用于OFDM UWB系统中的中频滤波器和可变增益放大器的研究设计

摘要

超宽带(Ultra-WideBand,UWB)无线通信技术是一种高数据率、低功耗的短距离无线通信技术,近年来成为国内外研究的热点之一。它可以实现最高480Mb/s,最低110Mb/s的数据率,是无线个人局域网(WirelessPersonalAreaNetworkWPAN)的解决方案之一。随着CMOS工艺的发展,采用全CMOS工艺实现的单片集成射频前端成为一种趋势,可以满足射频芯片低成本和高性能的要求。
　　 本论文研究并设计了应用于UWB射频接收机中的CMOS中频滤波器(Filter)和可变增益放大器(VariableGainAmplifier,VGA)。滤波器采用Gm-C双二次结构实现,VGA采用跨导增强型源极负反馈结构实现。芯片采用Jazz0.18μm射频工艺实现,后仿真结果表明,Filter-VGA链路的各项性能指标能够达到UWB接收系统的要求。
　　 论文首先从系统角度给出了本Filter-VGA的设计指标。从MB-OFDMUWB系统指标出发,详细推导了UWB系统Filter-VGA的线性度和噪声系数要求。接着论文讨论了常用的滤波器和VGA结构,分析了各种结构的优缺点,确定了应用于UWB系统的中频滤波器和VGA的结构选取。
　　 然后,按照设计滤波器的一般流程,设计了一个5阶切比雪夫近似的Gm-C滤波器。Gm-C滤波器线性度受跨导放大器(OutputTransconductanceAmplifier,OTA)的限制,设计中OTA采用了伪差分结构实现,详细分析了伪差分结构OTA的工作原理和线性度。采用此OTA设计了双二次Gm-C低通滤波器单元,并分析了OTA的非理想因素对滤波器转折频率和品质因数的影响。最后通过一阶无源滤波器和两级双二次Gm-C低通滤波器实现了应用于UWB系统的中频滤波器。
　　 在VGA的设计中,主要介绍了提高VGA带宽的方法和增益控制的方法。由于开环应用的VGA可以实现高带宽,但是线性度较差,文章对跨导增强型源极负反馈VGA的线性度做了详尽的分析和设计。为了抑制直流失调,使得电路稳定工作,在Filter-VGA链路中加入了直流失调校准(DCOC)电路,它采用直流负反馈的原理工作,有效的降低了链路的直流增益,降低了直流失调。
　　 文章中还分析了数字控制电容阵列(DCCA)、自动调谐(Auto-Tuning)电路以调整工艺偏差对Filter-VGA系统转折频率的影响。流片中采用三线控制的DCCA阵列,对自动调谐电路进行了理论分析并进行后仿真,仿真结果表明其能够正常工作。