（电路与系统专业论文）若干超宽带芯片电路和音频sigmadelta调制器的设计.pdf

摘要 摘要 超宽带( u i t r aw i d eb a n d ，u w b ) 通信系统是一种占用很高带宽的新型短距离 通信系统。其中一种方案是脉冲无线电超宽带( i m p u l s er a d i ou l t r aw i d eb a n d ， i r - u w b ) 通信系统，采用具有几个o h z 瞬时工作带宽的无载波极窄时域脉冲作为信 息传输载体。本文采用0 1 8 微米中芯国际c m o s 工艺上设计了用于此系统的以下几 个电路模块： 1 设计了一个用于超宽带系统零中频接收机的v o a 。传统v g a 中通过调节主放 大管和栅漏短接的负载管的电流来实现增益的变化，但这种电路结构在较低增益 模式时的线性度不理想，无法满足本系统要求。本文设计了一种新型v g a 电路结 构，通过负反馈来控制放大管漏极电压来调节增益，在增益为0 d b 至u 4 5 d b 的范围 内，v g a 输出经过源随b u f f e r 后的i d b 压缩点输出功率均可以达至j o d b m ，满足接收 机应用要求。 2 本文中的带隙基准及相关电路是为超宽带通信系统芯片提供电压基准、电 流基准以及各电流源。文中带隙基准及相关电路需要在较宽的电源电压范围 ( 2 2 v - 3 5 v ) 内，提供精确的电压基准和电流源。同时需消耗尽量少的芯片管 脚( p a d s ) 。本文中的带隙基准电路，使用了曲率补偿、各类电流镜，并尝试了 一种新的修剪方法。 3 设计了一款单芯片集成极窄微弱脉冲检测系统，该芯片包括输入匹配、放 大器、比较器、脉冲展宽器、驱动。为提高检测系统灵敏度，文章采用了多级放 火器级联以及有源电感。测试表明该芯片可以检测i n s 脉宽1 0 m v 的脉冲，输出数 宁信号，应用于o o k 系统接收机，接收超过4 0 m 数据率的清晰视频。 4 设计了一个应用于超宽带系统、工作在3 5 6 1 1 z 频段、采用线性相位滤波器 模型的差分功率放大器。为了获得足够的线性度和效率，本功放工作在a b 类区， 输入1 d b 压缩点为- 0 5 d b m ，输出i d b 压缩点功率为8 5 d b m 。在3 5 g 赫兹内，实现 了9 1i 0 3 9 d b 的平坦增益，群延时波动在8 p 秒。 s i g m a d e l t aa d c 属于现代控制论在电路领域的应用，理论成熟于2 0 世纪 8 0 9 0 年代。随着标准c m o s 工艺的不断进步，s i g m a d e l t aa d c 在高分辨率、 非高速( i m 赫兹以内) 领域已经基本取代传统a d c 。本文采用了4 阶前馈型结 构，应用0 1 8 微米中芯国际c m o s 工艺，设计一个应用于音频s i g m a d e l t a 调 制器，仿真表明当输入9 4 k 信号时，过采样率为1 2 8 时，其信噪比最高可达 9 9 d b ，功耗约为i m w 。 火键词： 超宽带功率放大器可变增益放大器带隙基准脉冲检测s i g m a - d e l t a 调制器 a bs t r a c t u l t r a w i d e b a n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi san e w p e r s o na r e ac o m m t m i c a t i o n s y s t e mw h i c hh a sav e r yh i g hb a n d w i d t ho c c u p a t i o n o n eo ft h es o l u t i o n sf o rt h i sk i n d o fs y s t e mi st h ei r u w bs y s t e m ，w h i c hu s e sv e r yn a r r o wp u l s e sa st h ei n f o r m a t i o n c a r r i e r t h i sp a p e r p r o v i d e st h ed e s i g no fs e v e r a lc i r c u i tb l o c k su s e di nt h i si r u w b s y s t e mi n0 。