人体介质通信自动增益控制接收前端芯片的研究与设计

发布时间：2017-10-03 02:10

  本文关键词：人体介质通信自动增益控制接收前端芯片的研究与设计

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【摘要】：人体通信的概念首先由美国麻省理工学院提出,该通讯方式把人体作为信号传输通道,实现信号在人体表面或内部传输。采用人体通信技术,可以实现人与人之间所持便携式电子设备之间的数据交互。与常见无线通信技术相比,该技术具有连接方便、不易受外界噪声干扰、对外辐射小、低功耗及高保密性等优点。目前人体通信系统主要通过两种方式将信号耦合到人体信道:电流耦合和电容耦合。电流耦合将人体当作导体,需要从人体接导线引出信号而且带宽窄;电容耦合不需要导线,一个电极可以与人体保持一定的距离,另一个电极可以悬空而且带宽比较宽。本文针对人体信道通信中宽频带的特点,旨在设计一种应用于电容耦合方式人体介质通信的宽频带、大接收动态范围、高输入阻抗和高增益的接收前端芯片。该芯片包括单端转差分宽频带低噪声放大器(LNA)、滤波电路和宽频带自动增益控制放大器(AGC)等关键电路。在人体信道中,由于电容耦合方式输入阻抗高,输入信号处于中低频段。因此,本文提出一种由共源共栅和共源放大电路组成的单端转差分LNA,该LNA具有高输入阻抗、宽频带、噪声消除、高增益和无需大面积电感及电容器件的特性。信号的衰减程度随着传输距离、载波频率和人体关节部位变化而变化,接收信号动态范围较大,在不同输入信号的幅值下,自动调整放大电路的增益变得尤为重要。因此,本文提出一种新的AGC电路,该电路利用了dB线性(d B-linear)近似方法和有源负载零极点补偿技术,使AGC具有低复杂度、低功耗、宽dB-linear范围和宽频带的特点。本文采用180nm CMOS工艺对提出的人体介质通信接收前端芯片进行了前端电路设计、后端物理版图的设计与验证。芯片采用1.8V供电,后仿真结果显示:LNA的带宽为1MHz~537MHz,输入等效噪声为2.301nV/(Hz)~(1/2),增益为22dB,消耗电流767mA;AGC的增益控制范围-25~67dB,dB-Linear范围是62dB(误差±1dB),带宽1MHz~125MHz,消耗电流为1.6mA。整个接收前端芯片能满足人体信道通信对信号增益和带宽要求。
【关键词】：人体介质通信 低噪声放大器 自动增益控制
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN851;TN402
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-16
• 1.1 研究背景10-12
• 1.2 研究现状12-14
• 1.3 论文研究内容及组织结构14-15
• 1.4 本章小结15-16
• 第二章 人体介质通信接收前端芯片系统方案设计16-35
• 2.1 人体信道信号耦合方式16-19
• 2.1.1 电流耦合16-18
• 2.1.2 电容耦合18-19
• 2.2 电容耦合人体信道频率特性19-21
• 2.3 前端芯片系统方案设计21-22
• 2.4 LNA方案设计22-29
• 2.4.1 LNA主要性能参数23-27
• 2.4.2 LNA关键指标的拟定27-28
• 2.4.3 LNA结构28-29
• 2.5 AGC方案设计29-34
• 2.5.1 AGC主要性能参数29-32
• 2.5.2 AGC关键指标的拟定32-33
• 2.5.3 AGC放大器结构33-34
• 2.6 本章小结34-35
• 第三章 高输入阻抗、宽频带单端转差分LNA设计35-43
• 3.1 低噪声技术35-38
• 3.1.1 电容交叉耦合35-36
• 3.1.2 噪声反馈与噪声消除36-37
• 3.1.3 单端转差分噪声消除37-38
• 3.2 高输入阻抗、宽频带单端转差分LNA设计38-39
• 3.3 LNA版图设计和后仿真39-42
• 3.4 本章小结42-43
• 第四章 低复杂度宽带AGC设计43-57
• 4.1 VGA设计43-53
• 4.1.1 dB-Linear技术43-45
• 4.1.2 dB-Linear的实现45-47
• 4.1.3 gm-boost对d B-Linear的改善47-48
• 4.1.4 有源负载零极点补偿48-50
• 4.1.5 VGA版图设计和后仿真50-53
• 4.2 自动增益控制放大器其它模块设计53-55
• 4.2.1 检波器设计53-54
• 4.2.2 比较控制器设计54-55
• 4.3 AGC动态范围和瞬态后仿真55-56
• 4.4 本章小结56-57
• 第五章 接收前端芯片版图设计和后仿真57-61
• 5.1 人体介质通信接收前端芯片的版图设计57-58
• 5.2 人体介质通信接收前端芯片的后仿真58-60
• 5.3 本章小结60-61
• 总结与展望61-63
• 总结61
• 展望61-63
• 参考文献63-68
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果68-69
• 致谢69-70
• Ⅳ-2答辩委员会对论文的评定意见70

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本文编号：962548