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CMOS蓝牙射频发送器的研究与设计

作　者: 王方林
导　师: 洪志良
学　校: 复旦大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 蓝牙射频发送器 CMOS 低中频发送器结构 GFSK调制 DDFS AB类功率放大器封装寄生效应差分线的奇模激励
分类号: TN925
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

蓝牙是一种低成本低功耗的短距离无线通信技术。近年来蓝牙产品和无线技术应用领域的不断扩大，加上CMOS工艺的持续发展，使得低成本CMOS单片集成无线接发器的研究与实现不仅具有现实经济价值，而且具有学术研究意义。本文集中于CMOS蓝牙单片集成发送器电路的研究和设计。论文将各种无线发送器体系结构分为两大类：基于混频器变频的Ⅰ类发送器和环路结构的Ⅱ类发送器，由于Ⅰ类发送器更符合无线技术的发展趋势，论文采用了低中频的蓝牙发送器结构。分别设计了发送器中的GFSK、上混频和功率放大器电路。采用查表法和DDFS技术设计了数字GFSK电路，同时设计了七位电流驱动型DAC和G_m-C低通滤波器，实现完整的GFSK调制功能。通过三角公式压缩算法，DDFS电路中的ROM大小被压缩到1／12；利用分段译码和误差平均化的方法来提高电流源精度，使得DAC的转换精度完全达到七位，其DNL在±0.5LSB以内；G_m-C滤波器采用源漏电阻随电路工作状态可变的差分对管作源极负反馈来提高G_m单元的线性度，差模输入信号幅度在900mV的范围内，电路的G_m变化不超过2％。混频器采用双平衡的Gilbert结构，射频开关管工作在小信号驱动条件下，降低输出高次谐波，低频管通过V-I变换单元来提高线性度；重点设计了AB类功率放大器，该电路采用两级结构，前级电路用来信号放大，同时具有带通滤波功能，后级电路的设计结合了封装结构中的寄生参数，使得最大功率输出的同时保证输出信号的频谱纯度，设计了片上集成电感和射频隔直电容；提出了两种减小封装对电路性能影响的方法，对于信号线，利用差分线的奇模激励原理来减小封装线的寄生电感效应，将寄生电感减小到50％以内，而针对电源(地)线，引入串联电阻来降低封装线寄生电感的Q值，有效抑制其振荡。仿真结果显示发送器电路最大输出功率可达14dBm，功率放大器的附加功率效率为45.7％。完成电路和版图设计后，采用0.35μm CMOS工艺进行两次流片。第一次流片测试结果表明整个发送器电路在3.3V电压下总静态电流为19mA，与国外同类产品功耗相近，低频的DAC、低通滤波器电路均达到了设计指标要求，射频电路在实现功率控制的同时，完成射频信号的输出。第二次流片结果还在测试之中，从初测结果来看，芯片性能有望得到提高。

全文目录

第一章绪论  9-14
  1.1 论文的研究背景-蓝牙技术简介  9-10
  1.2 论文的研究意义-蓝牙的应用和市场前景  10-11
  1.3 蓝牙集成电路芯片的研究现状  11-12
  1.4 论文的主要工作和创新  12-13
  1.5 论文的组织结构  13-14
第二章无线发送器系统结构研究及比较  14-28
  2.1 概述  14-15
  2.2 无线发送器的体系结构分析  15-26
    2.2.1 基于混频器的发送器结构  15-18
      1. 外差式发送器  15-16
      2. 直接混频发送器  16
      3. 低中频结构发送器  16-18
    2.2.2 环路发送器结构  18-26
      1. 调制VCO  19-20
      2. 调制参考信号  20-22
      3. 调制分频率  22-26
  2.3 本文的蓝牙发送器结构  26-28
第三章 GFSK电路的研究及实现  28-41
  3.1 GFSK调制理论基础  28-30
  3.2 GFSK的实现原理  30-32
  3.3 蓝牙GFSK的电路实现  32-39
    3.3.1 高斯滤波器  32-34
    3.3.2 DDFS电路  34-36
    3.3.3 数模转换器DAC  36-38
    3.3.4 低通滤波器LPF  38-39
  3.4 电路仿真  39-41
第四章混频器和功率放大器的研究及实现  41-88
  4.1 混频器  41-53
    4.1.1 CMOS Gilbert混频器电路研究  42-50
    4.1.2 蓝牙发送器中混频器的电路实现  50-53
  4.2 功率放大器  53-88
    4.2.1 功率放大器基本介绍  53-58
      1. 线性功率放大器  53-57
      2. 非线性功率放大器  57-58
    4.2.2 射频接口的阻抗匹配  58-59
    4.2.3 CMOS工艺的限制  59-62
      1. 片上集成电感  59-60
      2. 击穿电压  60
      3. 输出级器件尺寸  60-61
      4. 衬底问题  61-62
    4.2.4 AB类功率放大器电路设计  62-80
      4.2.4.1 功放Ⅰ设计  63-77
        1. 前级电路分析  64-66
        2. 输出级电路分析  66-71
        3. 偏置电路设计  71-72
        4. CMOS射频器件的实现  72-77
      4.2.4.2 功放Ⅱ设计  77-80
    4.2.5 封装影响及改进措施  80-82
      1. 减小寄生电感  81
      2. 采用差分结构的电路  81
      3. 引入串联电阻抑制振荡  81-82
    4.2.6 电路仿真  82-88
      4.2.6.1 射频电路的仿真分析方法  82-83
      4.2.6.2 功放Ⅱ的仿真分析  83-86
      4.2.6.3 整个发送器的仿真分析  86-88
第五章蓝牙芯片发送器的测试及结果分析  88-94
  5.1 第一次流片测试及结果分析  88-92
    5.1.1 芯片低频电路模块的测试  88-90
    5.1.2 GFSK的FPGA验证  90-91
    5.1.3 发送器通道的测试  91-92
  5.2 第二次流片  92-94
第六章总结及未来工作展望  94-96
参考文献  96-103
致谢  103-104

CMOS蓝牙射频发送器的研究与设计

内容摘要

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