（电路与系统专业论文）用于mbofdm超宽带系统的可变增益放大器电路设计.pdf

东南大学学位论文独创性声明 1 1 1 11 1 1i l lll lii t i rliil 、t17 5 3 5 17 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其它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 表示了谢意。 研究生签名：犁 象 日 期：山f 丑。五 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：导师签名：缝 摘要 摘要 超宽带( u l t r a - w i d eb a n d ，u w b ) 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4 8 0 m b s ，最低 l1 0 m b s 的数据率，是无线个人局域网( w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ，w p a n ) 的解决方 案之一。随着c m o s 工艺的发展，采用全c m o s 工艺实现片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 成为一种趋势，以满足芯片低成本和高性能的要求。 在无线通信系统中，由于外部各种因素的影响，接收系统接收到的信号往往会有较 大强度的变化。因此在无线接收系统中通常会设计有一种自动增益控制( a u t o m a t i cg a i n c o n t r o l ，a g c ) 电路，它能够根据输入信号的大小变化自动调节接收机的增益，使系统 维持一个稳定的信号输出。可变增益放大器( v a r i a b l eg a i na m p l i f i e r ，v g a ) 是其中最主 要的组成部分，直接决定了自动增益控制系统的性能。 本论文根据m b o f d mu w b 接收系统和自动增益控制环路的性能要求，在分析多种 可变增益放大器结构的基础上，设计了两种宽带、宽增益调节范围的可变增益放大器电 路。其中一种是以差分共源共栅放大器结构为基础；为了满足u w b 的低功耗要求，又以 差分c h e r r y h o o p e r 放大器结构为基础进行另一种结构v g a 的设计。 在本文的v g a 设计中，主要介绍了提高v g a 带宽的方法和增益控制方法。两种结 构的可变增益放大器电路均实现了宽带和增益对数值随控制电压呈线性变化的特性。并 且为了抑制直流失调，使得电路稳定工作，在两种结构的v g a 电路中都加入了直流偏移 消除( d co f f s e tc a n c e l l a t i o n ，d c o c ) 电路，它采用直流负反馈的原理，有效地降低了直 流失调。 在对电路的原理进行了分析之后，文章分别给出了两种结构的可变增益放大器的电 路设计、版图设计和后仿真结果。基于0 1 8 “mc m o s 工艺工作在1 8 v 电源电压的电路 后仿真结果表明，两个可变增益放大器均达到了设计要求。 【关键词】 c m o s ，正交频分复用，超宽带，可变增益放大器，直流偏移消除 a b s t r a c t a b s t r a c t u w b ( u l t r a - w i d eb a n d ) t e c h n o l o g yi sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ep o p u l a ri n r e c e n ty e a r sb e c a u s eo fi t sh i g hd a t e r a t ea n dl o wp o w e rd i s s i p a t i o nf o rs h o r td i s t a n c e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s i ti so n eo ft h ek e ys o l u t i o n so fw p a n ( w i r e l e s sp e r s o n a l a r e an e t w o r k ) w i t hd a t a r a t eo fm a x i m u m4 8 0 m b sa n dm i n i m u m110 m b s a l o n g w i t ht h ep r o c e s so fc m o st e c h n o l o g y , t h ec o s to fc m o si ci sd e c r e a s i n gw h i l et h e p e r f o r m a n c ei si m p r o v i n g ，w h i c hm a k e si t at r e n dt oi m p l e m e n tt h es o c ( s y s t e mo n c h i p ) w i t hc m o st e c h n o l o g y i nt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h er e c e i v e ds i g n a li sa l w a y si n t e r f e r e d d u r i n gi t st r a n s m i s s i o na n dt h ei n t e n s i t yo f t h es i g n a li sa l w a y su n s t a b l e t h e r e f o r e ，a n a u t o m a t i cg a i nc o n t r o l ( a g c lc i r c u i ti sr e q u i r e di nt h ew i r e l e s sr e c e i v es y s t e m t h e v a r i a b l e g a i na m p l i f i e r ( v g a ) i st h em a i np a r to fa l l a g c i ti s e m p l o y e df o r a d j u s t i n gt h eg a i no fr e c e i v e rp a t ht os t a b i l i z e t h ei n t e n s i t yo fr e c e i v e ds i g n a l i t d e t e r m i n e st h ep e r f o r m a n c eo f a g cs y s t e md i r e c t l y t w ov g ac i r c u i t sw i t hd i f f e r e n ta r c h i t e c t u r e sa r ed e s i g n e dt of i tt h er e q u i r e m e n t o fm b o f d mu w br e c e i v e rs y s t e ma n da g cw h i c ha r eb a s e do nt h ea n a l y s i so f m a n yv g a sa r c h i t e c t u r e o n ei sb a s e do nt h ed i f f e r e n t i a lc a s c o d ea m p l i f i e ra n dt h e o t h e ri sb a s e do nt h ed i f f e r e n t i a lc h e r r y - h o o p e ra m p l i f i e ri no r d e rt of i tt h el o w p o w e rr e q u i r e m e n to f t h eu w b s y s t e m s i nt h ev g ad e s i g ns e c t i o n ，e n l a r g i n gb a n d w i d t ha n dg a i nc o n t r o l l i n ga r et h e m a i nt o p i c s b o t ho ft h et w ov g ac i r c u i t sa c h i e v ew i d eb a n d w i d t ha n dr e a l i z et h e l i n e a r - i n 。