（通信与信息系统专业论文）面向卫星导航终端应用的发射机射频前端芯片设计.pdf

摘要 摘要 本课题源于广州润芯信息技术公司承担的广东省科技厅工业攻关项目“面向 领域的核心芯片设计及其产业化 中的“无线通信核心芯片专题。本论文深入 研究了i s m 频段应用的各种c m o s b i c m o s 基集成收发机芯片设计技术，设计了 一个工作于l 波段的集成有低通滤波器、调制( 上变频) 混频器、可变增益放大 器和驱动放大器的卫星导航终端发射机射频前端芯片。根据北斗卫星导航系统发 射机指标要求，以提高集成度、降低功耗和保留适当的设计余量为原则，本文给 出了各子模块的具体性能指标要求，并采用b i c m o s 工艺实现了各模块及集成的 发射机射频前端芯片。 采用t h o m a s t o w 有源r c 滤波器结构设计了集成有片上r c 调谐电路的四阶 切比雪夫低通滤波器，通过片外5 b i t s 数字信号调谐因工艺角误差造成的滤波器 1 d b 带宽( b w - l d b ) 的变化，调谐范围达到b w - l d b 典型值的3 0 。该低通滤 波器功耗低，在约2 m a 的供电电流下，实现了较好的带外抑制，在1 2 2 4 m h z 处 带外抑制大于3 8 d b 。 采用改进的双平衡g i l b e r t 单元结构设计的高线性度调制混频器，以四管交叉 耦合结构为跨导输入级，l c 谐振槽做负载。该混频器在约1 0 m a 的工作电流下， 其i m 3 抑制大于5 5 d b ，本振抑制大于5 0 d b 。 采用控制信号转换( c s c ) 电路和温度补偿技术，解决了信号叠加型可变增益 放大器在高增益状态下偏离d b 线性控制特性的缺点，实现了2 0 d b 的线性动态范 围。驱动放大器由n p n 差分对组成，发射极接差分电感，实现了增益及线性度之 间的折中，降低了接地b o n d i n g w i r e 寄生电感对驱放性能的影响。经过放大的差分 信号通过片上b a l u n 转化为单端信号，经过l c 输出匹配电路输出到5 0 欧姆负载。 本文设计的发射机射频前端芯片采用直接上变频架构，结构简单，集成度高。 基于j a z z 公司的s i g e 基0 3 5 _ t m1 p 4 mb i c m o s 工艺，在典型工艺角，3 3 v 电源 电压供电，6 0 工作温度下，该芯片功耗约为2 2 0 m w ，输出功率大于5 d b m ，输 出l d b 压缩点大于1 0 d b m ，本振抑制大于4 0 d b ，三次谐波抑制大于3 0 d b 。 关键词：发射机射频前端，有源r c 低通滤波器，混频器，可变增益放大器，驱动 放大器 a b s t r a ( 了r a b s t r a c t t h i sp r o j e c ti so r i g i n a t e df r o mt h es u b j e c tw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nc o r ec h i p s , w h i c hi sap a r to fi n d u s t r yd e v e l o p m e n tp r o j e c tf i l e d - f a c e dc o r ec h i p sd e s i g na n d i n d u s t r i a l i z a t i o no fd e p a r t m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , g u a n g d o n gp r o v i n c e d e e p l yr e s e a r c ho ni s m b a n dc m o s b i c m o sb a s e df u l l yi n t e g r a t e dt r a n s c e i v e rc h i p d e s i g nt e c h n i q u e si sd o n ei nt h i st h e s i s a nlb a n dt r a n s m i t t e rr ff r o n t e n dc h i p i n c l u d i n gl o wp a s sf i l t e r 、m o d u l a t o r ( u pc o n v e r s i o nm i x e r ) 、v g aa n dd r i v e ra m p l i f i e r , w h i c hi su s e df o rs a t e l l i t e n a v i g a t i o nt e r m i n a l ，i sd e s i g n e di n t h i s p a p e r t h e s p e c i f i c a t i o n so fe v e r ym o d u l ea led e r i v e df r o mc h i n e s eb e i d o us a t e l l i t en