l8 u ms m i cc o m st e c h n o l o g y ，a sf o l l o w s ： 1 an e wv a r i a b l eg a i na m p l i f i e r ( v g a ) d e s i g n e df o raz e r o i fr e c e i v e ri ni 脚 s y s t e m ，i sp r e s e n t e d t h et r a d i t i o n a lv g a r e a l i z e st h ev a r i a b l eg a i nb ya d j u s t i n gt h e c u r r e n ti nt h em a i na m p l i f i e r sm o s f e ta n dt h ed i o d e c o n n e c t e dl o a dt r a n s i s t o r s h o w e v e r ，d u et oi t si n h e r e n tp r i n c i p l e ，i t sl i n e a r i t yi sb a da tt h el o w g a i nm o d e ，a n d c a n n o tm e e t st h er e q u i r e m e n to fo u r s y s t e m t h en e wv g ai nt h i sp a p e rc a np r o v i d e ao u p u tld bc o m p r e s s i o no u t p u tp o w e ro f0 d b ma f t e rt h es o u r c ef o l l o w e rb u f f e r ，i n a l lt h eg i a nm o d eb e t t w e e n0 d ba n d4 5 d b ，a n dc a nm e e tt h er e q u i r e m e n to fr e c e i v e r 2 。as u b 一1 一p p m * cl a r g e s u p p l y r a n g e ( 2 。2 v - 3 5 v ) c m o sb a n d g a p v o l t a g e r e f e r e n c ea n dan e wt r i m m i n gm e t h o da r ep r e s e n t e d t h ep r o p o s e db a n d g a pc i r c u i t ， i m p l e m e n t e d i n0 18 r t ms m i ct e c h n o l o g y , c a l lp r o v i d ev o l t a g er e f e r e n c e s ：0 一1 2 v w i t hat co f0 8 p p m * ca n d1 2 v - 1 5 vw i t hat co fb e l o w0 9 6 p p m 。c ，i nt h er a n g e f r o m 一4 0 t o10 5 i ta l s oc a np r o v i d ec u r r e n tw i t hg o o dt c 1 i m i t e dt ot h ee x t e r n a l r e s i s t o ru s e di nt h ev o l t a g e t o c u r r e n tc o n v e r r t e nt h et r i m m i n gc i r c u i tc a np r o v i d e16 l e v e l s ，w h i l en e e d i n go n l yo n ea d d i t i o n a lp a d 3 t h i sp a p e rr e a l i z e sa ni n t e g r a t e dv e r y 】a a r r o ww e a kp u l s ed e t e c t i o ns y s t e mb y u s i n g0 18 u mc m o st e c h n o l o g y t h ec h i pi n c l u d e si n p u tm a t c h i n g ，a m p l i f i e r s ， c o m p a r a t o r , d e l a y e r , d r i v e ra n db a n d g a pr e f e r e n c e t oi m p r o v es e n s i t i v i t yo ft h e d e t e c t i o ns y s t e m ，t h ep a p e ra d o p t sm u l t i s t a g ec a s c a d e da m p