（电路与系统专业论文）模拟集成电路设计——低噪声放大器、混频器和仪器放大器的设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 无线通信在当前的应用越来越广泛，并向着高频、宽带的方向发展。作为通信系统重要组成部分的 接收机则有着高工作频率、高集成度、低功耗和低成本的要求。在接收机的整体设计中，模拟前端是瓶 颈，其拓扑结构对接收机的性能有重要影响。c m o s 电路功耗小，成本低，易集成，因而使用c m o s 工艺制造集成电路具有巨大的优势。为了实现单片系统( s o c ) 的接收机集成电路，采用c m o s 工艺实 现其射频模拟信号处理功能是发展的方向。 当前常见的接收机前端结构有超外差、零中频、低中频和宽中频接收机等，接收机结构的变化和发 展体现了其性能的改善和集成度的提高。 生物芯片是近年来随着微电子技术和生命科学的发展而交叉形成的高新技术。生物芯片有利于改善 人体活动条件，提高生活质量。 本文分别采用s m i c0 1 9 u mc m o s 工艺设计了用于蓝牙接收机的低噪声放大器( l n a ) ，用a m s 0 3 5 a mb i c m o s 工艺设计了国安通信手持机使用的低噪声放大器( l n a ) 和混频器( m i x e r ) 模块， 用c s m co 1 8 mc m o s 工艺设计了用于生物芯片的运算放大器及用其组成的仪器放大器。 论文首先介绍了蓝牙的相关知识和射频接收机的基本结构与参数，讨论了l n a 阻抗匹配的几种结 构并在此基础上确定了蓝牙接收机l n a 采用源极电感反馈结构，并对电路进行了优化，给出了电路的 仿真结果。接着完成了p r 9 3 7 手持机中l n a 和m i x e r 模块的设计。对设计指标进行了分析，围绕指 标设计了符合指标要求的电路，绘制了版图并给出了测试方案。 最后，研究了运算放大器的几种基本结构，完成了运算放大器和仪器放大器的设计。 【关键词】 蓝牙( b l u c t o o t h ) 射频接收机( r fr e c e i v e r )低噪声放大器( i a ) 混频器( m i x e r ) 仪器放大器( 1 n s t r u m e m a m p l i f i e r ) a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s t h ea p p l i c a t i o no fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni si n e r e s s i n g l yb r o a d 1 1 i ed i r e c t i o no fi ti s h i g h e rf r e q u e n c ya n dw i d e rb a n d t h er e c e i v e r , 笛a l li m p o r t a n tp a r to f t h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，s h o u l dh a v e i oc o s ta n dh eh i g h l yi n t e g r a t e d i ts h o u l dw o r kw i t hl o wp o w e ri nah i g hf r e q u e n c y t h ea n a l o gp a r ti nt h e f r o n ti sv e r yi m p o r t a n t , b e c a u s ei t st o p o l o g yh a sg r e a ta f f e c t i o nt ot h er e c e i v e r c m o sc i r c u i t sa r cp e r f e c tf o r t h e yh a v el o wp o w e r , l o wc o s ta n dc a nb ee a s i l yi n t e g r a t e d i no r d e rt of u l f i l lt h er e c e i v e rs y s t e mo r lae h i p ， c m o sp r o c e s si sag o o dc h o i c et op r o c e s st h er fa n a l o gs i g n a l t h er e c e i v c r sh a v ef o u rc o m m o nt y p e so fu r c h i t e c t m e s ：h e t e r o a b m e , h o m o d y n e , i m a g e - r e j e c ta n d d i s t a l i f o fc 饥耗t b ep e r f o r m a n c ea n dt h ei n t e g r a t e de x t e n tv a r y w i t ht h