DRM-DAB射頻前端理論分析和芯片設計.pdf

1、數(shù)字廣播是繼模擬調(diào)幅(AM)、模擬調(diào)頻(FM)傳統(tǒng)模擬廣播之后的第三代數(shù)字信號廣播，具有抗噪聲、抗干擾、抗電波傳播衰落和適合高速移動接收等優(yōu)點。它的出現(xiàn)是廣播技術的一場革命。全球數(shù)字廣播(Digital Radio Mondiale，DRM)和數(shù)字音頻廣播(Digital Audio Broadcasting，DAB)是目前兩種發(fā)展最迅速、最有市場潛力的數(shù)字廣播標準。射頻前端是數(shù)字廣播接收機中不可或缺的部分，也是數(shù)字廣播接收機的技術瓶頸

2、。本文對能夠同時兼容數(shù)字廣播標準(DRM和DAB)和模擬廣播標準(AM和FM)的射頻前端芯片展開全面的討論和研究。
　　 首先分析DRM/DAB接收機射頻前端系統(tǒng)結構、頻率規(guī)劃和子模塊參數(shù)估算。對超外差、零中頻和低中頻等經(jīng)典接收機結構做了分析和比較。本接收機系統(tǒng)架構主要采用上邊注入、固定中頻的二次變頻低中頻結構；通過對DRM和DAB標準的分析，推導出接收機系統(tǒng)靈敏度、信噪比、噪聲系數(shù)、鏡像抑制度、線性度和本振相位噪聲等指標要求；

3、采用 Agilent ADS系統(tǒng)仿真工具對接收機子模塊電路指標進行估算，給出詳細的接收機子模塊指標。
　　 接收機第一級電路低噪聲放大器(LNA)采用噪聲抵消結構。推導出包含輸入晶體管溝道熱噪聲和閃爍噪聲的噪聲系數(shù)公式和噪聲抵消條件公式，并給出電路設計和參數(shù)計算的具體過程。該低噪聲放大器采用 SMIC0．18μm RF CMOS工藝進行流片驗證。測試結果表明：采用該技術的寬帶低噪聲放大器能夠在很寬的工作頻率范圍內(nèi)得到較低的噪聲系

4、數(shù)、良好的阻抗匹配、適當?shù)脑鲆婧洼^高線性度等特性。
　　 對接收機中寬帶正交混頻器(Mixer)電路進行了研究和設計。詳細分析吉爾伯特(Giltert)雙平衡混頻器中各個晶體管對于整個混頻器的噪聲和線性度貢獻；該混頻器采用基于差分多柵晶體管(DMGTR)結構的跨導線性化技術提高混頻器的線性度，理論推導出全差分跨導輸入級(FDT)和偽差分跨導輸入級(PDT)中跨導的二次導數(shù)的表達式，給出基于DMGTR結構的正交混頻器的線性度最優(yōu)值

5、，并給出電路設計和參數(shù)計算的具體過程。該正交混頻器采用SMIC0．18μm RF CMOS工藝進行流片驗證，測試結果表明：采用該技術的混頻器能夠在不犧牲增益、噪聲、共模抑制比和功耗等性能的情況下，大大改善混頻器的線性度等優(yōu)點。
　　 可變增益放大器(VGA)包括第一中頻寬帶VGA和第二中頻窄帶VGA。論文給出自動增益控制(AGC)控制原理和VGA的主要技術指標。VGA核心電路采用信號相加式結構，理論分析和推導基丁CMOS的信號相

6、加式VGA的增益和控制電壓的關系，同時采用工作在線性區(qū)的PMOS晶體管實現(xiàn)增益對數(shù)值與控制電壓成線性的關系，也即增益的dB線性。理論分析基于PMOS晶體管的控制電路的指數(shù)電壓轉(zhuǎn)換關系：提出一種低噪聲寬帶VGA結構，該電路采用噪聲抵消輸入級和信號相加式可變增益級級聯(lián)，采用帶共模反饋的PMOS有源負載。兩個VGA均采用SMIC0．18μm RF CMOS工藝進行流片驗證，測試結果表明：該結構VGA能夠?qū)崿F(xiàn)低噪聲和增益dB線性等特點。

7、　　 鏡像抑制混頻器是低中頻接收機中的提供鏡像抑制的不可或缺的模塊。論文分析RC多相濾波器和無源多相濾波器工作原理后，針對傳統(tǒng)基于RC多相濾波器的雙正交鏡像抑制混頻器變頻增益較低的缺點，提出一種改進型的利用源極跟隨器作為隔離單元的鏡像抑制混頻器。該鏡像抑制混頻器采用SMI(0．18μm RF CMOS工藝進行流片驗證，測試結果將表明：該鏡像抑制混頻器在較小的芯片面積內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)較低的變頻損耗，并且鏡像抑制度能夠滿足接收機指標要求。

8、>　　 信道選擇濾波器采用5階Gm-C橢圓帶通濾波器結構。論文給出常用的連續(xù)時間有源濾波器結構，分析片上自動頻率調(diào)諧的方法：基于Gm-C濾波器，分析常用跨導單元OTA的實現(xiàn)方法和特點；根據(jù)設計指標要求，給出一種5階Gm-C橢圓帶通濾波器設計方法和電路實現(xiàn)，以及采用PLL實現(xiàn)片上自動頻率調(diào)諧的方法。該信道選擇濾波器采用SMIC0．18μm RF CMOS工藝進行流片驗證，測試結果表明：該濾波器基本滿足DAB指標要求，能夠?qū)崿F(xiàn)PLL自動頻

9、率調(diào)諧功能，具有較小的芯片面積和較低的功耗。
　　 最后，對接收機系統(tǒng)做進一步研究和分析。對DRM/DAB接收機芯片進行兩次流片：第一次主要是子模塊流片，除了單個子模塊之外還包括某些模塊的整合，比如射頻前端(LNA+Mixer+VGA)以及整個頻率綜合器；第二次流片為整個系統(tǒng)的流片，包括射頻前端、模擬基帶、頻率綜合器、數(shù)字控制模塊以及功率控制電路等。介紹了射頻前端芯片的設計，詳細分析單轉(zhuǎn)雙電路(SDC)的設計和優(yōu)化；其次給出頻率