基于65nm CMOS工艺的低功耗模拟基带电路研究与设计

摘要

近年来，随着无线通信技术的发展，移动通信已经走进了人们的日常生活，很大程度上改善了我们的生活质量。为了提高移动通信速率并增加移动端的续航，这要求设计出更高速率、更低功耗的通信电路，这对当前射频与模拟基带集成电路的设计提出了更高的要求。本文面向无线通信发射机系统设计了一款低功耗模拟基带电路芯片，该芯片电路功能包括增益的放大与衰减调节，带外信号的抑制和直流失调信号的抵消，该芯片的设计主要包括可编程放大器(PGA)、信道选择滤波器、直流消除失调电路(DCOC)。
　　本文首先分析了深亚微米工艺下对集成电路的影响和挑战，然后介绍了发射机的直接上变频架构以及模拟基带相关的指标，并根据指标的要求确定模拟基带电路的系统方案。
　　本文设计的信道选择滤波器为四阶切比雪夫Gm-C低通滤波器，采用两个二阶滤波单元级联的方式实现。为了提高线性度和减小功耗，本文的跨导单元由带有源级反馈的跨导放大器构成。同时为了增加电路的共模抑制能力，跨导放大器同时带有共模反馈和共模前馈。为了防止工艺、温度和电源电压(PVT)对滤波器的截止频率的影响，滤波器的截止频率可通过电容阵列进行调节。
　　本文的可编程增益放大器分为增益衰减级和增益放大级。基于功耗的考虑，本文的增益衰减级采用R-2R无源电阻衰减网络实现。本文的增益放大级采用源极退化电阻的PGA作为基本结构，同时利用带宽扩展技术提高可编程放大器的带宽。
　　为了防止直流失调引起的危害，本文的直流失调消除电路使用低通负反馈的方式，为了减小负反馈电路上电容过大的问题，本文利用密勒效应实现大电容。直流失调电路的输出级为跨导放大器，通过跨导放大器与主电路的反馈电阻连接从而抵消直流失调。
　　本文设计采用TSMC65nm CMOS工艺完成，根据版图设计的基本原则和流程，完成了模拟基带电路的版图设计，并且所有功能通过后仿真验证。后仿真结果显示，模拟基带在电源电压1V的情况下消耗的电流为4.1mA，实现了低功耗的目标，带宽在80MHz、100MHz、120MHz三个带宽档位可调，增益调节的范围为-18～30dB，增益的步进为1dB。根据电路的后仿真结果，该性能满足系统对模拟基带电路的设计指标要求，可用于宽带低功耗无线通信发射机中。

目录

声明

摘要

1．1 研究的背景及意义

1．2 本文的主要研究内容

1．3 论文组织架构

第2章 发射机中模拟基带电路分析

2．1 深亚微米CMOS工艺对模拟电路的影响

2．2 本论文发射机架构

2．3 模拟基带电路的架构与功能

2．3．1 噪声指标

2．3．2 线性度指标

2．3．3 DCOC与LPF指标

2．4 本章小结

第3章 信道选择滤波器的设计

3．1．1 滤波器的基本理论与分类

3．1．2 滤波器常见的设计方法

3．2 滤波器的架构分析与指标分析

3．2．1 滤波器结构的选取

3．2．2 滤波器逼近函数的选取与参数确定

3．3 跨导放大器的设计

3．3．1 跨导放大器的非理性特性对滤波器的影响

3．3．2 跨导放大器线性化措施

3．3．3 共模稳定性的考虑

3．4 滤波器的调谐设计

3．5 滤波器的后仿真验证与分析

3．6 本章总结

第4章 可编程增益放大器的设计

4．1 常见的VGA和PGA结构

4．1．2 基于cherry-Hooper单元的VGA

4．1．3 基于跨导值可变的VGA

4．1．4 基于运放的可编程反馈PGA

4．1．5 改变接入跨导的PGA

4．1．6 电流模式的PGA

4．2 可编程放大器的架构分析与指标分析

4．2．1 增益分配的考虑

4．2．2 带宽的考虑

4．3 PGA衰减级的实现

4．4 PGA核心结构设计

4．5 PGA增益控制

4．6 PGA噪声性能

4．7 PGA的后仿真验证和分析

4．8 本章小结

第5章 直流失调消除电路的设计

5．1 直流失调产生的原因与消除的必要性

5．2 常见的直流失调消除措旖

5．3 DCOC的设计考虑

5．3．2 DCOC对直流失调的抑制模型分析

5．3．3 DCOC响应时间的考虑

5．3．4 DCOC级数的考虑

5．4 DCOC的具体设计

5．5 DCOC的后仿真结果与分析

5．6 本章小结

第6章 模拟基带版图的整合设计与后仿真

6．1 版图{堤计的流程

6．2 版图的匹配设计

6．3 模拟基带版图的设计

6．3．1 模拟基带各个模块的版图设计

6．3．2 模拟基带版图的整合

6．4 模拟基带整体的后仿真结果

6．5 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

致谢

附件