复旦大学：《集成电路工程》教学资源（硕士士学位论文）CMOS工艺数字电视调谐器中校正技术的实现

表目录 表2-1TSMC工艺无源器件的工艺误差 7 表3-1多模数字电视接收机支持的电视标准及信号带宽....…41 表4-1滤波器频率校正结果对比.........58 表4-2V2引基准电流校正前后对比..… 61 V

V 表目录 表 2-1 TSMC 工艺无源器件的工艺误差 .........................................................7 表 3-1 多模数字电视接收机支持的电视标准及信号带宽...............................41 表 4-1 滤波器频率校正结果对比 ..................................................................58 表 4-2 V2I 基准电流校正前后对比................................................................61

摘要 随着数字电视的逐步普及，数字电视接收机在世界各地的应用越来越广泛。 由于全球许多国家和地区制定了不同的电视标准，集成多种标准的多模数字电视 接收机成为一个研究方向。本文对多模数字电视接收机中的滤波器进行了研究， 解决了滤波器在多模应用中频率调配和频率校准问题。 首先，总结了CMOS工艺中各种偏差的来源，包括工艺偏差、系统偏差和 随机偏差；阐述了温度和老化对器件的影响：分析了降低器件失配的方法。 其次，回顾了滤波器的基本原理和常见的实现方式；设计了6阶椭圆 Active-RC有源滤波器的频率和增益调节方案，以满足滤波器截止频率和增益可 调的要求：并对高阶滤波器中Biquad级联的问题进行了研究，包括零极点的配 对、Biquad级联的顺序和各级增益的分配。 最后，为解决器件参数偏差对电路功能的影响，设计了频率校正电路，用于 校正因工艺偏差和温度等引起的频率偏移，并将该电路用于校正电压电流转换电 路产生的基准电流。本文对该电路的设计考虑进行分析后，进行了仿真验证。 校正前后的仿真结果显示：校正前截止频率和基准电流的最大偏差发生在 FF工艺角，分别为36%和15%，校正后的偏差减小到1%和1.9%以下，达到 了较好的校正效果。 关键词：射频接收机，数字电视，滤波器，自动频率校正，工艺偏差，失配 中图分类号：TN4 VI

VI 摘要 随着数字电视的逐步普及，数字电视接收机在世界各地的应用越来越广泛。 由于全球许多国家和地区制定了不同的电视标准，集成多种标准的多模数字电视 接收机成为一个研究方向。本文对多模数字电视接收机中的滤波器进行了研究， 解决了滤波器在多模应用中频率调配和频率校准问题。 首先，总结了 CMOS 工艺中各种偏差的来源，包括工艺偏差、系统偏差和 随机偏差；阐述了温度和老化对器件的影响；分析了降低器件失配的方法。 其次，回顾了滤波器的基本原理和常见的实现方式；设计了 6 阶椭圆 Active-RC 有源滤波器的频率和增益调节方案，以满足滤波器截止频率和增益可 调的要求；并对高阶滤波器中 Biquad 级联的问题进行了研究，包括零极点的配 对、Biquad 级联的顺序和各级增益的分配。 最后，为解决器件参数偏差对电路功能的影响，设计了频率校正电路，用于 校正因工艺偏差和温度等引起的频率偏移，并将该电路用于校正电压电流转换电 路产生的基准电流。本文对该电路的设计考虑进行分析后，进行了仿真验证。 校正前后的仿真结果显示：校正前截止频率和基准电流的最大偏差发生在 FF 工艺角，分别为 36%和 15%，校正后的偏差减小到 1%和 1.9%以下，达到 了较好的校正效果。 关键词：射频接收机，数字电视，滤波器，自动频率校正，工艺偏差，失配 中图分类号：TN4

