（电路与系统专业论文）cmos射频接收芯片的片上低噪声电源管理系统研究与设计.pdf

浙江人学博十学位论文摘要 摘要 近年来，伴随着射频集成电路技术的发展和成熟，射频通讯产品的成本大大 降低，功能不断完善，发展速度和普及率迅速增加。然而，随着通讯技术的发展， 应用领域的拓宽和市场竞争的同益激烈，作为射频通讯产品的核心之一的射频通 讯芯片面临巨大挑战，更高程度的系统集成已成为获得更低的成本和更高的性能 的必需手段。因此，集成所需的电源管理功能已成为射频集成电路发展的一个重 要方向。 本文基于射频c m o s 工艺，研究和设计了集成于射频接收芯片内的低噪声电 源管理系统。主要完成的工作如下： 首先，结合射频接收芯片的特点和实际运用中的需求，提出了片内低噪声电 源管理的目标，包括提供可编程数字化管理、提供片内电源、抑制电源噪声和毛 刺以及提供低噪声参考电压源。并根据所提出的目标，给出了相应的设计策略， 并给出了低噪声电源管理系统的体系构架。 其次，详细分析了电源噪声对射频接收芯片内各个模块的具体影响以及各个 模块对电源噪声的贡献。在此基础上，提出了以抑制片内电源噪声为目的的电源 域划分方案，将芯片内众多模块按其电源噪声特性归类，分别放置在相互隔离的 电源域内，以减小相互之问通过电源线的噪声干扰。 结合带隙基准源和偏置电压源的优点，研究并设计了一种基于数字校j 下 方法的低噪声参考电压源，在获得极低输出噪声的同时，又保证了参考电压的精 度。同时提出了数字化模式的参考电压源分配网络，取代了传统的电流模式的参 考电压分配网络，进一步降低了参考电压源的噪声。 在给出噪声分析和电源抑制比分析的基础上，提出了一种低噪声的片内线性 稳压器以及一种反向高隔离的片内线性稳压器。另外，根据数字电路的特点，设 计了一种用于数字电路的线性稳压器。利用这三种不同的线性稳压器，为射频接 收芯片的各个模块分别提供了片内电源。 最后，提出了基于1 2 c 串行总线接口和片内寄存器的数字化电源管理方案， 实现了片内电源管理的可编程设计。 结合以上研究和设计，本文采用t s m c0 1 8 1 x mr fc m o s 工艺，为数字卫星 电视( d v b s ) 射频接收芯片设计并物理实现了全集成的低噪声电源管理系统。 测试结果表明，本文提出的电源管理系统具有噪声低、可靠性高、集成度高并具 浙江大学博二t 学位论文 摘要 有可编程数字化管理功能的特点。 关键词集成电路，电源管理，射频，数字卫星电视，低噪声，电源噪声，参考 电压源，线性稳压器，可编程接口 a b s t r a c t r e c e n t l y , b e n e f i tf r o mt h ed e v e l o p m e n ta n dm a t u r i t yo fr a d i of r e q u e n c y ( i ) i n t e g r a t e dc i r c u i tt e c h n o l o g y , r fc o m m u n i c a t i o np r o d u c t sk e e pg r o w i n gq u i c k l yw i t h t h et e n d e n c yo fl o w i n gc o s t s ，e n r i c h i n gf u n c t i o n sa n dp e r f e c t i n gp e r f o r m a n c e s t h e r e a r eg r e a tc h a l l e n g e sf o rr fi c s t h ec o r ep a r t so ft h ei 江c o m m u n i c a t i o np r o d u c t s ， a r i s i n g f r o mt h ef i e r c em a r k e tc o m p e t i t i o n ，c o m p l i c a t e da p p l i c a t i o n sa n dt h e d e v e l o p i n gc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y h i g h e rl e v e li n t e g r a t i o nh a sb e c o m e t h em u s t s o l u t i o no ft h er fi c st oa c h i e v el o w e rc o s t sa n db e h e rp e r f o r m a n c e s c o n s e