ev a r i e t yo ft h er e 譬e i v e c a r c h i t e c t u r e s 一 i ca p p l i e df o rl i v e si san e w - a n d h i g ht e c h n o l o g yc o n c e r n e dt h em i c r oe l e c t r o n i ct e c h n o l o 西锵a n dt h e 姑f c s c i e n c e s p e o p l ec a ni m p r o v et h e i rl i v e sb yr e s t o l tt h e i rb o d i bw i t ht h e s ei c s t h et a s k si nt h i sp a p e rm - et od e s i g nt h el o wn o i s ea m p l i f i e r ( l n a ) i nab l u e t o o t hs y s t e mw i t hs m i c 0 1 s u mc m o s p r o c e s s t h eu q aa n dm e rf o rm o b i l ec e l lw i t ha m s0 3 5 mb j c m o sp r o c e s s a n dt h e i n s t r u m e n t a m p l i f i e r w i t hc s m co 1 s u mc m o sp r o c e s s sp a p e rf i r s t 舯鼬s o m ec n t o n ta b o u tt h eb l 咖t hs y s t c ma l o n gw i t ht h ea r c h i t e c t u r ea n di t s p e r f o r m a n c e - r e l a t o ds p e c i f i c a t i o n t h e ng i v e ss o m es t r u c t u r e so fl n ab a s e do i li n p u tm a t c h i n g t h es o ) i r c e i n d u c t o rf e e d b a c ks 缸 u c t u r ei ss e l e c t e d 1 1 掉p a p e rt h e nf o c u s e so nn o i s ea n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o n , a n d 砒l e s t t h es i m u l a t i o nr e s u l ta n dt h em e a s u r e m e n ta 圮b o t hs h o w n t m sp a p e ra l s oi n t r o d u c e st h ed e s i g no fc h i p c o m b i n e d b y l n a a n d m i x e r u s e d i n t h e p t 8 3 7 m o b i l ec e l l a f t e r t h ea n a l y s i s t o t h e d e s i g ns p e c i f i c a t i o n , t h e c i r c u i t sa n dt h el a y o u ta r eg i v e a tl a s ls e v e r a lu r c h l t e c t i l u e so f t b eo p e r a t i o n a la m p l i f i e ra r ed i s o u s s e d t h f f f lt h ei n s t n u n a n ta m p l i f i e ri s d e s i g n a db a s e do nt h ed i s c m s s ， k e yw o r d s b l u e t o o t hr f r e c e i v e r l o w n o i s e a m p l i f i e r ( l n a ) m i x e ri n s t r u m e n ta m p l i f i e r i l 东南大学学位论文独创性声睛 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。与我一同工作的同恚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：日期： 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、缩印或其它复制手段保存论文。