数字电视接收系统中射频前端电路研究与设计 1.2论文研究内容与贡献 本文围绕射频前端中的两个电路模块一低噪声放大器和混频器展开研究 与设计。文章首先详细分析了射频前端模块中涉及的系统指标，接着分别对低噪 声放大器和混频器展开了详细的分析与设计，最后将设计进行流片并进行测试验 证。本文的主要贡献如下： (1)详细分析了射频前端模块中与噪声相关、与非线性相关以及其它涉及到 的系统指标： (②)总结了低噪声放大器中关于噪声优化和非线性优化的相关内容，提出了 一种可变增益情况下输入匹配优化技术： (③)设计了一种适用于多标准数字电视接收系统的低噪声放大器，给出了其 中各个模块在设计时的考虑： (4)分析了有源混频器到电流驱动型无源混频器的转变过程以及电流驱动 型无源混频器的各方面性能： (5)设计了一种可变增益的电流驱动型无源混频器，期间提出了一种跨导单 元共模反馈环路补偿实现的新方法： (6)将包含本设计的数字电视接收系统芯片在TSMC0.18μm工艺下流片 验证，最后给出了测试结果。 1.3论文组织结构 本文的组织结构如下： 第二章介绍了射频前端所涉及的系统指标，包括与噪声相关、与非线性相关 以及级联系统的指标等，最后简单介绍了系统接收机架构的选择。 第三章主要介绍低噪声放大器的研究与设计，开始时先简单回顾了传统共栅 和三种共源低噪声放大器结构存在的问题，接着详细介绍了噪声优化以及线性度 优化的方法并提出了一种可变增益情况下输入匹配优化的方法，最后给出了一种 可变增益的宽带低噪声放大器设计。 第四章阐述射频前端的另一个模块一下变频混频器。首先介绍了混频器从 有源混频器到电流驱动型无源混频器的转变过程，紧接着分析了电流驱动型无源 混频器的各方面性能，最后给出了一种可变增益的电流驱动型无源混频器设计。 第五章给出了芯片实现与仿真测试结果，并将测试结果与近期发表的论文进 行了对比。 第六章是本文的工作总结以及提出的一些研究展望。 4
数字电视接收系统中射频前端电路研究与设计 4 1.2 论文研究内容与贡献 本文围绕射频前端中的两个电路模块——低噪声放大器和混频器展开研究 与设计。文章首先详细分析了射频前端模块中涉及的系统指标，接着分别对低噪 声放大器和混频器展开了详细的分析与设计，最后将设计进行流片并进行测试验 证。本文的主要贡献如下： (1) 详细分析了射频前端模块中与噪声相关、与非线性相关以及其它涉及到 的系统指标； (2) 总结了低噪声放大器中关于噪声优化和非线性优化的相关内容，提出了 一种可变增益情况下输入匹配优化技术； (3) 设计了一种适用于多标准数字电视接收系统的低噪声放大器，给出了其 中各个模块在设计时的考虑； (4) 分析了有源混频器到电流驱动型无源混频器的转变过程以及电流驱动 型无源混频器的各方面性能； (5) 设计了一种可变增益的电流驱动型无源混频器，期间提出了一种跨导单 元共模反馈环路补偿实现的新方法； (6) 将包含本设计的数字电视接收系统芯片在 TSMC 0.18 µm 工艺下流片 验证，最后给出了测试结果。 1.3 论文组织结构 本文的组织结构如下： 第二章介绍了射频前端所涉及的系统指标，包括与噪声相关、与非线性相关 以及级联系统的指标等，最后简单介绍了系统接收机架构的选择。 第三章主要介绍低噪声放大器的研究与设计，开始时先简单回顾了传统共栅 和三种共源低噪声放大器结构存在的问题，接着详细介绍了噪声优化以及线性度 优化的方法并提出了一种可变增益情况下输入匹配优化的方法，最后给出了一种 可变增益的宽带低噪声放大器设计。 第四章阐述射频前端的另一个模块——下变频混频器。首先介绍了混频器从 有源混频器到电流驱动型无源混频器的转变过程，紧接着分析了电流驱动型无源 混频器的各方面性能，最后给出了一种可变增益的电流驱动型无源混频器设计。 第五章给出了芯片实现与仿真测试结果，并将测试结果与近期发表的论文进 行了对比。 第六章是本文的工作总结以及提出的一些研究展望