a v i g a t i o n s y s t e mt r a n s m i t t e rr e q u i r e m e n tu n d e rt h ec o n d i t i o n so fh i g hi n t e g r i t y , l o wp o w e ra n d s o m ed e s i g nm a r g i nl e f t t h e n , e v e r ym o d u l ea n dt h er ff r o n t - e n d c h i p a r e i m p l e m e n t e di nb i c m o sp r o c e s s 1 1 1 ef o u r t ho r d e rc h e b y c h e vl p fw i t ha no n - c h i pr ct u n i n gc i r c u i ti sd e s i g n e d u s i n gt h o m r s - t o wa c t i v er cf i l t e rs t r u c t u r e i tc o u l dt u n eb w 二1 d bv a r i a t i o nu pt o 3 0 t h r o u g ho f f - c h i p5 b i t sd i g i t a ls i g n a l s ，w h i c hi sc a u s e db yp r o c e s sc o m e r v a r i a t i o n t h el p fi sp o w e r - s a v i n g , o n l ye o n s u m p t i n ga b o u t2 m ac u r r e n t , w h o s e o u t - o f - b a n dr e j e c t i o np e r f o r m a n c ei s w e l l ，a c h i e v i n gm o r et h a n3 8 d br e j e c t i o n a t 1 2 2 4 m h z t h eh i l g hl i n e a r i z a t i o nm o d u l a t o r ( u pc o n v e r s i o nm i x e r ) b a s e do nt h er e f i n e d d o u b l eb a l a n c e dg i l b e r t - c e l ls t r u c t u r e ，u s e st w os o u r c e - c o u p l e dp a i r 勰t r a n c o n d u c t o r i n p u ts t a g e ，l ct a n ka sl o a d w i t ha b o u tlo m ac u r r e n tc o n s u m p t i o n , i ta c h i e v e sm o r e t h a n5 5 d bi m 3r e j e c t i o na n d5 0 d bl or e j e c t i o n w i t ht h eu s eo fc o n t r o ls i g n a lc o n v e r tc i r c u i ta n dt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n t e c h n i q u e s ，t h ed i s a d v a n t a g ed e v i a t e df r o ml i n e a r - i n - d ba th i g hg a i no fs i g n a l - s u m m i n g v g ai ss o l v e d ，a n da2 0 d bl i n e r - i n - d br a n g es i g n a l - s u m m i n gv g ai sr e a l i z e d d r i v e r a m p l i f i e rw h i c hi sc o n s i s t e do fn p nd i f f e r e n t i a lp a i rw i t hi t se m i t t e rc o n n e c t e dt o d i f f e r e n t i a li n d u c t o ra c h i e v e st h et r a d e - o f fb e t w e e ng a i na n dl i n e a r i t y , a n dl o w e r st h e e f f e c tt oc i r c u i tp e r f o r m a n c ec a u s e db yb o n d i n gw i r ep a r a s i t ei n d u c t o r t h ea m p l i f i e d i i m n e