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 文被查阅和借阉，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：导师签名尜叫 j 功， 哪 期 第一章概述 第一章概述 c m o s 技术已经迅速地在模拟集成电路设计领域取得了优势，低成本、高性能的c m o s 产品一跃而 主宰了市场。对于今天的复杂的混合信号系统，与硅双极性器件和其他化合物器件相比较，c m o s 技术 已经表现出是最好的选择【l 】。 由于模拟电路设计本身在技术上的发展，低电压、低功耗的大规模集成电路系统取代了以前几十个 晶体管、处理小的连续时间信号的高电压、大功耗的模拟电路。 近年来，随着特征尺寸的不断减小，深噩微米c m o s i 艺其m o s f e t 的特征频率已经达到5 0 1 3 h z 以 上，使得利用c m o s i 艺实现g h z 频段的射频电路成为可能。由于无线接收机小型化和低价格的发展趋 势，推动着收发机射频电路和基带电路的单片集成，在这方面硅工艺特别是c m o s i 艺有很强的优势。 利用c m o s i 艺有可能将射频( r a d i of r e q u e n c y , r f ) 、中频以及基带部分的电路全部集成到一块芯片上。 本文所做的工作是设计了用于蓝牙接收机的低噪声放大器芯片、用于国安通信用p t 8 3 7 手持机的低 噪声放大器与混频器合成芯片和用于信号检测的仪器放大器芯片。 下面对一些与本文相关的基础理论作一讨论。 1 1 蓝牙技术简介 随着各种便携式个人通信设备与家用电器设备的增加，人们在享受蜂窝移动通信系统带来的便捷的 同时，对短距离的无线与移动通信又提出了新的需求，这种短距离的无线通信主要用于家庭、办公室、 商场等室内场所，有时也用于室外环境。这种技术的应用大大地改菩了人们的生活和工作质量，对现有 的长距离无线通信技术是一个很好的补充。 w l a n 、蓝牙网络，移动自组织网络和u w b 技术是主流的短距离无线技术。 蓝牙技术是爱立信、i b m 等5 家公司在1 9 9 8 年联合推出的一项无线网络技术，是一种用于各种固 定和移动的数字化硬件设备之问近距离无线通讯技术的代称。随后成立的蓝牙技术特殊兴趣组织( s i g ： s p e c i a li m c r e s tg r o u p ) 负责该技术的开发和相关协议的制定。 作为数据和语音传输的开放式标准，它将各种通信设备、计算机及其终端设备、各种数字数据系统、 甚至家用电器采用无线方式联接起来。其传输距离为l o c m l o m ，如果增加功率或是加上某些外设便可 达到l o o m 的传输距离。它采用2 4 g h zi s m 频段和调频、跳频技术，使用前向纠错编码、p m q 、t d d 和基带协议。它支持6 4 k b s 实时语音传输和数据传输，语音编码为c v s d ，发射功率分别为l m w 、2 5 r o w 和1 0 0 m w ，并使用全球统一的4 8 比特的设备识别码。由于采用无线接口来代替有线电缆连接，具有很 强的移植性，并且适用于多种场合，该技术功耗低、对人体危窖小，而且应用简单、容易实现【2 】。 蓝牙技术具有自动寻道、自动连接和安全加密的传输特点，同时还具有低功耗、低成本和灵活安全 的特点。可以不靠电缆和等连接设备保持物件之问通信，有着广泛的市场。 1 1 1 蓝牙规范 蓝牙规范分为两部份：核心部分和子集部分。核心部分定义了蓝牙协议栈的所有层。子集部分主要 是定义用户应用规范。制造商可以利用蓝牙协议栈所提供的服务建立各种各样的应用，蓝牙子集为各种 应用之间的互操作性提供了支持。 蓝牙规范在物理层上有以下主要技术特点f 2 】： 东南大学硕士学位论文 ( 1 ) 工作在2 4 g h z1 s m 频段； ( 2 ) 频带被分成l m h z 的信道间隔； ( 3 ) 采用g p s k 调制技术，传输速率为1 m b i t s ； “) 采用f h s s 扩频技术，每个时隙6 2 5 u s ，每个报文跳一次( 每隔1 3 5 个时隙) ； ( 5 ) 功率发射级分为3 级，即通信距离分别为1 0 m 、2 0 m 和1 0 0 m 。 在业务的支持上，蓝牙规范同时支持数据业务和语音业务的传输，即同时支持异步方式与同步方式 在工作模式上，蓝牙设备可以有两种选择，即主设备方式或从设备方式。主设备负责设定跳频序列， 从设备必须与主设备保持同步。主设备负责控制主从之间的业务传输时间与速率。 在组网方式上，蓝牙规范支持微微网和散射网两种模式，但对前者，一个主设备所支持的活跃从设 备数不超过7 个。多个微微网可以通过节点桥接的方式构成散射网，但蓝牙规范并没有对散射网构成的 细节加以定义。 1 1 2 蓝牙协议栈 蓝牙协议栈是蓝牙规范的核心部分。 按照与现有协议的亲疏关系，蓝牙协议栈中的协义可以分为3 类。第一类是由蓝牙s i g 专门针对蓝牙 而开发的核心专用标准协议，包括基带、链路管理协义、逻辑链路控制和适配协议以及服务发现协议。 第二类是基于现有协议开发的，包括串口仿真协议和电话控制协议。第三类是非蓝牙特有的协议，是蓝 牙s i g 所采纳的协议。包括下列协议：p l a t 、t c p l r d p i p 、o b e x 、v c a r d v c a l 、w a p 。 