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研究生:謝宗翰
研究生(外文):C.H. Hsieh
論文名稱:應用於數位電視系統之互補式金氧化半導體前級電路設計
論文名稱(外文):The design of CMOS RF front-end circuit for DVB-S application
指導教授:江逸群江逸群引用關係
指導教授(外文):Y.C. Chiang
學位類別:碩士
校院名稱:長庚大學
系所名稱:電子工程學研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2008
畢業學年度:96
論文頁數:85
中文關鍵詞:低雜訊放大器傳輸零點主動式巴倫混波器
外文關鍵詞:LNATransmission ZeroActive BalunMixer
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本論文用台積電0.18μm互補式金氧半製程設計一個應用於數位電視系統的前級電路,其中包含低雜訊放大器、濾波器及混波器。其中低雜訊放大器利用自偏方式,其優點為可消除米勒效應,且可增加電路的穩定度,再來整個電路只有一個偏壓,可方便系統整合。濾波器利用串聯共振產生低頻雙傳輸零點,可使在低頻有好的拒斥能力,且面積很小易整合電路。混波器利用主動式巴倫當射頻端的輸入端,相對於被動巴倫而言,其優點為可減小面積,另一方面由於低雜訊放大器為單端輸出電路,利用主動式巴倫易與低雜訊放大器整合而本論文成功利用鎊線將主動式巴倫與低雜訊放大器整合。
數位電視系統應用的頻段在10.6GHz至12.6GHz。自偏式低雜訊放大器量測結果顯示出中心頻率為10.1GHz與實際規格偏1.5GHz,部分頻段還是可用於數位電視系統。增益為10.1dB、 為-15dBm、IIP3為-5dBm、最小雜訊因素為4.4dB。雙零點濾波器,量測結果顯示出中心頻率為9.4GHz與實際規格偏2.2GHz,雖然已不能用於數位電視系統但還是成功的實現於矽基板上達到縮小面積的效果,插入損耗為5.8dB,晶片面積為0.82×0.83mm2。主動式巴倫混波器量測結果顯示出中心頻率為10.7GHz與實際規格偏0.9GHz部分頻段還是可用於數位電視系統。轉換增益4.8dB、 為-5.8dBm、 為2.5dBm。利用鎊線將主動式巴倫與低雜訊放大器整合量測結果顯示出中心頻率為8GHz轉換增益為17.4dB。
This thesis presents the design of a front-end circuit for DVB-S application with 0.18μm TSMC CMOS process. The front-end circuits include a LNA (Low Noise Ampilfier), a bandpass filter, and a down conversion mixer. The LNA uses self-biased method to eliminate Miller effect and improve the stability of entire circuit. It is more convenient to be integrated into the whole system because only one bias is needed. The filter use series resonance to generate two sets of low frequency transmission zeros which has better attenuation at low frequency. The physical size is small and easily to be integrated into circuit. Compared with passive balun, the mixer uses active balun to be input of RF port which can reduce chip size. It is easier to be integerated into LNA because it is single output port. And by using the bondwire method, the active balun has been successfully connected with the LNA circuit.
This system is design between 10.6GHz to 12.6GHz which is used for DVB-S.The measured center frequency of the self-biased LNA is 10.1GHz. The gain is 10.1dB which has a 1.5GHz frequency shift from standard center frequency.Some frequency band still can be used in DVB-S.The (1dB input compression point) is -15dBm, (Input third order interception point) is -5dBm, minimum NF (Noise Figure) is 4.4dB. The measured center frequency of bandpass filter with double transmission zero is 9.4GHz which has a 2.2GHz frequency shift from standard center frequency.Although this chip can not work at DVB-S.We still successful implement our design concept at si substracte to reduce our size. The insertion loss is 5.8dB. The chip size is 0.82×0.83mm2. The measured center frequency of the down conversion mixer with active balun is 10.7GHz which has a 0.9GHz frequency shift from standard center frequency.Some frequency band still can be used in DVB-S.The conversion gain is 4.8dB, IIP3 is 2.5dBm. The measured center frequency of the active balun connected with the LNA is 8GHz. The conversion gain is 17.4dB.
