（微电子学与固体电子学专业论文）多模多频无线收发机中模拟信道选择滤波器设计研究.pdf

一 m st h e s i so f2 0 1 0 酬 u n i v e r s i t yc o d e ：1 0 2 6 9 r e g i s t e rn u m b e r ：5 1 0 7 1 2 0 2 0 3 3 nan o r ma咖v e r s r e s e a r c ha n d d e s i g no f t h ec h a n n e l s e l e c tf i l t e ri n a n a l o g b a s e b a n do f t h em u l t i m o d e m u l t i f r e q u e n c y w i r e l e sst r a n s c e i v e r d e p a r t m e n t ： 旦曼p ! ：q 量垦! 曼! ! q n i 曼垦堕g i 塾曼曼! i 望g m a j o r ：m i c r o e l e c t r o n i c s & s o 1 i d - 。s 。t a t e e l e c t r o n i c s m e n t o r ： n a m e ： 2 0 1 0 4 华东师范大学学位论文原创性声明( i i 撅y 1 黝7 4 3 2 2 栅1 锣 郑重声明：本人呈交的学位论文多模多频无线收发机中模拟信道选择滤波器设 计研究，是在华东师范大学攻士( 请勾选) 学位期间，在导师的指导下进行 的研究工作及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 作了明确说明并表示谢意。 作者签名：缢煎日期乏。fd 年5 月3 f 日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 多模多频无线收发机中模 读学位期间在导师指导下完成的 滤波器设计研究系本人在华东师范大学攻 ( 请勾选) 学位论文，本论文的研究成果归 华东师范大学所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论文，并向 主管部门和相关机构如国家图书馆、中信所和“知网 送交学位论文的印刷版和电子版； 允许学位论文进入华东师范大学图书馆及数据库被查阅、借阅；同意学校将学位论文加 入全国博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出 版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) () 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部 或“涉密”学位论文宰， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( ) 2 不保密，适用上述授权。 聊戤一 本人签名至遂袁 ) d f d 年5 月弓1 日 事“涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定过的学位 论文( 需附获批的华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方为有效) ，未经上 述部门审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公开学位论文，均适用 上述授权) 。 1 韭夏硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 张使教覆每车师梵大摹 主席 王薅卫极强年车卿粼 椰半槛秭移疋耷东币克太季 ， i v 一 2 0 1 0 届华东师范大学硕士学位论文 摘要 无线通信技术的快速发展，使得各种新的无线通信方式和通信协议层出不 穷，人们迫切希望自己手中的无线终端能够工作在多种通信模式下，实现无限自 由通信。本文通过调研大量通信协议和接收机相关文献，认真总结滤波器相关的 理论，仔细对滤波器电路进行设计仿真，设计出一款能够适用于g s m ， t d - s c d m a ，w l a n ，r f i d 四种通信标准的可配置信道选择波器。本文取得以 下成果： 1 从经典的模拟滤波器设计理论入手，首先分对目前流行的a c t i v e r c 滤波 器和g m c 滤波器经行比较，阐述了两种结构的优缺点。并介绍了滤波器的传输 函数和综合方式，以及滤波器的非理想因素对传输曲线的影响。从通信标准对滤 波器各项性能要求，从g s m 、t d s c d m a 、w l a n 、r f i d 的通信标准考虑， 对滤波器的截止频率，噪声，线性度指标进行推导。 2 文章介绍了一款截止频率从3 0 0 k h z 到1 0 m h z 可调的7 阶a c t i v e r c 切 比雪夫低通滤波器电路。该滤波器采用5 阶基于l c l a d d e r 的l e a p f r o g 滤波器， 在后级级联一个t w o - t h o m a s 二阶滤波单元，既保证了滤波器截止频率不易受器 件变化的影响，又保证滤波器良好的稳定性和可调性。为了能够在线性度和噪声 指标之间折中，整个滤波器加入了预放大级。 3 由于w l a na b g 模式信号带宽在1 0 m h z 附近，高截止频率的滤波器对 运放的g b w 要求较高，本文提出的一款改进型高增益大带宽运放设计过程以及 关键指标的计算。该运放没有采用传统的米勒电容补偿来引入主极点，主极点由 两级运算放大器第一级输出点的寄生电容和输出电阻决定，提高了运放主极点频 率位置；采用零点补偿次极点的方法在保证相位裕度的同时将运放g b w 扩展到 5 g h z 。运放在输出节点采用单位增益缓冲器作为共模电平的检测方法，避免了 采用大电阻提取共模电平时由于电阻工艺偏差而引入的输出直流电平偏移。 4 文章给出了滤波器关键电路寄生提取后的仿真测试结果。本次滤波器设 计采用0 1 3 u mc m o s 工艺实现，测试结果验证了设计理论和设计方法的j 下确 性，达到了系统要求。 