q u e n t l y , t h ei n t e g r a t i o no fp o w e rm a n a g e m e n tf u n c t i o ni n t or fi c si sd e f i n i t e l ya n di n e v i t a b l y a ni m p o r t a n td i r e c t i o no ft h ed e v e l o p m e n to fi 强i c s i nt h i st h e s i s ，t h er e s e a r c ha n dd e s i g no ft h ei n t e g r a t e dl o wn o i s ep o w e r m a n a g e m e n tf o rr ft u n e rc h i p s b a s e do ni 强c m o sp r o c e s s ，h a sb e e ni n t r o d u c e d t h ee f f o r t si n c l u d e ： f i r s t l bc o n s i d e r i n go f t h er e q u i r e m e n t si np r a c t i c a la p p l i c a t i o n so ft h er fi c s ，t h e o b j e c ta n dt h es t r a t e g yo ft h ei n t e g r a t e dl o w n o i s ep o w e rm a n a g e m e n ta r ep r e s e n t e d ， w h i c hi n c l u d ep r o v i d i n gp r o g r a m m a b l ed i g i t a l i z e dc o n t r o l ，o n - c h i pp o w e rs u p p l y , p o w e rs u p p l yn o i s ea n ds p u r ss u p p r e s s i o na n dl o w n o i s er e f e r e n c ev o l t a g e s e c o n d l y , p o w e rs u p p l yn o i s ea n a l y s i si sg i v e n ，w h i c hi n c l u d e st h ei m p a c to ft h e p o w e rs u p p l yn o i s et oe a c hc i r c u i tb l o c ki nt h el 强t u n e rc h i pa n dt h ec o n t r i b u t i o no f e a c hc i r c u i tb l o c kt op o w e rs u p p l yn o i s e b a s e do nt h i sa n a l y s i s ，ap o w e rd o m a i n p a r t i t i o n , t a r g e t so ns u p p r e s s i n gt h eo n - c h i ps u p p l yn o i s e ，i si n t r o d u c e d i nt h i sp o w e r d o m a i np a r t i t i o n , a l lc i r c u i tb l o c k sa r ep l a c e di n t od i f f e r e n tp o w e rd o m a i n sa c c o r d i n g t ot h e i rp o w e rs u p p l yn o i s ec h a r a c t e r i s t i c s a n dt h ep o w e rd o m a i n sa r ei s o l a t e df r o m e a c ho t h e rt oa l l e v i a t et h es u p p l yn o i s ec o u p l i n g t h i r d l y , c o m b i n e dw i t ht h ea d v a n t a g eo fb a n d g a pr e f e r e n c ea n dt h et h r e s h o l d v o l t a g e ( 所h ) b i a sc i r c u i t ，a nu l t r al o wn o i s ev o l t a g er e f e r e n c ew i t hd i g i t a lc a l i b r a t i o n i sp r o p o s e d t h j sv o l t a g er e f e r e n c ec i r c u i tc a na c h i e v eu l t r al o wo u tn o i s ea n dh i g h v o l t a g ea c c u r a c ya tt h es a m et i m e i na d d i t i o n , ad i g i t a l i z ed i s t r i b u t i o nn e t w o r kf o r r e f e f e n c ev o l t a g ed e l i v e r yi sp r e s e n t e d w h i c hc a l le l i m i n a t et h en o i s ei n j e c t i o n p r o b l e mc o u r s e db yt r a d i t i o n a lv o l t a g em o d ea n dc u r r e n tm o d ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k w h e r e a f t e r , t h r e ek i n d so fl o wd r o pl i n e a rr e g u l a t o r s ( l d o ) a r ep r o p o s e di nt h i s t h e s i s t h e ya r el o wn o i s el d o ，h i g l lr e v e r s ei s o l a t i o nl d 0 a n dl d 0u s e dt op o w e r u pd i g i t a lc i r c u i t a l lo n c h i pp o w e rs u p p l i e so fc i r c u i tb l o c k sa r ep r o v i d e db yt h e s e i ，d o s 塑堕兰堡竺型蔓一坐! 型 。_ _ - - _ - - - - _ - - _ - _ _ _ 一 n u 3 uc i a tl a s t ，ap r o g r a m m a b l ea n d d i g i t a l i z e dp o w e rm a n a g e m e n tu n i tc o n t r 0 1s c h e m ei s p r e s e n t e d ，w h i c hi n c l u d e s1 2 cs e r i e sb u si n t e r f a c e ，r e g i s t e rf i l ea n dd i g i t a l i z e dv o l t a 呈r e a n dc u r r e n tc o n t r 0 1 。 lh ep r o p o s e ds t r u c t u r ea n dc i r c u i t so f i n t e g r a t e dl o wn o i s ep o w e rm a n a g e m e n tf o r r ft u n e rc h i ph a v ei m p l e m e n t e da n dv e r i f i e db y u s i n gt s m co 18 u mr fc m o s t e c h n o l o g ya n db e e na p p l i e dt oas a t e l l i t ed i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t ( d v b s ) t u n e r c h i p k e y o r d s i n t e g r a t e dc i r c u i t ，p o w e rm a n a g e m e n t ，r a d i o f r e q u e n c y , d v b s ，1 0 w n o i s e ，v o l t a g er e f e r e n c e ，l i n e a rr e g u l a t o r , p r o g r a m m a b l ei n t e r f a c e 浙江大学博：t 学位论文图日录 图目录 图1 1 智能手机电源管系统5 图1 2t i 公司g s ms o c 解决方案5 图1 3 集成了电源管理的g s ms o c 芯片6 图2 1 d v b s 射频通讯系统框图1 5 图2 2 集成电源管理的射频接收芯片1 6 图2 3 外差式接收机示意图1 8 图2 4 超外差接收机中的镜像干扰1 8 图2 5a t & t 公司g s m 射频收发芯片。