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应用于通信系统的低功耗、可重构数模转换器的研究与设计

作　者: 邱东
导　师: 洪志良
学　校: 复旦大学
专　业: 微电子与固体电子学
关键词: 多模无线发射机 Σ-△数模转换器 低功耗 可重构
分类号: TN792
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


无线通信近年来一直是集成电路研究与设计的热点领域,而应用于手持终端且兼容多种通信协议的无线收发机更是焦点中的焦点。本论文以设计多模式射频无线发射机中的关键模块——数模转换器为目的,研究并设计符合WCDMA、TD-SCDMA和GSM等协议要求的低功耗、可重构数模转换器。论文首先回顾了数模转换器的基本概念和结构,重点分析了电流舵型DAC非线性误差引入的机制及其改进方法。针对WCDMA、TD-SCDMA和GSM多模无线发射机的具体应用要求,对数模转换器进行了行为级建模,并在此基础上,以低功耗、易重构为目标确定了系统架构和配置方案。设计采用sigma-delta D/A转换器的架构,相对传统的多模式D/A转换器,具有更低的功耗和更强的可重构能力。数模转换器各个模块的设计与优化在文中得到讨论。重点研究了数字滤波器、∑-△调制器、电流舵型数模转换器和模拟重建滤波器。其中,数字滤波器除完成插值滤波外,还针对为实现低功耗设计所采用的低阶、小带宽(相对于协议信号带宽)重建滤波器进行带宽补偿；∑-△调制器的传输函数、量化精度均可按照数字编程的形式进行重构以适应不同的通信协议要求；在IDAC的设计中,结合理论研究,完整的提出了确定电流源电流大小和面积的方法,采用了低功耗、高线性度的限幅开关切换方案,并通过适当的电路设计减小了输出幅值随工艺变化的波动；模拟重建滤波器则根据不同通信协议的不同截止频率要求,有针对性地调节其偏置电流大小从而使得功耗得到优化。实验结果证明了系统级和电路级设计的有效性。本文设计了一款应用于无线发射机的低功耗、多模式数模转换器,并采用SMIC 0.13-μm工艺实现,芯片面积为0.72 mm2。在1.2-V单电源供电下WCDMA/TD-SCDMA/GSM模式消耗的电流分别为4.6/4.0/2.5-mA,测试得到的SFDR和IMD分别为62.8/60.1/74.6-dB和60.8/59.3/75.3,能够满足WCDMA/TD-SCDMA/GSM三种通信协议的要求。本设计已经应用到单片多模无线收发机中。

全文目录


目录  3-5
摘要  5-6
Abstract  6-8
第1章 引言  8-13
  1.1 论文的研究背景  8-10
  1.2 论文的主要工作和贡献  10-11
  1.3 论文的组织安排  11
  参考文献  11-13
第2章 数模转换器概述  13-29
  2.1 D/A转换器的性能参数  13-20
    2.1.1 静态性能参数  13-17
    2.1.2 动态性能参数  17-20
  2.2 D/A转换器的基本结构  20-21
    2.2.1 奈奎斯特型数模转换器  20
    2.2.2 过采样型数模转换器  20-21
  2.3 电流舵型D/A转换器误差分析  21-28
    2.3.1 匹配  21-22
    2.3.2 有限输出阻抗  22-26
    2.3.3 开关切换  26-28
  参考文献  28-29
第3章 系统级研究及设计  29-44
  3.1 可重构D/A转换器系统架构  29-31
    3.1.1 两种类型D/A转换器架构对比  30
    3.1.2 可重构D/A转换器系统架构  30-31
  3.2 可重构D/A转换器行为级模型及可重构方案  31-43
    3.2.1 DAC+Filter模块性能指标  31-33
    3.2.2 调制器设计  33-39
    3.2.3 数字滤波器设计  39-42
    3.2.4 可重构D/A转换器重构方案  42-43
  参考文献  43-44
第4章 电路及版图设计  44-64
  4.1 IDAC设计  44-54
    4.1.1 单位电流源设计  44-52
    4.1.2 输出级设计  52-54
  4.2 模拟低通重建滤波器设计  54-59
    4.2.1 模拟低通重建滤波器的结构  54-57
    4.2.2 反馈放大器的设计  57-59
  4.3 版图设计  59-62
  4.4 电路仿真  62
  参考文献  62-64
第5章 芯片测试及测试结果分析  64-72
  5.1 PCB设计及测试方案  64-68
  5.2 测试结果及其分析  68-71
  参考文献  71-72
第6章 总结与展望  72-74
  6.1 总结  72
  6.2 展望  72-73
  参考文献  73-74
致谢  74-75

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 基本电子电路 > 数字电路 > 数模、数模转换电路
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