Abstract With the popularization of Digital Television(DTV),DTV receiver is applied widely around the world.Different TV standards being formulated in many countries and regions make multi-mode multi-standard DTV receiver become a research topic.Filter in multi-mode DTV tuner is studied in this thesis,solving the problems of cut-off frequency adjusting and tuning. Firstly,origins of variations in CMOS technology,including process variation,systematic variation and random variation,are concluded.The influence of temperature and aging on devices is presented.In terms of the device mismatch,several methods of optimizing mismatch are analyzed. Secondly,fundamental principles and regular implementations of filter are reviewed.To satisfy the requirements of adjustable frequency,programmable gain and high stopband rejection,a sixth order elliptic Active-RC LPF is presented.The cascade connection of biquads is discussed,including pole-zero pairing,biquad cascade sequence and gain distribution. Finally,a frequency tuning circuit is proposed for calibrating the frequency shift of filter caused by process and temperature variations.The tuning circuit is also used for calibrating the reference current shift.The design considerations during realization of the circuit are discussed.Simulations are implemented for the design,to compare the differences between tuned and untuned circuit. The results are given:the maximum variation of untuned cut-off frequency and reference current is 36%and 3.1%respectively,when process corner is FF;the variation of the tuned ones is reduced to less than 1%and 1.9%, achieving good tuning effects. Key Words:RF receiver,Digital TV,Filter,Automatic Frequency Tuning, Process Variation,Mismatch VI川

VII Abstract With the popularization of Digital Television (DTV), DTV receiver is applied widely around the world. Different TV standards being formulated in many countries and regions make multi-mode multi-standard DTV receiver become a research topic. Filter in multi-mode DTV tuner is studied in this thesis, solving the problems of cut-off frequency adjusting and tuning. Firstly, origins of variations in CMOS technology, including process variation, systematic variation and random variation, are concluded. The influence of temperature and aging on devices is presented. In terms of the device mismatch, several methods of optimizing mismatch are analyzed. Secondly, fundamental principles and regular implementations of filter are reviewed. To satisfy the requirements of adjustable frequency, programmable gain and high stopband rejection, a sixth order elliptic Active-RC LPF is presented. The cascade connection of biquads is discussed, including pole-zero pairing, biquad cascade sequence and gain distribution. Finally, a frequency tuning circuit is proposed for calibrating the frequency shift of filter caused by process and temperature variations. The tuning circuit is also used for calibrating the reference current shift. The design considerations during realization of the circuit are discussed. Simulations are implemented for the design, to compare the differences between tuned and untuned circuit. The results are given: the maximum variation of untuned cut-off frequency and reference current is 36% and 3.1% respectively, when process corner is FF; the variation of the tuned ones is reduced to less than 1% and 1.9%, achieving good tuning effects. Key Words: RF receiver, Digital TV, Filter, Automatic Frequency Tuning, Process Variation, Mismatch

第一章概述 第一章概述 1.1研究背景 近年来数字电视正在慢慢取代模拟电视，有的国家己经关闭模拟电视信号， 许多国家和地区纷纷部署了数字移动电视，电视接收成为多媒体手持设备上的一 个常见功能。由于不同数字电视标准在各地的应用，电视接收机有了支持多标准 的需求。 在地面(Terrestrial)广播电视标准中，主要有欧洲的DVB-T标准和日本/巴西 的ISDB-T标准，这两个都是基于正交频分复用(OFDM,Orthogonal Frequency Division Multiplexing)调制；还有美国的基于8-VSB(Vestigial Sideband)调制的 ATSC标准[1]。 在移动手持(Mobile/Handheld)电视中，走在技术前沿的是欧洲标准DVB-H. 它作为DVB-T的增强版[2]，主要特点有：一、以降低分辨率为代价，使用时间 分片技术(Time Slicing Technology)实现1：10的开/关时间，降低功耗：二、使 用错误纠正码，可以使移动操作中的多普勒性能更可靠。而且DVB-H的频率设 定在UHF频带的470~750MHz范围内，在欧洲它可以和900MHz的GSM频带 共存。韩国标准T-DMB也是基于OFDM调制，将DAB的物理层用在移动电视 中。在日本，移动版本低带宽的ISDB-T标准使用430kHz的频道带宽，部署在 UHF频带内。另外，移动手机电视标准还有中国的CMMB标准和美国的 ATSC-M/H标准。 为了达到节省成本、提高应用的灵活性和实现硬件多方案复用的目标，现在 的芯片集成度越来越高。一方面体现在集成的晶体管越来越多，另一方面则是功 能的集成和兼容。因此，支持多标准和多频带的数字电视调谐器(DTV Tuner))有 了市场需求。 1.2研究动机 要让数字电视接收机支持不同标准和频带，则要使接收机满足各种电视标准 中要求的性能。由于不同电视标准之间对频道带宽的分配和使用情况不相同，为 了覆盖这些标准，数字电视接收机中用于信道选择和抗混迭作用的低通滤波器必 须有可配置的截止频率。 无线通信领域的迅猛发展，频率带宽资源越来越紧张，这就导致了在电子通 信中对滤波器的性能要求越来越严格3]。比如说，为了提高频带利用率，相邻