r e n t l a is i s a li sc o n v e r t e dt os i n g l ee n ds i g n a l t h r o u g ho n c h i pb a l u n a n d 缅e n m a t c h e dt oo f f - c h i p5 0 f f 2l o a dt h r o u g hl c m a t c h i n gc i r c u i t t h et r a n s m i t t e rr ff r o n t e n d c h i pd e s i g n e di nt h i s p a p e ru s e sd i r e - c t l yu p c o n v 锄o na r c h i t e c t u r e ，i t ss t r u c t u r e i s s i m p l ea n dh i g h l yi n t e g r a t e d t h ec h i pi s i m p i e m e n t e di nj a z zs i g e0 3 5 b m1p 4 mb i c m o sp r o c e s s t h ec h i pc o n s 啪e sa b o u t 2 2 0 r n wu n d e rc o n d i t i o n so ft y p i c a lp r o c e s sc o m e r , 3 3 vw o r k i n g v o l t a g ea n d6 0 c w o r k i n gt e m p e r a t u r e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w st h a t o u t p u tp o w e ri sm o r et h a n 5 d b m o u t p u tid bc o m p r e s s i o np o i n ti sm o r et h a n10 d b m ，l o 坷e c t i o ni sm o r et h a n 4 0 d b ，a n di m 3r e j e c t i o ni sm o r et h a n3 0 d b ! r d s ：t r a n s m i t t e rr ff r o n t - e n d ，a c t i v er cl o wp a s sf i l t e r , m i x v g a ，d r i v e r a m p l i f i e r i 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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名：薹三函l 日期：。叩年r 月副日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、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。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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应遵守此规定) 签名：查釜建 导师签名：垒塑至薹： 日期z o o f 年孓月3 f e t 第一章绪论 1 1课题背景 第一章绪论 近年来卫星导航产业发展迅速，已逐步成为全球性的高新技术产业，成为继 通信、互联网之后的i t 第三个新的经济增长点，卫星导航技术也成为国家综合国 力的重要组成部分。世界主要大国出于经济和安全利益的考虑，纷纷建设自己的 卫星导航系统。除了美国的g p s 、俄罗斯的g l o n a s s 、我国的北斗一代和北斗 二代、欧洲的伽利略，日本、印度也都宣布将建设各自的区域卫星导航系统。 由于卫星导航系统涉及政治、经济、军事等领域，对维护国家利益具有重大 意义。从2 0 0 0 年起，我国开始建设拥有自主知识产权的全球卫星导航系统一一北 斗卫星导航系统，到2 0 0 3 年底我国已成功发射了3 颗“北斗导航试验卫星 ，建 成了北斗导航试验系统，也称为第一代北斗卫星导航系统【l 】。 该系统是中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统，是除美 国的g p s 、俄罗斯的g l o n a s s 之外的大第三个成熟的卫星导航系统。该系统由 三颗( 两颗工作卫星、一颗备用卫星) 北斗定位卫星( 北斗一号) 、地面控制中 心为主的地面部分、北斗用户导航终端三部分组成。三颗导航卫星分别位于东经 8 0 。、1 4 0 。和1 1 0 5 。的赤道上空，每颗导航卫星有2 个波束，其覆盖范围为东经 7 0 。1 4 5 。，北纬5 。 5 5 。，能覆盖我国全境及周边地区，可向用户提供全天候的即 时定位服务。该系统集测量技术、定位技术、数字通信和扩频技术为一体，是一 种全天候的覆盖我国及周边国家和地区的区域性卫星导航、定位、通信系统。