基于深亚微米CMOS工艺的多标准全波段数字广播接收机RF芯片研究

发布时间：2018-01-02 20:35

本文关键词：基于深亚微米CMOS工艺的多标准全波段数字广播接收机RF芯片研究　出处：《东南大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：以全球数字广播(Digital Radio Mondiale, DRM)和数字音频广播(Digital Audio Broadcasting, DAB)为代表的数字广播标准正在推动音频广播从模拟到数字的转变。数字广播在提供更加优质音频传输性能的同时,还能够提供新的服务类型。因此,数字广播的出现给正在衰落的传统模拟广播提供了新的发展机遇。低成本、高性能的数字广播接收机是推广数字广播的关键所在。本文研究了能够同时兼容DRM和DAB两种标准的集成电路接收机系统。在系统和电路设计上做出了如下创新性研究工作：1)进行了DRM/DAB接收机的系统分析和结构设计。通过分析、比较各类无线射频接收机结构的优缺点,提出了上边注入、固定中频的二次变频、低中频结构的接收机。然后,根据DRM/DAB标准以及系统指标规划方法,提出了接收机的噪声、带宽、线性度以及镜像抑制比等指标。最后,对接收机各个子模块的具体参数指标进行了分配。2)提出了新型的具有宽带和高线性度的电容交叉耦合共栅低噪声放大器。介绍了共栅低噪声放大器的原理和设计方法；提出了栅极有源电感和导数叠加技术,有效地提高了低噪声放大器的带宽和线性度性能,并给出了电路设计过程。电路采用中芯国际(SMIC) 0.18-μm Radio Frequency (RF) CMOS工艺实现后进行了测试验证。测试结果证实了栅极有源电感和导数叠加技术的有效性。3)提出了基于电流镜结构的新型低电压、高二阶输入截点(IIP2)的宽带混频器。详细分析了各类型混频器的优缺点；给出了低电压,高IIP2电流镜混频器的原理和电路实现方法,并且给出了详细的设计过程,包括低电压跨导级和低电压开关级设计和开关级的线性度分析。芯片采用SMIC 0.18-μm RF CMOS工艺实现。测试结果表明该电流镜混频器在1V电源电压下仍能提供良好的噪声和带宽性能。其中带宽远超过系统要求,验证了采用电流复用和电流注入技术的输入级以及新型的开关级技术的有效性。4)提出了新型的基于信号求和可变增益放大器的第一中频宽带可编程增益放大器。分析了各种可变增益放大器(VGA)和可编程增益放大器(PGA)结构的优缺点,讨论了PGA的设计指标,并提出了一种新型的基于信号求和结构VGA的PGA。不同于传统的通过改变偏置电压来调整电流分配比例的方式,本设计通过开关控制晶体管的尺寸比例来精确地按比例控制电流分配,实现了精确的6dB增益步长。为了实现精确的绝对增益,本设计还采用了恒跨导偏置技术,得到了与负载电阻成反比的输入跨导,实现了与工艺、电压和温度无关的增益。同时,为了保证低增益情况下的线性度,本设计还采用了源极退化技术。所设计的集成电路采用中芯国际SMIC 0.18μm RF-CMOS工艺实现后进行了在片测试。测试结果验证了上述技术的可行性。5)对有源复数滤波器进行了研究和设计。介绍了基本的滤波器类型,并根据本设计对带内增益平坦度的要求,选择了切比雪夫滤波器。分析了不同类型的有源RC滤波器结构,选择了阶数为3、简单有效的跳步(Leapfrog)结构。在比较Phase-locked Loop(PLL)法和充电时间常数法两种常见的间接频率校准方法的基础上,提出了简单有效的充电时间常数法校准电路,并给出了工作流程图。所设计的集成电路采用中芯国际SMIC 0.18μm RF-CMOS工艺实现后进行了在片测试,测试结果验证了上述技术的可行性。6)对直流失调消除电路和自动增益控制电路的进行了详细的理论分析和电路设计。在直流消除电路上,提供了模拟直流失调消除(ADCOC)和数字直流失调消除(DDCOC)两种技术。ADCOC技术具有结构简单、输出失调利于控制的特点,但是对于PGA的噪声和传输函数都有着严重的影响。特别是在噪声方面,不经仔细设计的ADCOC会成倍地增大PGA的噪声；在传输函数方面,ADCOC对带宽和增益精度两个方面都有着重要的影响。为此,本文提出了一种有效的优化方法,同时增大失调反馈放大器的增益和失调电阻的值,在满足直流增益小于0dB的情况,有效地降低了ADCOC电路的影响。尽管DDCOC需要数模混合设计技术,且方案较ADCOC更加复杂,但是DDCOC具有功耗低、引入极低的噪声贡献的优点,因此本设计最终采用DDCOC技术。给出了DDCOC的详细方案和电路设计方法。另外,基于传统的模拟AGC和数字AGC技术提出了一种结构简单、功耗极低的数模混合AGC结构。需要消耗额外功率的模块仅仅包括一个整流器和两个低功耗的比较器。本设计的所有芯片均采用中芯国际SMIC 0.18μm RF-CMOS工艺实现并进行了在片测试,测试结果验证了上述技术的可行性。7)介绍了接收通道的其他关键模块(第二中频混频器)和频率综合器的电路设计。对接收通道电路和频率综合器进行了集成,实现了完整的DRM/DAB无线接收机系统,并进行了接收机整体的测试。测试结果表明,本设计接收机符合DRM/DAB标准的要求。
[Abstract]:A new type of low - voltage and high - performance digital broadcasting receiver is presented , which is based on digital broadcasting ( DRM ) and digital audio broadcasting ( DAB ) . In order to ensure linearity in low gain , this paper presents a simple and effective method to calibrate the DC offset elimination circuit and AGC circuit .

【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN934.3

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