复旦大学：《微电子学与固体电子学》教学资源（硕士士学位论文）单芯片数字电视调谐器射频前端系统分析与设计.pdf_大学文库

I 目录目录...................................................................................................................I 摘要.................................................................................................................III Abstract.......................................................................................................... IV 第一章概述.....................................................................................................1 1.1 数字电视发展概况 ...............................................................................1 1.1.1 数字电视和模拟电视的区别........................................................1 1.1.2 全球数字电视发展概况...............................................................2 1.1.3 中国数字电视发展概况...............................................................3 1.2 电视调谐器的发展与研究现状 .............................................................3 1.3 论文的研究内容及贡献........................................................................5 1.4 论文的组织结构...................................................................................6 参考文献 ....................................................................................................7 第二章数字电视调谐器系统性能分析..............................................................8 2.1 DVB-T 标准..........................................................................................8 2.2 增益分析 ...........................................................................................10 2.3 噪声分析 ...........................................................................................10 2.4 线性度分析........................................................................................12 2.4.1 三阶非线性...............................................................................12 2.4.2 二阶非线性...............................................................................14 2.5 镜像抑制 ...........................................................................................15 参考文献 ..................................................................................................16 第三章数字电视调谐器系统架构...................................................................18 3.1 现存架构比较 ....................................................................................18 3.1.1 一次变频和二次变频 ................................................................18 3.1.2 零中频和低中频 .......................................................................21 3.2 二次变频低中频架构分析 ..................................................................22 3.2.1 系统架构 ..................................................................................22 3.2.2 性能指标分配...........................................................................24 参考文献 ..................................................................................................26 第四章射频前端电路设计..............................................................................28 4.1 可变增益低噪声放大器设计...............................................................28

II 4.1.1 设计目标 ..................................................................................28 4.1.2 电容交叉耦合原理....................................................................28 4.1.3 电路设计 ..................................................................................29 4.2 上变频混频器设计 .............................................................................32 4.2.1 Multi-tanh 跨导线性化技术........................................................33 4.2.2 差分电感设计...........................................................................35 4.2.3 电路设计 ..................................................................................36 4.3 正交下变频混频器设计......................................................................39 4.3.1 多栅跨导结构...........................................................................39 4.3.2 电路设计 ..................................................................................40 参考文献 ..................................................................................................42 第五章芯片实现及测试 .................................................................................44 5.1 芯片实现 ...........................................................................................44 5.2 测试 PCB 板设计...............................................................................45 5.3 芯片测试结果 ....................................................................................46 参考文献 ..................................................................................................49 第六章系统改进设计.....................................................................................50 6.1 系统线性度提高.................................................................................50 6.2 衰减器对系统信噪比的影响...............................................................51 6.3 噪声性能优化 ....................................................................................55 6.4 上变频混频器改进设计......................................................................56 6.4.1 差分源极退化...........................................................................56 6.4.2 电路设计 ..................................................................................57 6.4.3 芯片实现和测试 .......................................................................59 参考文献 ..................................................................................................62 第七章总结与展望 ........................................................................................64 7.1 成果总结 ...........................................................................................64 7.2 未来展望 ...........................................................................................64 参考文献 ..................................................................................................65 致谢................................................................................................................66

摘要近年来，数字电视飞速发展，正在逐步取代传统的模拟电视而成为主流传播方式。调谐器作为信号接收链路中的关键环节，其性能对输出图像和声音的质量有至关重要的影响。因此，作为整个数字电视产业链中的重要部份，调谐器的设计和研发受到业界的广泛关注，尤其是CMOS单芯片解决方案，因其具备低成本、低功耗和小体积的优点，市场前景被普遍看好。本论文针对单芯片数字电视调谐器的设计难点，从系统架构和性能到射频前端各组成模块，详细展开研究和设计。首先，简要介绍了目前数字电视的发展概况以及电视调谐器的研究现状，提出了单芯片方案相比较于传统铁盒形方案的优势，以及实现此方案的难点。然后以欧洲国家普遍采用的DVB-T数字电视地面广播标准为例，详细分析计算了调谐器系统在增益，噪声，线性度等方面需要达到的性能指标。为实现设计目标，总结和概括了目前广泛采用的几种典型系统架构，分析和比较了他们各自的优缺点，提出了适合单芯片集成的二次变频低中频方案，并且明确了其中各个电路模块的功能，以及需要达到的性能指标。通过合理分配，使得各模块易于设计实现。在此基础之上，对射频前端电路中的可变增益低噪声放大器，上变频混频器和正交下变频混频器进行电路设计。通过采用创新性的电路结构，优化性能，使其满足系统应用的要求。之后进行流片实现，并且通过测试得到射频前端整体的各项性能参数，基本能够满足应用，同时也对理论分析作了有力验证。总结测试结果后，对系统架构进行改进设计，着力于在输入信号功率增大时继续提高线性度，以此实现扩大接收动态范围的目的。通过引入无源衰减器模块，打破限制线性度提高的瓶颈，并且对衰减器的接管点和增益变化范围进行了详细的理论分析。此外，还对上变频混频器模块进行改进设计，通过流片验证，并对该模块进行单独测试，得到各项性能指标，基本满足系统要求。关键词：电视调谐器，系统架构，单芯片，二次变频，噪声系数，线性度中图分类号：TN4 本论文工作受到国家高科技研究发展计划资助（项目编号：2007AA01Z282)

