶互调失真及噪声模型，理论模型与仿真结果较好地吻合，并指导设计了包括控制信号在内的可变跨导电路。基于线性化可变跨导，本文设计实现了应用于有线数字电视调谐器的中频可变增益放大器，整个VGA由可变增益单元、指数电压产生电路及输出级放大器组成。基于0.25μm CMOS工艺实现的芯片测试结果表明，电源电压3.3V下电压增益为15～58dB，控制范围43dB；差分输出2V<,P-P>下三阶互调失真小于-62dB；平均工作电流22.6mA，其中VGA核心单元功耗小于8mA。包含该VGA模块的数字有线电视调谐器专用芯片完成了数字有线电视调谐器的开发。
为实现VGA的低功耗设计，本文从噪声和精度的角度探讨了深亚微米CMOS模拟集成电路设计中为满足一定性能要求下的电路所需的最小功耗极限。从VGA的最小功耗极限出发，本文提出了一种低功耗宽范围CMOS VGA电路拓扑，采用电流调节型可变跨导与可变电阻的可变增益单元使单级放大器的可变增益范围拓宽了一倍。基于0.25μm RF-CMOS工艺工作在2.5V电源电压的电路仿真结果表明，VGA的增益范围达到64dB，功耗16.5mW，控制电路及偏置电路的设计实现了VGA在整个增益范围及温度范围内的稳定性。