d bg a i nc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c d c o c ( d co f f s e tc a n c e l l a t i o n ) c i r c u i t ， w o r k i n ga sd cn e g a t i v ef e e d b a c k i sa d d e d i n t ot h et w ov g ac i r c u i t st om i n i m i z et h e d co f f s e te f f e c t i v e l ya n dm a k et h ec i r c u i tw o r kp r o p e r l y b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ec i r c u i tp r i n c i p l e ，t h ec i r c u i td e s i g n ，l a y o u td e s i g n a n ds i m u l a t i o nr e s u l t so ft h et w ov g ac i r c u i t sa r ei n t r o d u c e d t h er e s u l t ss h o wt 1 1 e t w ov g ac i r c u i t sc a nw o r kp r o p e r l yi n1 8 vv o l t a g es u p p l yv e r i f i e di na0 181 , t m c m o sp r o c e s s k e yw o r d s l c m o s ，o f d m ，u w b ，v g a ，d c o c i i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目：录v 第一章绪论1 1 1u w b 技术概述。1 1 2 项目背景2 1 2 1 相关研究情况4 1 2 2 本文主要工作和组织结构5 第二章a g c 系统概述7 2 1自动增益控制一般原理7 2 2 a g c 环路稳定时间。7 2 3 检测器9 2 4环路滤波器。1 0 第三章v g a 性能参数及指标确定1 1 3 1 增益1 l 3 1 1 增益控制范围及增益控制特性1 1 3 1 2 增益指标的确定1 2 3 2 带宽1 3 3 3 线性度1 4 3 4直流失调。1 5 3 5 工艺选择1 6 3 6 v g a 的设计流程l7 第四章增益控制的实现方法。1 9 4 1 可变增益放大器的分类1 9 4 2 b i p o l a r b i c m o s 可变增益放大器2 0 4 3 c m o s 可变增益放大器2 1 v 东南大学硕士学位论文 4 3 1使用电压控制衰减器的可变增益放大器2 1 4 3 2 可变跨导式可变增益放大器一2 1 4 3 3 差分源极退化式可变增益放大器。2 2 第五章宽范围、高线性度c m o sv g a 设计2 5 5 1可变增益单元设计2 5 5 1 1 指数特性的实现2 6 5 1 2 带宽的扩展2 8 5 1 3 共模反馈的实现2 9 5 2固定增益单元。3 0 5 2 1电容中和3 l 5 3直流偏移消除3 3 5 3 1电流差结构。3 4 5 3 2 低通滤波器3 6 5 4 v g a 版图设计3 6 5 4 1寄生效应3 6 5 4 2闩锁效应3 7 5 4 3 天线效应3 7 5 4 4 线电流密度。3 8 5 4 5v g a 版图3 8 5 5v g a 后仿真3 9 5 5 1v g a 增益后仿真3 9 5 5 2v g a 线性度仿真4 0 5 6测试方案 5 6 1 带宽测试 5 6 2 增益测试 5 6 3 线性度测试 5 6 4 功耗测试 5 7 本章小结 4 2 4 2 4 3 4 3 4 3 4 3 第六章c m o sv g a 的低功耗设计4 5 6 1 典型的c h e r r y - h o o p e r 放大器4 5 6 2 改进型c h e r r y - h o o p e r 放大器4 8 6 3d c o c 电路5 0 6 4v g a 版图设计5l v l 目录 6 5 v g a 仿真结果和分析5 2 6 5 1 v g a 增益仿真5 2 6 5 2 v g a 线性度仿真5 3 6 6 测试方案5 4 6 6 1 带宽测试5 4 6 6 2 增益测试5 5 6 6 3 线性度测试。5 5 6 6 4 功耗测试一5 5 6 7 本章小结5 5 第七章总结和展望一5 7 7 1 论文总结5 7 7 2 工作展望5 7 参考文献一5 9 致谢6 3 攻读硕士期间发表论文情况。6 5 v i i 东南大学硕士学位论文 v i i i 第一章绪论 1 1u w b 技术概述 第一章绪论弟一旱殖化 宽带通信作为一种可应用于短距离、高速无线通信的新兴技术，具有低成本、 低功耗以及频谱利用效率高等优点，近年来在国际产业界以及学术界得到了广泛 的关注与研究。宽带通信的一种重要实现模式一超宽带( u l t r a w i d eb a n d ，u w b ) 无线通信，作为未来泛在无线通信的核心技术，被美国著名科技网站 c o m p u t e r w o r l d 列为影响人们生活的2 0 0 7 年五大高科技技术之一。 