关键字：多模多频、单芯片、信道选择滤波器、切比雪夫滤波器、三阶交调， 本论文受国家重大专项基金核高基项目2 0 0 9 z x 0 1 0 3 4 0 0 2 - 0 0 2 - 0 0 1 资助 一 a b s t r a c t d u et ot h ed e v e l o p m e n to ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , v a r i o u sk i n d s o fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt y p e sa n dp r o t o c o l sa r e b o o m i n gu p c o n s e q u e n t l y , p e o p l e h a v et h en e e dt om a k i n gt h e i rw i r e l e s st e r m i n a l e q u i p m e n ta v a i l a b l et oa d a p ti t s e l f f r e e l yi nm u l t i - m o d em u l t i - - f r e q u e n c yc o n d i t i o n sa n dc o m m u n i c a t ee a c ho t h e rw i t h o u t f r e e l y i nt h i sp a p e r , a f t e rt h es t u d yo fs e v e r a lc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sa n dag r e a t m a n yp 印e r so nw i r e l e s sr e c e i v e r s ，t h er e l e v a n tt h e o r yo ff i l t e ri ss u m m a r i z e d c a r e f u l l y e f f i c i e n t w o r kh a sb e e nd o n ei n t h ef i l t e rc i r c u i t d e s i g n ，a n d a r e c o n f i g u r a b l ec h a n n e ls e l e c tf i l t e ri sp r e s e n t e d ，w h i c hc a na d a p tf o u rm a i n s t r e a m c o m m u n i c a t i o n s t a n d a r d ( g s m ，t d - s c d m a ，w l a n ，r f i d ) a n da l t e ra m o n gt h e m o p t i o n a l l y t h i sp a p e ri so r g a n i z e da sf o l l o w s ： f i r s t l y , s t a r t e df r o mt h ec l a s s i ca n a l o gf i l t e rd e s i g nt h e o r y , t h i sp a p e rc o m p a r e s t h et w om o s te m p l o y e dt e c h n i q u e s ：a c t i v e - r ca n dg m cf i l t e r , f o l l o w e dw i t ht h e a n a l y s i so ft h e i rp r i n c i p l e sa n dp r o b l e m s ，r e s p e c t i v e l y t h et r a n s f e rf u n c t i o n ，s y n t h e s i s m e t h o da n dt h ei n f l u e n c eo ft h en o n i d e a lf a c t o r st ot h ef i l t e r t s a m p l i t u d ea n d f r e q u e n c yi sa l s oi n t r o d u c e d t h ep a p e rf o c u s e so nt h es p e c i f i c a t i o no fk e yt a r g e t so f t h ec s f , s u c ha sc u t - o f ff r e q u e n c y , n o i s ep e r f o r m a n c e ，a n d l i n e a r i t y , f r o m t h e c o n s i d e r a t i o no fg s m ，t d s c d m a ，w l a na n dr f i d p r o t o c o l s ，a n dt h ec a l c u l a t i o n r e s u l t sa r eg i v e n a f t e r w a r d san o v e l7 t h - o r d e rr e c o n f i g u r a b l ec h e b y s h e va c t i v e r cl o w p a s sf i l t e r w i t ht u n a b l er a n g ef r o m3 0 0 k h zt oi o m h zi sp r e s e n t e d t h i sf i l t e ri sf o r m e dw i t ha 5 t h - o r d e rl e a p f r o gf i l t e rb a s eo nl c 1 a d d e rc a s c a d e db ya2 a d - o r d e rt o w t h o m a s f i l t e r t h i sa r c h i t e c t u r en o to n l yp r e v e n t st h ec u t - o f ff r e q u e n c ya f f e c t e db yt h ec o m p o n e n t s v a r i a t i o nb u ta l s og u a r a n t e e sg o o ds t a b i l i t ya n dr e c o n f i g u r a t i o n i no r d e rt ot r a d eo f f b e t w e e nt h el i n e a r i t ya n dt h en o i s ep e r f o r m a n c e ，ap r e a m p l i f i e ri si n c l u d e di nt h e a r c h i t e c t u r e t h i r d l y , f o rt h ew l a na b gm o d er e q u i r e st h es i g n a lb a n d w i d t ha sh i g ha s 1 0 m h z ，w h i c hm e a n st h eo p e r a t i o n a la m p l i f i e r ( o p a m p ) o ft h ef i l t e rs h o u l dh a v ea n e x t r a o r d i n a r yh i g hg a i nb a n d w i d t h ( g b w ) t h e r e f o r e ，t h i sp a p e r p r e s e n t s a c o n s i d e r a b l ep a r tt od i s c u s st h ed e s i g np r o c e d u r eo fan o v e lw e l l m o d i f i e dh i g h g a i n l a r g e _ b a n d w i d t ho p - a m pa n dt h ec a l c u l a t i o no ft h ek e ym o d u l e s i n s t e a do ft h e c o n v e n t i o n a lm i l l e rc o m p e n s a t i o nm e t h o d ，t h i so p - a m pu t i l i z e saz e r ot oc a n c e lt h e 2 n d 。