应用于WIA(工业无线传感网)的模拟中频模块关键技术的研究

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Wireless Sensor Network for Industrial Application(WIA)是我国的工业无线网络技术体系,能够适应复杂工业环境和满足苛刻工业需求。应用在WIA中的接收机需要高灵敏度大动态范围,这对其模拟中频设计提出了严格的要求。本文中的模拟中频电路主要包括Gm-C低通滤波器、Gm-C复数带通滤波器和可编程增益放大器(PGA)三部分组成。其中Gm-C低通滤波器以5阶巴特沃兹滤波器为原型,由元件模拟得到有源滤波器,Gm-C复数带通滤波器以3阶巴特沃兹低通滤波器和频率搬移技术得到复数带通滤波器功能,也由元件模拟得到有源滤波器。滤波器均采用了共用共模反馈电路的技术以降低功耗。PGA为四级增益单元级联结构,第一二级为固定增益级,第三四级为可变增益级。每个增益单元采用了开环结构以降低功耗。为了提高线性度,所设计的Gm-C滤波器均采用了交叉耦合的源级负反馈技术,以及改进的滤波器系统架构。为了使PGA各个档位的带宽都达到4MHz以上,PGA采用了源级负反馈电阻并联电容的结构。PGA的共模取样方式采用电阻平衡取样,使增益近似为共模取样电阻和源级负反馈电阻的比值,提高了增益精确度。本次集成电路设计依据TSMC18RF CMOS1P6M工艺设计规则,所设计的集成模拟中频电路芯片版图面积为1410μm×2060μm。仿真结果表明:Gm-C低通滤波器的带宽修调范围为1.75MHz到5.64MHz,覆盖信号带宽2.0MHz,NF为24.72dB,IIP3为13.8dBm;Gm-C复数带通滤波器的带宽修调范围为0.44MHz到2.96MHz,覆盖信号带宽0.5MHz到2.0MHz,2.0MHz带宽时NF为24.84dB,IIP3为13.0dBm。PGA增益动态范围为0dB-62.9dB,误差小于0.5dB,最大增益时的NF为23.32dB,最小增益时的IIP3为18.3dBm。对模拟中频电路进行整体仿真时,在输入Vpp=50mV,输出Vpp=600mV情况下,IM3为58.0dB/62.0dB,基本满足系统要求。
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