l i f i e r sa sw e l la sa c t i v e i n d u c t o r s t e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ec h i pc a nd e t e c tln slo m v p u l s e s ，a n de x p o r t d i g i t a ls i g n a l s ，w h i c hc a nb eu s e di no o ks y s t e mr e c e i v e r , r e c e i v i n gm o r et h a n4 0 m d a t a r a t ev i d e o 4 i nt h i sp a p e r , ad i f f e r e n t i a lp o w e ra m p l i f i e r ( p a ) ，d e s i g n e du s i n gl i n e a r - p h a s e f i l t e rm o d e l ，f o rab p s km o d u l a t e du l t r a w i d e b a n d ( u w b ) s y s t e mo p e r a t i n gi nt h e 3 5 g h zf r e q u e n c yr a n g ei sp r e s e n t e d t oa c h i e v es u f f i c i e n tl i n e a r i t ya n de f f i c i e n c y , t h i sp a o p e r a t e si nt h ec l a s s a br e g i o n ，d e l i v e r i n ga no u t p u tp o w e ro f8 5 d b ma ta n i n p u tld bc o m p r e s s i o np o i n to f 一0 5 d b mf o ra 4g h z s i g n a l i tr e a l i z e sa f l a tg a i no f m a b s t r a c t 9 1 l 士o 3 9 d ba n dav e r yl o wg r o u pd e l a yr i p p l eo f + 8 p sa c r o s st h ew h o l eb a n do f o p e r a t i o n s i g m a d e l t aa d c sb i r t hi sd u et ot h eu s i n go f t h et h e o r yo f m o d e m a u t o c o n t r o l i nt h ec i r c u i td e s i g n i n gr e g i o n i t sb a s i ct h e o r yc a m et om a t u r i t yi n19 8 0 - 1 9 9 0 w i t h t h ed e v e l o p m e n to fc m o st e c h n o l o g y ，s i g m a - d e l t aa d ch a sr e p l a c e do t h e r k i n d so f a d c si nt h eh i g h r e s o l u t i o nl o wr a t er e g i o n t h i sp a p e rd e s i g n sa na u d i os i g m a d e l t a m o d u l a t o r ，a d o p t i n gaf o r t h o r d e rf o r w a r df e e dc o n s t r u c t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h eh i g h e s ts n rc a nb ea c h i e v e dw h e na9 4 k h zs i n ew a v ei sa p p l i e dt ot h e m o d u l a t o ri s9 9 d b t h et o t a lp o w e rc o n s u m p t i o ni sa b o u tim w k e yw o r d s ：u w b ，p a ，v g a ，b a n d g a p ，p u l s ed e t e c t o r ，s i g m a d e l t a i v 