p o l et oi m p r o v et h eg b wd r a s t i c a l l ya n dk e e p st h es u f f i c i e n tp h a s em a r g i na tt h e s a m et i m e t h eg b wo ft h eo pi sa sh i g ha s4 g h z w h a t sm o r e ，i ta l s ob e n e f i t si na r e l a t i v el o wp o w e r c o n s u m p t i o na n dh i g hg a i n a tt h eo u t p u tn o d eo ft h eo p a m pa u n i t yg a i nb u f f e ri su s e dt ot e s t i f yt h ec o m m o n m o d el e v e la n da v o i dt h ed c i n s t a b i l i t yc a u s e db yt h er e s i s t a n c em i s m a t c hw h e nu s i n gt h el a r g er e s i s t a n c e f i n a l l y , t h ed e s i g n i s i m p l e m e n t e d i n 0 1 3 mc m o sp r o c e s s t h e p o s t s i m u l a t i o na n dt e s tr e s u l ta r ea l s og i v e n ，w h i c hj u s t i f yt h ed e s i g nt h e o r ya n d m e t h o d k e yw o r d ：s i n g l e c h i p ，m u l t i m o d em u l t i f r e q u e n c y , c h a n n e ls e l e c tf i l t e r , c h e b y s h e v f i l t e r , 3 r d o r d e ri n t e r c e p tp o i n t 1 1 1 绪论 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 信道选择滤波器国内外研究现状。3 1 3 论文的研究内容和贡献5 1 4 论文的组织结构6 第二章滤波器设计原理8 2 1 离散时间滤波器9 2 2 连续时间滤波器1 0 2 3 滤波器传输函数的实现1 4 2 4 滤波器的综合方式1 5 2 5 滤波器的非理想因素。1 8 第三章信道选择滤波器指标的系统分析2 1 3 1 多模多频收发机架构。2 1 3 2 滤波器中关键指标定义与分析2 4 3 3 滤波器噪声和线性度的系统要求2 7 第四章七阶切比雪夫滤波器设计3 1 4 1 滤波器的设计3 1 4 2 滤波器的仿真3 9 第五章芯片的实现和测试4 2 5 1 芯片版图设计考虑4 2 5 2 测试电路设计4 3 5 3 芯片测试4 6 第六章总结与展望5 3 6 1 成果总结5 3 6 2 未来展望5 3 攻读硕士学位期间的论文发表与专利申请情况5 5 j i j 谢5 6 w 2 0 1 0 届华东师范大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 以集成电路芯片为主要产品的半导体行业在最近3 0 年来有了突飞猛进的发 展，随之推动了整个电子行业的蓬勃兴起。尤其是与人们日常生活息息相关的无 线通信终端，从功能简单，体积庞大的模拟制式机发展到如今功能复杂，体积小 巧的各种智能手机，验证了半导体技术发展带给人们生活上的方便，快捷。然而 随着无线通信终端种类的增加，更新换代周期的缩短，各种新的通行协议层出不 穷。用户希望通过手中的多模终端随意地接入相应的网络进行通信，实现灵活， 便捷，无限的自由通信。未来的发展趋势将是各种无线技术之间的不断融合【。 口r t 图1 1 主要通信标准 由于移动通信的不断发展、宽带业务的迅速增长以及w i f i 的商业成功，促 成了w i m a x 、o f d m 等各种宽带无线技术的诞生。另一方面，w i m a x 的出现 又推动了3 g 增强型技术的进步。两者将在互补和相互竞争中发展，最终在4 g 时代实现融合。在具体实现上，既要兼顾网络局端设备对宽带无线技术与3 g 的 支持，又要对终端产品不断进行改造。目前，众多手机和智能终端制造商都开始 大力开发3 g a v i m a x 双模甚至3 g w i m a x w i f i 三模手机，以及兼容这些无线 技术的智能终端，已经在一些发达国家成功应用。目前，关于不同标准之间的互 联互通主要有两个标准：一个是英特尔在2 0 0 6 年秋季英特尔开发者论土云；( i n t e l i d f ) 绪论 上提出的8 0 2 2 1 标准，另一个是以设备厂商巨头诺基亚为主提出的 u m a ( u n l i c e n s e dm o b i l ea c c e s s ，无授权移动接入) 技术。英特尔希望能借助 8 0 2 2 1 实现让3 g 、w i m a x 、w i f i 、u w b 、b l u e t o o t h 和r f i d 等同时共存并紧 密连接的混合网络( m x n ) 。u m a 由部分网络运营商和设备生产商于2 0 0 4 年1 月 提出，其主要目的是开发一个新的技术标准，将g s m 语音和g p r s 数据服务延 伸到蓝牙和w i f i 等无授权频谱。2 0 0 5 年9 月，3 g p p 组织同意将u m a 作为通 用接入网络标准纳入3 g p p r e l e a s e 6 标准中，并且定义了对移动网络和w i f i 融 合的接入。以英国电信为首的网络运营商，以及诺基亚等多家巨头级设备生产商 加入的u m a 网络和终端设备都在紧锣密鼓的部署和试验阶段。目前我国对如何 将应用于不同场景下的无线技术完整融合的报道还比较少见，这使得对多模多频 无线收发机的设计成为一个十分重要，又十分具有挑战性的课题。 所谓的多模就是指接收机能够在不同技术标准的网络之间使用。比