第二章射频前端系统指标分析 第二章 射频前端系统指标分析 2.1一般系统指标分析 评价射频前端系统的性能指标有很多，设计者们一直在与这些指标进行着顽 强地斗争。这些指标之间往往存在不同程度的折中，对于不同的应用，这些指标 的要求也各不相同。本节将对射频前端所涉及的指标进行详细的分析。 2.1.1与噪声相关的性能指标 任何有用信号之外的信号都可以被认为是噪声。但是通常人们所说的噪声只 代表来源于电路本身所产生的随机信号，这种随机信号叠加在有用信号上对有用 信号造成干扰。从外界环境通过不同的途径叠加到有用信号上的噪声通常被认为 是非线性，与非线性相关的性能指标将在下一小节中阐述，本小节主要阐述与噪 声相关的性能指标。 在射频前端电路中所涉及的噪声的主要组成部分有：热噪声和1f噪声。电 阻和M○S管沟道均会产生热噪声，它们的器件噪声模型在2]中有很详细的论 述。在高频时，MOS管除了会产生沟道热噪声之外，由于沟道电压的扰动通过 栅电容耦合到栅极还会产生栅极电流噪声3]，栅极热噪声的电流可以表示为 R=4KTg,·△f (2.1) 其中K为玻尔兹曼常数，T是温度，6是一个经验值，大概在4~6之间，参数 9g的表达式为 Ci 9g=1 (2.2) 5gds 其中ω为电路工作角频率，Cgs为栅源电容，9s为源漏电导。从式(2.1)中可以 看出，电路的工作频率越高，栅源电容越大，栅极热噪声的贡献就越大。1f噪 声主要是来自MOS管，它的器件噪声模型在2]中也可以找到。由于1f噪声与 频率成反比，一般只有在1MHz以下频率时，它才会显现出来。1f噪声在零中 频接收机中处理不好时会大大增加系统的噪声，这点在本章后续部分会再次提 及。 1、噪声系数(WF,Noise Figure) 噪声系数是接收机中衡量噪声最重要也是最常用的系统指标，它是指接收机 输入端的信噪比(SWR,Signal--Noise Ratio,有用信号与噪声的功率之比)与输出 端信噪比之比，它的表达式为 5
第二章 射频前端系统指标分析 5 第二章 射频前端系统指标分析 2.1 一般系统指标分析 评价射频前端系统的性能指标有很多，设计者们一直在与这些指标进行着顽 强地斗争。这些指标之间往往存在不同程度的折中，对于不同的应用，这些指标 的要求也各不相同。本节将对射频前端所涉及的指标进行详细的分析。 2.1.1 与噪声相关的性能指标 任何有用信号之外的信号都可以被认为是噪声。但是通常人们所说的噪声只 代表来源于电路本身所产生的随机信号，这种随机信号叠加在有用信号上对有用 信号造成干扰。从外界环境通过不同的途径叠加到有用信号上的噪声通常被认为 是非线性，与非线性相关的性能指标将在下一小节中阐述，本小节主要阐述与噪 声相关的性能指标。 在射频前端电路中所涉及的噪声的主要组成部分有：热噪声和 1/f 噪声。电 阻和 MOS 管沟道均会产生热噪声，它们的器件噪声模型在[2]中有很详细的论 述。在高频时，MOS 管除了会产生沟道热噪声之外，由于沟道电压的扰动通过 栅电容耦合到栅极还会产生栅极电流噪声[3]，栅极热噪声的电流可以表示为 2 I KT ng = ⋅ 4 δg f g Δ (2.1) 其中 K 为玻尔兹曼常数，T 是温度，δ 是一个经验值，大概在 4~6 之间，参数 gg 的表达式为 2 2 gs g 5 ds g g = ω C (2.2) 其中 ω 为电路工作角频率，Cgs 为栅源电容，gds 为源漏电导。从式(2.1)中可以 看出，电路的工作频率越高，栅源电容越大，栅极热噪声的贡献就越大。1/f 噪 声主要是来自 MOS 管，它的器件噪声模型在[2]中也可以找到。由于 1/f 噪声与 频率成反比，一般只有在 1MHz 以下频率时，它才会显现出来。1/f 噪声在零中 频接收机中处理不好时会大大增加系统的噪声，这点在本章后续部分会再次提 及。 1、噪声系数(NF，Noise Figure) 噪声系数是接收机中衡量噪声最重要也是最常用的系统指标，它是指接收机 输入端的信噪比(SNR，Signal-Noise Ratio，有用信号与噪声的功率之比)与输出 端信噪比之比，它的表达式为