图表目录 图表目录 图2 1 4 含d s p a i i 数据转化器的现代信号处理系统7 图2 2s i g m a - d e l t aa d c 框图8 图2 3 一个一阶s i g m a d e l t a 调制器输入正弦波、输出1 、一1 切换的波形8 罔2 4 一阶s i g m a d e l t a 原理图：a 为结构图，b 为时域图，c 为z 域图9 图2 5s i m u l i n k f + 境下4 阶前馈型调制器1 0 图2 6 阶前馈型凋制器的功率谱密度1 0 图2 7 折叠犁共源共栅放大器1 1 图2 8a b 类电流型放大器1 2 图2 9 折叠型共源共栅放大器的增益、相位图1 2 图2 1 0a b 类电流型放大器的增益、相位图1 3 冈2 1 l 曲种放大器的摆率( s r ) 仿真波形1 3 冈2 1 2 两种放大器的输出幅度仿真波形1 3 图2 1 3 丌关电容共模反馈1 4 图2 1 4 移 分器原理图1 4 图2 1 5 系数为1 2 的积分器仿真波形1 4 图2 1 6 蕈化器1 5 图2 1 7 自举开关电路图1 5 图2 1 8 自举电路仿真波形，下曲线为输入信号，上部曲线轮廓为m l 栅极在通过信号 利的i l i j 玉1 6 网2 1 94 阶单比特前馈型调制器1 6 陶2 2 0 输入9 4 k h z ，- 6 d b f s 正弦信号时功率谱密度仿真波形1 7 图3 1 超宽带系统零中频接收机2 0 图3 2v g a 电路结构图2 1 幽3 3v g a 核心放大器2 1 图3 4 序图为有源电感电路图，右图为其小信号等效电路- 2 3 图3 5 宽带放大器电路图2 3 罔3 6m i x e r 与v g a 级联放大器2 4 罔3 7v g a 整体电路版图2 5 图3 8z = 1 2 时，v g a 的s 参数及线性度仿真波形2 6 图3 9z = 0 9 时，v g a 的s 参数及线性度仿真波形2 6 图3 1 0z = 0 8 时，v g a 的s 参数及线性度仿真波形2 6 图3 1 lz = 0 7 时，v g a 的s 参数及线性度仿真波形2 7 图3 1 2z = 0 6 时，v g a 的s 参数及线性度仿真波形2 7 网3 1 3z = 0 4 时，v g a 的s 参数及线性度仿真波形2 7 图3 1 4v g a 环路反馈示意图2 8 陶3 1 5v g a ( t - ：b u f f e r 前的a c 增益仿真图2 8 图4 1 带隙基准核心电路及启动电路3 1 图4 2 电压源转电流源模块及电流镜3 2 图表目录 图4 3 两级运放电路图3 3 图4 4 带隙基准输出电压随电源电压及温度变化仿真波形图3 5 图4 5 带隙基准启动特性仿真3 6 图4 6 带隙基准电路的芯片照片一3 7 图4 7 使用4 比特模数转化的修剪电路3 7 图4 84 比特模数转化器3 8 图4 9 带修剪电路的和线性稳压器的带隙基准电路3 9 图5 1 超宽带无线通信o o k 接收通道框图4 l 图5 2 单片极窄微弱脉冲检测电路结构图一4 2 图5 3 共栅放大器a l 4 3 图5 4 前置放大器4 3 图5 5 使用有源电感的放大器a 3 4 4 图5 6a 为有源电感结构图b 为a 图的小信号等效电路图一4 5 图5 7 本系统前四级模块的电路总增益4 6 图5 8 本系统各级瞬态波形：4 6 图5 9 本系统芯片照片4 7 图6 1 超宽带发射机的功能模块5 0 图6 2 本文提出的超宽带功率放大器电路图5 0 图6 3 线性相位滤波器网络5l 图6 4 ( a ) 简化的功率放大器电路( b ) a 图的小信号模型5 3 图6 5 线性相位滤波器模型宽带功率放大器部分版图5 4 图6 6 线性相位滤波器模型宽带功率放大器芯片照片5 5 图6 7 参数仿真图和l d b 压缩点仿真图5 6 图6 8 群延时仿真图5 6 图6 9 上图为功放的输入信号，中图为单端输出信号，下图为差分输出信号5 7 图6 1 0 功率放大器的s 参数测试图5 7 图6 1 4 高增益超宽带功率放大器的s 参数仿真图6 0 图6 1 5 高增益超宽带功率放大器的线性度仿真图6 0 图6 1 6 一个具有更大带宽的放大器6 l 图6 1 7 大带宽放大器的s 参数仿真图6 2 表1 1w b 与其它3 种短距离无线通信的相关比较2 表3 1v g a 核心放大器元件参数2 l 表4 1 带隙基准核心电路及启动电路所选取元件参数值3 0 表4 2 嵌位运放电路所选取元件参数值3 2 表4 3 两级运放仿真结果参数3 4 表5 1a l 主要元件参数4 l 表5 2a 2 主要元件参数4 2 表5 3 宽带放大器m o s 管参数表4 