该 系统可在服务区域内任何时间、任何地点，为用户确定其所在的地理经纬度，并 提供双向短报文通信和精密授时服务。目前，系统已在测绘、电信、水利、公路 交通、铁路运输、渔业生产、勘探、森林防火和国家安全等诸多领域逐步发挥重 要作用。北斗一代卫星导航系统与g p s 和g l o n a s s 系统最大的不同，在于它不 仅能使用户知道自己的所在位置，还可以告诉别人自己的位置在什么地方，即导 航终端具有发射机，特别适用于需要导航与移动数据通信场所，如交通运输、调 度指挥、搜索营救、地理信息实时查询等。 北斗一代卫星导航系统在国际电信联盟登记的频段为卫星无线电定位业务频 段，上行为l 频段( 频率：1 6 1 0 - 1 6 2 6 5 m h z ) ，下行为s 频段( 频率：2 4 8 3 5 电子科技大学硕士学位论文 2 5 0 0 m h z ) 。其定位精度可达1 0 0 n s 的同步精度。北斗一代卫星导航系统的出站 信号包括由中心控制系统经卫星至用户终端机的信道传输和信息在信道中的传输 方式两部分。出站信号设计成为伪随机码直接序列扩频( 双信道o q p s k 调制方 式) ，采用连续帧结构信息传输方式，其中作为正交方式的i 、q 两个支路的信号 功率可根据实际使用情况做出调整。 目前我国卫星导航终端产品应用的核心功能射频芯片，特别是集成式射频前 端芯片主要源于进口，只有很少一部分单功能射频电路芯片国内能够自主研发， 形成了国内整机厂商大量采用国外商用或工业级卫星导航定位终端射频芯片的局 面，导致了我国导航整机与系统的可靠性、环境适应性等指标长期滞留在较低水 平上，很大程度上限制了这些整机和系统性能的提升。同时，一些军用高端卫星 导航终端设备所需的关键射频芯片又被西方禁运，从而制约着我国高性能高精度 卫星导航终端产品的开发和产业的发展。因此，我国必须开展面向北斗一代二代 卫星导航终端应用的射频芯片设计与实现关键技术的创新研究，尽快形成这方面 的自主知识产权，打破国际上的技术垄断和封锁，以满足交通、通信、电力、远 洋、国防等国民经济重大领域对高性能卫星导航终端射频芯片及终端产品的巨大 需求。同时广阔的卫星导航产业民用市场对物美价廉的终端射频芯片的需求也是 相当迫切，市场规模巨大。 随着无线通信技术和c m o s 工艺向亚微米、深亚微米发展，传统的基于分离 元件的混合集成电路技术逐渐被单片集成电路技术取代。应用于无线局域网、无 线传感器网络、g p s 、北斗卫星导航系统的c m o s b i c m o s 基射频前端集成收发 机芯片已经成为国内外研究机构的研究热点，集成收发机芯片产业占据了无线产 品市场极大的份额。但是单片集成收发机的关键技术和技术专利几乎全为国外公 司和研究机构所拥有，国内这方面的研究比较落后，受限于知识产权，中国无线 通信产品市场几乎为外国大公司所垄断。国家十一五规划和电子信息产业振兴规 划要求大力发展我国集成电路芯片设计技术，把掌握核心技术作为提高我国信息 产业竞争力的突破口，打破国外技术制约，开发具有自主知识产权的芯片，掌握 无线通信领域应用的各种核心芯片设计的关键技术。 目前成熟应用的收发机一般由2 - 3 片芯片组组成，主要包括射频前端( 开关 和功放与射频收发前端集成在一起即为2 片结构，反之即为3 片结构) 和基带处 理两部分。实现基带处理的数字芯片通常采用低成本的标准数字c m o s 工艺，而 射频前端大多采用b i p o l a r ，s i g e 、g a a s 或者h b t 等工艺1 2 - 5 】。虽然相对于离散 元件实现的系统来说，其价格已经下降了很多，但离市场可以接受的价格还是有 2 第一章绪论 一段距离。随着片上系统( s o c ) 概念的提出，将射频前端和基带处理实现全集成 已经成为必然的发展趋势。因为数字处理部分通常占到芯片面积的7 5 以上，集 成度及功耗等指标的要求使得不可能以c m o s 以外的其他工艺实现，所以只有实 现c m o s b i c m o s 工艺集成射频前端，才能实现单片集成的收发机并最终实现单 片集成的移动通信产品。 随着亚微米、深亚微米技术的发展，s i 基c m o st 艺的工作频率已经达到几 十甚至几百g h z 的水平，m o s 管的沟道尺寸也从1 9 6 0 年的2 5 1 x m 下降到现在的 3 2 r i m ，0 1 3 上mc m o st 艺的n 沟道晶体管的截止频率已经达到了6 0 g h z 。原来 只能用于标准数字集成电路的c m o s 工艺也能用于设计高性能的模拟电路和射频 电路。s i g e 基b i c m o s 工艺同时提供双极型h b t 和c m o s 器件，是目前各种无 线应用产品在满足功耗限制下具有高成本效率的解决方案。s i g e 不但可以直接利 用半导体工艺现有的2 0 0 m m 晶圆制程，达到高集成度，据以创造经济规模，而且 还有媲美g a a s 的高速特性。s i g eh b t 具有较高的特征频率( 目前文献报道的截 止频率最高已经达到2 5 0 g h z ，与g a a s 器件的截止频率相近) 、优良的线性度、很 低的噪声系数，而且由于s i g eh b t 与s i 工艺兼容，从两大大降低了器件和电路 的成本。