按信号形式和实现方式，可以将u w b 技术分为两大类：脉冲无线电一超宽 带( i m p u l s er a d i o ，i r u w b ) 方式，和多带调制载波方式( 如多带正交频分复 用，m b o f d m u w b ) 。目前，在高速u w b 无线通信领域，多带调制载波方式 研究和应用得较多，系统可实现的带宽较宽，但射频前端的技术要求较高。 i r - u w b 则采用基带窄脉冲序列作为信息载体，无需调制载波和解调，具有系统 结构简单、成本低、功耗低等优点，多用于低速、低成本领域。 自2 0 0 2 年美国联邦通信委员会( f c c ) 批准了u w b 技术标准以来，各国竞相 开展了u w b 技术的研究工作。按照f c c 规定，u w b 的频率范围是3 1 g h z - 、 1 0 6 g h z ，信号带宽大于5 0 0 m h z 或者信号带宽与中心频率之比大于0 2 【l 】。2 0 0 6 年1 月电气和电子工程师协会( i e e e ) 下的8 0 2 1 5 3 a 工作组解散后，u w b 的两大 标准，即基于直接扩频技术的d s c d m a 标准和基于多带正交频分复用技术的 m b o f d m 标准走上了事实标准的竞争道路。前者以f r e e s c a l e 公司为核心，后 者受到各大厂商的支持，如i n t e l 、t i 、s a m s u n g 、p h i l i p 、n o k i a 等。就目前的发 展状况来说，f r e e s c a l e 于2 0 0 6 年退出了旨在推动其标准进程的论坛组织，宣称 将致力于把标准应用于无线中，并把自己的产品应用到部分多媒体设备上。后者 成立的w i m e d i a 联盟则将自己的标准作为一种物理实现技术推广，受到u s b i f ， 无线1 3 9 4 等组织的认可，在与蓝牙特别兴趣小组( s i g ) 合作后，该技术有了 更大的应用平台。2 0 0 7 年3 月，m b o f d m 的技术被国际标准化组织( i s o ) 和 国际电工委员会( i e c ) 采纳，这使其在标准化的进程上比前者占据更大的先机， 基于此状况，我们的研究重点将放在m b o f d m 的技术上。 m b o f d mu w b 采用跳频正交频分复用调制技术，最高传输速率可达到 4 8 0 m b s 。其频谱规划如图1 1 所示1 2 j ，图中给出的频点为每个子带的中心频点， 3 1 g h z 一- 1 0 6 g h z 的频带被划分为个1 4 个c h a n n e l ，每个c h a n n e l 为5 2 8 m h z ， l 东南大学硕士学位论文 其中每三个连续的c h a n n e l 被称为一个g r o u p ，在每个g r o u p 中采用跳频方式在 三个频段间切换。其中3 1 6 8 g h z - - 一4 7 5 2 g h z 为g r o u p l ，作为u w b 初期推广使 用的工作频段：4 7 5 2 g h z - 1 0 5 6 g h z 是为今后速度需求而开发的频段。该频段 规划可以允许各国根据自己的频谱利用情况对所需的子带做灵活的配置。 g r o u pi g r o u p 2c n x r a p3g r o 婶4g r o u p 5 川1 1 置几1 t r 嘲一 3 4 3 2 j t i f “4 4 b g，i 川j ，“，。二f 6 ( j e ，7 1 冀7 6 铀x l r ? l ：0 2 4 0 q 一l i * 2 q b f m i i ，m 1 1 1m i i zm l h , m i l 7m l ，m i i ；,m l bm i i zm i dm i i zm h ，m i i z m h r 4 图1 1m b o f d m 标准的频谱规划 m b o f d mu w b 射频收发器的研究发端于0 4 年左右：p h i l i p s 荷兰飞利浦 于2 0 0 4 年申请了国内的m b o f d mu w b 系统架构专利；0 5 年i s s c c 上a b i d i 【j j ， r a z a v i l 4 1 和l e e n e a n 【5 】等带领的研究组都发表了u w br ft r a n s c e i v e r 的文章，应 用0 1 3 9 mc m o s 或b i c m o s 工艺。之后国际上关于u w b 射频芯片的研究成果 层出不穷，在i s s c c ，c i c c 和r f i cs y m p o s i u m 上都有相关文章发表。