第一章概述 第一章概述 1.1数字电视调谐器系统 随着信息通信和集成电路技术的不断进步，各种基于CMOS集成电路工艺 的有线/无线收发系统都得到了迅猛的发展。技术的不断革新使得一些传统的射 频收发系统逐渐被淘汰，如电报、传呼机等：另外一些在不断的改进和完善，如 手机，无线局域网等：而更多的新兴技术和领域正蓄势待发，将对各种传统模式 和人们的日常生活带来巨大的变革。这些新兴领域包括射频识别(RFID),超宽带 网络(UWB),数字高清电视等。 数字高清电视是最近十年才出现的新兴产业。相对于传统的模拟电视，数字 电视具有画面清晰度高，抗干扰能力强，频谱利用率高等优点，得到了世界各国 的广泛关注。从1996年法国在全世界首先试播数字电视以来，各国均积极的制 定了自己的发展战略，到2006年美国己经全部实现了电视信号的数字化传送， 淘汰了传统的模拟电视。而中国国家广播电视局也制定了我国数字电视发展三步 走的规划[1]：2005年，卫星传输、有线电视网和各省电视台全部实现数字化： 2010年，广播影视节目制作、播出及传输实现数字化，数字电视接收机得到普 及：2015年，全面实现电视信号数字化，停止模拟电视的播出。 相应的，世界各国和地区都指定了自己的数字电视编解码与传输标准2]。 从图1-1可以看到，北美采用的是ATSC(Advanced Television Systems Committee)标准，欧洲大部分国家采用DVB-T(Digital Video Broadcasting- Terrestrial))标准，日本采用单独的ISDB-T(Integrated Services Digital Broadcasting-Terrestria标准，中国也于2006年推出了自己的DMB-TH (Terrestrial Digital Multimedia/Television Broadcasting,地面数字多媒体/电视广 播)标准3]。简而言之，全球数字电视产业链正在全面铺开。 ATSC DVB-T ISDB-T DMB-T DVB-H (Moblle TV) 图1-1世界各国数字电视标准分布
第一章 概述 1 第一章 概述 1.1 数字电视调谐器系统 随着信息通信和集成电路技术的不断进步，各种基于 CMOS 集成电路工艺 的有线/无线收发系统都得到了迅猛的发展。技术的不断革新使得一些传统的射 频收发系统逐渐被淘汰，如电报、传呼机等；另外一些在不断的改进和完善，如 手机，无线局域网等；而更多的新兴技术和领域正蓄势待发，将对各种传统模式 和人们的日常生活带来巨大的变革。这些新兴领域包括射频识别(RFID)，超宽带 网络(UWB)，数字高清电视等。 数字高清电视是最近十年才出现的新兴产业。相对于传统的模拟电视，数字 电视具有画面清晰度高，抗干扰能力强，频谱利用率高等优点，得到了世界各国 的广泛关注。从 1996 年法国在全世界首先试播数字电视以来，各国均积极的制 定了自己的发展战略，到 2006 年美国已经全部实现了电视信号的数字化传送， 淘汰了传统的模拟电视。而中国国家广播电视局也制定了我国数字电视发展三步 走的规划[1]：2005 年，卫星传输、有线电视网和各省电视台全部实现数字化； 2010 年，广播影视节目制作、播出及传输实现数字化，数字电视接收机得到普 及；2015 年，全面实现电视信号数字化，停止模拟电视的播出。 相应的，世界各国和地区都指定了自己的数字电视编解码与传输标准[2]。 从图 1-1 可以看到，北美采用的是 ATSC(Advanced Television Systems Committee)标准，欧洲大部分国家采用 DVB-T(Digital Video BroadcastingTerrestrial) 标准，日本采用单独的 ISDB-T(Integrated Services Digital Broadcasting-Terrestrial)标准，中国也于 2006 年推出了自己的 DMB-T/H (Terrestrial Digital Multimedia/Television Broadcasting，地面数字多媒体/电视广 播)标准[3]。简而言之，全球数字电视产业链正在全面铺开。 图 1-1 世界各国数字电视标准分布