1 9 图2 - 6 零中频接收机示意图19 图2 7 零中频接收机框图2 0 图2 8 深阱工艺横截面示意图2 3 图2 9 各种工艺尺寸下的电源电压2 6 图2 1 0 电源噪声和毛刺的抑制2 7 图2 1 ld v b s 接收机芯片框图2 9 图3 1 简单电源域划分。3 3 图3 2 信号链路中的电路模块一3 4 图3 3l n a 的电路结构3 5 图3 - 4 电源噪声引起的幅度调制对射频信号的影响3 6 图3 5 混频器的电路结构。3 7 图3 - 6p l l 的结构框图3 8 图3 7 相位噪声3 9 图3 8 压控振荡器4 0 图3 - 9 电源噪声引起的v c o 相位噪声4 1 图3 1 0v c o 相位噪声引起的p l l 相位噪声4 2 图3 1 lv c o 电源噪声引起的p l l 相位噪声4 2 图3 1 2 电源噪声引起的分频器相位噪声4 3 图3 1 3 电源域的具体划分一4 7 图3 1 4 典型的低压差线性稳压器4 8 图3 1 5l d o 的具体分配4 9 图4 1 基本带隙基准源电路5 2 图4 2 吒e 和坼h 偏置电压源5 3 图4 3 所h 电压随温度和工艺的变化5 4 图4 4 输出电压圪n 随电阻值尺的变化5 4 图4 5 电压模式分配网络5 5 图4 6 电流模式分配网络5 6 图4 7 电流环路示意图5 7 i v 浙江人学博- l ：学位论文 图目录 图4 8 数字化参考电压分配网络框图5 7 图伽提出的数字可调低噪声电压源原理图5 8 图4 - 1 0 基于的参考电压源详细电路图6 0 图4 - 1 1 数字比特控制电流镜6 l 图4 - 1 2 输出电压扫描图( 典型工艺角和室温) 6 2 图4 - 1 3 输出电压扫描图( 快速工艺角和一4 0 低温) 6 2 图4 1 4 输出电压扫描图( 慢速工艺角和1 0 5 高温) 6 3 图4 1 5 带隙基准源输出噪声仿真结果6 4 图4 - 1 6 低噪声参考电压源输出噪声仿真结果6 4 图4 _ 1 7 电源抑制比仿真结果6 5 图4 - 1 8 逐次逼近a d c 的结构图6 7 图4 1 9 a c 监控电路功能示意图6 7 图4 2 0 完整的a d c 结构图。6 8 图4 2 l 有限状态机状态转换图6 9 图年2 2a d c 校准时序图7 0 图4 - 2 3b a n b a 结构的带隙基准电压源7 1 图4 2 4 带隙基准源的详细电路图7 2 图4 - 2 5 带隙基准源输出电压温度扫描图7 2 图4 - 2 6 带隙基准源的电源抑制比7 3 图4 2 7 双比较器实现a c 监控7 3 图4 - 2 8 提出的带迟滞的a c 电压监控电路7 4 图4 2 9 电压调节器详细电路图7 5 图4 3 0v d a c 监控电路的仿真结果7 6 图禾3 l 比较器详细电路图7 6 图5 1 基本的带片外电容的l d o 7 9 图5 2 传统结构l d o 的噪声模型8 0 图5 3 带前级预调节的l d o 8 1 图5 _ 4 提出的低噪声l d o 结构图8 2 图5 5l d o 详细电路图8 3 图5 _ 6 电源抑制比的仿真结果8 4 图5 7 低噪声l d o 输出噪声的仿真结果8 5 图5 8 输出噪声的仿真结果8 5 图5 - 9 串联型线性稳压器8 6 图5 1 0 噪声电流流向示意图8 7 图5 1 1 本文提出的l d o 结构图8 8 图5 1 2 高反向抑制比线性稳压器详细电路图8 9 图5 1 3 反向电源抑制比仿真结果9 0 图5 1 4 反向电流抑制瞬态响应仿真结果9 0 图5 1 5 负载调整瞬态响应仿真结果9 1 图5 1 6 线性调整瞬态响应仿真结果9 1 v 浙江大学博士学位论文 图日录 图5 1 7s o ce n c o u n t e r 给出的功耗分析报告9 2 图5 1 8 提出的用于数字电路的l d o 9 3 图5 1 9 误差放大器电路图9 4 图5 2 0l d o 输出电压瞬念仿真结果9 5 图5 2 l 封装、e s d 和片外电容模型9 6 