臺灣博碩士論文加值系統

由於近年來無線網路技術的蓬勃發展，使得相關的系統電路不斷推出且運用在我們的日常生活中，如GSM和CDMA，藍芽﹙Bluetooth﹚，802.11﹙Wi-Fi﹚，ZigBee和超寬頻系統，因此不論是學術上的研究或者是工業上的發展，此類的電路系統己成為現今研究發展的主流。
本論文在此提出一個相關的電路應用於超寬頻無線通訊系統，此電路為可變增益放大器，其電路主要由三個子電路所構成，分別為主放大器，增益控制電路，及共模回授電路；而主放大器是運用一個摺疊疊接放大器與一個回授電路所構成，增益控制電路則是利用一個簡單的源耦合對來達到控制增益大小之能力。而本電路是利用TSMC 0.18um 製程參數進行設計與模擬，並且運用改良式的虛擬指數方程式來實現其可變增益之功能並提高線性度甚至透過一個控制訊號能達到改變其增益調變之範圍。模擬之結果顯示輸出增益範圍可從-7.16dB至11.3dB，將近18dB。在最大輸出增益時的操作頻率為610MHz ，此頻率已符合超寬頻系統之規格且在1.8v的供應電壓下所得到的消耗功率低於2mW。

The booming development of the wireless communication technology in recent years make the relevant products, such as GSM, CDMA, Bluetooth, 802.11 (Wi-Fi), ZigBee and Ultra wide band (UWB) widely used in our daily life and became important research topics.
This thesis proposes a Variable Gain Amplifier (VGA) that is suitable for UWB system. It consists of a main amplifier, gain control circuit, and a common mode feedback loop. The main amplifier is realized by a folded cascode amplifier with feedback and the gain control function is utilized by a source-coupled pair to realize controllable gain. A modified pseudo-exponential equation is proposed to improve the linearity of the proposed VGA. The circuit is designed and simulated in TSMC 0.18um CMOS process. The gain range of 18dB and the 3dB frequency of 610MHz at the maximum gain that meets the specification of UWB system is obtained. The power dissipation is less then 2mW at 1.8V supply voltage.

論文目錄
�� 中文摘要 …………………………………… I
�� Abstract …………………………………… II
�� 誌謝 …………………………………… III
�� 論文目錄 …………………………………… IV
�� 圖目錄 …………………………………… VI
�� 表目錄 …………………………………… VIII
第一章 導論 …………………………………… 1
1-1研究動機 …………………………………… 1
1-2研究背景 …………………………………… 2
1-3研究趨勢 …………………………………… 5
第二章 可變增益放大器架構之探討 ……… 8
2-1虛擬指數型可變增益放大器 ……………… 8
2-2近似指數型可變增益放大器 ……………… 13
2-3其它型可變增益放大器 …………………… 15
第三章 改良式虛擬指數型可變增益放大器之研究
………………… 21
3-1研發歷程 ………………………………… 21
3-2電路原理之分析 ………………………… 23
3-3電路線性度的改善方法 ………………… 28
3-4可切換增益區間之做法 ………………… 30
3-5虛擬指數多項式之探討 ………………… 34
第四章 研究成果 ………………………… 36
第五章 結論 ………………………… 43
�� 參考文獻 ………………………… 44

圖目錄
圖1-1 超寬頻無線收發機的方塊圖 ………………………… 2
圖1-2 DVD SoC的方塊圖 ………………………………… 4
圖1-3 數位電視調整系統的方塊圖 ………………………… 4
圖1-4 Gilbert multiplier的電路圖 ………………………… 5
圖1-5 電路設計之考量因素圖 …………………………… 7
圖2-1 虛擬指數型可變增益放大器 ………………………… 10
圖2-2 虛擬指數型可變增益放大器 ………………………… 12
圖2-3 近似指數多項式之方塊圖 …………………………… 15
圖2-4 近似指數型可變增益放大器之電路圖 ……………… 15
圖2-5 源極衰減電阻型之可變增益放大器 ………………… 17
圖2-6 兩個不同轉導之MOS架構 ………………………… 17
圖2-7 一個利用兩個MOS之轉導電路 …………………… 18
圖2-8 近似指數型可變增益放大器之電路圖 ……………… 20
圖3-1 專題研究歷程圖 ……………………………………… 22
圖3-2 傳統虛擬指數型可變增益放大器之方塊圖 ………… 23
圖3-3 本論文提出之可變增益放大器電路圖 ……………… 24
圖3-4 主放大器之方塊圖 …………………………………… 26
圖3-5 差動對之電路圖 …………………………………… 27
圖3-6 汲極電流變化對於輸入電壓之關係圖 ……………… 27
圖3-7 為此 虛擬指數曲線圖 ………………… 28
圖3-8 改良之虛擬指數型可變增益放大器 ………………… 29
圖3-9 增益與控制電壓之曲線圖 …………………………… 30
圖3-10 為此 虛擬指數曲線圖 ………………… 31
圖3-11 完整可切換增益區塊之虛擬指數型可變增益放大器 … 32
圖3-12 增益與控制電壓之曲線圖 ………………………… 33
圖3-13 為此 多項式曲線圖 …………………… 34
圖3-14 為此 多項式曲線圖 …………………… 35
圖4-1 控制電壓與輸出增益之關係圖 ……………………… 36
圖4-2 為不同增益時之頻率響應圖(S=1) …………………… 37
圖4-3 為輸出擺幅在輸出增益為一時(S=1) ……………… 37
圖4-4 控制電壓與輸出增益之關係圖(S=0) ………………… 38
圖4-5 為不同增益時之頻率響應圖(S=0) ………………… 39
圖4-6 為輸出擺幅在輸出增益為一時(S=0) ……………… 39
圖4-7 本放大器之怖局圖 …………………………… 42