第一章概述 对于一个数字电视接收系统，主要包括射频前端、数字后端和显示终端三个 大的部分，如图1-2所示。其中射频前端部分用于将天线或电缆接收到的宽频带 (50M-860MHz)电视信号进行放大、变频、转换等处理，得到低频的数字信号输 出；数字后端部分根据不同的传输标准将信号解调还原，同时驱动显示终端：最 后，电视影音信号在高清电视、手机、汽车、电脑等各种显示终端上显示出来。 数字电视系统设计与集成的最大难点在于射频前端电视调谐器(RF TV Tuner))的 设计。这是由于电视信号的频段宽而中心频率相对较低，并且对噪声、线性度等 性能要求很高，这样就对单芯片CMOS集成的调谐器设计提出了挑战4]。目前 针对各种不同频段和标准的电视调谐器芯片都有研究和报道[5~9]，采用的工艺 除了CMOS外，还有Bipolar,BiCMOS等10~12]。另外，采用系统封装(SlP, System-ln-a-Package)设计的研究也是一个热点[13]： 。。。。。。 调诺器 解调器 显示驱动 射频前端 数字后端 显示终端 图1-2数字电视接收系统框图 一个射频电视调谐器系统主要包括低噪声放大器(LNA,Low-Noise Amplifier),上变频混频器(Up-Mixer),下变频混频器(Down-Mixer),压控振荡器 (VCO,Voltage-Controlled Oscillator),频率综合器(Frequency Synthesizer,.或 称锁相环PLL)等模块。如图1-3为采用两次变频架构的低中频射频调谐器模块 框图[14,15]。可以看到，天线接收到的宽带射频信号经片外滤波后，由调谐器系 RF Tuner Analog Front-end 752 Pre-Filter Anti-Alias VGA JpMixer DnMixer Filter Band Limjt VGLNA Filter Second LO (Quadrature) First LO Anti-Alias Pre-Filter VGA Filter 图1-3CMOS射频数字调谐器系统架构
第一章 概述 2 对于一个数字电视接收系统，主要包括射频前端、数字后端和显示终端三个 大的部分，如图 1-2 所示。其中射频前端部分用于将天线或电缆接收到的宽频带 (50M-860MHz)电视信号进行放大、变频、转换等处理，得到低频的数字信号输 出；数字后端部分根据不同的传输标准将信号解调还原，同时驱动显示终端；最 后，电视影音信号在高清电视、手机、汽车、电脑等各种显示终端上显示出来。 数字电视系统设计与集成的最大难点在于射频前端电视调谐器(RF TV Tuner)的 设计。这是由于电视信号的频段宽而中心频率相对较低，并且对噪声、线性度等 性能要求很高，这样就对单芯片 CMOS 集成的调谐器设计提出了挑战[4]。目前 针对各种不同频段和标准的电视调谐器芯片都有研究和报道[5~9]，采用的工艺 除了 CMOS 外，还有 Bipolar，BiCMOS 等[10~12]。另外，采用系统封装(SIP, System-In-a-Package)设计的研究也是一个热点[13]。 图 1-2 数字电视接收系统框图 一个射频电视调谐器系统主要包括低噪声放大器 (LNA, Low-Noise Amplifier)，上变频混频器(Up-Mixer)，下变频混频器(Down-Mixer)，压控振荡器 (VCO, Voltage-Controlled Oscillator)，频率综合器(Frequency Synthesizer，或 称锁相环 PLL)等模块。如图 1-3 为采用两次变频架构的低中频射频调谐器模块 框图[14,15]。可以看到，天线接收到的宽带射频信号经片外滤波后，由调谐器系 图 1-3 CMOS 射频数字调谐器系统架构