按照实际的设备组成，蓝牙协议栈可以分蓝牙模块和蓝牙主机两个部分，蓝牙模块主要由链路管理 层、基带层和无线层组成，这部分是蓝牙技术的核心，所有嵌入蓝牙技术的设备都必须包括蓝牙模块。 1 1 3 无线层 蓝牙无线层是蓝牙规范定义的最低层，其主要作用是处理空中接口数据的发送和接收，包括载波关 系道、载波调制、发射功率控制等。蓝牙规范的无线部分定义了工作在2 4 g h z 频段的蓝牙无线收发器的 技术指标和系统参数，包括频率带宽、带外阻塞、调制技术、允许的输出功率和等级以及接收机的灵敏 度等。 1 2 射频接收机 1 2 1 射频接收机结构 射频接收机通常有四种结构：超外差结构( h e t e r o d y n ea r c h i t e c t u r e ) 、直接变频结构( d i r e c t - c o n v e r s i o n a r c h i t e c t u r e ) 、宽中频变频结构( w i d e b a n d - i fa r c h i t e c t u r e ) 、和低中频变频结构( l o w - i fa r c h i t e c t u r e ) 。这 四种结构各有优点和缺点，接收机的结构由系统指标决定，包括系统工作频率、接收机动态范围，功耗 和集成度等3 朋。 下面具体研究这四种结构，并对比它们的优缺点。 ( 1 ) 超外差结构 最早，移动手机的射频接收机都采用超外差结构( 图1 1 ) 。天线接收到的射频信号首先通过带通滤波 器( b a n d - p a s sf i l t e l , b p 9 ) 将频段以外的信号滤除。低噪声放大器( l 。”n 。3 。a ”p 1 于l n a ) 将接收到的微 2 第一章概述 弱信号进行放大，同时引入较低的噪声- 输出信号通过镜频抑制器( i m a g e - r e j e c tf i l t e r , m f ) 滤除镜频干 扰成分。混频器( m i x e r ) 通过本振信号( l o c a jf r e q u e n c y , l o ) 将射频信号变换到高中频信号( i n t e r m e d i a t e f r e q u e n c y , i f ) ，输出经中频选择器、自动增益控制放大器( a u t o m a t i cg a i nc o n t r o l l e r , a g c ) 进入解调器 ( d e m o d u l a t o r ) ，变换到基带( b a s e - b a n d ) 信号。 电甜 v瞰r h i t e r憾垮 昏嗡 d 驴 r 谢“ l l 。 奄册 图1 1 超外差结构接收机框图 这种结构中频越高，镜频干扰与射频信号频率相隔越远( 1 厶一0 l - 2 - ，) ，镜频干扰越容易 被抑制，如图1 2 。但提高中频频率，中频选择器的q 值( q = 幸芋) 也相应提高，通常高q 值的滤波器难 m 以实现。因此选择合适的中频频率非常重要。 i 酗胙h 球 图1 2 中频频率高低对镜频抑制的影响 这种结构的在各个电路模块之间采用了片外滤波器，及时、有效地滤除了干扰信号和噪声，提高了 选频性和系统灵敏度。但系统集成度很低，成本高，对于高频接收机，高o 值得滤波器难以实现，与滤 波器相连的电路需要5 0 欧姆的阻抗匹配，提高了电路的输出驱动要求和功耗。因此该结构不适用于集成 度和工作频率较高的系统。 ( 2 ) 直接变频结构 直接变频结构( 图1 3 ) 中，低噪声放大器输出的射频信号直接进入混频器被变换到基带，经自动增益 控制放大器后再通过低通滤波器将干扰信号滤除。 3 东南大学硕士学位论文 d 5 p 俐”憾h 纠日廿 图1 3 直接变频结构接收机框图 与超外差结构相比，直接变频结构有诸多优点。由于射频信号直接变频到基带，中频电路被省去了。没 有了片外的镜频抑制器，系统的集成度提高了，此外，低噪声放大器不需要驱动5 0 欧姆负载，不需要 输出匹配，并且降低了电路的功耗。 但直接变频也带来了一系列问题，如： 直流偏移( m 2 - o m e o 由于模块之间的隔离度降低了，信号泄漏使混频器端出现射频信号、本振信号与 自身相混频的现象，从而产生直流分量，直接干扰基带信号，如图1 4 。 图1 4 信号泄漏导致信号自混频 本振泄漏( l ot 础g e ) 由于本振信号和射频信号同频段，本振信号泄漏到天线端会干扰其它使用同 一频段的接收机。但如果本振信号是差分的，则泄漏到天线端会相互抵消。 正交失配( i qm i s m a t c h ) 混频器端的正交本振信号，其相位和幅度的失配会严重影响基带信号的数据 判决，从而提高系统误码率，高频时影响更为严重。 此外，低频闪烁噪声( 1 f n o i s e ) 也会破坏有用的基带信号。 ( 3 ) 宽中频结构 图1 5 所示的宽中频结构通过两次正交变频在输出端进行信号叠加或相减抵消镜频。与超外差结构 相比，省去了片外滤波器，提高了系统集成度。与直接变频结构相比，高中频频综的相位噪声比高频频 综低。高频本振泄漏产生的直流分量不会干扰高中频信号。 