III 摘要近年来，数字电视飞速发展，正在逐步取代传统的模拟电视而成为主流传播方式。调谐器作为信号接收链路中的关键环节，其性能对输出图像和声音的质量有至关重要的影响。因此，作为整个数字电视产业链中的重要部份，调谐器的设计和研发受到业界的广泛关注，尤其是 CMOS 单芯片解决方案，因其具备低成本、低功耗和小体积的优点，市场前景被普遍看好。本论文针对单芯片数字电视调谐器的设计难点，从系统架构和性能到射频前端各组成模块，详细展开研究和设计。首先，简要介绍了目前数字电视的发展概况以及电视调谐器的研究现状，提出了单芯片方案相比较于传统铁盒形方案的优势，以及实现此方案的难点。然后以欧洲国家普遍采用的 DVB-T 数字电视地面广播标准为例，详细分析计算了调谐器系统在增益，噪声，线性度等方面需要达到的性能指标。为实现设计目标，总结和概括了目前广泛采用的几种典型系统架构，分析和比较了他们各自的优缺点，提出了适合单芯片集成的二次变频低中频方案，并且明确了其中各个电路模块的功能，以及需要达到的性能指标。通过合理分配，使得各模块易于设计实现。在此基础之上，对射频前端电路中的可变增益低噪声放大器，上变频混频器和正交下变频混频器进行电路设计。通过采用创新性的电路结构，优化性能，使其满足系统应用的要求。之后进行流片实现，并且通过测试得到射频前端整体的各项性能参数，基本能够满足应用，同时也对理论分析作了有力验证。总结测试结果后，对系统架构进行改进设计，着力于在输入信号功率增大时继续提高线性度，以此实现扩大接收动态范围的目的。通过引入无源衰减器模块，打破限制线性度提高的瓶颈，并且对衰减器的接管点和增益变化范围进行了详细的理论分析。此外，还对上变频混频器模块进行改进设计，通过流片验证，并对该模块进行单独测试，得到各项性能指标，基本满足系统要求。关键词：电视调谐器，系统架构，单芯片，二次变频，噪声系数，线性度中图分类号：TN4 本论文工作受到国家高科技研究发展计划资助(项目编号：2007AA01Z282)

第一章概述现地面数字电视全国覆盖，全部是数字高清节目。 1.1.3中国数字电视发展概况 2003年，广电总局制定了《我国有线电视向数字化过渡时间表》[5]，正式拉开了中国数字电视发展的序幕。按照这个时间表，中国的数字电视发展分为几个阶段。第一阶段：到2005年，直辖市、东部地区地（市）以上城市、中部地区省会市和部分地（市）级城市、西部地区部分省会市的有线电视完成向数字化过渡。第二阶段：到2008年，东部地区县以上城市、中部地区地（市）级城市和大部分县级城市、西部地区部分地（市）级以上城市和少数县级城市的有线电视基本完成向数字化过渡。第三阶段：到2010年，中部地区县级城市、西部地区大部分县以上城市的有线电视基本完成向数字化过渡。第四阶段：到2015年，西部地区县级城市的有线电视基本完成向数字化过渡。近日，国务院办公厅转发了发改委等六部门《关于鼓励数字电视产业发展若干政策的通知》[6]，在明确发展目标，优化投融资环境，加强税收优惠支持，推动技术进步，加强市场培育和监管，推进“三网”（宽带通信网，数字电视网和下一代互联网)融合，加强知识产权保护。而中国自己的地面数字电视标准 DMB-TH[7]也己经正式出台。广电总局已经明确，北京、天津、上海、沈阳、青岛、秦皇岛等6个奥运城市和广东省广州、深圳市都将在奥运期间开播地面高清电视节目。借助北京奥运的契机，数字电视的普及将会得到进一步的大力推进。整个数字电视产业链正在逐步完善，数字电视专用集成电路、高清晰度显示器件、应用软件和系统集成、数字电视节目制作、数字电视网络运营在内的各个行业都将得到蓬勃发展。 1.2电视调谐器的发展与研究现状从数字电视接收链路简图中可以看到，调谐器(Tuner))是信号在通路中所经过的第一个模块，因此其性能表现对整个系统的性能有至关重要的影响。传统的电视调谐器由分立元件构成，通过印刷电路板(PCB)互连，外型是一个铁盒装置，所以被称为Can Tuner。.内部各个区域实现不同的功能，通过金属将各区域隔离，防止信号之间的串扰。此类调谐器存在几个难以解决的缺陷。 1.性能不稳定。每个器件都有独立的电气和温度特性，因此随着时间推移 3

