无线收发机芯片中可变增益放大器的设计.doc
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1、无线收发机芯片中可变增益放大器的设计摘 要在传统的GPS/GNSS前端发射机/接收机系统中,可变增益放大器(VGA)自身并不具备滤波功能。在中频或较低的频率下,由于组成滤波网络的电感电容器体积件体积很大,所以多数采用片外无源滤波网络,这样既使系统增益产生了衰减而且也降低了接收机芯片的集成度。目前,采用片上滤波方案的可变增益放大器大多数只做到了低通滤波,且采用级联电路,功耗大且滤波性能不佳。因此,设计了一种具有滤波功能的可变增益放大器。在这个设计中,采用ATMEL公司的0.5m SiGe HBT工艺,可变增益单元与Gm-C滤波单元集成一体,并运用四管回转器结构实现滤波。电路驱动电压为3.5V,直
2、流电流为15mA,线性增益控制范围为-20dB-67dB,且电压控制范围为0-1.8V,最小增益下输入1dB压缩点为-11.8dBm。可变增益单元3dB带宽为30MHz-1.34GHz,Gm-C滤波单元选频范围为30MHz-1.38GHz,能够满足可变增益单元3dB带宽要求。可变增益放大器电路不仅具备很大的增益控制范围,而且中频38MHz处有很好的滤波性能,提高了芯片的集成度,降低了系统功耗。可变增益放大器芯片面积为,功耗为53Mw。同时,设计了与可变增益放大器配套工作的检波器与比较器电路,使其组成了一个完整的自动增益控制系统,系统响应时间为6ns,环路稳定时间为40ns,系统总功耗为63mW
3、。关键词:可变增益放大器;Gm-C滤波;SiGe HBT;自动增益控制THE DESIGN OF VARIABLE GAIN AMPLIFIER IN WIRELESS TRANSCEIVER CHIPABSTRACTIn the traditional GPS/GNSS front-end receive and transmitter system, the Variable gain amplifier(VGA) doesnt have the function of filtering. In the intermediate frequency or low frequency, a
4、s the bulk of the inductance capacitor, composing the filter network, is very large, the off-chip passive filter is generally adopted. It will not only attenuate the system gain but also decrease the integration levelNow the VGA in the on-chip filtering program can just achieve low-pass filtering, a
5、nd with the cascade circuits , it consumes much and doesnt function well.So we design this VGA with the function of filtering In this design.This design adopts the 0.5m SiGe HBT technology to integrate the controllable gain unit and the Gm-C filter unit together, and adopt four Rotarys structure to
6、filter.The circuit driving voltage is 3.5V, the current is 15 mA, the rang of the linear gain control is -20dB-67dB, and the rang of the voltage control is 0-1.8V, and one compression point is -11.8dBm with the input of the minimum gain. The 3dB bandwidth of variable gain unit is 30MHz-1.34GHz.The f
7、requency-selective range of Gm-C filter unit is 30MHz-1.38GHz, it is able to cover the 3dB bandwidth of variable gain unit. The VGA circuit possesses a large range of gain control and in IF 38MHz, a very good filtering function, which will increase the chip integration, and reduce the power consumpt