数字电视接收系统中射频前端电路研究与设计 NF= SNRn (2.3) SNRout 用dB的方式表示为 NFdB=10l0g NRin SNRout (2.4) 对一个无噪声系统来说，其输入信噪比等于输出信噪比，则它的噪声系数为0 dB,由此可见，噪声系数是一个衡量系统信噪比下降的指标，噪声系数越小， 系统噪声性能越好。计算噪声系数有时并不需要去分别计算系统的输入和输出信 噪比，噪声系数有很多变化的等效表达式，例如 NF> SNR2-PIP=P。= P。 (2.5) SNRout PaoI Pho。P·A,Pno 在式(2.5)中，Psi,Pi,Pso,Pno分别表示输入信号功率，输入噪声功率，输出 信号功率，输出噪声功率，A,表示系统的功率增益。输入噪声功率P:是指由信 号源内阻产生的噪声功率在输入端的表现，它与系统的功率增益相乘后得到的 P就代表信号源内阻产生的噪声经过系统放大后在输出端所产生的噪声贡献。 总的噪声功率P。包含两部分：由信号源内阻产生的噪声经过放大后输出的噪声 和系统本身产生的噪声。前者即Pno,如果后者被记为Pnoo,由式(2.5)可以进一 步得到 (2.6) Pnoi 式(2.6)显示了噪声系数与系统内部噪声之间的关系。在对系统的噪声系数进行粗 略测试时可能会用到这个关系式。 在具体的电路中手工计算噪声系数时，另一种直观的表达式更加适合手工计 算。假设信号源内阻为Rs,电路内部的等效输出噪声功率为V?,如图2-1所示。 2 Rs Noiseless Circuit Vout Ao SNRin SNRout 图2-1手工计算噪声系数时的等效电路 VRs是Rs产生的热噪声，A0为电路的电压增益，由于电路内部的噪声全部被等 6
数字电视接收系统中射频前端电路研究与设计 6 in out SNR NF SNR = (2.3) 用 dB 的方式表示为 in dB out 10log SNR NF SNR = (2.4) 对一个无噪声系统来说，其输入信噪比等于输出信噪比，则它的噪声系数为 0 dB，由此可见，噪声系数是一个衡量系统信噪比下降的指标，噪声系数越小， 系统噪声性能越好。计算噪声系数有时并不需要去分别计算系统的输入和输出信 噪比，噪声系数有很多变化的等效表达式，例如 in si ni no no out so no ni p noi / / SNR PP P P NF SNR P P P A P = = = = ⋅ (2.5) 在式(2.5)中，Psi，Pni，Pso，Pno 分别表示输入信号功率，输入噪声功率，输出 信号功率，输出噪声功率，Ap 表示系统的功率增益。输入噪声功率 Pni 是指由信 号源内阻产生的噪声功率在输入端的表现，它与系统的功率增益相乘后得到的 Pnoi 就代表信号源内阻产生的噪声经过系统放大后在输出端所产生的噪声贡献。 总的噪声功率 Pno 包含两部分：由信号源内阻产生的噪声经过放大后输出的噪声 和系统本身产生的噪声。前者即 Pnoi，如果后者被记为 Pnoo，由式(2.5)可以进一 步得到 no noi noo noo noi noi noi 1 P PP P NF PP P + = = = + (2.6) 式(2.6)显示了噪声系数与系统内部噪声之间的关系。在对系统的噪声系数进行粗 略测试时可能会用到这个关系式。 在具体的电路中手工计算噪声系数时，另一种直观的表达式更加适合手工计 算。假设信号源内阻为 RS，电路内部的等效输出噪声功率为 2 n v ，如图 2-1 所示。 Noiseless Circuit 2 n v RS 2 n,RS v vin SNRin SNRout vout A0 Zin 图 2-1 手工计算噪声系数时的等效电路 2 n,RS v 是 RS产生的热噪声，A0 为电路的电压增益，由于电路内部的噪声全部被等
第二章射频前端系统指标分析 效到输出，此时它是一个无噪声电路(Noiseless Circuit)。假设电路的输入阻抗为 Zn,则输入信噪比为 SNR-(Via')/Rs-vi (2.7 (ViRsa2)/Rs VaRs 其中a是信号源内阻和输入阻抗的分压系数，为Z(Zn+Rs)。输出信噪比为 SNRout = 2a2.A (2.8) vsa2,A+v月 根据式(2.7和(2.8)，噪声系数的表达式可以进一步被化简为 NF=s2,+-1 11 v·a2.A a2.A店vs (2.9) 值得注意的一点是，式(2.9)中y仅仅是由电路内部产生的噪声功率，并不是输 出端的噪声总功率，它只是输出端噪声总功率的一部分，另一部分是由于信号源 内阻Rs的噪声经过放大后在输出端的体现，式(28)的分母部分才是输出端的噪 声总功率。