WSN射频芯片中带直流偏移消除的可编程增益放大器设计与实现

摘要

无线传感网(Wireless Sensor Networks，WSN)是一种由传感器节点组成的无线网络，它能够实时地监听、感知和采集网络中的信息，并进行发布，使人们能更好地监测网络中的情况。因此，无线传感网络在军事侦察、生物栖息环境监测、环境信息检测、农业生产、医疗健康监护、建筑与家居、工业生产控制以及商业等领域有着广泛的应用前景。开发具有我国自主知识产权的收发机芯片具有重要的研究意义。
　　 本论文研究应用于无线传感网射频收发芯片的可编程增益放大器。可编程增益放大器(PGA)位于接收机芯片中滤波器和模数转换器之间，起到稳定输出信号幅度的作用。它由多级放大器级联组成，级间采用直接耦合方式。由于工艺的非理想，各级电路的差分输出端通常会有一定的直流偏移(即差分输出直流工作点不一致)。特别是在各个模块级联后这个问题显得尤其突出，这种直流偏移将直接导致PGA饱和而不能正常工作。本文采用直流偏移消除电路来解决这一问题。PGA核心电路采用带有内置高通滤波器的运算放大器，通过可编程负反馈结构实现增益调节，对工艺角和温度具有良好的补偿特性。电路采用TSMC0.18μm RF CMOS工艺设计并流片，电源电压为1.8V，芯片测试结果表明，可编程增益范围7-31dB，增益步进1dB，最大输出电压峰峰值大于1V，功耗为1.7mA。
　　 本文设计的PGA可以应用于WSN射频芯片中。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1无线通信

1.1.1无线通信的发展历史

1.1.2无线通信系统的结构

1.2课题背景及研究现状

1.2.1课题背景

1.2.2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2章可编程增益放大器结构

2.1自动增益控制环路概述

2.2可编程增益放大器

2.2.1模拟乘法器为基础的PGA

2.2.2可编程跨导器为基础的PGA

2.2.3可编程负载为基础的PGA

2.2.4可编程反馈为基础的PGA

2.2.5可编程衰减器为基础的PGA

2.3本章小结

第3章应用于可编程增益放大器的基本子电路

3.1可编程增益放大器的选择

3.2运算放大器概述

3.2.1运算放大电路技术指标

3.2.2基本单元电路

3.3共模反馈子电路

3.4开关子电路

3.4.1单CMOS管开关

3.4.2传输门开关

3.5本章小结

第4章可编程增益放大器的设计与实现

4.1TSMC 0.18μCM OS工艺简介

4.2PGA指标分析及方案选择

4.2.1PGA电路的结构框图及性能指标

4.2.2可编程增益放大器的线性度

4.3PGA具体电路设计

4.3.1带直流偏移消除的运算放大器的设计

4.3.2反馈电阻网络的设计

4.3.3偏置电路的设计

4.4可编程放大器仿真方法及结果分析

4.4.1带直流偏移消除的运算放大器的仿真结果分析

4.4.2可编程增益单元的仿真结果分析

4.4.3可编程增益放大器整体仿真结果分析

4.5本章小结

第5章版图设计及测试结果分析

5.1PGA电路版图设计的考虑因素

5.1.1寄生参数

5.1.2线电流密度

5.1.3天线效应

5.1.4闩锁效应

5.2PGA电路版图设计

5.2.1MOS管对称性

5.2.2电阻对称性

5.3PGA电路的版图设计及仿真分析

5.4测试结果分析

5.4.1测试说明

5.4.2测试结果

5.5本章小结

第6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