8、ion of the system.the chip area of VGA is , the power consumption is 53mW.At the same time , weve designed the detector and comparator circuit, coming with the VGA, to make out a complete AGC.The system response time is 6ns, loop settling time is 40ns, the total power consumption is 63mW.Keywords:VG
9、A, Gm-C filter, SiGe HBT, AGC目录摘 要 iABSTRACTii第一章绪论11.1 SiGe HBT工艺的发展及应用11.2课题研究的目的和意义11.3 课题来源、论文的主要内容及结构安排2第二章工艺元件的性能32.1 晶体管的工作特性及温度特性32.2 电感元件的工作特性52.3 电容,电阻元件的工作特性72.4 小结9第三章集成滤波功能的可变增益放大器的设计103.1 可变增益放大器基本原理103.2 可变增益放大器的结构及技术参数113.3 可变增益单元与固定增益单元电路设计113.3.1 可变增益单元与固定增益单元的电路原理123.3.2电路技术参数及仿真结
10、果133.4小结20第四章Gm-C滤波电路的设计214.1 回转器原理及应用214.2 Gm-C滤波单元电路设计224.3 Gm-C滤波单元电路的仿真234.4 可变增益放大器的整体电路仿真29第五章自增益控制系统的实现325.1自增益控制系统原理及技术指标325.1.1 自增益控制系统原理325.1.2 AGC系统主要质量指标335.2峰值检波器,比较器以电路的设计335.2.2峰值检波电路的设计335.2.3比较器电路的设计345.3 AGC整体系统的仿真365.4 AGC系统的版图设计38第六章结论41参考文献42致谢 45攻读学位期间所取得的相关科研成果46 第一章 绪论1.1 SiG
11、e HBT工艺的发展及应用SiGe HBT工艺自上世纪80年代后期被研制成功,由于其优异的高频性能和与传统Si工艺兼容的优点,广泛应用于射频和微波集成电路中。利用SiGe技术而研制的产品也应用于各个领域,尤其在无线电通信领域SiGe产品扮演着尤为重要的角色。由于无线通信系统的工作频率通常较高,因此对器件和电路的性能提出更高的要求。尽管Si工艺所做的器件已经广泛的应用于通信电路中,但在更高的频段应用射频和微波电路中的应用却受到限制。其主要原因存在于以下两个方面,一方面是由于Si的载流子迁移率特别是空穴的迁移率相对较低,从器件性能,尤其是从高频高速器件电路的设计考虑,SiGe半导体材料比Si有明显
12、的优势。另一方面,虽然随着工艺技术的提高,应用“按比例缩小的原理”,器件的尺寸按Moore定律不断减小,使得集成度和性能不断提高,每个晶体管的价格不断降低,器件速度也相应提高。但由于工艺水平、短波产生的效应等原因,器件尺寸不能无限制地缩小。因此希望寻找一种既能在速度上可与III-V族材料器件相比,又在生产技术上与现有常规Si CMOS工艺技术相兼容的材料体系。SiGe应用技术中最主要、最成功的产品是SiGe异质结双极型晶体管HBT(Hetero-junction Bipolar Transistor)及其集成电路1-6。近年来随着MBE、MOCVD技术日渐成熟,高增益和高可靠性,低电压、低功耗
13、和低成本。发展趋势体现在:模拟集成电路、射频集成电路、微波集成电路的集成度越来越高,噪声与功耗要求越来越低,器件速度越来越快。目前,单片微波集成电路已经使用于各种微波系统中。在这些微波系统中的MMIC包括PA(功率放大器)、低噪声放大器LNA(Low Noise Amplifier)、混频器、鉴相器、压控振荡器VCO(Voltage Controlled Oscillator),滤波器等直至整个射频收发系统。单片电路的发展为微波系统在各个领域的应用提供了广阔的前景。由于这些系统所具有的优良性能使得国家的军事力量迅速提高,在民事应用中的使用使人们的物质文化生活水平高速发展7-11。SiGe HB
14、T以Si工艺为基础,因此器件工艺比较成熟,且造价低,易与现有的Si工艺兼容,其放大器功率附加效率PAE(Power Additive Efficiency)可达70%,与MESFET相同,最突出的优点是具有极低的相位噪声,SiGe HBT不仅有GaAs材料所制成的器件所具有的高速度,低噪声的性能,而且具有可以被设计生产者接受的价格。欧美发达国家自20世纪80年代中期开始着手SiGe双极型器件的研制,至90年代中期进入商品化阶段。以美国IBM公司为代表,Daimler-Benz、SGS-Thomson、Siemens、Agilent、NEC和HITACHI等著名器件厂商陆续于同期推出各自的商品化