4 表6 1 超宽带功率放大器性能总结和比较5 5 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工 作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对 本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：薛址签字日期：一2 丑必一 一一 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科 学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。 萎薹耋一导师签名：二兰跹 作者签名： 殛丝 导师签名：懿 签字日期：皇! ! ! ：! ，l 签字日期：竺! ! ：三13 】 第l 章绪论 第1 章绪论 本章首先简要介绍了超宽带u w b 通信技术的历史、现状及其特点，然后归纳 7 u w b 通信系统发射机中功率放大器、b p s k 接收机中可变增益放大器、电压与电 流基准年u o o k 接收机中脉冲检测电路的应用和研究进展。接着对s i g m a - d e l t aa d c 的发展、现状做了简要的介绍，归纳了音频s i g m a - d e l t a 调制器的应用和研究进 展。从而说明了本文研究工作的重要性与意义。本章的最后部分对论文的主要工 作进行了简要介绍，并给出了本文的章节安排。 1 1u w b 技术的历史、现状以及技术特点 自从马可尼发明了利用电磁波进行通信的这种技术1 0 0 多年以来，世界上的 无线通信技术发展日新月异，取得了长足的进步。无线通信已经进入了人们日常 生活中的各个方面。从远距离的商业会议、手机3 g 视频业务到室内的无线网络覆 盖，无线通讯时时刻刻展现着其举足轻重的地位，大大便利了人们的日常生活。 社会的进步让人们对无线通讯的要求也越来越高，已经不仅仅局限于文字收发和 语音通话，例如大文件的高速下载以及高清影片的在线观看等，这些应用对数据 传输速率提出了更高的要求。所以，各种制式下的高速无线通信方案、系统应运 而生，并得到了广泛的关注和研究。在这些技术当中，超宽带u w b 技术在短距离 通信内受到了越来越多的关注，展现出越来越重大的作用。 u w b 俗称脉冲无线电，这种技术最初是被美国作为军用雷达技术开发的，早 期主要应用于雷达技术领域。世界上第一台基于u w b 技术的军用雷达于1 9 7 4 年生 产。 u w b 通信方案足一种短距离的无线通信方式，它的有效信号的传输距离通常 在l o m 以内，占用1 g h z 以上的带宽，数据传输速度可以高达每秒几百m l l 特。u w b 系统不采用载波，而是直接利用纳秒级的非正弦波的窄脉冲( 一般为高斯窄脉 冲) ，进行数据传输、编码、解码直至进行数字处理。因此，其所占的频谱范围 很宽，适用于高速、近距离的无线个人领域或室内通信。美国的联邦通信委员会 ( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o nc o m m i t t e e ，f c c ) 规定，u w b 的工作频段范围划分为从 3 1 g h z 至01 0 6 g h z ，最小工作频宽为5 0 0 m h z 。具体技术指标的规定为一l o d b 相对带 宽大于2 0 ，或者- l o d b 绝对带宽大于5 0 0 m h z ( f c ce l d o c k e t ，2 0 0 2 ) 。 由于u w b 发射的载波功率比较小，频率范围很广，达到几个g h z ，所以u w b 通 信市d x , j 于传统的无线电波而言，功率强度很小，相当于噪声，而且和传统的无线 第1 章绪论 通信的重合频度较少，因此对传统的无线电波影响相当小。 传统的短距离无线通信技术标准主要包括i e e e s 0 2 1 l a ，蓝牙技术，以及 h o m e r f 。u w b 与这三种无线通信技术标准的比较如下： 表1 1w b 与其它3 种短距离无线通信的相关比较 i e e e s 0 2 1l a蓝牙h o 脯r f u w b 一一 传输速率5 4 m b it t s小于i m b i t l s1 、l o m b i t s5 0 0 m b i t s 通信距离1 0 l o o m1 0 m ，5 0 m 1 w1 4 1 0 0 1 n w l w 1 m 臀 家庭语音与数 应用范围 无线局域网 家庭与办公设备近距离多媒体 据流 美同电 l 电了t 程荚豳家蹦秀孛频蚕美国联邦遴信 推出组织爱立信 师协会( i e e e )员会 委员会 在国内的u w b 通信系统研究方面，国家于2 0 0 1 年9 月初发布了“十五”8 6 3 计划 通信技术主题研究项目，其中首次把超宽带无线通信关键技术及其共存与兼容技 术作为了无线通信共性技术与创新技术的研究内容。