应用于无线传感网的低电压PGA的设计与实现

摘要

无线传感器网络是由大量传感器节点通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统。它能够实现数据的采集、量化、处理、融合和传输。无线传感器网络广泛应用在军事侦察、环境科学、农业生产、智能家居等领域。传感器节点由传感单元、处理单元、射频收发单元以及电源部分组成，其中射频收发单元用来实现信号的接收和发射功能，作为射频接收链路重要模块的可编程增益放大器主要用来提高接收信号的动态范围，其研究与设计具有非常重要的意义。
　　 本文基于TSMC0.18μmRFCMOS工艺设计了一款应用于无线传感器网络的低电压可编程增益放大器。为了实现大范围的增益调节，本文采用固定增益级和可变增益级级联结构。固定增益级采用带源极电阻的跨导增强差分对结构，每一级固定增益级可以实现14dB的固定增益。相比传统的差分放大器，它可以实现更加精确的增益控制。可变增益级采用基于运算放大器的全差分电阻负反馈结构，可以以2dB的步长实现0dB到14dB的增益调节。由于采用了反馈结构，可变增益级可以实现较高的线性度，从而可以提高整个可编程增益放大器的线性度。整个可编程增益放大器通过数字开关控制，可以以2dB的步长实现0dB到70dB的增益调节。直流偏移可能会导致可编程增益放大器饱和而无法正常工作，本文采用交流耦合的方式来消除直流偏移。芯片测试结果表明，设计的可编程增益放大器可以实现2～67dB的增益调节，在1V的电源电压下工作电流约为2.2mA，输出摆幅约为0.25V，输出1dB压缩点约为0dBm。
　　 本文设计的可编程增益放大器基本功能正确，进一步优化后可以应用在无线传感网中。

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摘要

插图目录

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．1 无线传感器网络概述

1．1．2 传感器节点

1．1．3 无线传感器网络的应用

1．2 国内外研究现状

1．2．1 无线传感器网络的研究现状

1．2．2 可编程增益放大器的研究现状

1．3 研究内容与设计指标

1．3．1 研究内容

1．3．2 设计指标

1．4 论文结构

第二章 可编程增益放大器设计基础

2．1 自动增益控制

2．1．1 AGC环路稳定时间

2．1．2 幅度检测器

2．1．3 环路滤波器

2．2 可编程增益放大器的基本指标

2．2．1 线性度

2．2．2 噪声

2．3 可编程增益放大器的基本结构

2．3．1 基于模拟乘法器结构的可变增益放大器

2．3．2 基于可编程跨导器结构的可变增益放大器

2．3．3 基于可编程负载的可变增益放大器

2．3．4 基于可编程反馈的可变增益放大器

2．3．5 基于可编衰减器的可变增益放大器

2．4 本章小结

第三章 可编程增益放大器电路设计及前仿真

3．1 可编程增益放大器结构设计

3．2 固定增益级电路设计

3．2．1 采用二极管连接的负载的共源级

3．2．2 采用电阻负载的共源级

3．2．3 带有源极电阻的跨导增强差分对

3．2．4 固定增益级的前仿真结果

3．3 可变增益级电路设计

3．3．1 缓冲器的设计

3．3．2 运算放大器的设计

3．3．3 反馈电阻的设计

3．3．4 可变增益级的带宽分析

3．3．5 可变增益级的前仿真结果

3．4 直流偏移消除电路的设计

3．5 可编程增益放大器的前仿真结果

3．6 本章小结

第四章 可编程增益放大器版图设计及后仿真

4．1 版图寄生参数

4．1．1 晶体管寄生电容

4．1．2 连线寄生电容和电感

4．2 版图寄生效应

4．2．1 天线效应

4．2．2 闩锁效应

4．3 版图对称性

4．4 可编程增益放大器版图设计及后仿真

4．4．1 可编程增益放大器的版图设计

4．4．2 可编程增益放大器的后仿真结果

4．5 本章小结

第五章 可编程增益放大器的测试

5．1 芯片测试准备

5．1．1 芯片照片与说明

5．1．2 使用仪器说明

5．2 芯片测试方案及结果

5．2．1 直流工作点测试

5．2．2 增益控制测试

5．2．3 线性度测试

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文