图5 2 2 等效谐振环路9 7 图5 2 3 谐振纹波9 7 图5 2 4 添加r c 滤波器后的环路9 8 图5 2 5 添加r c 滤波器后的波形9 8 图6 1 数字可调的b a n b a 结构的带隙基准电压源1 0 0 图6 2 数字可调的电压镜1 0 1 图6 3 数字化电源管理框图1 0 2 图6 4 上电复位时序图1 0 4 图6 5 上电复位电路图10 5 图6 6 慢速上电时的瞬态仿真结果1 0 6 图6 7 快速上电时的瞬态仿真结果( 1 0 0 n s ，2 v ) 1 0 7 图6 8 快速上电时的瞬态仿真结果( 7 5 n s ，1 5 v ) 1 0 7 图6 9 整个上电复位模块的瞬态仿真结果1 0 8 图7 1 芯片显微照片1 l o 图7 2 测试环境框图11 1 图7 3 工程测试板原理图1 1 2 图7 4 工程测试板照片1 1 2 图7 5 测试仪器与测试环境1 1 3 图7 6 片内电源电压测试结果1 1 4 图7 7 电源电压随带隙基准源的变化1 1 5 图7 8 噪声系数测试结果1 16 图7 - 9 相位噪声测试结果1 1 7 图7 1 0 联调测试板1 1 8 图7 1 1 接收的电视节目1 1 9 浙江人学博士学位论文 表目录 表目录 表2 1d v b s 射频接收芯片关键性能指标3l 表3 1 各个模块对应的电源噪声分析4 5 表3 2 各个模块间通过电源线的干扰4 5 表4 - l 本文提出的参考电压源与带隙基准源的输出噪声比较6 5 表禾2 低噪声参考电压源性能总结6 6 表4 3h 和，与b l b 2 的逻辑关系7 5 表7 1 各大公司d v b st u n r e 的噪声系数1 1 7 v i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝江盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 毛知 签字日期： 多护留年月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝江盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 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。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 毛妻厶 导师签名 签字同期：2 卯留年6 月7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 签字日期：力啮年舌月7 日 i 电话： 邮编： 浙江大学博上学位论文 第l 章绪论 第1 章绪论 射频通信技术自诞生以来无时无刻不在推动着世界的发展和人类的进步。特 别是近十年来，随着集成电路技术的飞速发展，以g s m 手机技术为代表的射频 通讯技术以更快的速度发展和普及，已经彻底的改变了人们的日常生活。原本由 分立器件构成并硕大笨重的无线射频终端早已被小巧轻便的射频芯片所取代。射 频、基带模块与m c u 、d s p 等数字系统的单芯片集成成为当今射频集成电路设 计新的发展趋势。与此同时，电源管理技术伴随着手持移动设备的兴起近年来也 发展迅速，将电源管理功能集成到射频集成电路中，成为射频通讯产品获取更低 成本和更高性能的重要突破方向。 本章将首先介绍论文的课题背景，然后介绍近年来射频集成电路设计领域内 与电源管理领域内相关技术的研究现状与发展方向，接着给出本论文的研究内容 和本文的主要创新点，最后给出论文组织与章节介绍。 1 1 课题背景 进入2 l 世纪以来，c m o s 射频集成电路设计与制造技术突飞猛进，原先只 能在s i g e 工艺、g a a s 工艺和b i c m o s 工艺下实现的射频电路被很好的集成到 c m o s 芯片中。用于g s m 手机、w l a n 无线局域网、g p s 卫星定位、蓝牙和数 字电视接收的各种高性能、高集成度的c m o s 射频芯片不断面世1 1 5 】，并且在商 业上取得巨大成功。低廉的造价、高密度的集成和不断提升的性能以及大规模生 产的能力使得c m o s 射频集成电路成为学术界和工业界竞相追捧的对象，标志着 c m o s 射频时代已经到- 来1 6 1 。 在国家中长期科学和技术发展纲要( 2 0 0 6 2 0 2 0 年) 中确定的未来1 5 年 国家力争取得突破的1 6 个重大科技专项中，第一项就是“核心电子器件、高端 通用芯片及基础软件 。