硅基深亚微米CMOS数字广播接收机前端芯片与系统研究

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近年来高速发展的数字广播系统需要高性能、低功耗和低成本的多协议便携式接收机。DRM(包括DRM30与DRM+)和DAB作为成熟的数字广播标准,能够实现本地、区域、全国和全世界广播的无缝覆盖,是数字广播的最佳选择。本文主要对兼容DRM和DAB数字广播标准的射频前端芯片和系统进行分析和研究。首先介绍DRM30、DRM+和DAB标准,并基于SMIC0.18μm RF-CMOS工艺设计完成了兼容DRM/DAB标准的射频接收前端芯片。采用DRM/DAB无线接收芯片在26MHz实现了DRM的无线收发系统,验证了芯片的功能和性能。  本文对应用于DRM/DAB数字广播的宽带接收机进行分析和设计。通过比较经典接收机架构,考虑镜像干扰和谐波混频干扰,提出上边注入、固定中频的双变频正交低中频接收机架构。基于DRM和DAB标准,推导出接收机的频率规划、灵敏度与动态范围、增益分配、信噪比、噪声系数、选择性、镜像抑制和线性度等指标要求。考虑链路子模块级间阻抗不匹配对噪声系数的影响,对接收机内子模块电路的指标进行分配。  本文首先对Gilbert结构宽带射频混频器进行研究和设计。基于本振信号方波叠加原理,实现本振信号三阶谐波分量和五阶谐波分量的抵消。通过采用改进型的多栅输入晶体管结构,实现混频器的直接耦合输入。改进型的多栅输入晶体管在提升混频器线性度的同时,扩展带宽、减少芯片尺寸,降低控制电压对信号通路的干扰。电路采用中芯国际0.18μmRF-CMOS工艺实现后,对芯片进行键合测试。测试结果表明:谐波抑制器能够在低电压下工作,不牺牲增益、噪声和功耗等性能,有效提升了混频器的IIP3指标,并改善了混频器的三次和五次谐波混频的抑制特性。  本文接下去对应用于第一中频的低电压可变增益放大器进行研究和设计。分析比较CMOS工艺VGA电路的优缺点,采用折叠式吉尔伯特结构实现低电压工作,并引入非对称尾电流源扩展了电路的线性范围。可变增益放大器的指数控制电路采用差分线性区指数控制电路,保证电路增益控制的PVT无关特性。电路采用中芯国际0.18μm RF-CMOS工艺实现,对芯片进行键合测试。测试结果表明:第一中频可变增益放大器在35.452MHz频率处,能够实现-20~20dB的增益动态范围;在低增益模式下,电路的1dB增益压缩点为1.56dBm@35.452MHz;在高增益模式下,电路的噪声系数为23dB。  本文进一步对电流模中频无源混频器进行研究和设计。在分析CMOS工艺下无源混频器结构基础上,比较电压驱动和电流驱动无源混频器。基于低功耗与高线性度考虑,提出电流模式下接收机中频通路的概念,并提出一种新结构的电流模电流驱动无源混频器电路。混频器输入跨导级采用并联反馈全差分放大器,开关级采用动态偏置开关管结构,电流放大级采用全平衡多输出电流转换器结构。电路采用中芯国际0.18μm RF-CMOS工艺实现,对芯片进行键合测试。测试结果表明:电流模式下的中频混频器能够在较低电压下,满足增益、线性度、噪声和功耗等性能要求。  本文还对应用于第二中频的低电压可变增益放大器进行了研究和设计。通过分析比较基于CMOS工艺下增益可编程放大器电路的优缺点,采用电流模增益可编程放大器电路实现低电压下电流放大。增益可编程放大器采用工作在Class-AB状态的全差分电流放大器单元,并引入电流模直流失调电路稳定电路的直流工作点。电路采用中芯国际0.18μmRF-CMOS工艺实现,对芯片进行键合测试。测试结果表明:电流模式下的增益可编程放大器器能够在较低电压和较低功耗下,不牺牲增益范围和增益误差等性能,大幅度改善了电路的线性度。  本文最后对接收机的接收通道链路其他关键电路(全差分低噪声放大器、电流模复数滤波器)及锁相环频率综合器电路进行研究和设计。基于接收通道、锁相环和模拟及控制电路,实现完整的DRM/DAB无线接收前端芯片,并给出芯片的测试结果。在HF波段26MHz频段上,利用DRM/DAB前端芯片,实现了便携式的无线DRM收发系统。DRM数字广播收发工作正常,顺利实现了DRM音频信号和文字信号的传输。
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