s i g eb i c m o s 技术大都应用在几个g h z 的范围，而成本仅比s i 技术高 1 0 左右，因此在需要重点考虑高频特性的情况下应被优先采用。采用 c m o s b i c m o s 工艺实现的几个g h z 频率以下的单芯片集成收发机逐渐涌现 6 - 1 5 】。 1 2 本文主要工作 本文主要工作包括： 1 研究通用发射机射频前端系统架构，根据卫星导航终端系统指标需求提出适合 的发射机射频前端架构，优化链路预算，给出各子模块的设计指标； 2 研究有源r c 滤波器、o t a - c 滤波器等全集成连续时间滤波器实现技术，设计增 益可控、线性度高、功耗低的低通滤波器； 3 研究g i l b e r t 型混频器的线性化技术，设计高线性度、高本振抑制、高三次谐波 产物抑制的调制混频器； 4 研究输出功率数字可控的可变增益放大器驱动放大器的实现技术，设计适合单 片集成的结构简单、满足性能要求的可变增益放大器驱动放大器； 5 研究系统集成技术，将满足设计指标要求的各单元模块集成为发射机射频前端 3 电子科技大学硕+ 学位论文 系统，做联合仿真和优化。 1 3本文组织结构 本文将按照射频模拟集成电路设计的基本流程介绍本论文完成的研究内容， 组织结构如下： 第一章：绪论 本章介绍课题的来源及其研究背景和研究内容，概述了相关内容的研究进展 和发展趋势； 第二章：系统方案及工艺介绍 本章简单介绍通用发射机射频前端系统架构，本设计采用的发射机射频前端 系统方案和j a z z 公司的s i g e 基0 3 5j t mb i c m o s 工艺： 第三章：电路设计 面向卫星导航终端应用的发射机射频前端芯片包括四阶切比雪夫型低通滤波 器，改进的q 1 b 酣型上变频混频器、可变增益放大器和驱动放大器等子模块。本 章将介绍各子模块的工作原理和电路设计方法。 第四章：版图制作与仿真分析 本章将介绍版图制作的布局布线基本原则，各子模块和芯片顶层的版图及其 制版时的注意事项，最后分析各子模块和芯片集成的后仿真结果。 第五章：结论与展望 总结本文工作，提出尚待解决的问题及进一步研究计划。 4 第二章系统方案及工艺简介 第二章系统方案及工艺简介 2 1通用发射机射频前端架构 发射机射频前端架构的选择在于避免产生的镜像信号对其他信道的信号产生 干扰。发射机射频前端的主要功能是通过滤波、调制( 上变频) 和功率放大完成 基带信号到射频信号的转换。在发射机中，由于输入发射机的唯一信号是有用信 号，所以有用信号是能量最强的信号，对镜像信号抑制率和噪声的要求就降低了， 从而使得发射机相对于接收机来说容易实现。但是，在发射机中，如何保证经功 率放大器放大后的信号不对本地振荡器产生干扰( 自调制问题) ，却是一个很大的 问题。一种办法是加大频率合成器的锁相环的环路带宽；另一种办法是采用与载 波不同频率的本地振荡器。通用发射机射频前端架构主要分为两种：一是将调制 和上变频合二为一，在一个电路中实现，这称为直接上变频发射机架构；一是将 调制和上变频分开，先在较低的中频上完成调制，然后将已调信号上变频搬移到 发射的载频上，这称为两步( 或多步) 变频发射机架构等【1 6 1 。 2 1 1 直接上变频发射机架构 直接上变频正交调制发射机架构如图2 1 所示。功率放大器( 或驱动放大器) 后面是匹配网络，用于实现给天线传送最大的功率和滤除由放大器非线性产生的 带外分量。 基带i 基带q 图2 - 1 直接上变频发射机架构 直接上变频架构具有结构简单、集成度高、功耗低等优点，但它也有明显的 缺点，由于发射信号是以本振频率为中心的通带信号，经功率放大或发射后的强 5 电子科技大学硕士学位论文 信号会泄漏或发射回来影响本振，牵引本振频率。尽管可以用各种保护技术来隔 离v c o ( 压控振荡器) ，但是功放的含噪输出仍然能破坏v c o 的频谱。特别是在 为了节省能源，需要频繁的接通断开功率放大器时，产生的干扰更大，本振频率 不稳，则直接影响发射机的各项性能指标。 如果功放的输出频率比振荡器的频率高出或者低出足够的值，则不易发生强 信号对本振频率的牵引。这可以通过给本振频率加上偏移来实现，也就是加上或 者减去另一个振荡器的频率，如图2 2 所示。其中v c 0 1 和v c 0 2 的输出被混频， 然后滤波使得载波频率是锡+ 鹞，离劬和皱都很远。 图2 - 2 带有偏移l o 信号的直接上变频发射机架构 2 1 2 两步变频发射机架构 另一个解决发射机本振牵引问题的方法是，用两步( 或多步) 来上变换基带 信号，以使p a 的输出频谱远离v c o 的频率。如图2 3 所示，这里基带的厶q 信 道在较低的频率q ( 称为中频) 处进行正交调制，然后经过混频和带通滤波上变 换到q + 吃。第一个b p f ( 带通滤波器) 抑制了i f 信号的谐波，第二个b p f 则滤 除了中心频率在q 一哆处的无用边带。 图2 - 3 两步变频发射机架构 两步变频与直接变频相比，优点在于由于调制是在较低的频率上完成的，、 q 两路的匹配很好，从而使两个比特流之间的串扰很少。同时，一个信道滤波器 6 第二章系统方案及工艺简介 可以用在第一个i f 处，以限制相邻信道中发送的噪声和毛刺。