目錄
指導教授推薦書
口試委員會審定書
授權書 iii
誌謝 iv
中文摘要 v
ABSTRACT vi
目錄 viii
圖表目錄 x
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 論文架構 3
第二章 自偏式低雜訊放大器 4
2.1 簡介 4
2.2 雜訊指數 4
2.3 自偏式低雜訊放大器 6
2.3-1 電路架構 6
2.3-2 設計流程 7
2.4 電磁模擬與實驗結果 16
2.5 結果與討論 22
第三章 雙零點濾波器特性與設計 23
3.1 簡介 23
3.2 低通濾波器原型與阻抗轉換器及導納轉換器 24
3.3 傳統 型與雙零點二階帶通濾波器 27
3.3-1 互補式金氧半雙零點二階帶通濾波器設計流程 34
3.4 電磁模擬與實驗結果 36
3.5 結果與討論 38
第四章 主動式巴倫混波器 40
4.1 簡介 40
4.2 主動式巴倫 41
4.3 混波器原理 44
4.3-1混頻的原理 44
4.3-2雙平衡混頻器 45
4.4 .電流滲流之技術 46
4.5 主動式巴倫混波器設計 47
4.6 電磁模擬與實驗結果 50
4.7 結果與討論 58
第五章 混波器與低雜訊放大器整合 59
5.1 簡介 59
5.2 實驗結果 61
5.3 結果與討論 63
第六章 結論 64
參考文獻 66


圖目錄
圖1.1 射頻前端接收機系統示意圖 2
圖2.1 放大器雜訊模型 5
圖2.2 兩級串接放大器雜訊模型 5
圖2.3 多級串接放大器雜訊模型 6
圖2.4 自偏式低雜訊放大器 7
圖2.5 閘源電壓對雜訊指數之變化 8
圖2.6 輸入匹配分析圖 8
圖2.7 插入損耗模擬圖 9
圖2.8 未匹配至50 史密斯圖 10
圖2.9 未匹配至50 之雜訊指數模擬圖 10
圖2.10 插入損耗與 同時匹配圖 11
圖2.11 插入損耗模擬圖 11
圖2.12 插入損耗與 同時匹配之雜訊指數模擬圖 11
圖2.13 輸出匹配分析圖 12
圖2.14 輸出匹配史密斯分析 12
圖2.15 輸出插入損耗之模擬圖 13
圖2.16 輸出匹配加串聯共振電路分析圖 13
圖2.17 輸出匹配加串聯共振電路史密斯分析圖 14
圖2.18 輸出插入損耗加串聯共振電路之模擬圖 14
圖2.19 低雜訊放大器之S參數理想模擬圖 15
圖2.20 低雜訊放大器之雜訊指數理想模擬圖 15
圖2.21 低雜訊放大器之穩定度理想模擬圖 16
圖2.22 自偏式低雜訊放大器佈局照像圖 17
圖2.23 反射損耗電磁模擬與量測比較圖 18
圖2.24 插入損耗電磁模擬與量測比較圖 18
圖2.25 輸出端插入損耗電磁模擬與量測比較圖 19
圖2.26 雜訊指數電磁模擬與量測比較圖 19
圖2.27 增益壓縮點電磁模擬與量測比較圖 20
圖2.28 輸入第三階交互調變截斷點量測圖 20
圖3.1 低通原型濾波器 24
圖3.2 阻抗與導納轉換器運作方式 24
圖3.3 轉換器之集總元件等效 25
圖3.4 轉換器負載處理之等效電路 27
圖3.5(a) 柴比雪夫二階濾波器低通原型 27
圖3.5(b) 加入導納轉換器使各諧振腔一致 27
圖3.6 並聯 之帶通濾波器 28
圖3.7 運用轉換器與負載等效之帶通濾波器 28
圖3.8(a) 將 以集總元件萬取代 29
圖3.8(b) 型帶通濾波器 29
圖3.9 .Y型及 型阻抗電路 30
圖3.10 . 型帶通濾波器 32
圖3.11 .T型帶通濾波器 32
圖3.12 .X分為兩個串接臂 、 33
圖3.13 串接臂 、 分為串聯共振電路 33
圖3.14 雙零點二階濾波器S參數模擬圖 34
圖3.15 台積電0.18μm 的矽基板剖面示意圖 34
圖3.16 品質因素值的比較 35
圖3.17 .S參數電磁模擬與理想模擬比較圖 36
圖3.18 雙零點二階濾器佈局照像圖 37
圖3.19 插入損耗與反射損耗量測圖 38
圖3.20 修正後量測與模擬比較圖 39
圖4.1 主動式巴倫 41
圖4.2 .RFm與RFp相位差圖 42
圖4.3 .RFm與RFp振幅大小圖 42
圖4.4 主動式巴倫插入損耗圖 43
圖4.5 混頻操作示意圖 44
圖4.6 混頻頻譜示意圖 44
圖4.7 雙平衡式混頻器 45
圖4.8(a) 單端平衡混波器 46
圖4.8(b) .電流滲流示意圖 46
圖4.9 .電流滲流架構之吉伯特混波器電路圖 48
圖4.10 .增益壓縮點之理想模擬結果 48
圖4.11. 輸入第三階交互調變截斷點理想之模擬結果 49
圖4.12 . ...LO對RF、RF對IF、LO對IF之隔離度理想模擬圖 49
圖4.13 . ..電路佈局圖 50
圖4.14 .微波岔路環 51
圖4.15 主動式巴倫混波器佈局照像圖 51
圖4.16 .PCB 25N量測板 52
圖4.17 變化LO 功率之電磁模擬與量測轉換增益圖 52
圖4.18 . .增益壓縮點之電磁模擬與量測比較圖 53
圖4.19 變換頻率之電磁模擬與量測轉換增益圖 53
圖4.20 改變RF 功率之RF對IF隔離度電磁模擬與量測比較圖 54
圖4.21 改變LO 功率之LO對IF隔離度電磁模擬與量測比較 54
圖4.22 改變LO 功率之LO對RF隔離度電磁模擬與量測比較圖 55
圖4.23 . 輸入第三階交互調變截斷點電磁模擬圖 55
圖4.24 . .輸入第三階交互調變截斷點量測圖 56
圖4.25 插入損耗電磁模擬與量測比較圖 56
圖5.1 自偏式電流再利用互補式金氧半寬頻低雜訊放大器 59
圖5.2 利用鎊線將低雜訊放大器與混波器整合佈局照像圖 59
圖5.3 低雜訊放大器與混波器整合PCB 25N量測板 60
圖5.4 低雜訊放大器與混波器整合量測轉換增益圖 61
圖5.5 低雜訊放大器與混波器整合量測增益壓縮點圖 61
圖5.6 低雜訊放大器與混波器整合量測RF-IF隔離度圖 62
圖5.7 低雜訊放大器與混波器整合量測LO-IF隔離度圖 62
圖5.8 低雜訊放大器與混波器整合量測LO-RF隔離度圖 63




表目錄
表1.1 全球數位電視進展及採用標準 2
表2.1 .模擬Y參數 8
表2.2 自偏式低雜訊放大器規格表 21
表2.3 為文獻比較表 21
表3.1 架構各元件值 33
表3.2 雙零點二階濾波器規格表 39
表4.1 主動式巴倫混波器規格表 57
表4.2 混波器文獻比較表 57
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