CMOS射频接收芯片的片上低噪声电源管理系统研究与设计

论文摘要

近年来,伴随着射频集成电路技术的发展和成熟,射频通讯产品的成本大大降低,功能不断完善,发展速度和普及率迅速增加。然而,随着通讯技术的发展,应用领域的拓宽和市场竞争的日益激烈,作为射频通讯产品的核心之一的射频通讯芯片面临巨大挑战,更高程度的系统集成已成为获得更低的成本和更高的性能的必需手段。因此,集成所需的电源管理功能已成为射频集成电路发展的一个重要方向。本文基于射频CMOS工艺,研究和设计了集成于射频接收芯片内的低噪声电源管理系统。主要完成的工作如下:首先,结合射频接收芯片的特点和实际运用中的需求,提出了片内低噪声电源管理的目标,包括提供可编程数字化管理、提供片内电源、抑制电源噪声和毛刺以及提供低噪声参考电压源。并根据所提出的目标,给出了相应的设计策略,并给出了低噪声电源管理系统的体系构架。其次,详细分析了电源噪声对射频接收芯片内各个模块的具体影响以及各个模块对电源噪声的贡献。在此基础上,提出了以抑制片内电源噪声为目的的电源域划分方案,将芯片内众多模块按其电源噪声特性归类,分别放置在相互隔离的电源域内,以减小相互之间通过电源线的噪声干扰。结合带隙基准源和VTH偏置电压源的优点,研究并设计了一种基于数字校正方法的低噪声参考电压源,在获得极低输出噪声的同时,又保证了参考电压的精度。同时提出了数字化模式的参考电压源分配网络,取代了传统的电流模式的参考电压分配网络,进一步降低了参考电压源的噪声。在给出噪声分析和电源抑制比分析的基础上,提出了一种低噪声的片内线性稳压器以及一种反向高隔离的片内线性稳压器。另外,根据数字电路的特点,设计了一种用于数字电路的线性稳压器。利用这三种不同的线性稳压器,为射频接收芯片的各个模块分别提供了片内电源。最后,提出了基于I2C串行总线接口和片内寄存器的数字化电源管理方案,实现了片内电源管理的可编程设计。结合以上研究和设计,本文采用TSMC 0.18μm RF CMOS工艺,为数字卫星电视（DVB-S）射频接收芯片设计并物理实现了全集成的低噪声电源管理系统。测试结果表明,本文提出的电源管理系统具有噪声低、可靠性高、集成度高并具有可编程数字化管理功能的特点。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 射频通讯芯片的市场需求
• 1.1.2 射频芯片对电源管理的需求
• 1.2 发展趋势与研究现状
• 1.2.1 电源管理技术的发展
• 1.2.2 用于射频芯片的片内电源管理技术
• 1.3 本文的研究内容
• 1.3.1 对片内电源噪声的研究
• 1.3.2 对片内低噪声参考电压源的研究
• 1.3.3 对片内线性稳压器的研究
• 1.3.4 对电源管理的可编程数字化控制的研究
• 1.3.5 物理实现与测试验证
• 1.4 本文的主要创新点
• 1.4.1 全面的片内低噪声电源管理体系构架
• 1.4.2 超低噪声参考电压源及其数字化分配网络
• 1.4.3 低噪声线性稳压器与高反向隔离度线性稳压器
• 1.5 论文的组织和安排
• 第2章 射频接收芯片与低噪声电源管理概貌
• 2.1 引言
• 2.2 射频接收机的典型构架
• 2.2.1 超外差接收机
• 2.2.2 零中频接收机
• 2.3 射频接收芯片中的噪声
• 2.3.1 器件噪声
• 2.3.2 耦合噪声
• 2.3.3 电源噪声
• 2.4 低噪声电源管理的目标与策略
• 2.4.1 可编程数字化电源管理
• 2.4.2 提供片内电源
• 2.4.3 抑制电源噪声和毛刺
• 2.4.4 提供低噪声参考电压
• 2.5 设计实例
• 2.6 本章小结
• 第3章 电源域划分
• 3.1 引言
• 3.2 射频接收芯片中电路模块的电源噪声分析
• 3.2.1 信号链路
• 3.2.2 频率综合器
• 3.2.3 数字辅助电路
• 3.3 电源域的具体划分
• 3.4 线性稳压器的应用与分配
• 3.4.1 线性稳压器的应用
• 3.4.2 线性稳压器的分配
• 3.5 本章小结
• 第4章 低噪声参考电压源及其数字化分配
• 4.1 引言
• 4.2 传统参考电压源与模拟化分配网络
• 4.2.1 传统参考电压源
• 4.2.2 传统参考电压分配网络
• 4.3 低噪声参考电压源与数字化分配网络
• 4.3.1 数字化参考电压分配网络
• 4.3.2 低噪声参考电压源设计
• 4.3.3 用于参考电压校准的ADC设计
• 4.4 本章小结
• 第5章 多类型的全片内线性稳压器
• 5.1 引言
• 5.2 传统LDO与片内LDO
• 5.3 低噪声LDO设计
• 5.3.1 LDO的噪声分析
• 5.3.2 提出的低噪声LDO
• 5.3.3 电路设计
• 5.3.4 仿真结果
• 5.4 高反向隔离度LDO设计
• 5.4.1 理论分析与建模
• 5.4.2 提出的高反向隔离度的LDO
• 5.4.3 电路设计
• 5.4.4 仿真结果
• 5.5 用于数字电路的LDO设计
• 5.5.1 负载电流和负载电容的估算
• 5.5.2 电路设计
• 5.5.3 仿真结果
• 5.6 RC滤波器
• 5.7 本章小结
• 第6章 可编程数字化电源管理
• 6.1 引言
• 6.2 可编程数字化电源管理
• 6.2.1 电源电压的数字控制
• 6.2.2 工作电流的数字控制
• 6.2.3 寄存器堆
• 2C总线'>6.2.4 I²C总线
• 6.2.5 可编程电源管理的实现
• 6.3 上电复位
• 6.3.1 上电复位模块的数字化延时
• 6.3.2 上电复位电路设计
• 6.3.3 仿真结果
• 6.4 本章小结
• 第7章 测试结果与总结
• 7.1 物理实现
• 7.2 芯片测试
• 7.2.1 测试环境
• 7.2.2 测试结果
• 7.2.3 结论
• 7.3 设计工作总结
• 7.4 未来展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间主要的研究成果
• 致谢