其缺点在于第二次 上变频后必须采用滤波器滤除另一个不需要的边带，为了到达发射机的性能指标， 一般要求该滤波器的带外抑制为5 0 - 6 0 d b 。这是因为，简单的上变换混频同时产 生相同幅度的有用和无用边带。由于较高的中心频率，这一滤波器一般是无源的， 而且多采用相对昂贵的片外器件【l 刀。 2 2本设计的系统方案 2 2 1 发射机射频前端系统指标 表2 1 给出了面向卫星导航终端应用的发射机射频前端芯片的主要指标参数。 表2 1 发射机射频前端芯片系统性能指标 性能参数最小值典型值最大值单位 输出频率 1 6 1 0 - - - 1 6 2 6 5m h z 输入信号电平，i m l 输入b p s k 数据流 4 0 8m h z 输出端负载 5 0 o h m 输出端匹配度 2 01 5d b 输出功率 5d b m 输入l d b 压缩点 1 0d b m 3 次谐波输出功率 3 0d b e 本振泄漏 - 4 0 d b c 增益可调范围 1 52 0d b 增益控制步进1 d b 输入源阻抗 1 0 0 0o h m 工作电压 3 3 33 6 v o l t 工作电流 6 0m a 功耗2 0 0m w 7 电子科技大学硕士学位论文 2 2 2 发射机射频前端系统方案 根据指标要求，采用直接上变频发射架构，如图2 4 所示。将由基带处理芯片 送来的单端i v r r l 数字信号转换成差分模拟信号，经简单滤波后直接上变频调制 为射频信号，再通过驱动放大器驱动片外功放，滤波器，和天线开关后发射。 片上发射机通道主要由低通滤波器( t xl p f ) ，调制混频器( m o d u l a t o r & m i x e r ) ，可变增益放大器( v g a ) 和驱动放大器( t xd r i v e r ) 组成。仅需外接 带通滤波器和p a 就可组成完整的发射机射频前端。 图2 4 面向卫星导航终端应用的发射机射频前端系统方案 由基带送来的i y 兀l 数字信号通过发射机低通滤波器( r a i s e d c o s i n el p f , q = 0 5 ) ，该滤波器对数字信号的谐波有很好的抑制，将单端数字信号转换为差分模 拟信号并进行衰减，发射机滤波器的输出直接直流耦合到调制混频器。调制混频 器将低通滤波器送来的信号上变频为所需的射频信号。该混频器有很高的本振泄 露( l ol e a k a g e ) 和i m 3 抑制，输出信号的杂散较小，这样芯片对片外射频滤波 器的带外抑制的要求可以降低。可变增益放大器对发射信号进行增益控制，可以 提供大于2 0 d b 的增益控制范围。驱动放大器对发射信号进行高线性的驱动放大， 采用内置b a l u n ，提供5 0 欧姆单端输出。 2 2 3j a z z 工艺简介 本论文设计的芯片采用美国j a z z 公司的s i g e 基0 3 5 p x n1 p 4 mb i c m o s 工艺 【1 8 1 ，该工艺有一层多晶层和四层金属层，第四层金属的厚度为3 9 i n ，v i a 3 过孔的 高度为2 9 m 。该工艺除了能提供h b t ，n m o s ，p m o s ，可变电容，无源b a l u n ， 多晶硅电阻和m i m 电容外，还能提供高q 值的单端电感及差分电感。对应于最优 的偏置电流该工艺的h b t 截止频率夕可达到6 0 g h z 。 第三章电路设计 第三章电路设计 面向卫星导航终端应用的发射机射频前端芯片包括四阶切比雪夫型低通滤波 器，g i l b e r t 改进型上变频混频器、可变增益放大器和驱动放大器等子模块。本章 将逐一介绍各模块电路和整个芯片顶层电路的工作原理和设计方法。 3 1低通滤波器设计 3 1 1 基本理论 滤波器是一种按规定方式让某些频率的信号通过而阻止另一些频率的信号通 过的电路。常用的滤波器根据其传输函数的不同，分为巴特沃思( b u t t c r w o r t h ) 滤 波器、切比雪夫( c h e b y c h e v ) 滤波器和考尔滤波器( c a u c r ，又称为椭圆滤波器) 等三种f 1 9 1 。巴特沃思和切比雪夫归一化低通滤波幅频曲线如图3 1 所示，图中 是滤波器的阶数。 o 2 o 1 i - 7 2 4 ， l + 分 q q pq i ( a ) 巴特沃斯型( b ) 切比雪夫型 图3 1 巴特沃思和切比雪夫归一化低通滤波器的幅频特性 巴特沃思滤波器在通带和阻带内的幅度都是平坦的，而且是在幅度平坦的前 提下，带宽最宽的滤波器，所以又称为最大平坦幅度滤波器。切比雪夫滤波器的 幅频曲线在通带内有等纹波波动，而在阻带内是平坦的，所以又称为等纹波滤波 器。椭圆滤波器在通带和阻带内都波动，所以又称为通带阻带等纹波滤波器。 阶数越大，滤波器的幅频特性越接近理想情况。对于相同的阶数，以椭 9 电子科技大学硕士学位论文 圆滤波器的过渡区最窄，其次是切比雪夫滤波器，再次是巴特沃思滤波器。巴特 沃思滤波器的优点是幅度在通带内是平坦的，而且它与切比雪夫滤波器都很容易 设计和实现。 根据本设计所需滤波器的带外抑制和带内波动指标要求，需采用四阶切比雪 夫低通滤波器实现。