而且近来国内的一些科研院 所和高校对u w b 通信技术的研究已经取得了一定的研究成果，其中特别是中国科 技大学，东南大学，清华大学等几个高校，在这个方面已经完成了实验系统的开 发并通过了验收。同时国际上各大公司也于近年来纷纷推出了相应的研究成果， 其中包括因特尔，索尼和英飞凌等著名公司。 由于u w b 独特的时域和频域特性，使得它具有以下几个的特点： 1 具有高速的数据传输能力：u w b 以非常宽的频率带宽来换取高速的数据传 输能力，在l o m 的传输范围内，信号传输速率可达每秒5 0 0 兆比特。它的理论基础 是信息论中著名的香农公式： c = b l o g ( 1 + 旁 ( 1 - 1 ) 上式中，c 代表了信道容量，b 代表了信道带宽，s 代表了信号的功率，n 代表 了噪声的平均功率，s n 代表了信噪比。由该公式可见，为了拓展信道的容量， 可以从增加信道的带宽b ，加大信号的功率s 或者降低噪声的平均功率n 这- 个方 面入手。由于u w b 的信道带宽b 可达1 g h z 以上，所以既可以降低系统对信噪比的要 求，又增加了信道的容量； 2 功耗较低：u w b 系统使用间歇性的脉冲来传输数据，脉冲持续的时间很短， 所以其系统的平均功耗很低。 3 具有较强的保密性：由于u w b 通信的带宽很高，达到1 g h z 以上，因此其信 号的总能量散布在极宽的频带范围内，远距离的功率谱密度低于自然的电子噪 声，因此在使用范围外对其脉冲的检测将相当困难： 4 具有较强的抗多径能力：多径衰落是指反射波和直射波叠加后造成的接 收点的信号幅度随机变化，而u w b 系统单个脉冲发射时问很短，在脉冲反射波到 第1 章绪论 达之前，直射波的发射和接收已经完成。所以，u w b 系统适合于高速移动环境下 使用。 1 2 宽带可变增益放大器概述 在无线通信系统中，由于发射机或者接收机往往是可以移动的，二者的距 离的变化再加上通信信道以及外界噪声都可能是时变的，这些因素会造成接收机 输入信号的时强时弱，幅值变化范围可达几十个d b 。为了不失真的接收信号，接 收机通常需要可变增益放大器v g a 来调节增益。 当接收机接受到的信号较弱时，v g a i 作于高增益的模式；接收机信号较强 时，v g a 需要工作于低增益的模式，否则信号严重失真的同时干扰性杂波以高增 益放大，恶化信噪比。 理想的v g a 是在输入信号变化范围内，通过调节不同的增益模式，都能在线 性范围内工作、无失真地把输入信号放大为一个幅值大致恒定、下一级模块a d c 需要的波形。 随着电子技术的不断发展，无线通信宽带化非常明显。宽带v g a 最近几年在 闱外得到了很大的研究和发展。文献 1 采用0 5 微米c m o s i 艺，通过采用伪指 数逼近法，设计了最高带宽为1 5 0 m 赫兹，增益动态范围为1 5 d b 的v g a 。文献 2 采用0 2 5 微米工艺，通过高频补偿，提高了带宽，采用了4 级放大器级联的结构， 实现的最高带宽为3 8 0 m 赫兹，增益动态范围为8 0 d b 的可变增益放大器。但有一些 文献虽然表明有很大的工作动态范围，但其相应的较低增益模式的i d b 压缩点很 低，此时v g a 只能输出很小幅度的不失真波形，可以说这些不能在线性放大工作 范围内输出足够幅度波形的增益模式或者动态范围是没有任何意义的。增益动态 范围只有和线性度指标结合分析才有意义。虽然增益在仿真和测试时，均可以加 入很小的信号，而得出结果，但这个增益只有在等于或接近在加入足够大幅值( 真 实系统工作时需要的幅度大小) 信号时得出的增益时才有现实使用价值。 1 3 带隙基准电压源及电流源概述 随着c m o s 半导体工艺制造技术的不断进步，近年来c m o s 模拟集成电路设计技 术得到了空前的发展，各种类型通信电子产品和消费电子产品在人们的日常生活 中变得越来越普及，并且具有了广泛的市场潜力和持续的增长动力。随着便携式 的电子产品的日益使用，消费者总是希望每一代新产品都具有较小体积、新型功 能、和更长的1 作时间，解决这个难题的一个有效方法就是依托先进的工艺制造 技术，采用更小尺寸的集成电路设计技术来设计小而高效的c m o s 器件，以实现集 第1 章绪论 成电路- 心1 4 门i 的高集成度和低功耗的性能。 基准参考源为各种电路系统提供精确、稳定的基准参考量，并作为了模拟集 成电路的一个标准的基本模块被广泛应用在多种电路和系统中，例如模数转换器 ( a dc o n v e r t e r ) 、数模转换器( d ac o n v e r t e r ) 、振荡器( o s c ) 、锁相环 ( p l l ) 和电源管理类芯片等。