表目錄
表1-1 材料製程之特性比較 ………………………………… 7
表3-1 為增益區塊選擇之狀態表 …………………………… 32
表4-1 為不同Corner之效能對照表(S=1) ………………… 38
表4-2 為不同Corner之效能對照表(S=0) ………………… 40
表4-3 本論文所提出的可變增益放大器之佈局後模擬結果 40
表4-4 為已發表過之電路之效能對照表 …………………… 41

[1] M. Bathaee, H. Ghezalayagh, Wang Qin Heng, D. Nicolae, O. Fratu, R. Pop, G. Dilimot, V. Feies, P. Agache, R. Ruscu, M. Iorgulescu, Jing Gang, Wei Mao Lin, Ma Lei, Dong Zhao Hui, and Wang Tao, “A 0.13 um CMOS SoC for all format blue and red laser DVD front-end digital signal processor,” in IEEE Int. Solid-State Circuits Conf. Dig. Tech. Papers, pp. 1012 – 1021, Feb 2006.
[2] Yong-Sik Youn, Cheon-Soo Kim, Nam-Soo Kim, and Hyun-Kyu Yu, “A 1 GHz-band low distortion up-converter with a linear in dB control VGA for digital TV tuner,” in Symp. IEEE Radio Frequency Integrated Circuits (RFIC) Papers, pp. 257 – 260, May 2001.
[3] Jie-Wei Lai, Yu-Ju Chuang, K. Cimino, and Milton Feng, “Design of variable gain amplifier with gain-bandwidth product up to 354 GHz implemented in InP-InGaAs DHBT technology,” in IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, Vol. 54, pp. 599 – 607, Feb. 2006.
[4] R. Harjani, “A low-power CMOS VGA for 50 Mb/s disk drive read channels,” IEEE Trans. Circuits Syst. II, Vol. 42, pp. 370 – 376, June 1995.
[5] Yuanjin Zheng, Jiangnan Yan, and Yong Ping Xu, “A CMOS dB-linear VGA with pre-distortion compensation for wireless communication applications,” in Symp. ISCAS. Vol. 1, pp. 813 – 816, May 2004.
[6] Po-Chiun Huang, Li-Yu Chiou, and Chorng-Kuang Wang, “A 3.3-V CMOS wideband exponential control variable-gain-amplifier,” in IEEE International Symposium on Circuit and Systems. Vol. 1, pp. 285 – 288, June 1998.
[7] Quoc-Hoang Duong, Le-Quan, and Sang-Gug Lee, “An all CMOS 84dB-linear low-power variable gain amplifier,” in VLSI Circuits Symposium on Digest of Technical Papers, pp. 114 – 117, June 2005.
[8] Quoc-Hoang Duong, and Sang-Gug Lee, “A 35 dB-linear exponential function generator for VGA and AGC applications,” Design Automation, pp. 304 – 309 , Jan. 2004.
[9] Wei Hu, Seunghyun Song, Bongryul Choi, and Jae-Whui Kim, “Design of a 1.8 V high frequency CMOS variable gain amplifier with a novel dB-linear gain structure,” in Symp. MWSCAS on Circuits and Systems, Vol. 1, pp. 125 – 128, July 2004
[10] Gonggui Xu, and H. Bilhan, “A programmable gain amplifier buffer design for video applications,” in Symp. ISCAS on Circuits and Systems, Vol. 1, pp. 557 – 560, May 2004.

[11] C. M. Ta, Chee Hong Yong, and Wooi Gan Yeoh, “A 2.7 mW 0.064 mm linear-in-dB VGA with 60 dB tuning range 100 MHz bandwidth and two DC offset cancellation loops,” in IEEE Radio-Frequency Integration Technology on Integrated Circuits for Wideband Communication and Wireless Sensor Networks, pp. 74 – 77 , Dec. 2005.
[12] R. Saito, K. Hosoda, A. Hyogo, T. Maruyama, H. Komuraki, H. Sato, and K. Sekine, “A 1.8-V 73-dB dynamic-range CMOS variable gain amplifier,” in Conf. ESSCIRC of Solid-State Circuits, pp. 301 – 304, Sept. 2003.
[13] Quoc-Hoang Duong, T. J. Park, E. J. Kim, and Sang-Gug Lee, “An all CMOS 743 MHz variable gain amplifier for UWB systems,” in Symp. ISCAS on Circuits and Systems, pp. 21 – 24, May 2006.
[14] Razavi, Design of Analog CMOS Integrated Circuits: McGraw-Hill, 2001.