第一章概述 3 现地面数字电视全国覆盖，全部是数字高清节目。 1.1.3 中国数字电视发展概况 2003 年，广电总局制定了《我国有线电视向数字化过渡时间表》[5]，正式拉开了中国数字电视发展的序幕。按照这个时间表，中国的数字电视发展分为几个阶段。第一阶段：到 2005 年，直辖市、东部地区地(市)以上城市、中部地区省会市和部分地(市)级城市、西部地区部分省会市的有线电视完成向数字化过渡。第二阶段：到 2008 年，东部地区县以上城市、中部地区地(市)级城市和大部分县级城市、西部地区部分地(市)级以上城市和少数县级城市的有线电视基本完成向数字化过渡。第三阶段：到 2010 年，中部地区县级城市、西部地区大部分县以上城市的有线电视基本完成向数字化过渡。第四阶段：到 2015 年，西部地区县级城市的有线电视基本完成向数字化过渡。近日，国务院办公厅转发了发改委等六部门《关于鼓励数字电视产业发展若干政策的通知》[6]，在明确发展目标，优化投融资环境，加强税收优惠支持，推动技术进步，加强市场培育和监管，推进“三网”(宽带通信网，数字电视网和下一代互联网)融合，加强知识产权保护。而中国自己的地面数字电视标准 DMB-TH[7]也已经正式出台。广电总局已经明确，北京、天津、上海、沈阳、青岛、秦皇岛等 6 个奥运城市和广东省广州、深圳市都将在奥运期间开播地面高清电视节目。借助北京奥运的契机，数字电视的普及将会得到进一步的大力推进。整个数字电视产业链正在逐步完善，数字电视专用集成电路、高清晰度显示器件、应用软件和系统集成、数字电视节目制作、数字电视网络运营在内的各个行业都将得到蓬勃发展。 1.2 电视调谐器的发展与研究现状从数字电视接收链路简图中可以看到，调谐器(Tuner)是信号在通路中所经过的第一个模块，因此其性能表现对整个系统的性能有至关重要的影响。传统的电视调谐器由分立元件构成，通过印刷电路板(PCB)互连，外型是一个铁盒装置，所以被称为 Can Tuner。内部各个区域实现不同的功能，通过金属将各区域隔离，防止信号之间的串扰。此类调谐器存在几个难以解决的缺陷。 1．性能不稳定。每个器件都有独立的电气和温度特性，因此随着时间推移

