第一章概述 第一章概述 1.1研究背景 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(RFD),超宽带网 (UWB),数字高清电视等。 数字高清电视是新兴产业。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，因此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]。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 2oo6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]。全球数字电视产业链正在全 球市场的高涨需求下全面铺开。数字电视调谐器作为数字电视中的关键模块，也 便成了当前的研究热点而被广泛关注。 图1.1是采用了两次变频架构的低中频射频数字电视调谐器的结构[4,5]，大 致可分为三部分：射频前端、模拟前端和数字基带部分。天线接收到的高频信号 通过射频前端后转变成所需要的低中频正交信号，再送入模拟前端进行处理。 调谐器的射频前端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。天线接收到的宽带射频信号经片外滤波后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引和Q输出，两个本 振信号均由片上PLL环路产生
第一章 概述 1 第一章 概述 1.1 研究背景 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，因此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]。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-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]。全球数字电视产业链正在全 球市场的高涨需求下全面铺开。数字电视调谐器作为数字电视中的关键模块，也 便成了当前的研究热点而被广泛关注。 图1.1是采用了两次变频架构的低中频射频数字电视调谐器的结构 [4, 5]，大 致可分为三部分：射频前端、模拟前端和数字基带部分。天线接收到的高频信号 通过射频前端后转变成所需要的低中频正交信号，再送入模拟前端进行处理。 调谐器的射频前端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, VoltageControlled Oscillator)，频率综合器(Frequency Synthesizer，或称锁相环PLL)等 模块。天线接收到的宽带射频信号经片外滤波后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，两个本 振信号均由片上PLL环路产生
第一章概述 在DVB-T的数字电视标准中，天线接收到的射频信号频率在50MHz到 860MHz之间，信道宽度为6/7/8MHz,而模拟前端输入信号的中频频率为 7.2MHz。根据实际应用和系统仿真，可得到射频电视调谐系统的性能指标要求如 表1.1所示4,6]。 RF Frontend Analog Front-end Digital Baseband 750 Complex Mixers VGA D Pre-Filter Anti-Alias UpMixer DnMixer Filter ADC Band Limit VGLNA Filter Second LO Error (Quadrature) Detector First LO PLL ADC Q Pre-Filter Ant-Allas VGA Filter CMOS RF DTV Tuner for DVB-TIC System 图1.1数字电视调谐器系统结构图 表1.1射频电视调谐器性能要求 频率范围 50MHz-860MHz 信道带宽 6/7/8MHz 最大增益 80dB 噪声系数NF(@最大增益) <8dB 灵敏度 -85dBm 三阶交调量P3 +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 /Q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 <9mm@0.18μm CMOS
第一章 概述 2 在 DVB-T 的数字电视标准中，天线接收到的射频信号频率在 50MHz 到 860MHz 之间，信道宽度为 6/7/8MHz，而模拟前端输入信号的中频频率为 7.2MHz。根据实际应用和系统仿真，可得到射频电视调谐系统的性能指标要求如 表 1.1 所示[4, 6]。 图 1.1 数字电视调谐器系统结构图 表1.1 射频电视调谐器性能要求 频率范围 50MHz-860MHz 信道带宽 6/7/8MHz 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