实际上，大多数数字电路、模拟电路和数模混合 电路，都需要基准参考源。基准参考源的形式或是电流，或是电压，或是频率等 形式。如果基准参考源的性能设计得不够理想，那么电路或系统的性能就会受到 很大影响，甚至不能正确地、有效地完成预定的功能。 本文中的带隙基准及相关电路是为超宽带通信系统芯片提供电压基准、电流 基准以及各电流源。超宽带通信系统芯片定义为电池供电，所以本文中带隙基准 及相关电路需要在较宽的电源电压范围( 2 2 v 一3 5 v ) 内，提供精确的电压基准 和电流源。同时需消耗尽量少的芯片管脚。本文中的带隙基准电路使用中芯国际 0 1 8 微米工艺制造，使用了曲率补偿、各类电流镜，并尝试了一种新的修剪方法。 1 4 极窄微弱脉冲检测电路概述 随着大规模集成电路的发展，单芯片方案由于成本低、体积小、功耗低等优 点，使得越来越多的电子系统采用单芯片方案。微弱脉冲信号检测和识别在通信、 医疗中都有广泛应用，将微弱脉冲信号检测系统单芯片化具有现实的研究意义。 本文中极窄微弱脉冲检测电路时应用于超宽带无线通信o o k 接收通带中，该 系统的设计目标是用低成本c m o s 工艺实现根据需要可调的脉宽为l 纳秒至5 纳秒、 幅值为1 0 毫伏至3 0 0 毫伏的单端或差分脉冲信号的检测，并输出f p g a 可处理的数 字信号，同时滤掉幅度值较小的杂波和噪声。 1 5 宽带功率放大器概述 射频功率放大器的主要功能是放大接受到的射频信号，并且以高效率输m 大 功率射频信号为目的，主要应用于各种无线通信的发射机中。射频功率放大器输 出功率的范围，可以4 , n 便携式系统发射机的毫瓦级，大至无线电广播电台的几 十千瓦级。对射频信号的功率放大，其实质是在输入的射频信号的控制卜将电源 的功率转换成高频功率，所以除要求射频功率放大器产生符合要求的高频功率 外，还要求要具有尽可能高的转换效率。 功率放大器一般分为线性放大器和非线性放大器两类，a 类放大器属于线性 放大器，在其整个工作周期里，功率管都是导通的，有最好的线性度，但是其功 率管自身消耗的功率也最多，所以功率转换效率最差。由此演变出a b 类、b 类和c 4 第l 章绪论 类3 种放大器，这3 种类型放大器的共同特点是功率管在整个工作周期内并不是一 直导通，从而降低了管子本身消耗的功率，提高了功率转换的效率，但是线性度 也受到了影响，这3 类也属于线性放大器。此外，为了提高工作效率，还有工作 在开关状态的功率放大器，如d 类、e 类、f 类等。由于其工作原理的特点，开关 类功率放大器适合于窄带、高效率通信系统。本文中的功率放大器要用到u w b 通 信系统，带宽为3 g 赫兹到5 g 赫兹，无法使用这类高效率功率放大器，最终使用了 a b 类放大器。 应用于超宽带系统中的功率放大器必须可以提供2 g 赫兹的带宽、足够的线性 度，同时要消耗较低的功耗以及芯片面积。同时在以b p s k 方式调制的超宽带系统 中，要求具有较为平坦的群延时。 虽然锗硅工艺和砷化镓工艺对于宽带功率放大器更为适合，但其成本较高， 本文中功率放大器要运用于低成本的超宽带片上系统中，所以只能采用标准c m o s 工艺。 1 6s i g m a d e l t a 调制器概述 在各种原理的h d c 中，s i g m a - d e l t aa d c 通过使用过采样噪声整形的手段把大 部分信号带宽内的量化噪声转移到带外并通过数字滤波器滤除掉，因而对器件精 度以及模拟滤波器等模拟模块的共艺与设计要求都较低，可有效利用现代标准集 成电路技术加以实现。尤其在例如音频类和测量类a d c 的应用中，对于模数转换 的低速高精度要求使得s i g m a d e l t aa d c 结构成为首选。为延长便携式的电子产 d 6 的使用时间，a d c 在低压低功耗性能在此类产品应用中至为重要。 作为一种独特的模拟电路设计技术，s i g m a d e l t a 调制器的设计在过去的二 l 一年问获得了长足的发展，逐渐成为了高精度模数转换设计中重要的分支之一。 相对来说，在国外无论是工业界还是学术界，对于s i g m a d e l t a 调制器的研究都 已经逐渐成熟，特别是对于其基本理论和性能的分析都有了相当程度的积累。然 而，s i g m a - d e l t a 调制器理论的研究并未因此而停滞不前，其应用领域也得到不 断的拓展。综合看来，大体可以分为以下两个方面：l 、连续时间类型s i g m a d e l t a 调制器在无线通信方面的应用 3 4 5 ；2 、采用多比特量化器的s i g a m - d e l t a 调制器 6 ，应用数字技术来对调制器非线性因素进行校正。