模拟前端关键模块设计

来源 :华东师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wangxingchuang
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随着半导体工艺的进步与电路设计技术的更新,集成电路在尺寸和性能上越发具有竞争力,也在无线通信领域中扮演着举足轻重的角色。本文针对非对称无线通信系统的模拟前端设计了可重构高带外抑制有源低通滤波器和14位混合型数模转换器(Digital-to-Analog Converter,DAC)。根据需求,本文设计了一个具有增益调节功能的可调带宽高带外抑制低通滤波器。该滤波器由双二次Gm-C滤波器、增益提高级以及5阶椭圆滤波器组成。滤波器增益的调节通过双二次Gm-C滤波器和增益提高级实现,带宽的调节则是通过电容阵列来实现。5阶椭圆滤波器则是有利于提高滤波器整体的带外抑制。同时,为了减小功耗,电路中的跨导运算放大器采用带有源极负反馈的全差分共源极。完成了参数优化和版图设计,并对比前后仿真结果,阐述滤波器版图对于电路性能的影响。滤波器采用TSMC65nm CMOS工艺实现,核心面积为1.23mm2。使用了 1.3V和2.5V的电源电压,整体功耗为4.6mW。在典型工艺角下的后仿真结果显示,增益调节范围为-20.5dB至20.2dB,带宽在1.0-30.5MHz范围内可调,两倍带宽频率处的带外抑制最小值为44.7dB,当增益为9.9dB,带宽为30.5MHz 时,输入 1dB 增益压缩点(Input 1dB Gain Compression Points,Pin,1dB)为-7.1 dBm。基于非对称无线通信的要求,本文设计了一个14位混合型DAC,该DAC分为3段,分别为6位温度计码电流舵结构、4位二进制码电流舵结构和4位等电流源切换到R-2R梯形网络结构。接着阐述了二进制码电流舵结构、温度计码电流舵结构以及分段式电流舵结构的积分非线性(Integral Nonlinearity,INL)和微分非线性(Differential Nonlinearity,DNL)与电流源相对标准偏差的关系和输出缓冲级中运算放大器的增益要求。设计了基准电路、V-I转换电路、单位电流源电路等模块。完成了参数优化以及版图设计,并给出了模块电路和整体电路的仿真结果。DAC采用SMIC 0.18μm BCD工艺实现。芯片的核心面积为0.754mm2,采用了 5V的电源电压,总功耗为40mW。在典型工艺角下的后仿真结果显示,DNL和INL分别为0.41LSB和0.62LSB,建立时间为900.9ns,当采样频率为1MHz,输入信号频率为49.8kHz 时,信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)为 83.32dB,无杂散动态范围(Spur Free Dynamic Range,SFDR)为90.19dBc。当采样频率为1MHz,输入信号频率为 100.6kHz 时,SNR 为 82.42dB,SFDR 为 90.19dBc。
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