第29卷第6期 半导体学报 Vol.29 No.6 2008年6月 JOURNAL OF SEMICONDUCTORS June,2008 一种全集成CMOS数字电视调谐器射频前端* 金黎明1倪熔华1廖友春2闵昊1唐长文1， (1复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室，上海201203) (2上海锐协微电子科技有限公司，上海200433) 摘要：设计了一种全集成CMOS数字电视调谐器(DTV tuner)射频前端电路，该电路采用二次变频低中频结构，集成了低 噪声放大器、上变频混频器、下变频混频器等模块.芯片采用0.18 m CMOS工艺实现，测试结果表明，在50~860MHz频 率范围内，射频前端能够实现很好的输入阻抗匹配，并且总的增益变化范围达到2OdB.其中，在最大增益模式下，电压增益 为+33dB,单边带噪声系数(SSB NF)为9.6dB,输入参考三阶交调点(IIP3)为-11dBm:在最小增益模式下，电压增益为 +14dB,单边带噪声系数为28dB,输入参考三阶交调点为+8dBm.射频前端电路面积为1.04mm×0.98mm,工作电压为 1.8V,消耗电流为30mA. 关键词：电视调谐器；二次变频；低中频；全集成 EEACC:1205;1250;6420D 中图分类号：TN4 文献标识码：A 文章编号：0253-4177(2008)06-1204-06 频和二次变频.其中一次变频方式虽然结构相对简单， 1引言 但是存在几个难以解决的问题：首先，在DVB-T标准 中，电视信号的频率范围为50~860MHz,中心频率约 随着数字技术的发展，电视地面广播的数字化已是 450MHz,对于一次变频方式，这就要求振荡器相对于中 大势所趋.世界各国纷纷推出适合自己国情的数字电视 心频率有接近200%的调谐范围，这给振荡器的设计带 地面广播标准，如欧洲的DVB-T,日本的ISDB-T,美国 来了相当大的难度；其次，本振频率处于输入信号带宽 的ATSC,中国的强制性国家标准DMB-TH也已经出 之内，本振的泄漏以及电路产生的谐波会对有用信号产 台.于是针对数字电视的调谐器芯片成为研究的热点. 生极大的干扰，并且难以滤除；最后，如果输出采用低中 数字电视调谐器的设计主要分为射频前端、低频模 频，则需要一个截止频率可调的抑制镜像滤波器，这给 拟基带和数字基带三部分·其中低频模拟基带和数字基 芯片的全集成设计带来很大的困难. 带的相关技术已经比较成熟，而射频前端的研究正处于 本设计采用的是二次变频架构，如图1所示.先将 起步阶段，其设计难度主要在于信号的高带宽和大动态 接收到的电视信号上变频至一个确定的中频 范围.因此目前针对卫星电视（如DVB-S标准），手持式 (1120MHz),然后再下变频至较低的中频(7.2MHz). 设备（如DVB-H标准）等应用的单芯片调谐器产品已 这样就使得振荡器只需要有大约50%的调谐范围，易 经比较成熟，但是针对地面广播应用的芯片尚处于研究 于设计实现，并且本振频率处于信号频带之外，本振的 和开发阶段.已有的研究成果[1,2在集成度上仍有缺陷， 泄漏不会对有用信号产生致命影响.对于上变频，因为 采用Bipolar或BiCMOS工艺，价格昂贵，此外还需要 镜像信号处在相对较高的频率，已经被带通滤波器抑 外接声表面滤波器(SAW)和大电容等片外器件，在功 制，无须考虑；对于下变频，因为处理的是单个频道的窄 耗方面也有很大的改进空间. 带信号（通常为8MHz),且中心频率固定（即上变频的 本文针对电视信号高带宽的特点，对系统线性度的 输出频率1120MHz),只需要固定截止频率的镜像抑制 要求作了深人分析.设计的调谐器射频前端电路，采用 滤波器.在本次设计中，因为上变频混频器采用电感电 二次变频架构实现，无需额外的片外器件，通过优化各 容谐振负载，具有一定的选频特性，对于镜像信号有一 模块的增益，噪声和线性度等性能指标，得到优越的系 统性能. 表1DVB-T系统指标 Table 1 System specification of DVB-T 2电视调谐器系统架构 输入信号带宽(band) 50~860MHz 频道(channel)带宽 8MHz 输入信号功率 -90~-20dBm 表1给出了DVB-T标准的几个主要性能指标要 输出信噪比要求 12.5dB(16QAM,码率3/4) 求[3.目前电视调谐器主要存在两种变频方式：一次变 国家高技术研究发展计划资助项目（批准号：2007AA01Z282) t通信作者，Email:zwtang@fudan.cdu.cn 2008-01-12收到，2008-03-14定稿 ©2008中国电子学会第２９卷 第６期 ２００８年６月 半 导 体 学 报 犑犗犝犚犖犃犔犗犉犛犈犕犐犆犗犖犇犝犆犜犗犚犛 犞狅犾．