国内对 u w b 的研究刚开始，u w b 标准的制定还处研究阶段，但探索o f d mu w b 系 统的设计、掌握核心技术和相应技术专利显得十分重要。 1 2 项目背景 接收发j 揣( t r a n s c e i v e r ) 作为整个通信系统中的关键接口模块，正受到越来越 多的关注。随着集成电路技术的发展，满足各种通信标准的收发机得到充分的研 究和开发。例如，收发机结构正从超外差( s u p e rh e t e r o d y n e ) 着集成度更高的零 中频( z e m i f ) 发展1 6 1 。图1 2 给出了一种零中频结构的接收机系统框图6 1 。 。 图1 - 2 零中频接收机系统框图 接收机( r e c e i v e r ) l 拘作用就是挑选出整个频谱范围内某个特定信道的信号，该 信道的附近一般总存在邻近信道的干扰，同时由于传输的介质和过程的变化，其 信号功率大小总在很大的范围内变化。从而信号的动态范围是接收机设计中的一 第一章绪论 个重要考虑的对象。 当存在多路衰减和路径损耗时，接收信号要求的动态范围的典型值要大于 l o o d b 。由于最小的可检测信号在微伏( “v ) 的量级，所以不仅接收器的输入噪 声，而且串扰也变得十分关键。动态范围的另一个极端是接收器可能会接收到很 大的信号，例如当接收机接近发送器时，则接收到的信号幅度可能会高达几百毫 伏( m v ) 。解决这一问题需使用自动增益控铝1 ( a u t o m a t i cg a i nc o n t r o l ，a g c ) 电路。 a g c 的目的是使接收机的增益能够随输入信号的强弱而自动调整；主要功 能是在输入信号幅度变化较大的情况下，使输出信号幅度保持恒定或在特定的、 较小的范围内变化。它能够保证在接收弱信号时，使接收机增益升高；接收强信 号时，使接收机的增益降低，从而使输出信号保持在适当的电平。如果没有自动 增益控制电路，则很可能在极弱信号时，接收到的信号会淹没在噪声中，使得接 收机因为输入信号太小而无法正常工作；而在接收很强的信号时，接收机因为输 入信号太大而发生饱和或堵塞而工作失常。在自动增益控制电路的控制下，整个 系统的性能才能得到保证，使得下一级电路能够在正常的状态下工作。自动增益 控制电路在光纤通信、微波通信、卫星通信等通信系统以及雷达、广播电视系统 中得到了广泛的应用，所以自动增益控制电路在接收机中具有相当重要的地位。 典型的闭环模拟a g c 电路如图图1 3 所示，环路包括检测输出信号功率大 小的幅度检测器( p e a kd e t e c t o r ) 、信号功率参考电压( f ) 、环路滤波器( l o o pf i l t e r ) 及可变增益放大器( v a r i a b l eg a i na m p l i f i e r ，v g a ) 。在a g c 系统中，通过反馈 环路调节v g a 的增益，从而实现恒定的信号功率输出。 f 图1 - 3 a g c 环路结构图 在a g c 系统中，v g a 是其主要组成部分，直接决定了a g c 系统的性能。 a g c 系统的稳定性和对输入信号的响应灵敏度在很大程度上取决于v g a 的设 计性能。可以说在所有输入端为不可预知、变化范围较大的信号，而在输出端期 望得到稳定信号的系统中都采用了a g c 环路。所以a g c 系统还广泛应用在磁 盘读取驱动、磁数据存储系统、助听系统及医学和测试设备仪器等。 3 东南大学硕士学位论文 v g a 及a g c 电路作为接收机中的关键模块，一直是通信及集成电路领域的 研究热点。宽的增益调节范围和宽带是应用于现代接收机中v g a 的主要性能参 数，并且为了实现恒定的a g c 环路稳定时间和宽的增益调节范围，a g c 环路中 的v g a 一般要求具有指数增益特性。在b i p o l a r 或b i c m o s 工艺中，使用具有 本征指数特性的b j t 器件可以较为轻松地实现指数增益特性。而在c m o s 工艺 中，这将成为设计的挑战。 因为工作在饱和区下的m o s 器件是一种平方律器件，即漏电流与栅级过驱 动电压的平方成比例。工作在三极管区的m o s 器件的漏电流和栅极过驱动电压 成正比。虽然工作在亚阈值区下的m o s 器件具有本征的指数特性，但由于该区 域下器件的工作频率、噪声等性能受到严重的恶化，一般不考虑将m o s 器件偏 置在该工作区域。 但是由于c m o s 工艺具有成本低、高集成度、不断增高的单位增益截止频 率【8 】、电路设计与工艺线生产联系不大且制造稳定性高，可实现无工艺线设计 ( f a b l e s sd e s i g n ) 等优点，当前数字电路和低频模拟电路大都采用成本低廉的 c m o s 工艺实现。