应用于无线传感网射频前端的可变增益放大器及其自动增益控制电路的设计

摘要

无线传感器网络被广泛应用于农业、军事、空间探索、智能工厂、环境监测、仓储物流、医疗健康、灾难救援等领域，是无线通信未来发展的一个重要方向。射频收发机是无线传感网核心芯片的关键技术之一。可变增益放大器和自动增益控制电路是射频接收机中的一个重要模块，位于接收机后端。
　　 本文设计使用TSMC0.13μmRFCMOS工艺，电源电压1.2V。设计包括IQ两路可变增益放大器、自动增益控制电路、IQ信号幅度平衡电路、带隙基准和其他辅助电路。可变增益放大器分为滤波器前和滤波器后两部分，此设计可有效降低滤波器和可变增益放大器等效到前端的噪声，可变增益放大器支持IQ两路信号切换;自动增益控制电路为Verilog实现，支持两种ADC输出编码，支持片内AGC和基带AGC切换;本文提出了两种IQ通路信号幅度平衡机制，并选择其中一种应用于本文设计，该电路使Q路信号幅度为(I)路的70％～250％时都可以跟随到(I)路的信号幅度，保证IQ两路信号幅度相同，该电路的使用同时为整体电路节约了1个AGC和8个芯片引脚的开销，而该电路版图面积只有1个AGC的1/11，功耗只有1个AGC的1/5。本文两路可变增益放大器、IQ信号幅度平衡电路和数字自动增益控制电路等都集成在一起，多种切换功能保证了整个IP较好的兼容性和多适用性，通过简单控制切换，可满足多种结构和应用场合的使用要求。后仿结果显示可变增益放大器可以实现80.6dB增益动态范围，ldB增益步进，带宽从140Hz到大于7.2MHz，最大增益下噪声系数15.2，最大增益下等效输入噪声2.578nV/sqrtHz，最小增益下输入1dB压缩点-28dBm，最小增益下输出三阶交调点为-6.5dBm。自动增益控制电路动态功耗193.4μW。两路可变增益放大器、IQ幅度平衡电路、偏置电路、带隙基准、数字解码器整体工作电流7.71mA，关断电流1.34μA。
　　 本文的可变增益放大器(VGA)和自动增益控制电路(AGC)主要是应用于无线传感器网络2.4GHz零中频射频接收机，AGC根据输入信号强度自动调整VGA增益，为基带ADC提供固定功率的信号。

目录

声明

摘要

本文所用缩写及中英文对照

第一章 绪论

1．1 课题背景与意义

1．2 国际国内研究现状与进展

1．3 本论文的设计目标与主要内容

1．4 论文组织结构

第二章 可变增益放大器和自动增益控制理论分析

2．1 无线接收机射频前端概述

2．1．1 接收机射频前端结构

2．1．2 射频电路性能参数

2．2 可变增益放大器

2．2．1 可变增益放大器基础

2．2．2 可变增益放大器结构

2．2．3 本文可变增益放大器结构

2．3 自动增益控制

2．3．1 自动增益控制基础

2．3．2 自动增益控制结构

2．3．3 本文自动增益控制结构

2．4 dB线性和指数增益控制的详细分析推导

第三章 可变增益放大器的设计

3．1 滤波器前可变增益级

3．1．1 直流失调抑制电路

3．1．2 滤波器前可变增益单元

3．2 滤波器后可变增益级

3．2．1 滤波器后可变增益单元

3．2．2 R-2R电阻衰减网络

3．2．3 两级全差分固定增益放大器

3．2．4 class AB驱动级

3．3 数字解码器

3．4 恒定跨导偏置电路

3．5 带隙基准电路

3．6 可变增益放大器版图设计

3．6．1 模拟电路版图设计

3．6．2 数字综合与版图布局布线

第四章 自动增益控制电路的设计

4．1 数字自动增益控制电路

4．1．1 信号功率统计模块

4．1．2 增益控制模块

4．1．3 数字自动增益控制电路版图设计

4．2 IQ通路信号幅度平衡电路

4．2．1 IQ通路信号幅度平衡机制总述

4．2．2 两种实现IQ幅度平衡的方案

4．2．3 方案子电路设计

4．2．4 IQ通路信号幅度平衡电路版图设计

第五章 仿真验证及结果分析

5．1 电路前仿真结果

5．1．1 可变增益放大器前仿真结果

5．1．2 数字自动增益控制电路前仿真结果

5．1．3 IQ通路信号幅度平衡电路前仿真结果

5．2 电路后仿真结果

5．2．1 可变增益放大器后仿真结果

5．2．2 数字自动增益控制电路后仿真结果

5．3 结果分析

第六章 总结与展望

6．1 设计总结

6．2 后续工作展望

参考文献

致谢

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