但是高中频频综的q 值要求高，两级变频之间没有高q 值的信道选择器，使进入后级电路的干扰 更多。增加了后续电路的设计难度。并且每次变频都会产生正交失配。 4 第一章概述 图1 5 宽中频结构接收机框图 正交变频抵消镜频的基本原理如图1 6 所示，如果射频频率高于本振频率，则两次变频后输出信号 叠加可抑制镜频，反之输出信号相减抑制镜频。 b c j 者。：善扣l 古 降l l + f # 图1 6 正交变频抑制镜频干扰的原理图 ( 4 ) 低中频结构 低中频结构与宽中频一样采用两次正交变频的方式来抑制镜频干扰，所不同的是降低了中频频率， 如图1 7 所示。 图1 7 低中频结构接收机框图 5 东南大学硕士学位论支 这种结构与直接变频相比，高频本振泄漏产生的直流偏移不会干扰有用的低中频信号与宽中频结 构相比，低中频频综相位噪声更低模数转换器( a n a l o g d i g i t a l c o n v e r t e r , a d c ) 可以在第二次变频之前， 在数字模块实现镜频抑制，可以大大降低正交失配。但镜频抑制之前采用的模数转换器要求较高的精度 考虑到系统集成度、避免直流偏移和有效的抑制干扰，我们将采用低中频结构设计2 4 g h z 的蓝牙接 收机中的低噪声放大器。采用超外差结构设计p t 8 3 7 手持机低噪声放大器和混频器 1 2 2 接收机的性能参数 组成接收机的电路模块及其功能和指标由接收机的性能指标确定一除必须考虑功耗以外，接收灵敏 度( s e n s i t i v i t y ) 和动态范围( d y n a m i cr a n g e ) 是衡量接收机性能的主要指标 ( 1 ) 灵敏度 射频接收机的灵敏度定义为解调输出达到最低信噪p 6 ( s i g n a ln o i s er a t i o ，s n r ) 时接收机可检测的最 低信号。为了推导接收端灵敏度和解调输出端最小信噪比的关系，我们将从接收机噪声系数( n o i s e f i g u r e , n f l 公式入手。 接收机噪声系数定义为输入倍噪比和输出信噪比的比值： 一舢s n r 。j , , = 甏 m ， s n r 。s n r 。 其中兄为接收机的输入功率，名为信号源的噪声功率，因此输入功率可以表示为： 巴= 圪+ n f + s n r o m ( 1 2 ) 根据灵敏度的定义，我们可以计算接收机所能检测的最低信号功率，用d b m 表示： 己一= 只+ 胛+ 舢。 ( 1 3 ) 常温下信号源噪声功率又可表示为式1 4 ，将它代入式1 3 可得灵敏度的通用表达式1 5 ，其中b 代 表接收机的带宽。 只，= - 1 7 4 d b m h z + l o l o g b ( 1 4 ) 己, w a n = 一1 7 4 d b m h z + 1 0 1 0 9 b + 朋7 + s n r m 。 ( 1 5 ) 式1 5 中的前三项又称为系统的最低噪声( n o i s e f l o o r ) 。从这个公式可知，要获得较高的灵敏度，就 要降低接收机的噪声系数。 动态范围 动态范围通常定义为接收机正常工作时所能承受的最大信号强度和所能检测的最低信号强度的比 值。 在射频接收机中，最低信号强度反应了灵敏度，这已经在上一节中讨论过了。最大信号强度则反应 了线性度( l i n e a r i t y ) 。通常用功率增益i d b 压缩和三阶交调来衡量接收机的线性度。相应的，衡量动态 范围也就有两种方式。如图1 8 。 6 第一章概述 o u t t 瞄a r a 竹 慧+ 图1 8 接收机动态范围 b d r ( b l o c k i n gd y n a m i cr a n g e ) 指接收机实际输出与理想的线性输出相比衰减l d b 时的输入功率和 接收机灵敏度的比值，用国m 表示： ， b d l t = pi d b - p “。 ( 1 6 ) s f d r ( s p u r i o u s f r e ed y n a m i cr a n g e ) 指接收机三阶交调输出功率和接收机最低噪声功率相同时的输 入功率与接收机灵敏度的比值，用d b m 表示，见1 7 。 黜：2 p p 3 - n _ o i s e f l o o r 一只，一 ( 1 7 ) n o i s e f l o o r = - 1 7 4 d b m h z + n f + 1 0 l o g b( 1 8 ) 从动态范围的两个公式来看，要提高接收机的动态范围，就要提高接收机的线性度，降低接收机的 噪声系数。 1 2 3 低噪声放大器和混频器的基本要求 低噪声放大器和下变频器是射频接收机最前端的两个模块，如图1 9 所示。其中低噪声放大器的主 要功能是将天线接收到的微弱信号进行放大，同时引入较低的噪声。下变频器将放大器输出的信号与本 振信号混频产生低中频信号。 闰1 9 射频接收机的前端模块：低噪声放大器和下变频器 要了解低噪声放大器和下变频器的基本要求，可以通过分析图1 1 0 所示的级联模块来了解它们对整 个接收机指标的影响。 7 东_ 南大学硕士学位论文 。! 堑壁! 鳖丝坠箜! - t 瓯g a i n ，= a 1 i i p 3 ，n 麓f 2 嘞1 1 p 3 。