为了提高集成度以及降低成本，实现m b o f d mu w b 系统的 s o c ，本文在低电压深亚微米c m o s 工艺下研究设计应用于超宽带系统收发机的 高性能v g a 。 c m o s 工艺的等比例尺寸缩小为数字电路带来不断的性能提升：更快的速 度、更小的面积、更低的功耗等。然而在模拟电路中，这一现象并没有得到完美 的诠释。随着器件尺寸及电源电压的不断减小，c m o s 器件的寄生小型更加复杂 1 9 1 、更好更加大1 0 1 ，为了维持电路的动态范围，模拟电路往往需要提高功耗和增 大面积从而获得性能的保证。作者通过分析典型的可变增益单元的拓扑结构及性 能参数，在电路级采用适合于c m o s 工艺的设计技术，实现了与其他工艺相当 的性能要求。 1 2 1 相关研究情况 v g a 作为接收机的关键模块，其设计技术的研究一直是集成电路的研究热 点。众多设计技术和新颖电路结构都是围绕v g a 的各项性能展开的。v g a 需要 在增益范围、带宽、线性度、功耗等性能之间做折衷，应用系统不同对各项性能 的要求亦不同。 由于放大器增益与控制信号间的指数特性要求，以及c m o s 工艺中本征指 数率( i n t r i n s i ce x p o n e n t i a l 1 a w ) 器件的缺少，以往通信系统中的c m o s 可变增益放 大器都不约而同的采用二进制权重的数字切换电阻或电容阵列【l l 】。虽然这种方 法实现简单，而且c m o s 工艺可以提供良好的模拟开关和等比例的电容，但是 4 第一章绪论 由于数字切换式增益调节( 或者称为可编程增益放大器，p r o g r a m m a b l eg a i n a m p l i f i e r ，p g a ) 具有有限的增益精度，由此引起的增益及相位的跳变，不能满 足一些特定的数字通信系统的要求。另外，数字切换式可变增益放大器对于面积 以及工作稳定性带来设计上的挑战。因此，以往可变增益放大器更流行的做法是 采用b j t 器件的本征指数特性实现宽范围的指数增益调节【1 2 1 【1 3 1 。 1 9 8 9 年，p a n 等人提出了在标准c m o s 工艺下采用侧面及垂直的寄生b j t 器件实现5 0 d b 增益范围的可变增益放大别1 4 】，由于寄生器件的性能受到一定的 限制，这种方法并没有得到持续的研究和发展。 1 9 9 5 年h a j j a i l i 提出了采用伪指数函数( 1 + x ) ( 1 x ) 来近似指数函数e 2 x 【1 5 】，利 用m o s 电路设计技术实现伪指数函数功能，从而基于c m o s 技术实现了指数增 益特性的可变增益放大器。在随后十几年内，这种方法得到了更加深入的研究： 指数函数的t a y l o r 级数的二阶【1 6 】【1 7 域高阶【1 8 1 近似展开及一阶【1 9 】【2 0 1 或二阶 2 1 1 2 2 有理式近似被用来实现更宽范围的c m o s 可变增益放大器。 综上所述，指数增益特性及指数信号电路实现机理主要包括两种类型：寄生 b j t 1 4 或亚阈值工作的m o s f e t l 2 3 1 和伪指数函数1 6 之2 1 ，其中伪指数函数包括指数 的t a y l o r 级数近似【1 6 - 1 8 1 和有理式近似1 9 之2 1 。 c m o sv g a 自提出至今已得到一定的发展，但各种结构在性能方面仍存在 一些问题。关于c m o s 可变增益放大器的设计目前还没有形成成熟的方法与理 论。宽范围增益调节、d b 线性增益特性和宽带是该领域亟待解决和完善的主要 问题。另外，接收机苛刻的线性度要求以及低电压低功耗设计对c m o sv g a 也 提出了更大的挑战。 1 2 2本文主要工作和组织结构 本文旨在解决c m o s 可变增益放大器设计技术中的关键问题，包括d b 线性 宽范围增益控制和宽带，通过分析器件及电路的工作机理，设计了满足 m b o f d mu w b 系统的可变增益放大器模块。文章首先通过对a g c 和u w b 系 统的分析，阐述了v g a 的性能要求及设计难点，并研究了各种宽范围增益控制 可变增益放大器的结构。基于上述研究工作，作者以差分共源共栅放大器为基础 单元，设计了符合m b o f d mu w b 接收机系统要求的可变增益模块。同时在考 虑低功耗的设计中，作者采用差分c h e r r y h o o p e r 放大器结构设计了一种低功耗 宽范围的可变增益放大器，其增益范围达到了7 0 d b ( 2 0 d b - 5 0 d b ) ，目前已通过 模拟仿真验证，准备流片、测试。 