由于a·A,表示从n到Vout的总电压增益，如果它被记为Av,表达式 (2.9)可以写成 NF=1+ 好 4KTR·AR (2.10) 这就是设计者在进行手工计算时常用的一个噪声系数的表达式。这里的输出噪声 使用噪声电压来表示的，在某些特定的场合下，如果输出噪声是用噪声电流来表 示的，结合电路的输出阻抗Zout,可以进行如下推导 NF=1+ =1+ 2Z6 4KTR·A8 (2.11) 4KTR3·A =1+ =1+ (2.12) 4KTRs· Vout.1 4KTR3·G品 其中Gm为从n处看到等效输入跨导，记为电路内部的等效输出电流噪声功率。 需要特别指出的是，上述所有噪声系数的表达式都与电路输入是否匹配没有关 联。 2、灵敏度(Sensitivity) 灵敏度与噪声的关系如此密切，所以这个系统指标被放在与噪声相关的系统 指标中进行讨论。接收机的灵敏度是指接收机能够正确接收的最小信号功率，所 >
第二章 射频前端系统指标分析 7 效到输出，此时它是一个无噪声电路(Noiseless Circuit)。假设电路的输入阻抗为 Zin，则输入信噪比为 2 2 2 in S in in 22 2 n,RS S n,RS ( )/ ( )/ v α R v SNR v α R v ⋅ = = ⋅ (2.7) 其中 α 是信号源内阻和输入阻抗的分压系数，为 Zin/(Zin + RS)。输出信噪比为 222 in 0 out 2 22 2 n,RS 0 n v α A SNR v α A v ⋅ ⋅ = ⋅⋅ + (2.8) 根据式(2.7)和(2.8)，噪声系数的表达式可以进一步被化简为 2 2 2 22 2 in n,RS 0 n n 222 2 2 2 2 in 0 0 n,RS n,RS 1 1 v v v α A v NF v v v α A α A ⋅⋅ + = ⋅ =+ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ (2.9) 值得注意的一点是，式(2.9)中 2 n v 仅仅是由电路内部产生的噪声功率，并不是输 出端的噪声总功率，它只是输出端噪声总功率的一部分，另一部分是由于信号源 内阻 RS 的噪声经过放大后在输出端的体现，式(2.8)的分母部分才是输出端的噪 声总功率。由于α A0 ⋅ 表示从 vin 到 vout 的总电压增益，如果它被记为 AV，表达式 (2.9)可以写成 2 n 2 S V 1 4 v NF KTR A = + ⋅ (2.10) 这就是设计者在进行手工计算时常用的一个噪声系数的表达式。这里的输出噪声 使用噪声电压来表示的，在某些特定的场合下，如果输出噪声是用噪声电流来表 示的，结合电路的输出阻抗 Zout，可以进行如下推导 2 2 2 n n out 2 2 S V S V 1 1 4 4 v i Z NF KTR A KTR A ⋅ =+ =+ ⋅ ⋅ (2.11) 2 2 n n 2 2 out S m S 2 2 out in 1 1 1 4 4 i i v KTR G KTR Z v = + = + ⋅ ⋅ ⋅ (2.12) 其中 Gm 为从 vin 处看到等效输入跨导， 2 n i 为电路内部的等效输出电流噪声功率。 需要特别指出的是，上述所有噪声系数的表达式都与电路输入是否匹配没有关 联。 2、灵敏度(Sensitivity) 灵敏度与噪声的关系如此密切，所以这个系统指标被放在与噪声相关的系统 指标中进行讨论。接收机的灵敏度是指接收机能够正确接收的最小信号功率，所
数字电视接收系统中射频前端电路研究与设计 谓能够正确接收是指在接收很小功率的输入信号时仍然能够满足系统的输出信 噪比要求，这个信噪比要求与信号的调制和解调方式有关。在数字电视接收系统 中，不同的标准和不同的调制方式对输出信噪比的要求可以在[4]中找到。