15、SiGe HBT和MMIC产品 12-16。1.2课题研究的目的和意义现代发射机/接收机设计对高集成度、低功耗、低成本的要求越来越高。SiGe HBT工艺应用在射频接收机中的性价比最高,其较低的噪声,高增益以及可以接受的成本,使我们基于此工艺进行发射机/接收机前端带有滤波功能的可变增益放大器的研究,并开发了相应的自增益系统。实现接收机动态范围的功能电路是接收机中的自动增益控制电路(AGC)。AGC是一个闭环负反馈自动控制系统,是发射机/接收机最重要的功能电路之一。发射机/接收机的总增益通常分配在各级AGC电路中,各级AGC电路级联构成总的增益。在发射/接收微弱信号时,接收机要具有高增益,将微弱
16、信号放大到要求的电平,在接收机靠近发射电台时,AGC控制系统的总增益,使接收机对大信号的增益很小,甚至衰减17-20。由于近些年来射频通信系统的高速发展,高选择性和良好的输出信号电平的控制的需要成为任何通信系统的众多焦点之一。因为从任何可能方向传来的不可预知的输入信号幅度电平进入接收机,因此大多射频收发机中都有自动增益控制系统。在接收机中可变增益放大器无疑是必需的,为了下一步的数字信号处理,它的输出电平标准化。值得注意的是现今通信的迅速发展越来越成为高性能可变增益放大器的主要驱动力。因此,在设计中集成了GM-C滤波器,大大提高了可变增益放大器的谐波抑制能力,使输出信号更加精确。其实,在所有的射
17、频通信领域,可变增益放大器成为不可缺少的功能模块。在射频发射机中可变增益放大器也是必不可少的,比如在CDMA的移动终端的发射部分,可变增益放大器使移动终端的每个用户单元保持相同的发射功率,使基站保持最佳的系统容量。本文设计的可变增益放大器不仅可以接收GNSS无线接收机经过混频器下变频给出的中频信号,而且可以处理无线发射机中经过混频器上变频给出的射频信号,这也使得增大可变增益放大器的带宽成为了设计的重点21-25。1.3 课题来源、论文的主要内容及结构安排根据天津晶研科技有限公司的项目“卫星导航用户终端发射机/接收机射频前端芯片组的设计开发”的要求,我的任务是基于0.5m SiGe HBT工艺的
18、设计可变增益放大器,使其达到低功耗,高动态增益范围,满足线性度,芯片面积及噪声等方面的要求,实现可变增益放大器的滤波性能以及自增益控制系统的功能并最终实现成功流片。以下为论文主要内容及结构安排第一章:首先介绍SiGe HBT工艺的发展及应用,课题研究的意义,课题来源,及本论文的主要内容和结构;第二章:描述 0.5m SiGe HBT工艺的特点,分析各分立器件的性能。第三章:讲述可变增益放大器的基本原理;可变增益放大器基本的设计要求、指标,参数,并且完成可变增益放大器的可变增益单元与固定增益单元设计。 第四章:引述回转器原理,完成Gm-C滤波单元,并对可变增益放大器整体电路进行仿真。第五章:针对
19、已经达到要求的可变增益放大器,提出自增益控制系统必须的检波电路,比较器方案。建立完整自增益控制系统电路,实现自增益控制完成系统级仿真,以及系统版图。第二章 工艺元件的性能2.1 晶体管的工作特性及温度特性该工艺是0.5光刻技术的双极型HBT工艺,专门针对无线通信和光纤通信。对于npn型HBT晶体管,最小射极尺寸是。对于最小尺寸的晶体管,晶片上最小电学活动射极尺寸是。通常,布局尺寸和电学活动尺寸在长、宽两个方向上均相差0.3。设计中,将电学活动射极尺寸作为可实现的最小尺寸标准。本工艺NPN型的晶体管有两种:SIC(选择离子注入集电区技术)型晶体管和non-SIC(非选择离子注入集电区技术)型晶体
20、管。为提高超高速双极晶体管的电流增益,降低大电流下基区扩展效应对器件的影响,将选择离子注入集电区技术应用于双层多晶硅发射极晶体管中。其中,SIC型npn管的截止频率为80GHz,最大频率约为90GHz,击穿电压为2.4V;non-SIC型npn管的截止频率为50GHz,最大频率约为90GHz,击穿电压为4.3V。在同一块芯片上同时使用两种不同类型的npn晶体管是不允许的。从以上的分析和结论来看我们选用SIC型npn管是合适的,由于我们在设计电路时,要根据实际需要而选择合适的器件,所以在设计展开之前要熟悉工程师所使用的工艺库。在本设计中常用的晶体管的射极尺寸是,三种,第一种用于镜像电流源设计,后
21、两种,主要应用于放大电路设计。这里是对的分析。其晶体管测试环境如图2.1所示:图2.1 扫描晶体管扫描仿真环境Figure 2.1 Simulation environment of scaning transisitor这里,DC仿真控制器定义对集电极与发射极之间电压VCE进行扫描, 使用VAR(VCE=0,IBB=0)控制器对变量进行初始化,它与电压源,电流源共同使晶体管工作在有效区。这里的PARAMETER SWEEP控件是对多物理量进行同时扫描,这里没有使用模版的默认值,而是改为更小的基极电流扫描如图2.2所示,原因是本设计要求低功耗,所以晶体管的基极输入电流很小,在无法确晶体管是否正
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- 无线 收发 机芯 片中 可变 增益 放大器 设计

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