hn 箍i i p 3 ；卜 n f 1 ， ，； 。： ， 2 。| f 3 ，3 图1 1 0 级连模块 式1 ，9 和式1 1 0 分别列出了该级联模块与各级电路之间的噪声系数和三阶交调输入功率的关系。 n f ：嬲+ 竺d + 丝奠( 1 9 ) 1 a4 ，4 ： 、。 鹏= k l l l l 3 + 去1 1 1 3 + 蝴1 m ， i2 胴3j 、 从这两个公式不难得出： ( 1 ) 要降低模块的噪声系数，主要是降低前级电路的噪声系数； ( 2 ) 为了降低后续电路的噪声对整个模块的噪声影响，前级模块需要提供适当的增益； ( 3 ) 要提高模块的线性度，除了提高各级电路的线性度之外，各级的增益不能太高。 根据以上的分析作为接收机模块最前端的两个电路，设计低噪声放大器和混频器有如下要求【4 1 低噪声放大器： 低噪声， 7 f 不高于3 d b ： 高线性度，z 泸3 ，达到1 0 d b m ； 适当的增益，g a i n 大约1 5 d b ： 由于低噪声放大器的输入端与滤波器相连，要求实现5 0 欧姆的输入阻抗匹配； 低功耗，静态电流低于1 0 m a ； 隔离度大于2 0 d b 混频器： c o n v e r s eg a i n 大于1 0 d b ： p 3 大于5 d b m ： 端口之间的隔离度为1 0 2 0 d b 。 1 3 生物芯片简介 通过在体内植入芯片，利用微电子的手段来恢复神经系统功能，可以实现某些由于生理原因引起的 运动故障。 生物的神经系统之所以可以与电子信息系统实现关联，是因为生物电现象 9 1 。生物电现象是生命活 动的基本属性。我们可以通过探测、观察这些电学特性，获得相关的信息；也可以通过刺激的方法，( 在 一定程度上) 支配或者控制生物细胞或者生物体的状态。 以细胞为单位的神经电现象，有静息电位和动作电位两种形式。前者指细胞未受刺激时存在的电位 差，对大多数细胞是一种稳定的直流电位：后者是指细胞受到任何刺激后，细胞膜两侧会出现一个特殊 形式的电变化，即在原有的静息电位基础上发生一次两侧电位的快速而可逆的倒转和复原( 如图1 1 1 ) 。 信息就在这种变化中沿着神经传导。我们的设计就是要通过电极刺激实现动作电位的产生，进而完成神 8 第一章概述 经信号的再生删。 t ： “t ；、 j 、 图1 1 1 ( a ) 静息电位( b ) 动作电位 利用神经生物电现象，在神经受损伤的生物体内植入与之相容的集成电路芯片，为神经动作电位建 立一条人工信道，以达到神经功能恢复和重建的目的。这就是神经功能微电子技术重建方法嘲。 目前，作为信息技术基础的微电子技术持续高速发展，集成电路的特征尺寸已进入6 5 n m 甚至更小 的纳米阶段，电路的规模从小规模电路到超大规模集成电路( v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i t s v l s i ) 发展到了系统芯片( s y s t e mo nc h i p , s o c ) 。依靠微电子技术的发展，可植入人体芯片的实现得到了技 术上的强有力的支持。对于此类芯片的基本要求是芯片体积要小以便于植入：为了节省电力，延长电池 使用时间，需要采用低功耗和低电压的电路设计。 我们要设计的最终目标是一个可以植入生物体内、与生物的神经系统相联接的系统，完成生物信息 获取，处理和或再生激励之功能，实现生物信号的监测或神经功能再生之目的。本人的工作是完成用于 检测微弱信号的仪器放大器集成电路的设计。 1 4 集成电路的工艺选择 目前集成电路工艺主要分为双极性硅( b i p o l a r ) 、i i i m 族和c m o s ( c o m p e n 蛐mm e t a l - o x i d e s i l i c o n f i e l d - e f f e c t t r a n s i s t o r s ) i 艺。与前两种工艺相比，c m o s 工艺噪声大，速率低，因此，模拟集成电路通 常采用g a a sm e s f e t , l n a l a s l n g a a s i n ph e m t ，i n ph b t ，a i c r a a s g a a sh b t 等i i i v 族和双极性硅 工艺实现。 早期的m o s 工艺只有n 型m o s 晶体管，大约在二十世纪六十年代中期，出现了n 型和p 型的 m o s 晶体管，这才出现了c m o s 工艺，但其应用远不及双极性硅和i i i n 族工艺。 c m o s 晶体管只在开关转换时才产生功耗，这个性能被运用到数字电路中大大降低了数字集成电路 的功耗。并且人们发现，要降低c m o s 工艺的特征尺寸( 栅长) 也相对容易。凭借低功耗、低成本等显著 优点，c m o s 工艺已经成为数字集成电路的主要工艺。 人们于是考虑到用c m o s 工艺实现射频集成电路，与采用同种工艺的基带电路集成在同块芯片 上，实现片上系统( s y s t e mo nc h i p s o c ) 。 随着c m o s 工艺特征尺寸不断降低，c m o s 工艺的特征频率厂，不断提高。