1 2 2 1 本文主要工作 本论文的主要工作是依据m b o f d mu w b 接收机系统的要求完成应用于 东南大学硕士学位论文 该系统的可变增益放大器的设计。在分析u w b 的系统指标的基础上，通过推导 得到适合于该系统工作的v g a 的设计指标。然后介绍了v g a 常用的结构以及 增大带宽的方法，并根据设计指标选取适合u w b 系统的共源共栅型v g a 结构。 具体的电路设计主要包括以下三方面： 1 ) 可变增益单元的设计：分别以差分共源共栅放大器结构和差分c h e r r y - h o o p e r 放大器结构为基础，实现适合c m o s 工艺的特点的可变增益单元。 2 ) 固定增益级的设计：为满足整体v g a 的最高增益要求，需要在实现可变增 益的基础上，添加实现高增益的固定增益级。 3 ) d c o c 电路的设计：通过d c o c 电路的直流负反馈作用，有效抑制了电路的 直流偏移，使电路各部分能够工作在指定区域，提高了电路的性能。 并且为了满足u w b 的低功耗要求，在前期的研究基础上，对传统的 c h e r r y h o o p e r 放大器进行改进，使得电路可以在更低的功耗下正常工作。 1 2 2 2 论文的组织结构和各章内容 本论文的组织结构及各章内容介绍如下： 第一章简要介绍了本论文的研究背景，阐述了本论文的研究意义，然后概 括介绍了本论文相关研究现状，最后还介绍了论文的主要工作和组织框架。 第二章首先阐述了自动增益环路的工作机理，根据a g c 环路稳定时间的分 析得出v g a 的d b 线性增益特性要求，并简单介绍幅度检测器和环路滤波器的 工作原理及其对整个环路的影响。 第三章阐述了可变增益放大器在接收机中的性能要求，包括增益控制范围、 线性度、带宽等。最后依据f c c 对u w b 的规定以及t i 对m b o f d m 物理层 的提案，推导出v g a 的主要设计指标。 第四章首先粗略的回顾b j tv g a 的一般实现方法，然后阐述了c m o s 工 艺下实现增益控制的主要方法，分析了几种典型的可变增益单元的拓扑结构。 第五章在第四章提出的v g a 理论研究的基础上，以差分共源共栅放大器为 基础单元，设计了应用于m b o f d mu w b 系统的c m o s 可变增益放大器。本 章详细阐述了v g a 的具体电路设计、版图设计以及仿真结果，并给出了芯片的 测试方案。 第六章为减小功耗，本章在上述研究基础上设计了以差分c h e r r y h o o p e r 放 大器结构为基础的v g a 电路。该结构的级联可变增益单元可实现低功耗、宽增 益调节范围。本章阐述了基于该单元v g a 的具体电路设计、版图设计以及仿真 结果，最后给出了芯片的测试方案。 第七章对课题做了总结和展望。 6 第二章a g c 系统概述 第二章a g c 系统概述 v g a 是a g c 系统的关键组成部分，a g c 系统的稳定性和对输入信号的响 应灵敏度在很大程度上取决于v g a 的设计性能。因此充分研究a g c 系统工作 原理及理解a g c 系统设计要求是设计v g a 的基础。 本章将首先阐述a g c 系统的一般工作原理，通过对a g c 环路稳定时间的 分析得出v g a 的d b 线性增益特性要求，并简单介绍幅度检测器和环路滤波器 的工作原理及其对整个环路的影响。 2 1 自动增益控制一般原理 a g c 环路是一种在输入信号幅度变化很大的情况下，使输出信号幅度保持 恒定或在较小的范围内变化的自动控制环路，在移动通信、卫星通信、光纤通信 等通信系统以及雷达、广播电视系统中得到广泛的应用。典型的a g c 环路结构 如图2 1 所示，整个系统包括可变增益放大器- ( v a r i a b l eg a i na m p l i f i e r ，v g a ) 、 幅度检测器及环路滤波器或误差积分器。 图2 - 1a g c 环路结构图 检测器用来检测输出信号大小( 检测机制包括峰值检测、r m s 检测、对数检 测和平方检测) ，检测器的输出与参考电平f 通过误差积分器或环路滤波器产生 控制电压，控制可变增益放大器的增益大小。当输出信号幅度增大，检测器 的输出电平增大，通过与参考电平f 比较使得控制电压比减小，可变增益放 大器的增益及输出信号也因此减小。当输出信号幅度减小到与参考电平相等时， 环路进入稳定状态。反之亦然。环路稳定时控制电压比保持恒定，v g a 的增益 也因此保持不变。 2 2a g c 环路稳定时间 a g c 环路稳定时间是a g c 系统的关键指标之一，它表征输入信号强弱变化 7 东南大学硕士学位论文 时a g c 环路输出由非稳态到稳定的建立时间。