２９ 犖狅．６ 犑狌狀犲，２００８ 国家高技术研究发展计划资助项目（批准号：２００７犃犃０１犣２８２）  通信作者．犈犿犪犻犾：狕狑狋犪狀犵＠犳狌犱犪狀．犲犱狌．犮狀 ２００８０１１２收到，２００８０３１４定稿 ２００８ 中国电子学会 一种全集成犆犕犗犛数字电视调谐器射频前端 金黎明１ 倪熔华１ 廖友春２ 闵 昊１ 唐长文１， （１ 复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室，上海 ２０１２０３） （２ 上海锐协微电子科技有限公司，上海 ２００４３３） 摘要：设计了一种全集成 犆犕犗犛数字电视调谐器（犇犜犞狋狌狀犲狉）射频前端电路．该电路采用二次变频低中频结构，集成了低 噪声放大器、上变频混频器、下变频混频器等模块．芯片采用０１８μ犿 犆犕犗犛工艺实现，测试结果表明，在５０～８６０犕犎狕频 率范围内，射频前端能够实现很好的输入阻抗匹配，并且总的增益变化范围达到２０犱犅．其中，在最大增益模式下，电压增益 为＋３３犱犅，单边带噪声系数（犛犛犅犖犉）为９６犱犅，输入参考三阶交调点（犐犐犘３）为－１１犱犅犿；在最小增益模式下，电压增益为 ＋１４犱犅，单边带噪声系数为２８犱犅，输入参考三阶交调点为＋８犱犅犿．射频前端电路面积为１０４犿犿×０９８犿犿，工作电压为 １８犞，消耗电流为３０犿犃． 关键词：电视调谐器；二次变频；低中频；全集成 犈犈犃犆犆：１２０５；１２５０；６４２０犇 中图分类号：犜犖４ 文献标识码：犃 文章编号：０２５３４１７７（２００８）０６１２０４０６ １ 引言 随着数字技术的发展，电视地面广播的数字化已是 大势所趋．世界各国纷纷推出适合自己国情的数字电视 地面广播标准，如欧洲的 犇犞犅犜，日本的犐犛犇犅犜，美国 的 犃犜犛犆，中国的强制性国家标准 犇犕犅犜犎 也已经出 台．于是针对数字电视的调谐器芯片成为研究的热点． 数字电视调谐器的设计主要分为射频前端、低频模 拟基带和数字基带三部分．其中低频模拟基带和数字基 带的相关技术已经比较成熟，而射频前端的研究正处于 起步阶段，其设计难度主要在于信号的高带宽和大动态 范围．因此目前针对卫星电视（如 犇犞犅犛标准），手持式 设备（如 犇犞犅犎 标准）等应用的单芯片调谐器产品已 经比较成熟，但是针对地面广播应用的芯片尚处于研究 和开发阶段．已有的研究成果［１，２］在集成度上仍有缺陷， 采用 犅犻狆狅犾犪狉或 犅犻犆犕犗犛工艺，价格昂贵，此外还需要 外接声表面滤波器（犛犃犠）和大电容等片外器件，在功 耗方面也有很大的改进空间． 本文针对电视信号高带宽的特点，对系统线性度的 要求作了深入分析．设计的调谐器射频前端电路，采用 二次变频架构实现，无需额外的片外器件，通过优化各 模块的增益，噪声和线性度等性能指标，得到优越的系 统性能． ２ 电视调谐器系统架构 表１给出了 犇犞犅犜 标准的几个主要性能指标要 求［３］ ．目前电视调谐器主要存在两种变频方式：一次变 频和二次变频．其中一次变频方式虽然结构相对简单， 但是存在几个难以解决的问题：首先，在 犇犞犅犜 标准 中，电视信号的频率范围为５０～８６０犕犎狕，中心频率约 ４５０犕犎狕，对于一次变频方式，这就要求振荡器相对于中 心频率有接近２００％的调谐范围，这给振荡器的设计带 来了相当大的难度；其次，本振频率处于输入信号带宽 之内，本振的泄漏以及电路产生的谐波会对有用信号产 生极大的干扰，并且难以滤除；最后，如果输出采用低中 频，则需要一个截止频率可调的抑制镜像滤波器，这给 芯片的全集成设计带来很大的困难． 本设计采用的是二次变频架构，如图１所示．先将 接 收 到 的 电 视 信 号 上 变 频 至 一 个 确 定 的 中 频 （１１２０犕犎狕），然后再下变频至较低的中频（７２犕犎狕）． 这样就使得振荡器只需要有大约５０％的调谐范围，易 于设计实现，并且本振频率处于信号频带之外，本振的 泄漏不会对有用信号产生致命影响．对于上变频，因为 镜像信号处在相对较高的频率，已经被带通滤波器抑 制，无须考虑；对于下变频，因为处理的是单个频道的窄 带信号（通常为８犕犎狕），且中心频率固定（即上变频的 输出频率１１２０犕犎狕），只需要固定截止频率的镜像抑制 滤波器．在本次设计中，因为上变频混频器采用电感电 容谐振负载，具有一定的选频特性，对于镜像信号有一 表１ 犇犞犅犜系统指标 犜犪犫犾犲１ 犛狔狊狋犲犿狊狆犲犮犻犳犻犮犪狋犻狅狀狅犳犇犞犅犜 输入信号带宽（犫犪狀犱） ５０～８６０犕犎狕 频道（犮犺犪狀狀犲犾）带宽 ８犕犎狕 输入信号功率 －９０～－２０犱犅犿 输出信噪比要求 １２５犱犅（１６犙犃犕，码率３／４）