第一章 概述 1 第一章 概述 1.1 研究背景 近年来数字电视正在慢慢取代模拟电视，有的国家已经关闭模拟电视信号， 许多国家和地区纷纷部署了数字移动电视，电视接收成为多媒体手持设备上的一 个常见功能。由于不同数字电视标准在各地的应用，电视接收机有了支持多标准 的需求。 在地面(Terrestrial)广播电视标准中，主要有欧洲的 DVB-T 标准和日本/巴西 的 ISDB-T 标准，这两个都是基于正交频分复用(OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 调制；还有美国的基于 8-VSB(Vestigial Sideband)调制的 ATSC 标准[1]。 在移动手持(Mobile/Handheld)电视中，走在技术前沿的是欧洲标准 DVB-H。 它作为 DVB-T 的增强版[2]，主要特点有：一、以降低分辨率为代价，使用时间 分片技术(Time Slicing Technology)实现 1:10 的开/关时间，降低功耗；二、使 用错误纠正码，可以使移动操作中的多普勒性能更可靠。而且 DVB-H 的频率设 定在 UHF 频带的 470~750MHz 范围内，在欧洲它可以和 900MHz 的 GSM 频带 共存。韩国标准 T-DMB 也是基于 OFDM 调制，将 DAB 的物理层用在移动电视 中。在日本，移动版本低带宽的 ISDB-T 标准使用 430kHz 的频道带宽，部署在 UHF 频带内。另外，移动手机电视标准还有中国的 CMMB 标准和美国的 ATSC-M/H 标准。 为了达到节省成本、提高应用的灵活性和实现硬件多方案复用的目标，现在 的芯片集成度越来越高。一方面体现在集成的晶体管越来越多，另一方面则是功 能的集成和兼容。因此，支持多标准和多频带的数字电视调谐器(DTV Tuner)有 了市场需求。 1.2 研究动机 要让数字电视接收机支持不同标准和频带，则要使接收机满足各种电视标准 中要求的性能。由于不同电视标准之间对频道带宽的分配和使用情况不相同，为 了覆盖这些标准，数字电视接收机中用于信道选择和抗混迭作用的低通滤波器必 须有可配置的截止频率。 无线通信领域的迅猛发展，频率带宽资源越来越紧张，这就导致了在电子通 信中对滤波器的性能要求越来越严格[3]。比如说，为了提高频带利用率，相邻

