基于IC615的射频接收集成电路设计(实例)

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1、附录A基于SpectreRF的GPS-L1接收机设计说明：该接收机采用低中频架构来实现，中频频率为4.092MHz（本振频率处于下频率段，为1571.328MHz）。包含的主要核心模块为：LNA,正交Downconverter,ComplexBPF,PGA,AGC,ADC,PLL以及相关滤波器带宽校准电路RCCalibrator。为了加快仿真速度，本设计中的VCO模块和其它算法模块（AGC校准算法中的译码电路，二进制搜索算法，参考频率分频器等）均采用Verilog-A语言进行建模（可参考附录B,C,D,E）。另

2、外在进行频率综合器的设计时，为了将AFC算法以及小数分频中的Sigma-Delta（SD）调制器也进行实现，我们将其设计成宽范围输出，但是固定其输入参考频率和分频比，因此在保证PLL环路稳定的情况下可以大大简化电荷泵和环路滤波器的设计复杂度。因此我们将VCO设计成宽范围输出，包括16条压控频率线，同时将AFC算法、SD调制器以及加法模块也利用Verilog-A进行实现（附录F,G,H），提升仿真速度。其它模块的设计均在晶体管级进行实现（即使在此情况下，利用典型的设计服务器，完成系统级仿真也需要约4天时间）。本设

3、计采用0.18μmCMOS工艺进行实现，电源电压为3.3V（简单起见，省去了LDO等稳压电源模块），所有的仿真均在典型工艺角下进行（个别仿真会采用多种工艺角进行验证），本附录的最终目的是提供一个学习型的设计案例，并给出具体的仿真结果（模块级和系统级）。需要补充说明的是：接收机在设计过程中，如果严格按照相应的设计理论，有时会引入非常大的计算量，并且还会造成一定的设计冗余，例如，在设计LNA时，只要设计的指标，如噪声系数、线性性能、增益以及功耗等满足工程需要即可，所以对于RF电路的设计，有时经验和直觉显得尤为重要，

4、它往往可以在避免复杂理论计算的情况下确定较优的电路设计参数。当然，严格的理论计算在针对最优化模块设计时却是必不可少的。本接收机的设计主要依据工程经验进行设计，只是在某些电路参数确定时，进行了一定程度的折中（直觉的结果）。Divider_20RCCalibratorBalunfortestAGCPGAADCDownconverterComparatorLNAComplexBPFDivider_2046DecoderDigitalIntegratorORGateDivider_64VddCMOS-levelConv

5、erterVdd/2TGTGAFCTGTGCMLTGCPPFDVCODivider-2TGProgrammableDividerEdge-SharpedAdderSDModulator图A.1GPS-L1射频接收机系统架构图A.2LNA电路结构图本接收机中LNA的电路如图A.2所示，由于该电路的偏置是通过基于NMOS管的二极管与电阻串联分压得到的，因此产生的偏置电压与工艺角以及电源电压的变化关系密切，因此LNA的主体电路在设计时必须留有足够的电压余量，否则很有可能导致电路中的某个管子工作在线性区从而引入较大的非

6、线性失真。为了减小偏置电压与工艺角以及电源电压的关系，上图中的NMOS二极管可以采用电流镜来替代。图A.2中LNA电路的匹配网络采用电感源简并技术来实现，本附录中的LNA为了设计简单，我们直接选取噪声较优情况下的晶体管宽长比的一个经验值160μm/0.18μm。通过设定其导通电流为3mA（工程设计中，LNA的噪声系数在1dB左右时，其消耗的电流约为3mA），过驱动电压选取为0.2V，然后在此基础上确定两个电感L0和L2的值，确定它们的值的方法可以通过参数扫瞄的方式来实现，即通过扫描输入阻抗的实部找出最优的L0的

7、值，然后再扫瞄其虚部确定L2的值。求得的L0的值约为0.7nH，L2的值约为28nH。晶体管M1的宽长比和过驱动电压设定为和M0相同，在保证良好的隔离度（经验值小于-45dB，高的隔离度可以保证LNA无条件稳定）的同时，还可以使Cascode结构中M0的本征增益降为0dB，降低Miller效应对阻抗匹配性能的影响。电容C0和电感L1组成并联谐振网络，谐振频率为GPS-L1的中心频率，1575.42MHz，并做为第一级放大电路的负载，同时起到带外滤波的作用，可以显著的提高接收机的带外线性性能，晶体管M2和电阻R1

8、组成第二级共源放大电路，为了简单起见，M2的宽长比以及过驱动电压和M0相同，电阻R1阻值的确定需要综合考虑增益和电压裕度的折中关系，选取为300ohm。电容C1提供第二级放大的交流地。图A.3LNA匹配性能仿真图A.3、图A.4以及图A.5给出了该LNA的仿真匹配性能、噪声性能以及仿真的增益，从仿真结果中可以看出，该LNA在1575.42MHz处的仿真反射系数低于-20dB，仿真的噪声