第一章概述 统进行处理。信号首先通过一个可变增益LNA放大，然后通过上变频和下变频 两次变频后得到正交中频信号I和Q输出，本振信号由片上PLL环路产生。 根据实际应用的需要并结合系统级仿真，可得到射频电视调谐器系统的性能 指标要求如表1-1所示14,16] 表1-1射频电视调谐器性能要求 频率范围 50MHz-860MHz 信道带宽 8MHz 最大增益 80dB 噪声系数NF(@最大增益) <8dB 灵敏度 -85dBm 三阶交调量IP3 +8.5dBm 二阶交调量P2 +45dBm 信道选择性(8MHz带宽) @5.25MHz偏移 29db @5.75MHz偏移 45dB VQ匹配性 45dBc 本振相位噪声 1kH-3.8MHz -37dBc LO1@10kHz,@100kHz -86dBc/Hz.-107dBc/Hz LO2@10kHz,@100kHz -92dBc/Hz,-112dBc/Hz 功耗 <180mW@1.8V 芯片面积 <9mm2 0.18um CMOS 1.2低噪声放大器 对于几乎所有的射频接收机系统，都必不可少的一个模块就是低噪声放大 器。低噪声放大器的最主要用途在于：1、系统接收到的射频信号幅度通常很弱， 需要在接收前端先进行放大才能正确处理：2、在接收机前端采用一个放大器能 够有效的缓解对后级模块的噪声性能要求，降低后级模块设计难度[17]。低噪声 放大器在不同的系统中有不同的设计要求，通常根据应用频率的不同，可以分为 窄带LNA,多带LNA和宽带LNA三种类型。无论哪种类型的LNA,其主要性 能指标都包括阻抗匹配、噪声系数(NF,Noise Figure)、线性度(IP3,IlP2,1dB 压缩点)、功耗等。通常对于接收信号幅度很弱的系统（如GSM)侧重于噪声系数 的要求，而对于信号幅度较强的系统（如电视调谐器）则更强调线性度的要求。 具体而言，对于图1-2所示的射频电视调谐器系统，根据输入信号的特点和 电视影音信号输出的要求，需要低噪声放大器的性能指标要求见表1-2。从表中 可以看到，电路设计的难点主要在于： 1、指标中对电路的线性度要求非常高，特别是要求IP3大于11dBm,采 用传统的电路结构很难满足要求，这就需要深入研究电路非线性理论和新的电路
第一章 概述 3 统进行处理。信号首先通过一个可变增益 LNA 放大，然后通过上变频和下变频 两次变频后得到正交中频信号 I 和 Q 输出，本振信号由片上 PLL 环路产生。 根据实际应用的需要并结合系统级仿真，可得到射频电视调谐器系统的性能 指标要求如表 1-1 所示[14,16]。 表 1-1 射频电视调谐器性能要求 频率范围 50MHz-860MHz 信道带宽 8MHz 最大增益 80dB 噪声系数 NF(@最大增益) <8dB 灵敏度 -85dBm 三阶交调量 IIP3 +8.5dBm 二阶交调量 IIP2 +45dBm 信道选择性(8MHz带宽) @ 5.25MHz 偏移 @ 5.75MHz 偏移 29db 45dB I/Q 匹配性 -45dBc 本振相位噪声 1kH-3.8MHz LO1@10kHz, @100kHz LO2@10kHz, @100kHz -37dBc -86dBc/Hz, -107dBc/Hz -92dBc/Hz, -112dBc/Hz 功耗 <180mW@1.8V 芯片面积 <9mm2 @ 0.18µm CMOS 1.2 低噪声放大器 对于几乎所有的射频接收机系统，都必不可少的一个模块就是低噪声放大 器。低噪声放大器的最主要用途在于：1、系统接收到的射频信号幅度通常很弱， 需要在接收前端先进行放大才能正确处理；2、在接收机前端采用一个放大器能 够有效的缓解对后级模块的噪声性能要求，降低后级模块设计难度[17]。低噪声 放大器在不同的系统中有不同的设计要求，通常根据应用频率的不同，可以分为 窄带 LNA，多带 LNA 和宽带 LNA 三种类型。无论哪种类型的 LNA，其主要性 能指标都包括阻抗匹配、噪声系数(NF, Noise Figure)、线性度(IIP3, IIP2, 1dB 压缩点)、功耗等。通常对于接收信号幅度很弱的系统(如 GSM)侧重于噪声系数 的要求，而对于信号幅度较强的系统(如电视调谐器)则更强调线性度的要求。 具体而言，对于图 1-2 所示的射频电视调谐器系统，根据输入信号的特点和 电视影音信号输出的要求，需要低噪声放大器的性能指标要求见表 1-2。从表中 可以看到，电路设计的难点主要在于： 1、指标中对电路的线性度要求非常高，特别是要求 IIP3 大于 11dBm，采 用传统的电路结构很难满足要求，这就需要深入研究电路非线性理论和新的电路
