电力线通信CMOS模拟前端接收器关键技术研究

摘要

电力线通信（PLC）技术可利用已有的电力线网络来传输数据，从而提供了各种低成本通信介质。由于不需要专用通信线路，PLC技术大幅度降低了系统成本，相比于其他通信方式，更快捷方便。然而，由于电力线通信技术中信道噪声较大，阻抗匹配特性差，从而导致通信环境严苛。为了满足通信标准，需要设计高稳健架构确保数据传输的可靠性和精度。其中接收端（Receiver）和模数转换器(ADC)作为关键模块，需要合理优化设计。
　　本研究提出了一种高动态范围、高带宽的模拟前端接收器，它由4阶R-2R的衰减网络、一个增益可编程的低噪声放大器、一个截止频率为100MHz的四阶低通滤波器和一个可编程增益放大器组成。其中衰减网络衰减步长为6.02dB，控制函数以dB为单位呈线性变化，从直流到100MHz交流信号的幅度响应误差在?0.5dB之内。低噪声放大器采用全差动差分结构运放，相比于传统差分结构运放减小了反馈电阻热噪声，并采用AB类输出级，提高电流驱动效率。低通滤波器设计为数字开关控制电容阵列的带宽修调方式，实现-80dB/10倍频的衰减速度。可编程增益放大器采用数字码控制反馈电阻网络实现增益变化，实现0dB到15dB，增益步长为3dB的增益变化范围。采用SMIC0.18μm CMOS工艺，3.3V电源电压设计电路，并完成版图设计，后仿真结果显示，该接收端可以实现3dB带宽大于100MHz，dB线性的增益范围-18-33dB，最大增益误差为0.5dB。在功率5dBm，7MHz单频率信号输入时，3次谐波失真为-83dB。其中低噪声放大器的输入等效噪声为1.6nV/√Hz。作为接收端将模拟信号转换为数字信号流的模块，SAR ADC起着桥梁作用，它的精度与速度决定了通信的质量与快慢。分析了传统的非二进制冗余校准算法和二进制补偿电容校准算法的优缺点，结合分段电容阵列结构，采用二进制电容权重重组技术和IMCS开关时序以及异步控制逻辑，并基于低噪声动态放大器、以及数字逻辑实现的校准算法设计了一种12位125MS/s的逐次逼近型模数转换器，在功耗面积方面性能优良。基于TSMC65nm1.2V CMOS工艺，完成了整个电路的后仿真，在125MHz采样速度下，DNL峰值在-0.38LSB和0.23LSB之间，INL峰值在-0.43LSB和0.42LSB之间，当输入为10.09MHz正弦信号时，SNDR为72.3dB，SFDR为84.1dB，有效位数达到11.72位。该SAR芯片面积为400μm×390μm，整体功耗为5mW，相应的功耗优值为12fJ/conv。

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第一章 绪论

1.1电力线通信

1.2用于电力线通信的CMOS模拟前端

1.3国内外研究现状

1.4论文安排

第二章 噪声和滤波以及ADC综述

2.1噪声

2.2滤波理论

2.3 SAR ADC

2.4本章小结

第三章 高动态范围低噪声模拟前端的设计

3.1模拟前端接收器

3.2衰减网络

3.3可编程增益的低噪声放大器

3.4四阶多反馈低通滤波器的设计

3.5可编程增益放大器

3.6试验结果分析

3.7本章小结

第四章 采用二进制电容权重重组冗余校准技术的12 bit 125MS/s SAR

4.1高精度高速SAR的发展

4.2校准算法分类

4.3开关电容时序以及主从电容阵列

4.4 SAR 模块设计

4.5仿真结果与分析

4.6本章小结

第五章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

致谢

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