基于65nm CMOS工艺的宽带模拟基带电路研究与设计

摘要

本文面向新一代移动通信系统的收发机芯片，设计了其中的模拟基带电路。该模拟基带主要包括可编程增益放大器、信道选择低通滤波器以及直流失调消除电路等模块，可以实现增益调节、频率选择、直流失调抑制等功能。
　　本文的可编程增益放大器基于带有并联负反馈的超级源跟随结构，由于是开环结构，可以在较低的功耗下获得较大的带宽。可编程增益放大器通过可编程的源极退化电阻与负载电阻实现增益的精确调节，由数字串行外设接口控制，并引入了一系列线性度优化技术。
　　本文的直流失调消除电路基于连续时间负反馈结构，该结构包含无源低通滤波器、跨导单元以及纠正电阻等模块。其中，无源低通滤波器采用了密勒等效电容以节省芯片面积。跨导单元由四路电流镜实现，四路输出电流分别向串联在信号通路上的纠正电阻注入和抽取电流，通过这种方式可以有效提升跨导值并稳定电路的共模电平。
　　本文的信道选择低通滤波器基于六阶切比雪夫有源RC结构，通过三个Sallen-Key二阶单元级联综合而成。滤波器的截止频率为100/130/170MHz可调，从而覆盖多模多频的应用要求。运算放大器采用改进的带密勒补偿的两级运放，在适中的功耗下可以获得较大的增益带宽积与较高的开环增益，有效降低了非理想因素对滤波器的影响。本文还对滤波器的共模稳定性进行了深入的分析。
　　本次设计基于TSMC65nm CMOS工艺，并分析了模拟基带电路版图的设计要点，去除焊盘后的芯片面积为0.114mm2。后仿真结果表明，该芯片在1V的供电电压下功耗低于25mW，工作带宽为100/130/170MHz可调，可以实现0～60dB的增益调控与1dB的增益调控步进，且增益误差小于±0.14dB。在最高增益档下，噪声系数低于26dB，输入IIP3大于-47.5dBm，各项指标均能满足宽带无线收发机系统的要求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 本文的研究内容

1．3 本文的组织架构

第2章 接收机中模拟基带电路的分析

2．1 无线接收机概述

2．1．1 零中频接收机

2．1．2 自动增益控制电路

2．2 模拟基带电路的主要性能指标

2．2．1 噪声

2．2．2 线性度

2．2．3 级联系统的带宽

2．2．4 直流失调消除与信道选择性

2．3 模拟基带电路的整体架构与设计指标

2．4 本章小结

第3章 可编程增益放大器的设计

3．1 可编程增益放大器的简介

3．1．1 基于吉尔伯特单元的VGA

3．1．2 基于可变跨导的VGA

3．1．3 基于反馈电阻／电容的PGA

3．1．4 基于电流模的PGA

3．1．5 基于源极退化电阻结构的PGA

3．2 可编程增益放大器的设计要点

3．3 可编程增益放大器的实现

3．3．1 PGA的设计指标

3．3．2 PGA的核心电路设计

3．3．3 PGA的增益控制

3．3．4 PGA的噪声特性分析

3．4 可编程增益放大器的后仿真结果与分析

3．4．1 增益特性

3．4．2 线性度

3．4．3 噪声系数

3．4．4 后仿真结果与分析

3．5 本章小结

第4章 直流失调消除电路的设计

4．1 直流失调产生的原因与消除的必要性

4．2 直流失调消除电路的原理与设计指标

4．2．2 DCOC的级数考虑

4．2．5 DCOC的噪声

4．3 直流失调消除电路的具体实现

4．3．1 低通滤波器

4．3．2 纠正电阻

4．3．3 跨导单元

4．3．4 设计折中

4．4 直流失调消除电路的后仿真结果与分析

4．5 本章小结

5．1 滤波器概述

5．1．3 连续时间滤波器的常见结构

5．1．4 滤波器的综合

5．2 滤波器的系统考虑

5．2．1 滤波器的设计指标

5．2．2 非理性特性对滤波器的影响

5．3 滤波器的实现

5．3．1 滤波器的参数确定

5．3．2 滤波器的综合

5．3．3 运算放大器的设计

5．3．4 稳定性分析

5．4 滤波器的后仿真结果与分析

5．5 本章小结

第6章 模拟基带的整合与仿真

6．1 版图设计的流程

6．2 版图匹配与可靠性设计

6．2．1 版图匹配

6．2．2 可靠性设计

6．2．3 数模混合电路的版图考虑

6．2．4 寄生效应

6．3 模拟基带的版图设计

6．3．1 模拟基带各电路模块的版图设计

6．3．2 模拟基带电路的整体版图设计

6．4 模拟基带的后仿真结果与分析

6．5 模拟基带的测试方案

6．6 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

致谢

参考文献

附件：攻读硕士学位期间发表的论文