任意阶数的滤波器都可以由一阶和二阶滤波器级联构成，例 如，五阶滤波器可由一个一阶和两个二阶滤波器构成，八阶滤波器可由四个二阶 滤波器构成等等。式3 1 给出了二阶低通滤波器的传输函数。 耶) = 而 ( 3 - 1 ) 这是典型的二极点系统，风是彩= o 时的幅值，是特征频率。图3 2 给出了二阶 低通滤波器的幅频特性。 图3 2 二阶低通的幅频特性 适于集成的滤波器主要包括有源r c 滤波器和o t a c 滤波器。有源r c 滤波 器基于运算放大器设计，其工作频率取决于运算放大器，最大q 值可达1 0 0 0 ，目 前已经能实现m h z 量级工作频率的各种滤波器，包括低通、高通、带通、带阻等， 电路简单、线性度高，适用于发射机通道的滤波器。但是由于该类滤波器的特性 参数与r c 时间常数有关，而集成电阻和电容的往往随温度和工艺角的变化而变 化，精度较差，故一般需要设计片上调谐电路，以补偿r c 常数的变化。o t a c 连续时间滤波器由有源器件o t a 和电容组成。由于它不用电阻，而且c m o s o t a 的跨导较低，用很小的电容c 即可获得较大的时间常数g c ，所以芯片面积较有 源r c 滤波器小，特别适合于单片集成。此外，o t a 是一种电流或电压控制元件， 1 0 第三章电路设计 因此这种滤波器的参数，如、q 等既可由外部控制或调节，也可以编程控制。 o t a 内部只进行电流放大，高频特性也较好。c m o so t a 的缺点是线性范围窄， 跨导与外控电流不是线性关系，且跨导与温度有关【1 9 】。这些都直接影响o t a c 滤 波器的性能，因此根据本设计指标要求，选择采用有源r c 滤波器结构实现四阶切 比雪夫低通滤波器。 有源r c 滤波器又可以分为有限增益正反馈滤波器、无限增益多路反馈滤波 器、t h o m a s t o w 滤波器等。由前所述，任意阶数的滤波器都可以由一阶和二阶滤 波器级联构成，因此本设计的四阶低通滤波器可以由两个二阶滤波器级联构成。 故本文只讨论二阶有源r c 低通滤波器。 3 1 1 1 有限增益正反馈滤波器 有限增益正反馈滤波器是工程上应用最广的滤波器之一，它是s a l l e n 和k e y 于1 9 5 5 年提出的，所以又称为s a l l e i l - k o y 滤波器【删。s a l l o n - k o y 滤波器的原型如 图3 3 ( a ) 所示。y l 一y 4 代表元件的导纳，构成正反馈电路。运算放大器a 和电 阻砰、毋构成增益有限的闭环放大器。s a l l e n k e y 二阶低通滤波器如图3 3 ( b ) 所示。 图3 3 ( a ) s a l l o n - k o y 滤波器原型( b ) s a l l e a a k e y 二阶低通滤波器 对同相端来说，增益4 ，为： 4 - ( 1 + 去) 假设所用的运放是理想的，由图3 3 可得： ( v f v 1 ) y i = ( m v o ) y 2 + ( v i 一吃) “一屹) 乃= 吃h l l ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) ( 3 _ 4 ) 电子科技大学硕士学位论文 屹2 石v o ( 3 - 5 ) 解得： 耶) = 酱= 丽而五万a r y 而1 y 3 瓦f 丽 协6 ) y t = l r l ，y 2 = s c l ，y 3 = l r 2 ，y 4 = s c 2 代入式3 6 ，得到： 耶卜蕊r _ 去1 1 - a t , 1 ( 3 7 ) 与式3 1 相比便可求出参数如下： 瑶2 丽丽1 3 - 8 风= 4 = 1 + 鲁 ( 3 - 9 ) 吉= 辱+ 蜃州刊蜃 3 1 1 2 无限增益多路反馈滤波器 这种电路的二阶原型如图3 4 ( a ) 所示。它由五个二端导纳y l v y 5 和开环增益 很大的运算放大器组成。从放大器的输出端到反向端之间有多路负反馈。这种滤 图3 4 ( a ) 多路反馈滤波器原型( b ) 二阶低通滤波器 设放大器的开环增益彳d o o ，且历一o ，则 ( k v i ) y l = ( m v o ) y , + h 儿+ ( h 一屹) 儿 ( 3 1 1 ) 1 2 第三章电路设计 ( v l 一哆) 乃= ( 屹一v o ) y , ( 3 1 2 ) v 2 - 一老卸( 3 - 1 3 ) 解得： 日( s ) ：_ 三边i ( 3 1 4 ) y 5 t y l + y 2 + y 3 + y 4 ) + y 3 y 4 多路反馈二阶低通滤波器电路如图3 4 ( b ) 所示。其中，y j 、乃、弦用电阻代 替，y z 、粥用电容代替。在高频下，c 2 、g 相当于短路，传输函数为零；在低频下， q 、岛相当于开路，传输函数为_ r 4 偎j ，确有低通性能。 