DRM-DAB射頻前端理論分析和芯片設(shè)計(jì).pdf

1、數(shù)字廣播是繼模擬調(diào)幅(AM)、模擬調(diào)頻(FM)傳統(tǒng)模擬廣播之后的第三代數(shù)字信號廣播，具有抗噪聲、抗干擾、抗電波傳播衰落和適合高速移動(dòng)接收等優(yōu)點(diǎn)。它的出現(xiàn)是廣播技術(shù)的一場革命。全球數(shù)字廣播(Digital Radio Mondiale，DRM)和數(shù)字音頻廣播(Digital Audio Broadcasting，DAB)是目前兩種發(fā)展最迅速、最有市場潛力的數(shù)字廣播標(biāo)準(zhǔn)。射頻前端是數(shù)字廣播接收機(jī)中不可或缺的部分，也是數(shù)字廣播接收機(jī)的技術(shù)瓶頸

2、。本文對能夠同時(shí)兼容數(shù)字廣播標(biāo)準(zhǔn)(DRM和DAB)和模擬廣播標(biāo)準(zhǔn)(AM和FM)的射頻前端芯片展開全面的討論和研究。
　　 首先分析DRM/DAB接收機(jī)射頻前端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、頻率規(guī)劃和子模塊參數(shù)估算。對超外差、零中頻和低中頻等經(jīng)典接收機(jī)結(jié)構(gòu)做了分析和比較。本接收機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)主要采用上邊注入、固定中頻的二次變頻低中頻結(jié)構(gòu)；通過對DRM和DAB標(biāo)準(zhǔn)的分析，推導(dǎo)出接收機(jī)系統(tǒng)靈敏度、信噪比、噪聲系數(shù)、鏡像抑制度、線性度和本振相位噪聲等指標(biāo)要求；

3、采用 Agilent ADS系統(tǒng)仿真工具對接收機(jī)子模塊電路指標(biāo)進(jìn)行估算，給出詳細(xì)的接收機(jī)子模塊指標(biāo)。
　　 接收機(jī)第一級電路低噪聲放大器(LNA)采用噪聲抵消結(jié)構(gòu)。推導(dǎo)出包含輸入晶體管溝道熱噪聲和閃爍噪聲的噪聲系數(shù)公式和噪聲抵消條件公式，并給出電路設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算的具體過程。該低噪聲放大器采用 SMIC0．18μm RF CMOS工藝進(jìn)行流片驗(yàn)證。測試結(jié)果表明：采用該技術(shù)的寬帶低噪聲放大器能夠在很寬的工作頻率范圍內(nèi)得到較低的噪聲系

4、數(shù)、良好的阻抗匹配、適當(dāng)?shù)脑鲆婧洼^高線性度等特性。
　　 對接收機(jī)中寬帶正交混頻器(Mixer)電路進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)。詳細(xì)分析吉爾伯特(Giltert)雙平衡混頻器中各個(gè)晶體管對于整個(gè)混頻器的噪聲和線性度貢獻(xiàn)；該混頻器采用基于差分多柵晶體管(DMGTR)結(jié)構(gòu)的跨導(dǎo)線性化技術(shù)提高混頻器的線性度，理論推導(dǎo)出全差分跨導(dǎo)輸入級(FDT)和偽差分跨導(dǎo)輸入級(PDT)中跨導(dǎo)的二次導(dǎo)數(shù)的表達(dá)式，給出基于DMGTR結(jié)構(gòu)的正交混頻器的線性度最優(yōu)值

5、，并給出電路設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算的具體過程。該正交混頻器采用SMIC0．18μm RF CMOS工藝進(jìn)行流片驗(yàn)證，測試結(jié)果表明：采用該技術(shù)的混頻器能夠在不犧牲增益、噪聲、共模抑制比和功耗等性能的情況下，大大改善混頻器的線性度等優(yōu)點(diǎn)。
　　 可變增益放大器(VGA)包括第一中頻寬帶VGA和第二中頻窄帶VGA。論文給出自動(dòng)增益控制(AGC)控制原理和VGA的主要技術(shù)指標(biāo)。VGA核心電路采用信號相加式結(jié)構(gòu)，理論分析和推導(dǎo)基丁CMOS的信號相

6、加式VGA的增益和控制電壓的關(guān)系，同時(shí)采用工作在線性區(qū)的PMOS晶體管實(shí)現(xiàn)增益對數(shù)值與控制電壓成線性的關(guān)系，也即增益的dB線性。理論分析基于PMOS晶體管的控制電路的指數(shù)電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系：提出一種低噪聲寬帶VGA結(jié)構(gòu)，該電路采用噪聲抵消輸入級和信號相加式可變增益級級聯(lián)，采用帶共模反饋的PMOS有源負(fù)載。兩個(gè)VGA均采用SMIC0．18μm RF CMOS工藝進(jìn)行流片驗(yàn)證，測試結(jié)果表明：該結(jié)構(gòu)VGA能夠?qū)崿F(xiàn)低噪聲和增益dB線性等特點(diǎn)。

7、　　 鏡像抑制混頻器是低中頻接收機(jī)中的提供鏡像抑制的不可或缺的模塊。論文分析RC多相濾波器和無源多相濾波器工作原理后，針對傳統(tǒng)基于RC多相濾波器的雙正交鏡像抑制混頻器變頻增益較低的缺點(diǎn)，提出一種改進(jìn)型的利用源極跟隨器作為隔離單元的鏡像抑制混頻器。該鏡像抑制混頻器采用SMI(0．18μm RF CMOS工藝進(jìn)行流片驗(yàn)證，測試結(jié)果將表明：該鏡像抑制混頻器在較小的芯片面積內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)較低的變頻損耗，并且鏡像抑制度能夠滿足接收機(jī)指標(biāo)要求。

8、>　　 信道選擇濾波器采用5階Gm-C橢圓帶通濾波器結(jié)構(gòu)。論文給出常用的連續(xù)時(shí)間有源濾波器結(jié)構(gòu)，分析片上自動(dòng)頻率調(diào)諧的方法：基于Gm-C濾波器，分析常用跨導(dǎo)單元OTA的實(shí)現(xiàn)方法和特點(diǎn)；根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，給出一種5階Gm-C橢圓帶通濾波器設(shè)計(jì)方法和電路實(shí)現(xiàn)，以及采用PLL實(shí)現(xiàn)片上自動(dòng)頻率調(diào)諧的方法。該信道選擇濾波器采用SMIC0．18μm RF CMOS工藝進(jìn)行流片驗(yàn)證，測試結(jié)果表明：該濾波器基本滿足DAB指標(biāo)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)PLL自動(dòng)頻

9、率調(diào)諧功能，具有較小的芯片面積和較低的功耗。
　　 最后，對接收機(jī)系統(tǒng)做進(jìn)一步研究和分析。對DRM/DAB接收機(jī)芯片進(jìn)行兩次流片：第一次主要是子模塊流片，除了單個(gè)子模塊之外還包括某些模塊的整合，比如射頻前端(LNA+Mixer+VGA)以及整個(gè)頻率綜合器；第二次流片為整個(gè)系統(tǒng)的流片，包括射頻前端、模擬基帶、頻率綜合器、數(shù)字控制模塊以及功率控制電路等。介紹了射頻前端芯片的設(shè)計(jì)，詳細(xì)分析單轉(zhuǎn)雙電路(SDC)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化；其次給出頻率