第一章概述 结构来达到设计目标： 2、由于输入信号的功率变化范围很大(-94.95~-3.75dBm),因此要求LNA 具有可变增益功能，以保证输出信号幅度始终在可处理范围内。 3、要求在整个频率范围内噪声系数小于4dB。由于在低频下由于MOS管 闪烁噪声的影响会使得电路噪声系数增加，而在高频下各种寄生效应也会导致电 路噪声恶化，因此在设计时往往需要将最小噪声系数设计在中间频率位置附近， 才能保证在整个频率范围内噪声系数满足要求。 表1-2宽带低噪声放大器性能要求 带宽 50M-860MHz 输入阻抗 全频带内匹配至75Ω特征阻抗 输出阻抗 不要求 最小输入功率 13.8 dBuV rms (4.90uV,-94.95dBm) 最大输入功率 105dBμV(178mV,-3.75dBm) 增益 14dB到-10dB可调，调节步长3dB 噪声系数NF@最大增益 <4dB 二阶交调点P2 >145dBμV(36.25dBm) 三阶交调点IP3 >120dBμV(11.25dBm) 功耗 <1.8Vx5mA=9mW 1.3论文研究内容及贡献 本论文着重研究用于射频电视调谐器的宽带低噪声放大器芯片设计，包括 M○S管噪声模型与非线性模型的分析，各种低噪声放大器电路拓扑结构的研究 与分析，窄带与宽带低噪声放大器的噪声分析与优化，具体电路设计和芯片测试 验证等。具体内容和贡献包括： 1)总结分析了MOS管噪声模型，包括沟道热噪声和栅感应噪声。并通过 实际流片测试验证了噪声模型的准确性。 2)研究分析了源极反馈窄带低噪声放大器的噪声推导、设计方法与噪声优 化方法。 3)研究了基于噪声抵消原理的宽带低噪声放大器设计过程。提出了噪声、 增益、线性度和功耗的权衡关系，为各种采用噪声抵消原理的宽带低噪声放大器 设计提供了理论指导。 4)设计了用于射频电视调谐器的差分可变增益低噪声放大器。电路开创性 的采用平衡-非平衡变压器(Balun)作为直流通路与信号差分耦合，提出了Balun 作为源极反馈时的阻抗特点，并由此分析了该结构电路的噪声特点。此外，采用
第一章 概述 4 结构来达到设计目标； 2、由于输入信号的功率变化范围很大(-94.95~-3.75dBm)，因此要求 LNA 具有可变增益功能，以保证输出信号幅度始终在可处理范围内。 3、要求在整个频率范围内噪声系数小于 4dB。由于在低频下由于 MOS 管 闪烁噪声的影响会使得电路噪声系数增加，而在高频下各种寄生效应也会导致电 路噪声恶化，因此在设计时往往需要将最小噪声系数设计在中间频率位置附近， 才能保证在整个频率范围内噪声系数满足要求。 表 1-2 宽带低噪声放大器性能要求 带宽 50M–860MHz 输入阻抗 全频带内匹配至 75Ω 特征阻抗 输出阻抗 不要求 最小输入功率 13.8 dBµV rms (4.90µV, –94.95dBm) 最大输入功率 105 dBµV (178mV, –3.75dBm) 增益 14dB 到–10dB 可调，调节步长 3dB 噪声系数 NF @最大增益 <4dB 二阶交调点 IIP2 >145dBµV (36.25dBm) 三阶交调点 IIP3 >120dBµV (11.25dBm) 功耗 <1.8V×5mA=9mW 1.3 论文研究内容及贡献 本论文着重研究用于射频电视调谐器的宽带低噪声放大器芯片设计，包括 MOS 管噪声模型与非线性模型的分析，各种低噪声放大器电路拓扑结构的研究 与分析，窄带与宽带低噪声放大器的噪声分析与优化，具体电路设计和芯片测试 验证等。具体内容和贡献包括： 1) 总结分析了 MOS 管噪声模型，包括沟道热噪声和栅感应噪声。并通过 实际流片测试验证了噪声模型的准确性。 2) 研究分析了源极反馈窄带低噪声放大器的噪声推导、设计方法与噪声优 化方法。 3) 研究了基于噪声抵消原理的宽带低噪声放大器设计过程。提出了噪声、 增益、线性度和功耗的权衡关系，为各种采用噪声抵消原理的宽带低噪声放大器 设计提供了理论指导。 4) 设计了用于射频电视调谐器的差分可变增益低噪声放大器。电路开创性 的采用平衡-非平衡变压器(Balun)作为直流通路与信号差分耦合，提出了 Balun 作为源极反馈时的阻抗特点，并由此分析了该结构电路的噪声特点。此外，采用