2 0 0 8 年4 月2 4 日国务院召开常务工作会议，做出了正式 启动“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件”和“极大规模集成电路制造技 术及成套工艺两项重大专项的重要决定。开展高端射频通讯芯片的研发工作， 对于缩短我国与国外高科技水平的差距，提高我国集成电路产业的整体竞争力具 有极其重要的意义。 1 1 1 射频通讯芯片的市场需求 以手机为代表的消费类射频通讯产品在近年来为整个电子产业带来了巨大 的推动力。射频通讯产品的性能不断提升，功能不断完善，成本不断降低，发展 浙江人学博j ：学位论文 第1 章绪论 速度和普及率不断提高，以c m o s 射频集成电路为核心的射频通讯产品正被广泛 应用于各种场合： 个人移动通讯 个人移动通讯设备主要以手机为主。从技术发展角度来看，目前世界上的手 机产品已经全部采用数字化传输技术，并正逐步进入技术含量更高，带宽更大， 应用更广泛的3 g 乃至4 g 时代。以g s m 和c d m a 技术为核心的2 g 手机传输速 率仅为1 4 4 k b p s ，以w c d m a 和t d s c d m a 为代表的3 g 手机传输速率大于 3 8 4 k b p s ，而尚未诞生的4 g 手机标称通讯速率将达到惊人的1 0 0 m b p s 以上。届时， 人们将可以轻松享受手机上网，视频通话等服务带来的便利。 从市场角度来看，手机市场已经成为射频通讯最大的应用市场，规模超过千 亿美元。据统计，2 0 0 7 年全球手机出货量高达1 1 4 亿部，其中在我国生产的为 5 9 4 亿部，而作为全球最大的手机供应商的诺基亚公司全年销售额高达5 1 0 亿欧 元【7 1 。目前手机市场有两大发展趋势，其一为通信技术标准的快速发展， g s m g p r s e d g e 等第二代通信技术在2 0 0 7 年仍占六成比重，但到2 0 1 1 年手机 市场预计将渐转向主流规格的3 g 3 5 g 标准。另一个瞩目的趋势则是手机整合多 媒体和连结功能同趋成熟，更多照相、音乐、蓝牙、无线局域网( w i f i ) 、全球 卫星定位( g p s ) 、移动电视( m o b i l et v ) 、超宽带( u w b ) 、w i m a x 等应用加入 手机平台，使得手机芯片大厂面临3 g 3 5 g 技术发展、整合手机功能、低成本和 高整合度等挑战旧1 。 无线网络 无线网络的发展起始于上世纪末。1 9 9 7 年，美国电气与电子工程师协会 ( i e e e ) 制定了首个国际统一的无线局域网( w i f i ) 协议i e e e8 0 2 1 l ，随后的 1 9 9 9 年i e e e 又补充制定了i e e e8 0 2 1 1 a 和8 0 2 1 1 b ，其中8 0 2 1 1 b 协议制定了在 免费公用的2 4 g h z 频段上11 m b p s 速率的传输协议。由于2 4 g h z 的i s m 频段为 大多数国家通用，因此8 0 2 1 1 b 得到了最为广泛的应用1 9 】。接下来的几年中，i e e e 又陆续制定了8 0 2 1 l c 8 0 2 1 l n 等一系列无线局域网协议，以适应快速发展的无线 网络和不断拓宽的应用领域的新需求。其中8 0 2 1 l g 以其5 4 m b p s 的高速传输率 和对8 0 2 1 1 b 的向下兼容性，逐步替代了原有的8 0 2 1l b 的市场地位。而作为最新 的8 0 2 1 1 系列标准，8 0 2 1 l n 则采用多重输入输出( m i m o ) 技术，即同时使用多 个天线进行通讯，以加快传输速率。 作为无线局域网的拓展，i e e e 还制定了无线广域以太网协议规范- - i e e e 8 0 2 1 6 ，即市场期待度极高的w i m a x 技术。不同于w i f i ，w i m a x 使用的是需要 2 浙江大学博_ l 二学位论文第l 章绪论 获得许可的商用频段，并且最大发射功率高于w i f i 最大发射功率一百万倍。因 此，w i m a x 可以使用更多的频段为更多的用户提供网络接入，并且传输距离远大 于w i f i ，适合于无线广域网或城域网的建设。另外，w i m a x 的传输速率达到 7 0 m b p s ，而增加了m i m o 技术后，将达到1 0 8 m b p s 。目前w i m a x 市场还未成熟， 但在巨大的应用需求推动下，w i m a x 必将在最近两年取得令人瞩目的成就。 除w i f i 和w i m a x 以外，还有许多极具吸引力的新型无线网络也在快速发展， 如超宽带( u m b ) 短距离通讯技术和6 0 g h z 通讯技术。