对应于o 3 5 岬、0 2 5 t u n 、 o 1 9 t t m 的c m o s 工艺的特征频率，r 分别为1 3 5 g h z 、1 8 g i l z 、4 9 g h z 。c m o s 工艺的特征频率已经和 i i i 厂v 族和双极性硅工艺的特征频率非常接近。 另外，工艺的诸多改进提高了c m o s 工艺模拟电路的性能：( 1 煨高无源器件的品质因数，例如将顶层 金属加厚；( 2 ) 提高有源器件的隔离度；( 3 ) 利用钛合金，降低多晶硅和n 型、p 型有源区的电阻率，降 低引线电阻等。 此外，c m o s 工艺相对另两种工艺容易获得，而且通过多项目晶圆( m u l t i - p r o j e c t - w a f e r ，m p w ) 苕t 构， 9 东南大学硕士学位论文 高校、研究所和中小型公司可以廉价获得c m o s 工艺流片服务。 本文将采用s m l c ( q 。芯国际) 0 1 9 u mc m o s 工艺实现2 4 g h z 蓝牙接收机低噪声放大器；采用 a m s ( a u s t r i am i c r os y s t e m s ) o 3 5 9 mb i c m o s 工艺实现p t 8 3 7 手持机低噪声放大器和混频器合成芯片； 采用c s m c ( 无锡上华) 0 6 u mc m o s 工艺实现生物芯片用仪器放大器的设计。 1 5 集成电路的设计流程 根据现有的软硬件条件、具体的课题任务和集成电路的设计流程，本文将采用图1 1 2 所示的流程进 行本次课题的设计。 首先根据大量的文献资料、模块的设计要求确定模块的基本结构。利用a # l e n t 公司的a d v a n c e d d e s i g ns y s t e m ( a d s ) 软件进行电路仿真和优化。采用c a d e n e 2 软件进行版图设计。完成版图的一系列验 证，包括设计规则检查( d * s i g nr u l ec h e c k , d r c ) ，版图提取( e x t r a c t i o n ) ，版图与电路图对, 照, ( l a y o u tv c r s l l $ s c h e m a t i c , l v s ) ，并将版图转化为标准的g d s 格式送交工艺厂家。芯片制造过程中确定芯片测试方案， 完成印制电路板( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d , p c b ) 的设计和制造。芯片切割后进行键合与测试，并对测试结果 进行详细地分析，提出改进方案。 1 6 论文结构 本论文分为三个部分：第一部分为背景知识，主要是第一章的概述，介绍了蓝牙和射频接收机方面 的相关知识以及生物芯片的简单介绍；第二部分为电路实现，包括第二章低噪声放大器的设计、第三章 p t 9 3 7 手持机中低噪声放大器和混频器的设计和第四章仪器放大器的设计，第二章研究了基于s m i c 0 1 8 t a nc m o s 工艺的用于蓝牙接收机的低噪放的设计，第三章设计了基于a m so 3 5 t a nb i c m o s 工艺 的工作于3 5 0 m h z - 4 7 0 z 频率下的低噪声放大器和混频器合成芯片，第四章完成了基于c s m c0 6 u m c m o s 工艺设计的运算放大器和仪器放大器的设计。第三部分为论文的总结。 1 0 第一章概述 图1 1 2 设计流程 东南大学硕士学位论文 第二章低噪声放大器的设计 低噪声放大器是射频接收机最前端的模块。它的主要功能是将天线接收到的微弱信号放大，同时引 入较低的噪声。低噪声放大器( l n a ) 具有几个基本要求：较低的噪声、适当的增益、较高的线性度。除 此之外，l n a 的输入端要与滤波器相连，需要实现5 0 欧姆的输入阻抗匹配；输出端有时也需要实现5 0 欧姆的输出阻抗匹配。本章将对低噪声放大器中涉及的基本因素和理论作一分析，并选出恰当结构，设 计出合乎要求的用于蓝牙接收机系统的低噪声放大器。 2 1 噪声分析 噪声限制了电路能够正确处理的最小电平信号，它与功耗、速度和线性度相互制约，是进行模拟电 路设计时要考虑的重要因素。要降低l n a 的噪声，需要了解噪声与静态电流、工作频率、m o s 管偏置和 几何尺寸等参量之间的关系。了解m o s 管的噪声来源和模型是l n a 噪声分析的基础。 2 1 i 噪声的统计特性 噪声过程是随机的，噪声的瞬时值是不能确定的。但是噪声的平均功率是可以预测的。可以依靠统 计的方法来表示噪声的特性，如均方值或方根值。例如：用和分别表示噪声电流和噪声电压。 2 1 2 电路中常见的噪声源 热噪声、散弹噪声和闪烁噪声是电路中常见的三种噪声源。 电阻的热噪声由导体中的不规则热运动造成，电路模型为一个串联的电压源( = 4 k t r a f ) 或 并联的电流源薯( = 4 k t a f r ) ，露= 1 3 8 1 0 _ 2 3 j k 为波特曼常数，t 是绝对温度，匀r 是噪声带 宽。 散弹噪声发生原因是电子电荷的粒子性，发生敖弹噪声必须满足两个条件：1 、要有直流流过；2 、存 在电荷载体跃过的电位壁垒。