第一章概述 频道之间的间距通常很小，此时滤波器的选频能力对无线系统的重要性越发明 显。从滤波器频率响应看，主要表现为陡峭的过渡带和高的阻带抑制。这意味着 滤波器必须具有高的阶数和高的Q值，同时还要对器件参数不敏感4]。 然而，CMOS工艺制造时的工艺波动会导致集成元件的参数值产生偏差。 器件参数的变化影响电路的工作，尤其是电路的性能与器件参数的值成绝对关系 而非比例的关系时，器件参数波动会使制造生产出来的电路性能偏离设计值。例 如RC滤波器的截止频率，与RC常数直接相关，因此对RC参数的变化十分敏 感。 针对上述问题，本文从器件偏差的研究入手，对器件偏差的校正电路进行了 设计。并根据多模滤波器的要求，对滤波器的结构以及带宽调节方案进行了设计。 1.3论文结构 针对多模数字电视调谐器中的滤波器频率和增益可调、以及高的频率衰减的 要求，本文设计了6阶椭圆Active-RC有源滤波器的频率和增益调节方案，并对 Biquad级联的问题进行了研究：本文还设计了自动频率校正(AFT,Automatic Frequency Tuning)电路，用于校正因工艺偏差、温度等引起的频率偏移。具体 的组织结构如下： 第二章研究了CMOS工艺中影响电路设计的非理想性因素，包括系统偏差、 工艺偏差和随机偏差的来源，同时对器件失配进行了研究，总结了降低失配的方 法。 第三章针对多模数字电视接收机对滤波器频率和增益可调、以及高的频率衰 减的要求，对高阶有源滤波器的设计做了一定的研究，重点分析了Biquad级联 的高阶滤波器设计时的问题，包括零极点的配对、Biquad级联的顺序、各级增 益的分配。 第四章设计了滤波器的自动频率校正电路，同时该校正电路也用于电压电流 转换电路(V2L,Voltage to Current)基准电流的校正。本章先介绍了电路的工作原 理，并对该电路的设计考虑进行研究。最后，通过仿真验证，对比分析了滤波器 频率校正以及V2!电流校正前后的结果。 第五章为论文的总结与展望。 参考文献 [1]lason Vassiliou et al.,"A 65 nm CMOS Multistandard,Multiband TV Tuner for Mobile and Multimedia Applications,"IEEE J.Solid-State Circuits,vol. 43,n0.7,pp.1522-1533,July.2008. [2]G.Faria et al.,"DVB-H:Digital broadcast services to handheld devices

第一章 概述 2 频道之间的间距通常很小，此时滤波器的选频能力对无线系统的重要性越发明 显。从滤波器频率响应看，主要表现为陡峭的过渡带和高的阻带抑制。这意味着 滤波器必须具有高的阶数和高的 Q 值，同时还要对器件参数不敏感[4]。 然而，CMOS 工艺制造时的工艺波动会导致集成元件的参数值产生偏差。 器件参数的变化影响电路的工作，尤其是电路的性能与器件参数的值成绝对关系 而非比例的关系时，器件参数波动会使制造生产出来的电路性能偏离设计值。例 如 RC 滤波器的截止频率，与 RC 常数直接相关，因此对 RC 参数的变化十分敏 感。 针对上述问题，本文从器件偏差的研究入手，对器件偏差的校正电路进行了 设计。并根据多模滤波器的要求，对滤波器的结构以及带宽调节方案进行了设计。 1.3 论文结构 针对多模数字电视调谐器中的滤波器频率和增益可调、以及高的频率衰减的 要求，本文设计了 6 阶椭圆 Active-RC 有源滤波器的频率和增益调节方案，并对 Biquad 级联的问题进行了研究；本文还设计了自动频率校正(AFT, Automatic Frequency Tuning)电路，用于校正因工艺偏差、温度等引起的频率偏移。具体 的组织结构如下： 第二章研究了 CMOS 工艺中影响电路设计的非理想性因素，包括系统偏差、 工艺偏差和随机偏差的来源，同时对器件失配进行了研究，总结了降低失配的方 法。 第三章针对多模数字电视接收机对滤波器频率和增益可调、以及高的频率衰 减的要求，对高阶有源滤波器的设计做了一定的研究，重点分析了 Biquad 级联 的高阶滤波器设计时的问题，包括零极点的配对、Biquad 级联的顺序、各级增 益的分配。 第四章设计了滤波器的自动频率校正电路，同时该校正电路也用于电压电流 转换电路(V2I, Voltage to Current)基准电流的校正。本章先介绍了电路的工作原 理，并对该电路的设计考虑进行研究。最后，通过仿真验证，对比分析了滤波器 频率校正以及 V2I 电流校正前后的结果。 第五章为论文的总结与展望。 参考文献 [1] Iason Vassiliou et al., “A 65 nm CMOS Multistandard, Multiband TV Tuner for Mobile and Multimedia Applications,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 43, no. 7, pp. 1522–1533, July. 2008. [2] G. Faria et al., “DVB-H: Digital broadcast services to handheld devices