伽利略卫星接收机下变频器与复数带通滤波器的设计与实现

摘要

伽利略卫星导航系统是由欧盟主导并有包括中国在内的多个国家参与的全球卫星导航定位系统，它具有定位精度高、覆盖范围广、服务内容多、全民用等优点。在这种国际卫星导航系统发展背景下，研究中国自己伽利略卫星接收机芯片具有重要的意义。下变频器(DownConversionMixer)和复数带通滤波器(ComplexBand-passFilter)作为接收机中的关键模块，具有一定的研究意义和应用价值。
　　 本文设计的下变频器采用了经典的双平衡Gilbert结构，在此基础上，采用了伪差分输入跨导级来改善线性度;采用了电流复用技术来减小噪声与增加增益;采用了低通滤波负载技术来提高隔离度。
　　 对于复数带通滤波器，本文采用了基于五阶切比雪夫低通原型的有源Gm-C结构，以满足高镜像抑制比的要求。电路中跨导单元采用具有低功耗和易调谐特点的Nauta跨导。采用锁相环结构的自动调谐系统通过调节滤波器各积分器单元的单位增益频率和Q值，实现滤波器的中心频率、带宽和Q值调谐。
　　 本次设计的下变频器和复数带通滤波器均通过TSMC0.18μmRFCMOS工艺流片实现。下变频器芯片面积为530μm×640μm，复数带通滤波器芯片面积为970μm×920μm。测试结果表明，两款芯片性能良好。设计的下变频器增益为15.1dB，噪声系数为11.2dB，输入1dB压缩点为-11dBm，功耗为4.5mW。设计的复数带通滤波器通带增益为3.1dB，镜像抑制比为46.8dB，输入1dB压缩点为-2dBm。

目录

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摘要

缩略语表

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究内容及设计指标

1．3 论文的结构安排

第2章 射频接收机的主要结构

2．1 超外差结构

2．2 零中频结构

2．2．1 本振泄漏(LO leakage)

2．2．2 正交失配(I／Q mismatch)

2．2．3 直流偏移(DC offset)

2．2．4 低频噪声(flick noise)

2．2．5 偶次失真干扰(even-order distortion)

2．3 低中频结构

第3章 下变频器的前端设计

3．1 引言

3．2 混频器的基本原理

3．3 混频器的主要性能参数

3．3．1 转换增益

3．3．2 噪声系数

3．3．3 线性度

3．3．4 端口隔离度

3．3．5 阻抗匹配

3．4 混频器的结构

3．4．1 无源混频器

3．4．2 有源混频器

3．5 下变频器的设计

3．5．1 下变频器电路的优化技术

3．5．2 跨导级和开关级电路的设计

3．5．3 负载级的设计

3．5．4 输出缓冲级的设计

第4章 下变频器的后端设计及测试

4．1 集成电路版图设计要点

4．1．1 版图的对称性

4．1．2 信号干扰

4．1．3 寄生参数

4．1．4 闩锁效应

4．1．5 天线效应

4．2 下变频器的版图设计

4．3 下变频器的后仿真结果

4．4 下变频器的测试与分析

4．4．1 芯片照片和芯片引脚说明

4．4．2 测试仪器说明

4．4．3 直流工作点以及输入输出阻抗测试

4．4．4 线损测试

4．4．5 功率增益到电压增益的换算

4．4．6 瞬态测试

4．4．7 隔离度测试

4．4．8 电压增益测试

4．4．9 噪声系数测试

4．4．10 输入三阶截点测试

4．4．11 下变频器测试结果总结与分析

第5章 复数带通滤波器的前端设计

5．1 引言

5．2 滤波器结构的选择

5．3 滤波器调谐电路的选择

5．3．1 使用开关电容电路调整滤波器

5．3．2 使用锁相环调整滤波器

5．4 Gm-C复数带通滤波器的系统级设计

5．4．1 无源低通原型的生成

5．4．2 有源器件替代无源器件

5．4．3 滤波器低通到带通的转换

5．4．4 输出缓冲电路

5．4．5 复数带通滤波器的生成

5．5 跨导单元电路的设计

5．5．1 跨导单元的工作原理

5．5．2 跨导单元的Q值调谐原理

5．6 自动调谐电路的设计

5．6．1 压控振荡器(VCO)

5．6．2 缓冲单元

5．6．3 数字鉴频器单元(DFD)

5．6．4 数模转换器(DAC)

5．6．5 电压跟随器单元(V_Follower)

5．6．6 电压／电流转换器

第6章 复数带通滤波器的后端设计及测试

6．1 复数带通滤波器的版图设计

6．2 复数带通滤波器的后仿真结果

6．3 复数带通滤波器的测试与分析

6．3．1 芯片照片和芯片引脚说明

6．3．2 测试仪器说明

6．3．3 直流工作点及输出阻抗测试

6．3．4 线损测试

6．3．5 S参数测试

6．3．6 输入1dB压缩点测试

6．3．7 复数带通虑波器的测试结果总结与分析

第7章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文