第一章概述 1.2压控振荡器 压控振荡器一般与其他模块如电荷泵和分频器一起组成频率综合器，能够提 供频率准确，低相位噪声的本振信号，其中压控振荡器的输出即为频率综合器的 输出，因此对于射频接收机系统，压控振荡器是系统中最为关键的模块之一。压 控振荡器的重要性主要体现在以下几个方面： 一、压控振荡器的输出频率范围就是频率综合器的输出频率范围，直接决 定接收机的工作频段。 二、压控振荡器的功耗在频率综合器中占大部分比重。 三、压控振荡器的相位噪声性能影响频率综合器的噪声性能。特别是在远 频偏端，频率综合器的相位噪声直接由压控振荡器决定。 四、压控振荡器的调谐增益直接影响频率综合器的传递函数，影响频率综 合器带宽和相位裕度。 从结构上来说，压控振荡器一般可分为环型振荡器和电感电容振荡器两类。 环形振荡器具有面积小，原理简单的特点，但相位噪声性能相对电感电容振荡器 较差。所以现在射频接收机系统多采用电感电容谐振作为压控振荡器基本结构。 对于图1.1所示的调谐器结构，根据系统性能要求，需要压控振荡器的性能 指标要求见表1.2。可以看出难点主要在于： 1)压控振荡器需要覆盖接近1GHz的频率范围，覆盖范围大于50%。 2)在整个频段上，压控振荡器需要保持相对稳定的低调谐增益(25MHz), 以保证频率综合器的稳定工作。 表1.2VC0性能指标 频率覆盖范围 1150MHz-2000MHz 压控电压方式 差分调谐 压控电压范围 0.9±0.5V 调谐增益 <25MHz/ 相位噪声 <-80dBc/Hz@10kHz <-110dBc/Hz@100kHz <-130dBc/Hz@1MHz 输出峰峰值 >1V 功耗 <1.5V*6mA=9mW
第一章 概述 3 1.2 压控振荡器 压控振荡器一般与其他模块如电荷泵和分频器一起组成频率综合器，能够提 供频率准确，低相位噪声的本振信号，其中压控振荡器的输出即为频率综合器的 输出，因此对于射频接收机系统，压控振荡器是系统中最为关键的模块之一。压 控振荡器的重要性主要体现在以下几个方面： 一、 压控振荡器的输出频率范围就是频率综合器的输出频率范围，直接决 定接收机的工作频段。 二、 压控振荡器的功耗在频率综合器中占大部分比重。 三、 压控振荡器的相位噪声性能影响频率综合器的噪声性能。特别是在远 频偏端，频率综合器的相位噪声直接由压控振荡器决定。 四、 压控振荡器的调谐增益直接影响频率综合器的传递函数，影响频率综 合器带宽和相位裕度。 从结构上来说，压控振荡器一般可分为环型振荡器和电感电容振荡器两类。 环形振荡器具有面积小，原理简单的特点，但相位噪声性能相对电感电容振荡器 较差。所以现在射频接收机系统多采用电感电容谐振作为压控振荡器基本结构。 对于图 1.1 所示的调谐器结构，根据系统性能要求，需要压控振荡器的性能 指标要求见表 1.2。可以看出难点主要在于： 1) 压控振荡器需要覆盖接近 1GHz 的频率范围，覆盖范围大于 50%。 2) 在整个频段上，压控振荡器需要保持相对稳定的低调谐增益(25MHz/V)， 以保证频率综合器的稳定工作。 表 1.2 VCO 性能指标 频率覆盖范围 1150MHz—2000MHz 压控电压方式 差分调谐 压控电压范围 0.9 0.5 ± V 调谐增益 <25MHz/V 相位噪声 <-80dBc/Hz@10kHz <-110dBc/Hz@100kHz <-130dBc/Hz@1MHz 输出峰峰值 >1V 功耗 <1.5V*6mA=9mW
第一章概述 1.3论文主要工作和贡献 论文主要研究用于射频电视调谐器的宽带压控振荡器，其主要工作和贡献包 括： )阐述了电感电容压控振荡器的基本架构和工作原理。 2)研究分析了电路性能与振荡器输出频率的关系。 3)总结了稳定调谐增益的方法，提出基于开关可变电容阵列稳定调谐增益的 方法。为需要稳定调谐增益的宽带压控振荡器设计提供借鉴。 4)设计了应用于数字电视调谐器的宽带压控振荡器，采用了开关可变电容阵 列和差分调谐电压降低调谐增益，并采用尾电感电容二次谐波谐振结构优化相位 性能。 5)流片测试验证了设计的正确性。 概括而言，本文总结和完善了稳定调谐增益的宽带压控振荡器电路结构，在 此基础上设计出了能够满足电视调谐器中宽带频率综合器要求的具有稳定调谐 增益的宽带压控振荡器。经过流片测试，验证了理论分析和电路设计的正确性。 1.4论文组织结构 本论文针对数字电视调谐器的系统应用，分析了压控振荡器的性能，并设计 出了满足系统性能要求的宽带电感电容压控振荡器。具体组织结构如下： 第二章简要介绍了电感电容压控振荡器的电路结构，噪声理论及调谐增益分 析的基础知识。 第三章先介绍了现有系统对压控振荡器频率覆盖范围的要求，然后详细分析 了频率范围对于压控振荡器电路性能的影响，包括相位噪声，输出幅度和调谐增 益等指标。 第四章进一步介绍了具有稳定调谐增益的宽带电感电容压控振荡器设计。总 结了现有稳定调谐增益的设计方法，并介绍了采用开关可变电容阵列稳定调谐增 益的压控振荡器结构。 第五章介绍了基于开关可变电容阵列的低调谐增益变化的宽带压控振荡器 设计。采用了开关可变电容阵列和差分调谐结构，稳定并降低调谐增益：采用了 尾电感电容二次谐波谐振优化相位噪声，使该设计满足数字电视调谐器的系统应 用。 第六章基于前面的理论分析，设计了一个宽带电感电容压控振荡器，包括实 际电路设计和仿真，版图实现的考虑，芯片测试方案及测试结果。 第七章是对本文的总结，并对未来进一步的工作提出了展望