第一章概述和外部环境的变化，调谐器的总体性能的变化范围较大，最终导致图像质量的变化。 2.体积较大。因为内部空间需要容纳众多器件，包括芯片，线圈，电容等等，而且要考虑散热的问题。 3.成本较高。调谐器的成本包含内部的多块芯片，线圈，电容，外层铁盒以及PCB板制作费用，价格不菲。近年来，随着集成电路设计和制造能力的不断提升，尤其是射频CMOS工艺的不断成熟，单芯片全集成的电视调谐器越来越受到关注，并且成为各大公司和科研机构追逐的热点，也逐渐成为调谐器市场的主流。其微小的体积，在追求精致外观的现代化电子设备制造商中备受欢迎：其低廉的价格，更是在市场上具有极强的竞争力：因为采用CMOS工艺，使得调谐器和后级解调器等数字模块的集成成为可能，这也更加凸显出其在成本上的优势。图1-5展示了欧洲DiBcom公司调谐器产品的演进过程[8]。早期是传统的 Can Tuner,然后成功地实现了硅单芯片调谐器产品，最后将调谐器和数字解调模块集成到了一块面积为12mm×12mm的芯片上。通过集成度的不断提高，面积和成本上的优势得到淋漓尽致的体现。目前，针对卫星接收（如DVB-S)和手持式设备（如DVB-H)的单芯片电视调谐器的研究己经比较成熟[9,10]，且都达到了很好的性能。对于DVB-S标准，虽然信号带宽达到了950-2150MHz,甚至比DVB-T标准略宽，但对于调谐器设计要求而言，其相对于中间频率的调谐范围只需要 77%,而DVB-T标准则达到了180%。在接收动态范围方面，只要求-65~-25 dBm,也比DVB-T小得多。此外，DVB-S采用单一的QPSK调制方式，相对比较简单，对于调谐器输出信噪比的要求比较低，设计难度也就相对较小。而DVB-H标准在信号带宽和功率方面都可以看作是DVB-T标准的一个子集，它占用UHF频段，即47OMHz~860MHz,只是DVB-T标准的其中一个部分。因此，针对DVB-H标准的调谐器芯片，其设计难度必然低于DVB-T标准。正是由于这些难点，应用于地面广播（如DVBT)的单芯片数字电视调谐器研究尚处于起步阶段，在性能、功耗和集成度等方面还存在很大的改进余地。有些研究仍然采用Biploar或者BiCMOS工艺，与后级数字模块的集成比较困难，成本较高。因此，针对DVB-T标准的数字电视调谐器芯片具有更高的研究价值，本文的研究方向就是针对这个标准展开。 g

第一章概述 4 和外部环境的变化，调谐器的总体性能的变化范围较大，最终导致图像质量的变化。 2．体积较大。因为内部空间需要容纳众多器件，包括芯片，线圈，电容等等，而且要考虑散热的问题。 3．成本较高。调谐器的成本包含内部的多块芯片，线圈，电容，外层铁盒以及 PCB 板制作费用，价格不菲。近年来，随着集成电路设计和制造能力的不断提升，尤其是射频 CMOS 工艺的不断成熟，单芯片全集成的电视调谐器越来越受到关注，并且成为各大公司和科研机构追逐的热点，也逐渐成为调谐器市场的主流。其微小的体积，在追求精致外观的现代化电子设备制造商中备受欢迎；其低廉的价格，更是在市场上具有极强的竞争力；因为采用 CMOS 工艺，使得调谐器和后级解调器等数字模块的集成成为可能，这也更加凸显出其在成本上的优势。图 1-5 展示了欧洲 DiBcom 公司调谐器产品的演进过程[8]。早期是传统的 Can Tuner，然后成功地实现了硅单芯片调谐器产品，最后将调谐器和数字解调模块集成到了一块面积为 12mm×12mm 的芯片上。通过集成度的不断提高，面积和成本上的优势得到淋漓尽致的体现。目前，针对卫星接收(如 DVB-S)和手持式设备(如 DVB-H)的单芯片电视调谐器的研究已经比较成熟[9,10]，且都达到了很好的性能。对于 DVB-S 标准，虽然信号带宽达到了 950-2150MHz，甚至比 DVB-T 标准略宽，但对于调谐器设计要求而言，其相对于中间频率的调谐范围只需要 77%，而 DVB-T 标准则达到了 180%。在接收动态范围方面，只要求-65~-25 dBm，也比 DVB-T 小得多。此外，DVB-S 采用单一的 QPSK 调制方式，相对比较简单，对于调谐器输出信噪比的要求比较低，设计难度也就相对较小。而 DVB-H 标准在信号带宽和功率方面都可以看作是 DVB-T 标准的一个子集，它占用 UHF 频段，即 470MHz~860MHz，只是 DVB-T 标准的其中一个部分。因此，针对 DVB-H 标准的调谐器芯片，其设计难度必然低于 DVB-T 标准。正是由于这些难点，应用于地面广播(如 DVB-T)的单芯片数字电视调谐器研究尚处于起步阶段，在性能、功耗和集成度等方面还存在很大的改进余地。有些研究仍然采用 Biploar 或者 BiCMOS 工艺，与后级数字模块的集成比较困难，成本较高。因此，针对 DVB-T 标准的数字电视调谐器芯片具有更高的研究价值，本文的研究方向就是针对这个标准展开