载流子流过p n 结时可产生散弹噪声a 用并联的电流源= 2 d c 鲈来表 示。其中，- 2 是噪声电流，q 是电子电荷( 1 6 1 0 1 9 c ) ，k 是直流电流。 闪烁噪声的形成机理比较复杂，原因之一是晶格的缺陷。通常用电荷捕获现象来解释在晶体管中的 闪烁噪声。某些类型的缺陷和某些杂质可以随机地捕获和释放电荷。捕获时间的分布方式在m o s 和双 极型晶体管中形成了闪烁噪声谱，所以对表面现象敏感的器件最为突出。 闪烁噪声的经验参数模型为： l ，- 。2 = 船4 ( 2 1 ) ，b 足是一个与具体器件相关的经验参数，对于p m o s 器件，它的典型值大约为1 0 。s c 2 m 2 ，而对于n m o s 器件约为这个值的5 0 倍”，a 在0 5 到2 之间，b 约为1 。 2 1 3 噪声系数 对一个系统的噪声性能通常用噪声因子f 来衡量。噪声因子的定义是： 第二章低噪声放大器的设计 f ：璺塑竖主塑当堕垩门、 输入噪声引起的噪声输出功率 ”。7 噪声系数n f 用分贝表示： n f = 1 0 1 0 9 f( 2 3 ) 噪声系数表征了信号通过系统后由于系统内部噪声而造成的信噪比的恶化程度。 2 1 4 二端口噪声理论 对于一个含有噪声的二端口网络，将噪声用一个和信号源串联的噪声电压源和一个并联的噪声电流 源表示，从而将该网络看作无噪声网络二端口网络由一个导纳为e 及等效的并联噪声电流源露构成 的噪声源驱动。见图2 1 所示： e 2 1 含噪网络抽象成无噪网络示意图 合理假设噪声源和二端口网络的噪声功率不相关，可知噪声系数的表达式为： ，：至匝 0 考虑e 。和f 。之间可能相关的情形，把f 。表示成f 。和f 。两个分量之和。i 。与p 。相关，i 。不相关。设 i c = y 。f ，可得： ，：弛掣小独- - ；邸至i ( 2 ，) 公式( 2 5 ) 包含了三个独立的噪声源，每个都可以看成是一个等效电阻或电导产生的熟噪声： 咒2 志 ( 2 6 ) 4 戢n 圹 瓯2 赢 ( 2 7 ) 。4 t z 7 g l2 4 k l t a f ( 2 8 )5、一。， 利用上面三式，可以将噪声因子用阻抗和导纳表示为： ，小生监堑錾延垫血( 2 9 ) 东南大学硕十学位论文 式中，已将每个导纳分解成电导g 和电纳b 的和。 由式2 9 知，一旦一个给定的二端口网络的噪声特性已用它的四个噪声参数( g c 、反、r 。和g 。) 表示，那么就可以求出使噪声因子达到最小的一般条件。即只要对噪声源导纳求一阶导数并使它为零： 盈= 一皿= 瓦( 2 1 0 ) g ；= g 。( 2 1 1 ) 可见，为了使噪声因子最小，应当使噪声源的电纳等于相关电纳的负值，而噪声源的电导等于公式 ( 2 1 1 ) 的值。 把公式( 2 1 0 ) 和( 2 11 ) 代入到公式( 2 9 ) 中，得到最小噪声因子： 枷。k + g c 】小z r 辱崛 ：， 2 1 5m o s f e t 中噪声分析 m o s f e t 中的热噪声包括漏极电流噪声和栅噪声。 漏极电流噪声的表达式为： i - d d 2 = 4 k t t g d o 鲈( 2 1 3 ) 式中，g d o 是为零时的漏一源电导。参数，在为零时的值为1 ，在长沟道器件中这个值减小到 2 3 。短沟道n m o s 器件在饱和时显示出的噪声远远超过了由长沟道理论所预见的值，而且还常常相差 很大的倍数。造成这一现象的原因是载流子被在短沟道器件中存在的强电场所加热，所以采用最小实际 可行的漏电压是很重要的。p m o s 器件在达到相当高的电场之前并不显示过多的宽带噪声。 波动的沟道电势通过电容耦合到栅端，引起栅噪声电流。尽管这一噪声在低频时可以忽略，但在射 频时可能占据主要地位。栅噪声可以表示成： j - 口9 2 = 4 k t s g g a f ( 2 1 4 ) 式中，参数岛为： w 2 c 三 g g2 茁 q 1 5 ) 长沟道器件中艿值为4 3 。在短沟道情况下的精确特性还不清楚。 在m o s f e t 中只有直流栅漏电流才引起散弹噪声。由于这一栅电流通常是非常小的，所以它几乎 不是一个显著的噪声。 对于通常的制造方式而言，m o s f e t 是表面器件，所以m o s f e t 的闪烁噪声比起双极型器件来更 为显著。较大的m o s f e t 显示较少的闪烁噪声，但也使得栅电容更大。 2 2 最大功率传输理论和匹配网络 为了提高电路的工作效率，设计出性能良好的电路，总是希望能够得到最大的负载功率。这就涉及 到匹配网络的设计。 1 4 第二章低噪声放大器的设计 z l = r l i x l 图2 2 最大功率传输不恿图 图2 2 给出了最大功率传输的示意图，因为电抗元件不消耗功率， 取决于冠。即传递的功率为埘： 世：鱼匕 r l ( r l + 置) 2 + l + 玩) 2 基中，和匕分别为负载电阻和电源两端电压的有效值。 所以传给负载阻抗上的功率完全 ( 2 1 6 ) 可见，要实现最大功率传输，应使况和五的和为零，r l 和疋值相等，即恒压源的阻抗和负载成 复数共轭。 要实现最大的功率传输，必须使负载阻抗和源