第一章 概述 4 1.3 论文主要工作和贡献 论文主要研究用于射频电视调谐器的宽带压控振荡器，其主要工作和贡献包 括： 1) 阐述了电感电容压控振荡器的基本架构和工作原理。 2) 研究分析了电路性能与振荡器输出频率的关系。 3) 总结了稳定调谐增益的方法，提出基于开关可变电容阵列稳定调谐增益的 方法。为需要稳定调谐增益的宽带压控振荡器设计提供借鉴。 4) 设计了应用于数字电视调谐器的宽带压控振荡器，采用了开关可变电容阵 列和差分调谐电压降低调谐增益，并采用尾电感电容二次谐波谐振结构优化相位 性能。 5) 流片测试验证了设计的正确性。 概括而言，本文总结和完善了稳定调谐增益的宽带压控振荡器电路结构，在 此基础上设计出了能够满足电视调谐器中宽带频率综合器要求的具有稳定调谐 增益的宽带压控振荡器。经过流片测试，验证了理论分析和电路设计的正确性。 1.4 论文组织结构 本论文针对数字电视调谐器的系统应用，分析了压控振荡器的性能，并设计 出了满足系统性能要求的宽带电感电容压控振荡器。具体组织结构如下： 第二章简要介绍了电感电容压控振荡器的电路结构，噪声理论及调谐增益分 析的基础知识。 第三章先介绍了现有系统对压控振荡器频率覆盖范围的要求，然后详细分析 了频率范围对于压控振荡器电路性能的影响，包括相位噪声，输出幅度和调谐增 益等指标。 第四章进一步介绍了具有稳定调谐增益的宽带电感电容压控振荡器设计。总 结了现有稳定调谐增益的设计方法，并介绍了采用开关可变电容阵列稳定调谐增 益的压控振荡器结构。 第五章介绍了基于开关可变电容阵列的低调谐增益变化的宽带压控振荡器 设计。采用了开关可变电容阵列和差分调谐结构，稳定并降低调谐增益；采用了 尾电感电容二次谐波谐振优化相位噪声，使该设计满足数字电视调谐器的系统应 用。 第六章基于前面的理论分析，设计了一个宽带电感电容压控振荡器，包括实 际电路设计和仿真，版图实现的考虑，芯片测试方案及测试结果。 第七章是对本文的总结，并对未来进一步的工作提出了展望
第一章概述 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，“陆地数位电视广播系统调谐器射频模组之研制”，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 皮书”，第二版，http:lw.eetchina.com. [4]M.Dawkins,A.P.Burdett,and N.Cowley,"A Single-Chip Tuner for DVB-T,"IEEE J.Solid-State Circuits,vol.38,pp.1307-1317,Aug.2003. [5]D.Saias,et al.,"A 0.12um CMOS DVB-T tuner",in Proc.IEEE Int. Solid-State Circuits Conf.2005,pp.430-431. [6]C.Y.Cha,J.K.Choi,H.S.Kwon,and S.G.Lee,"Radio specifications of double conversion tuner for cable modem",IEEE Trans.on Consumer Electronics,Vol.49,pp.1272-1278,Nov.2003
第一章 概述 5 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，“陆地数位电视广播系统调谐器射频模组之研制”，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 皮书”, 第二版，http://www.eetchina.com. [4] M. Dawkins, A. P. Burdett, and N. Cowley, "A Single-Chip Tuner for DVB-T," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 38, pp. 1307-1317, Aug. 2003. [5] D. Saias, et al., "A 0.12μm CMOS DVB-T tuner", in Proc. IEEE Int. Solid-State Circuits Conf. 2005, pp. 430-431. [6] C. Y. Cha, J. K. Choi, H.S. Kwon, and S. G. Lee, "Radio specifications of double conversion tuner for cable modem", IEEE Trans. on Consumer Electronics, Vol. 49, pp. 1272-1278, Nov. 2003