17、可变增益放大器与音频信号处理框架的研究与应用

可变增益放大器与音频信号处理框架的研究与应用

1. 可变增益放大器（VGA）的研究

可变增益放大器（VGA）在生物医学通信系统中是至关重要的组成部分。它能够根据输入信号的可变幅度，通过相应的增益级进行放大，为模数转换器（ADC）提供稳定的信号。常见的生理信号，如心电图（ECG）、肌电图（EMG）和脑电图（EEG），其幅度范围从几十微伏到几十毫伏，频率范围从几十毫赫兹到几千赫兹。因此，VGA需要具备低输入参考噪声、可重构带宽、低总谐波失真（THD）和可变增益等特性，以满足不同生物医学应用的需求。

VGA可以通过闭环或开环配置实现。闭环拓扑的VGA因其精确的增益控制和更好的线性度而更为常用。闭环拓扑的VGA又可分为电阻反馈配置和电容反馈配置，其增益可以通过电阻或电容的比值来实现。电阻反馈配置通常消耗较大电流，而电容反馈则广泛应用于生物医学应用中以实现低功耗。

对于电容反馈VGA，需要添加直流偏置电路以引入运算跨导放大器（OTA）的共模电压。反馈电容和直流偏置电路的等效电阻形成一个RC反馈回路，可实现较低的高通转折频率。然而，传统的由两个串联PMOS晶体管组成的伪电阻存在存储电荷过大、等效电阻值不够大的问题。虽然一些改进的伪电阻，如可调伪电阻和平衡可调伪电阻，可以实现更大的等效电阻值，但仍然无法满足生物医学应用的需求。

为此，提出了一种新的T型伪电阻，并设计了一个增益范围为10 dB至49 dB的电容反馈VGA。该VGA具有超低且可调的高通转折频率，其高通转折频率可通过T型伪电阻进行调节。

1.1 VGA的设计

• 可变增益放大器的结构 ：VGA的增益可以通过公式 (G_{d