第一章概述 了NMOS管做负载和噪声抵消，分析了该结构对线性度和增益的改善原理。 5)通过两次实际流片验证了设计理论的正确性。 总之，本论文总结和完善了己有的基本噪声理论与低噪声放大器电路结构， 在此基础上设计出了能够满足电视调谐器系统要求的宽带低噪声放大器电路。对 低噪声放大器的阻抗匹配，噪声系数、线性度等关键性能做了深入研究与探讨， 并提出了可行的设计方案。经过流片测试，验证了理论分析和电路设计的正确性。 对各种低噪声放大器以及各种其它射频集成电路模块的设计都具有一定的参考 借鉴价值。 1.4论文组织结构 本论文针对数字电视调谐器系统应用的要求，分析了各种限制电路性能的原 因并提出了相应的解决方法，设计出了满足应用要求的宽带可变增益低噪声放大 器芯片。具体组织结构如下： 第二章介绍了最基本的MOS管噪声模型。 第三章介绍了传统的窄带低噪声放大器电路结构，噪声理论与优化方法。 第四章设计了一个采用噪声抵消原理的单端低噪声放大器电路。详细分析了 电路设计思路，噪声抵消原理和噪声系数的计算过程。同时分析了该结构在线性 度和功耗等方面的局限性。 第五章介绍了基于电容交叉耦合结构的差分可变增益低噪声放大器设计。该 电路通过采用Baun做直流通路，NMOS管做负载和正馈通路等手段，同时满 足了低噪声、高线性度、低功耗等性能要求。另外，采用调节有效跨导和有效负 载的方法实现了增益的9级可变，基本满足电视调谐器系统的实际应用要求。 第六章基于前两章的原理分析给出了两个具体芯片的设计实例。包括实际电 路设计，版图设计考虑，芯片测试方法与结果分析等。 第七章对本文的所有设计工作做了一个简要的总结，同时对未来的工作提出 了展望。 参考文献 [1]新华网，“数字电视三步走2015年停止模拟电视播出"， http://news.xinhuanet.com. [2]周致远，“陸地數位電視廣播系統調諧器射頻模組之研製"[D],硕士学位论文， 台湾国立中山大学，2004. [3]北京凌讯华业科技有限公式，清华大学，“DMB-TH地面数字电视传输技术白
第一章 概述 5 了 NMOS 管做负载和噪声抵消，分析了该结构对线性度和增益的改善原理。 5) 通过两次实际流片验证了设计理论的正确性。 总之，本论文总结和完善了已有的基本噪声理论与低噪声放大器电路结构， 在此基础上设计出了能够满足电视调谐器系统要求的宽带低噪声放大器电路。对 低噪声放大器的阻抗匹配，噪声系数、线性度等关键性能做了深入研究与探讨， 并提出了可行的设计方案。经过流片测试，验证了理论分析和电路设计的正确性。 对各种低噪声放大器以及各种其它射频集成电路模块的设计都具有一定的参考 借鉴价值。 1.4 论文组织结构 本论文针对数字电视调谐器系统应用的要求，分析了各种限制电路性能的原 因并提出了相应的解决方法，设计出了满足应用要求的宽带可变增益低噪声放大 器芯片。具体组织结构如下： 第二章介绍了最基本的 MOS 管噪声模型。 第三章介绍了传统的窄带低噪声放大器电路结构，噪声理论与优化方法。 第四章设计了一个采用噪声抵消原理的单端低噪声放大器电路。详细分析了 电路设计思路，噪声抵消原理和噪声系数的计算过程。同时分析了该结构在线性 度和功耗等方面的局限性。 第五章介绍了基于电容交叉耦合结构的差分可变增益低噪声放大器设计。该 电路通过采用 Balun 做直流通路，NMOS 管做负载和正馈通路等手段，同时满 足了低噪声、高线性度、低功耗等性能要求。另外，采用调节有效跨导和有效负 载的方法实现了增益的 9 级可变，基本满足电视调谐器系统的实际应用要求。 第六章基于前两章的原理分析给出了两个具体芯片的设计实例。包括实际电 路设计，版图设计考虑，芯片测试方法与结果分析等。 第七章对本文的所有设计工作做了一个简要的总结，同时对未来的工作提出 了展望。 参考文献 [1] 新华网，“数字电视三步走 2015年停止模拟电视播出”， http://news.xinhuanet.com. [2] 周致远，“陸地數位電視廣播系統調諧器射頻模組之研製”[D]，硕士学位论文， 台湾国立中山大学，2004. [3] 北京凌讯华业科技有限公式，清华大学，“DMB-TH地面数字电视传输技术白