将y l = l r t ，y 2 = s c 2 ，y s = l r s ，炉j 偬4 ，y s = s c 5 代入式3 1 4 得到图3 4 ( b ) 所 示电路的传输函数为： 一磋磊-1r溉,r3c2cs ( 3 1 5 ) 上式与式3 1 相比，利用系数相等法可得到： 西2 面耘( 3 - 1 6 ) 凰= 等 ( 3 1 7 ) 吉= 雁c 擎+ 雁+ 尽 ( 3 - 1 8 ) 3 1 1 3 t h o m a s - t o w 滤波器 t h o m a s t o w 滤波器【2 z , 2 2 】由三个运算放大器组成。其q 、胁和绋可以独立设 计，灵活性大，而且可以同时得到一种以上的滤波函数。图3 5 示出这种滤波器的 电路图。a 2 是积分器，a 3 是单位增益反相器，a l 是加法器兼积分器。 利用叠加原理和理想运算放大器的闭环增益公式，得到： r 、| | r | | v b p2 - - 辛m 一辛 ( 3 - 1 9 ) 电子科技大学硕士学位论文 解得 足足 5 一j i 高一j i 高y pr i ( 1 + s r c ) 1尺( 1 + 刈c ) “ 驴一志c 一等驴丽1 一面卜葛肠。丽 = 一_ 等啦)2 一i _ 广h 例 j + 面s + 一r 2 c 2 c 见 = 一_ 1 r r i r c 2r _ ( s )2 一t _ r k 例 s + 面s + r 2 c 2见c 即用一个电路可以同时得到低通和带通两种功能。 图3 5t h o m a s t o w 滤波器 对于低通设计，将式3 2 2 与式3 1 相比得到： 凰西2 谚1 所以若选定r ，则 1 5 丽 笪：上 q是c 1 4 ( 3 - 2 0 ) ( 3 2 1 ) ( 3 2 2 ) ( 3 2 3 ) ( 3 2 4 ) ( 3 2 5 ) 第三章电路设计 c，r=昙=or，足=瓦rcoor ( 3 2 6 ) 。 lh o 此时 风= 会，纨= 而1 ，q = 鲁 ( 3 2 7 ) 在r 选定以后，h o 可g ar t 调节，c o o 可由c 调节，q 可由r 2 调节，r - - 者互 不影响。而且该电路稍加变形就可以实现包括低通、高通、带通、带阻和全通等 在内的所有类型滤波器。 图3 6 给出了用s a l l e n k e y 滤波器、无限增益多路反馈滤波器和t h o m a s t o w 滤波器实现的二阶低通滤波器的电路图，其中的元件值已经根据前面介绍的设计 方法算出。 ( a ) s a l l e n - k e y 低通滤波器无限增益多路反馈低通滤波器 ( c ) t h o m a s t o w 低通滤波器 图3 6 二阶低通滤波器电路 1 5 电子科技大学硕十学位论文 3 1 2 指标要求 低通滤波器的主要指标包括： 1 1 d b 带宽 对于低通滤波器而言，所谓1 d b 带宽即幅频响应曲线中增益下降l d b 所对应 的频率。 2 带内起伏 对于切比雪夫型滤波器，其幅频响应中通带内是等纹波起伏的，称之为带内 起伏，根据设计需求，可以选择不同带内起伏的切比雪夫传输函数去综合滤波器。 3 带外衰减 带外衰减，也成为带外抑制，指滤波器的幅频响应曲线的阻带特性，一般带 外衰减越大，滤波器阶数越高，矩形系数越大，越接近于理想滤波器性能。 4 带内群时延波动 在传输通带内相位对频率变化的速度称为群时延，考察通带内不同频率点的 群时延即为群时延波动，群时延波动越小，调制输出信号的相位噪声特性越好， 输出杂散越小。 5 直流失调( d c o f f s e t ) 电压 在实际运放中，当输入信号为零时，由于输入级的差分对不匹配及电路本身 的偏差，使得输出不为零，而为一较小值，该值为输出失调电压，折算到输入级 即为输入失调电压，一般在m v 量级。 本设计的低通滤波器的主要指标要求如表3 1 所示。 表3 1 低通滤波器主要指标 性能参数最小值 典型值最大值单位条件 工作电流2m a 功耗7m w - 1 7 ，- 1 6 ， 电压增益 - 1 7 1 4d b 1 5 ，一1 4 d b 增益步进1 d b - l d b 带宽 5m h z 1d bb a n d w i d t h 带外衰减 6 m h z8d b 8 m h z2 0 1 6 第三章电路设计 1 0 m h z3 0 l2 2 4 m h z 3 6 带内起伏 o 5d bm 4 0 8 m h zi n - b m i d m 4 0 8 m h z 群时延波动7 0n s i n b a n d 直流失调电压3 0m v 3 1 3 电路设计 设计的四阶切比雪夫低通滤波器由两个二阶低通滤波器级联构成，二阶低通 滤波器采用t h o m a s - t o w 滤波器设计。为补偿调制混频器的转换增益随温度变化， 设计了电阻阵列以实现增益可控；为补偿因电阻、电容随温度和工艺角的变化造 成的滤波器带宽的变化，实现带宽的可调谐，设计了电容阵列和片上r c 调谐电路。 全差分二阶t o m a s t o w 低通滤波器如图3 7 所示。 i n p i n m o u t p o u t m 根据前面的推导，考虑到全差分电路的对称性，可得其传输函数为 刖= _ 等等丁 ( 3 2 8 ) ，怕壶卜高 则h o 、缟和q 等于 凰= 恐r ，= 去，q = 妻 ( 3 2 9 ) 1 7 电子科技大学硕士学位论文 述，电阻尺，和电容c 为可变阵列。 四阶切比雪夫低通滤波器顶层电路如图3 8 所示。 守一 k r 瑚i