根据噪 声系数的表达式(2.3)，可以推出以下等式 P=P·NF·SNRt (2.13) 其中P和P表示单位赫兹下输入信号功率和输入噪声功率，将式(2.13)等号两 边同时在信号带宽B(单位是赫兹)内积分可以得到总的输入信号功率Psi.tot为 Pot=Pn·NF·SNRout·B (2.14) 以dB和dBm的方式表示，式(2.14)可以表示成 Potl=Palem+NFlB+SNRole+100gB (2.15) 如果在己知最小要求的输出信号比SNRout.min的情况下，由式(2.15)就可以得出 灵敏度Psen的表达式 Penldm =PildBmz+NFds+1010gB+SNRoutminl (2.16) 在式2.16)中，Plem参数的大小在之前计算输入信噪比时曾经被提及，由于 信号源的内阻Rs的噪声功率是4KTRs,在接收机的输入完全匹配的情况下，输 入噪声功率的表达式为 _(Vans12)Vins=KT (2.17) Rs 4R 在常温下，接收机输入匹配时的输入噪声功率KT的值为-174dBm/Hz。 3、噪声基底(Noise Floor) 在对芯片进行测试时，设计者们经常会提到噪声基底的概念。噪声基底通常 有输入噪声基底和输出噪声基底之分，输出噪声基底只需要将输入噪声基底加上 增益的值即可得到，因此这里只讨论输入噪声基底。输入噪声基底是指系统输入 端的积分噪声总功率，它与系统的噪声系数、信号带宽和输入噪声功率有关。关 于它的推导仍然可以使用图2-1来说明，注意这里的“系统输入端”是指，它 的噪声总功率Pni.tot为 P Pri.tot= -P。-PR.P=NF.P № AP。/Pi PsoI Pno (2.18) 将式(2.18)等号两边同时在信号带宽B内积分，可以推出Noise Floor用dBm表 示的表达式为 Noise Floor am=PldBm/t+NF+10l0gB (2.19) 8
数字电视接收系统中射频前端电路研究与设计 8 谓能够正确接收是指在接收很小功率的输入信号时仍然能够满足系统的输出信 噪比要求，这个信噪比要求与信号的调制和解调方式有关。在数字电视接收系统 中，不同的标准和不同的调制方式对输出信噪比的要求可以在[4]中找到。根据噪 声系数的表达式(2.3)，可以推出以下等式 P P NF SNR si ni =⋅ ⋅ out (2.13) 其中 Psi 和 Pni 表示单位赫兹下输入信号功率和输入噪声功率，将式(2.13)等号两 边同时在信号带宽 B(单位是赫兹)内积分可以得到总的输入信号功率 Psi,tot 为 P P NF SNR B si,tot ni =⋅ ⋅ ⋅ out (2.14) 以 dB 和 dBm 的方式表示，式(2.14)可以表示成 si,tot dBm ni dBm/Hz dB out dB P P NF SNR = ++ +10logB (2.15) 如果在已知最小要求的输出信号比 SNRout,min 的情况下，由式(2.15)就可以得出 灵敏度 Psen 的表达式 sen dBm dBm/Hz dB ni out,min dB P P NF B SNR = ++ + 10log (2.16) 在式(2.16)中， ni dBm/Hz P 参数的大小在之前计算输入信噪比时曾经被提及，由于 信号源的内阻 RS 的噪声功率是 4KTRS，在接收机的输入完全匹配的情况下，输 入噪声功率的表达式为 ( ) 2 2 n,RS n,RS ni dBm/Hz S S / 2 4 v v P KT R R = = = (2.17) 在常温下，接收机输入匹配时的输入噪声功率 KT 的值为-174 dBm/Hz。 3、噪声基底(Noise Floor) 在对芯片进行测试时，设计者们经常会提到噪声基底的概念。噪声基底通常 有输入噪声基底和输出噪声基底之分，输出噪声基底只需要将输入噪声基底加上 增益的值即可得到，因此这里只讨论输入噪声基底。输入噪声基底是指系统输入 端的积分噪声总功率，它与系统的噪声系数、信号带宽和输入噪声功率有关。关 于它的推导仍然可以使用图 2-1 来说明，注意这里的“系统输入端”是指 vin，它 的噪声总功率 Pni,tot 为 no no si ni ni,tot ni ni V so si so no / / / P P PP P P NF P A PP PP = = = ⋅= ⋅ (2.18) 将式(2.18)等号两边同时在信号带宽 B 内积分，可以推出 Noise Floor 用 dBm 表 示的表达式为 Noise Floor P NF B dBm dBm/Hz dB = ++ ni 10log (2.19)