未来的几年内，在这些技术 的推动下，无线网络将是庞大的互联网行业的一大发展方向。而高性能的射频芯 片也将面临巨大的机遇和挑战。 卫星导航定位 卫星导航定位市场是另一个迅速崛起的射频芯片应用市场，目前主要的技术 是由美国研发的全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，g p s ) 。它借助于覆盖 全球范围的3 0 颗卫星组成的卫星网络，通过接收不同卫星发射的定位信号，并 经过复杂的计算使接收者得以获取自己的地理坐标，达到定位的目的。g p s 卫星 发送的定位信号分军用码和民用码两种。由于民用码是免费使用的，近年来随着 g p s 接收器接收芯片成本不断降低，g p s 定位市场成爆发式增长，主要应用在车 载导航和手机系统中。 卫星定位技术是关系到国家安全的关键技术，我国也在积极发展卫星定位系 统。“北斗 系统就是我国自行研发的区域导航定位系统，目标直指美国的g p s 系统和欧盟的“伽利略”卫星定位系统。“北斗”一代系统已经研制成功，该系 统由三颗“北斗”定位卫星( “北斗一号”) 、地面控制中心、“北斗”用户终端三 部分组成。“北斗一代定位系统可向用户提供全天候即时定位服务，定位精度 与g p s 相当。2 0 0 8 年北京奥运会期间，它将在交通、场馆安全的定位监控方面， 和已有的g p s 卫星定位系统一起，发挥“双保险”作用。在一代的基础上，我国目 前正在积极的开发北斗二代卫星定位系统，这一新的系统无需地面控制中心的协 调，是真正意义上的卫星导航定位系统。而作为接收终端核心的卫星信号接收芯 片也将在民用和军用市场有广阔的市场前景。 数字电视 与此同时，数字电视产业也在快速崛起。传统的模拟信号电视正在逐步被淘 汰出局，美国目前已经完全取消了模拟电视信号的地面传输，其占用的无线频带 已被重新拍卖，取而代之的是以各种方式传送的数字电视信号。就传输协议而言， 目前较为成熟的是在欧洲广泛应用的d v b ( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t ) 协议，它包 浙江人学博：i ：学位论文第1 章绪论 括用于卫星信号传送的d v b s 、用于有线信号传送的d v b c 、用于地面信号传 送的d v b t ，和用于移动电视信号传送的d v b h 等子协议。目前，我国国内许 多城市已经开播有线数字电视，采用的协议是d v b c 。而卫星数字电视的开播由 于星诺2 号卫星的发射失败被迫延迟，2 0 0 8 年我国将再发射中星9 号卫星用于数 字卫星电视的信号转播。 我国是一个电视机生产大国，同时机也是电视消费大国。据统计，2 0 0 6 年我 国生产电视机8 9 0 0 万台，超过全球总产量的一半，其中4 千万台在国内销售， 同时还生产超过3 千万台的数字电视机顶盒【1 2 】。要接收数字电视信号，就必须使 用集成了数字电视射频接收芯片的机顶盒或数字电视机。因此，在更新换代高峰 的近几年内，数字电视射频接收芯片也具有巨大的市场潜力。 总而言之，射频芯片在未来的几年内，在与人们r 常生活息息相关的各个领 域内都将有巨大的市场需求。 1 1 2 射频芯片对电源管理的需求 电源管理产品一直在电子设备中扮演着不可或缺的重要角色。可以形象的把 电源管理产品比作电子设备的心脏，它像输送血液一样为各种电子器件提供恒定 的电压或电流，以确保电子设备的正常工作。 射频芯片由于其工作频率高、噪声敏感度高、核心工作电压低等特点，对为 其服务的电源管理系统提出了严格的要求。主要体现在要低噪声、低电磁干扰、 高稳定性、多电压供电和智能化控制等方面。 针对这些需求，用于射频芯片的电源管理系统正朝着两个不同的方向发展： ( a ) 单芯片集成的电源管理i c 对于一些系统结构较复杂的射频应用系统，例如集成了多媒体影音、照相功 能的智能手机系统，由于除了为射频芯片提供电源外，还需为多音频、视频以及 图像传感器等各种模块提供电源，电源管理系统的设计本身十分复杂。而且在便 携式设备中，考虑到尽量降低功耗，通常需要使用高转换效率的d c d c 开关电 源，并且需要对所有电源模块进行集中高效管理。 因此，为降低成本、提供性能和扩展功能，包括射频芯片电源在内的众多复 杂电源管理功能被集成到一块单芯片集成的电源管理i c 中。如图1 1 l l 所示的智 能手机电源管理系统中，单芯片集成的电源管理i c 不但为射频芯片中的模块： r f 收发器( r fu pa n dd o w n ) 、锁相环及压控振荡器( p l la n dv c o ) 以及晶体 振荡器( t c x o ) 分别提供2 8 v 电源，并且也为数字基带( b a s e b a n d ) 、音频( a u d i o ) 、 数码相机( d s c ) 等电路模块提供5 v - 1 1 v 的各种电源。 