目前广泛应用于， 包括心脏诊断，血液分析，麦克风，录音机，精确工业控制，地震检测等等，应 用于g s m 、g p s 等的连续型s i g m a - d e l t a 也出现在文献中。由此可见，s i g m a - d e l t a 调制理论目前还是模拟集成电路设计研究的活跃领域，并随着工艺技术的进步不 断向前发展壮大。 第1 章绪论 1 7 本文的主要工作内容及章节安排 第一章( 本章) 首先对u w b 通信技术的历史、现状以及系统特征做了简要介 绍，对宽带功率放大器、可变增益放大器( v g a ) 、带隙基准电压源和电流源、 极窄微弱脉冲检测电路$ 1 s i g m a - d e l t a 调制器做了综述，最后对论文的工作做了 简要介绍。 第二章设计了一个单比特量化器4 阶s i g m a - d e l t a 调制器。首先用m a t l a b s i m u l i n k 对4 阶前馈型s i g m a - d e l t a 调制器做了行为级仿真，再将其各个模块如： 运放、积分器、量化器、自举型开关、时钟电路进行设计、仿真，最后将整个调 制器进行电路级仿真，并给出了仿真结果。 第三章设计了一个用于超宽带系统零中频接收机的v g a 。传统v g a 中通过调节 主放大管和栅漏短接的负载管的电流来实现增益的变化，但这种电路结构由于其 本身的电路特点决定了其较低增益模式时的线性度不理想，无法满足本系统要 求。本章设计了一种新型v g a 核心电路结构，在增益为0 d b 到4 5 d b 的范围内，v g a 输出经过源随b u f f e r 后的l d b 压缩点输出功率均可以达至l o d b m ，可以满足接收机 应用要求。 第四章中设计的带隙基准及相关电路是为超宽带通信系统芯片提供电压基 准、电流基准以及各电流源。超宽带通信系统芯片定义为电池供电，所以本文中 带隙基准及相关电路需要在较宽的电源电压范围( 2 2 v - 3 5 v ) 内，提供精确的 电压基准和电流源。同时需消耗尽量少的芯片管脚( p a d s ) 。本文中的带隙基准 电路使用中芯国际0 1 8 微米工艺制造，使用了曲率补偿、各类电流镜，并提出了 一种新的修剪方法。 第五章中设计了一个采用0 1 8 u mc m o s 工艺的一款单芯片集成极窄微弱脉冲 检测系统，该芯片包括输入匹配、放大器、比较器、脉冲展宽器、驱动，用在u w b o o k 方案接收机中。为提高检测系统灵敏度，文章采用了多级放大器级联以及有 源电感。 第六章首先分析了超宽带系统对宽带功率放大器的要求，确定了基本结构， 然后设计了一个工作在3 5 g h z 频段、采用线性相位滤波器模型的差分功率放大 器，并给出了仿真和测试结果。该功率放大器采用0 1 8 微米s m i cc m o s i 艺制造。 为了获得足够的线性度和效率，本功放工作在a b 类区，输入i d b 压缩点为一0 5 d b m ， 输出l d b 压缩点功率为8 5 d b m 。在3 - 5 g 内，实现了9 1 1 0 3 9 d b 的平坦增益，群 延时波动在8 p 秒；最后给出了本文设计的另外两个宽带放大器的结构以及丰要 仿真结果。 第七章总结全文。 第2 章音频s i g m a d e l t a 调制器设计 第2 章音频s i g m a d e l t a 调制器设计 2 1 引言 由十数字电路良好的鲁棒性，而且可以由规模很小、结构简单的基本单元 组成非常复杂、精确和快速的系统，计算和信号处理的任务现在主要由数字电路 文现。数字集成电路的速度和密度每年都在增加，加强了数字解决方案在通信和 消费电子产品中的主导地位。由于物理世界中大部分信号都是模拟的，所以需要 模拟数字转化器a d c 与数字信号处理核心做交互。由于数字信号处理核心速度和 能力的增加，数据转化器的速度和精度也需要同时提高。图2 1 展现了一个拥有 模拟输入、输出和数字处理器的信号处理系统的框图。 模拟输入鹋p模拟赣出 图2 1 包含d s p 和数据转化器的现代信号处理系统 数据转化器( 包括a d c 和d a c ) 可以归纳为两个主要的类别：一个是那奎斯 特率转换器，另一种是过采样转换器。在大部分情况下，那奎斯特率转换器的线 性度和精度由模拟电路部分在制造过程中的匹配精度所决定，例如电阻、电流源 或者电容的匹配。n 比特的奈科斯特率a d c 需要2 个相同的量化等级，同时要求 电阻、电容或者电流源的相对匹配误差小于2 刊来保证积分非线性度i n l 小于0 5 l s b ( 最低位所表示的量的大小) 。有效比特数( e n o b ) 是1 2 位的话，则要求匹 配精度达到0 0 2 ，这在标准c m o s 工艺中，电阻、电容都很难达到 7 。 s