一般在满足平滑慢衰落的条件下， 环路稳定时间要远大于信息的调制速率，要小于该通信体制定义的功率变化频 率，不能太短也不能太长，以免因为环路稳定时间太短使得环路随输入信号的包 络变化过快而引起频率失真导致误码；或因为环路稳定时间太长跟不上环路输入 信号电平的变化，造成输出信号幅度超过a d c 的幅度范围而引起误码。图2 2 给出了应用于数字通信系统中a g c 电路及后续的数字处理电路示意图，同时给 出了模拟输入端的信号模式分布2 4 1 。 ，、，一、，_ 、 款一a c , ch h a d 转换h d s p 、_ 、_ 、_ 现代敦字通信信道前端 图2 - 2 a g c 环路的应用 为了对输入信号中的数据实现无错恢复，a g c 电路需要将输入信号的振幅 调节到某一特定的范围。振幅获取过程一般发生在前同步信号中，前同步信号之 后将传输有用的数据。因此，a g c 环路稳定时间必须小于前同步信号的持续时 间，否则将造成前同步信号之后的有用数据丢失。但另一方面，这个持续时间应 尽量缩短以充分利用信道带宽。若a g c 环路稳定时间是输入信号振幅的函数， 则前同步信号的持续时间必须比a g c 电路的最长稳定时间长，而一般数字通信 系统中前同步信号的持续时间是确定的。因此，为了优化系统性能，a g c 环路 稳定时间必须精确定义且与输入信号振幅无关。 图2 3 是典型的a g c 的模型结构框刚2 4 j ： 图2 - 3 典型a g c 的模型图 8 第二章a g c 系统概述 分析模型结构图可以得到系统的时间常数t 的表达式： 仁去_ i 南器甄睨厂 21 c f = 2i 坐庀，i( 、 k 砖：【g ( k ) d 屹j 、7 其中k v 2 为一固定常数。 在恒定建立时间的a o c 回路中，一般认为系统中g m 2 和c 是常数，因此为 了保持t 为常数，必须满足： 南爰如 其中l ( g l 为一常数。e h 式( 2 2 ) n n g ( k ) = 如2 p k 。- 屹 ( 2 。2 ) ( 2 3 ) 其中k 0 2 为一综合常数。 由式( 2 3 ) 可知道，只有当增益与控制变量v c 成指数关系，即增益的对数值 与控制变量v c 成线性关系的时候才能得到固定的环路时间常数。 2 3 检测器 检测器是用来检测电压或电流信号大小的功能模块。由于a g c 环路中的检 测器一般工作在平衡状态，检测器并不需要在很宽的动态范围内严格遵循特定的 检测机制。然而，检测器的检测机制对a g c 环路的动态响应过程具有很大的影 响，特别是当输入信号发生大幅度跳变时，这种影响尤为显著。a g c 环路中检 测器类型一般分为四种：包络检测、平方律检测、均方根检测及对数检n t 2 s j 。 包络检测器的输出电压与瞬态输入射频信号幅度呈正比，利用低通滤波器滤除射 频信号的纹波后，检测产生与射频信号幅度包络呈正比的电压；平方律检测器的 输出电压与瞬态输入射频电压的平方成正比，即与输入信号功率成正比；均方根 检测器包括一个平方律检测电路和方根函数电路，其平均输出电压正比于信号电 压；对数检测器的输出电压正比于射频输入电压的对数值。 四种不同检测器的环路瞬态阶跃响应差异很大，同时对输入射频信号的正阶 跃响应及负阶跃响应表现出不同的特性。包络检测器和均方根检测器在正负阶跃 响应中大致表现出类似的响应速度，这主要由于二者检测器的输出都正比于输入 射频电压。对数检测器对输入的负阶跃响应速度最慢，但对于正阶跃响应表现出 完全相反的特性，呈现最快的j 下阶跃响应。平方律检测则于对数检测器对应的阶 跃响应完全相反，表现出最快的负阶跃响应及最慢的正阶跃响应。 特性系统中对检测器类型的选择主要取决于射频信号的幅度变换特性及调 制方式，如对于恒定包络信号的g s m 信号，a g c 环路中一般采用包络检测器， 9 东南大学硕士学位论文 而对于幅度调制严重的信号，如c d m a 或q a m 调制等，一般采用均方根检测 器。 2 4 环路滤波器 典型的a g c 环路中一般包括两个滤波器，第一个低通滤波器跟随在检测器 之后滤除射频瞬态信号从而得到射频信号的幅度信息，另一个低通滤波器和误差 放大器一起组成误差积分电路以产生最终的增益控制信号。本节中环路滤波器是 指环路中的误差积分电路，而第一个滤波器可以看作是幅度检测器的组成部分。 环路滤波器的带宽及时间常数决定了环路的建立时间，根据具体调制信息及 环路稳态误差可以确定环路滤波器的带宽和增益，因此特定场合下环路滤波器的 带宽一般为确定值。一种典型的环路滤波器结构如图2 4 所示【2 5 】： c 1 来自检测器 参 增益控制 电压 图2 - 4a g c 中环路滤波器结构 忽略运算放大器的非理想效应，环