4 浙i 【 学博i * 立 镕i 镕浩 “” 一怒怒， i “t r r 三o _ 引：r 叠重麴 圜 幽1 1 智能于机电源管理系统 f i g 卜1p o w e r m a n a g e m e n ts y s t e m f o rs m a r tp h o n e r b l 片内集成的电源管理系统 图1 2 t i 公司g s ms o c 解决方案 f i g1 2s o c s o l u t i o nt o rg s mm o b i l ep h o n ef r o mt i 在男类系统结构较为f ；j 单的射频系统内，如将射频模块与数字基带单芯片 集成的低成本手机系统中，山于系统本身集成艘高，组件较少，对电源管理的功 能要求也相心降低。但单芯“集成也使得数字基带模块对射频模块的电源噪声千 丫_ ，卜1r 翟 r h _ 妻皇 浙江人学博 ：学位论文 第1 章绪论 扰大大增加，系统对电源管理的性能要求则相应的提高了。因此，一方面为了进 一步降低成本，一方面为了提高射频系统的性能，许多项级的射频芯片制造商已 经开始将性能优越的电源管理单元集成在射频芯片中，例如美国德州仪器公司 ( t i ) 提出的g s m 系统集成( s o c ) 解决方案，如图1 - 2 1 1 j 所示。其核心是一 块集成了射频、基带和电源管理模块的单芯片g s m 芯片，如图1 - 3 1 1 】所示。在 只保留了电池电源管理功能的情况下，将大部分系统所需的电源管理功能集成到 了片内。凭借极高的集成度，t i 公司提出了“2 0 美元手机”的口号。 x o _ = v 翟 暑 君 蔼 出 委 ：萤 。 回裂矽 d i g ) t a ! ii 型! r _ 1t x 鬻矧醌篙酶 c “盯e r h s a r p e r r x 勰 喜妞坠塑竺! 竺 图1 - 3 集成了电源管理的g s ms o c 芯片 f i g 1 3g s m s o c c h i pw i t hp o w e rm a n a g e m e n t 从长远来看，系统集成是射频系统的发展大方向。更高程度的集成一直是业 界所追求的目标，也是消费类电子产品不断向前发展突破的重要推动力。作为电 源管理技术与射频集成电路技术的结合，集成于射频芯片片内的电源管理系统为 射频芯片的设计和发展提供了更大的空间。 综上所述，正是在射频芯片巨大的市场和设计技术发展的新方向以及大的时 代背景的要求下，本论文对c m o s 射频接收芯片的片内电源管理系统展开了广泛 而深入的研究和设计工作。 1 2 发展趋势与研究现状 1 2 1 电源管理技术的发展 随着消费类电子设备的快速发展和普及，电源管理产品在最近几年也取得了 6 i 辛r-=：u虬：一。 10ssou奁乱 l | 笺芷协 lli 浙江大学博l 二学位论文第i 章绪论 长足的进步。特别是在低电压转换领域，原先由分立功率器件组成的各种电源管 理模块以渐渐被高集成度的电源管理芯片所取代。电源管理芯片也因此获得了前 所未有的发展空间。来自市场调研机构i s u p p l i 公司的数据显示，2 0 0 3 年到2 0 0 8 年全球电源管理芯片销售的年复合增长率为1 2 7 ，2 0 0 8 年的销售额将上升至 2 9 5 亿美元。并且在未来五年内，全球市场增长将放缓，而我国由于承接了全世 界大量电子产品的代工生产，预计仍将以1 1 的年复合增长率发展【8 j o ! 。 从上世纪中叶半导体发明初期的以分立半导体功率器件为核心的a c d c ， d c d c 电源转换器到8 0 年初开始出现的简单电源模块i c 再到现今种类繁多、功 能强大的电源管理系统芯片以及片内集成电源管理模块，半导体电源管理技术从 诞生以来已经经历了半个世纪的发展。 目前对于电源管理芯片技术的发展趋势主要表现在以下几个方面： a ) 高转换效率 在手持设备中，电能转换效率是制约其持续使用时间的关键因素。手持设备 多采用电池供电，锂电池的输出电压一般为3 6 v ，而采用先进工艺制造的芯片多 工作在较低的3 3 v 、2 5 v 、1 8 v 或1 v 电源电压下。如何将高电压的锂电池电能 最高效的传输给低电压工作的芯片，是电源管理系统的重要任务。大量高效率 d c d c 开关电源技术的提出和应用使得电源管理系统在电能转换效率方面有出 色的表现l l 纠6 1 ，如t i 公司提出的动态电压调节技术( d v s ) 和美