论文总字数：27702字

摘 要

无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是一种由传感器节点组成的无线网络，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，在许多领域都有着广泛的应用前景。而用于传感器节点之间通信的射频收发机芯片是WSN的关键。随着无线通讯技术的发展以及半导体工艺技术的进步，射频收发机芯片需要满足低成本、高集成度的要求，其关键技术之一就是实现高集成度的片内集成滤波器。然而片内集成滤波器的性能对工艺和工作环境变化极为敏感，需要调谐系统实现滤波器的中心频率、带宽和Q值调谐。设计出调谐系统实现滤波器的Q值调谐是本文的主要内容。

本课题拟采用TSMC 0.18μm CMOS工艺，重点介绍滤波器调谐系统中压控振荡器和电压电流转换器的设计。该滤波器应用于低中频结构的接收机中，滤波器主体电路采用基于五阶切比雪夫低通原型的有源Gm-C结构。电路中跨导单元采用具有低功耗和易调谐的特点的Nauta跨导。频率调谐环路采用锁相环技术，Q值调谐电路通过压控振荡器的等幅振荡，实现积分器的Q值调谐，同时设计电压电流转换器对滤波器Q值进行调谐。

关键词：低中频结构，Nauta跨导，Q值调谐，压控振荡器，电压电流转换器

A DESIGN OF VOLTAGE CONTROLLED OSCILLATOR AND VOLTAGE-TO-CURRENT CONVERTER FOR THE TUNING SYSTEM IN FILTE

Abstract

Wireless sensor networks (WSN) is a kind of wireless network which is made up ofa large number of static or mobile sensors exists as a self-organization and multi hop mode, to perceive, collect, process and transmit the information of the perceived objects in the geographical area covered by network cooperatively. It has a broad application prospect in many fields.And theRF transceiver chip used for communications between sensor nodes is the key of WSN. With the development of wireless communication technology and the progress of semiconductor process technology, RF transceiver chip need to meet the requirements of low cost and high integration, one of its key technology is to achieve a high level of integration on chip integrated filter.The integrated filter is extremely sensitive to the varieties of process and work environment, it needs tuning system to realize the tuning of filter center frequency, bandwidth, and Q factor. SO, an important aspect of this paper is about the design of the tuning system to realize the tuning of the filter Q factor.

This paper emphasis on the design of voltage controlled oscillator and voltage-to-current converterfor the filter tuning system which is based on TSMC 0.18 μm CMOS process. The filter is applied to low intermediate frequency of the structure of the receiver. A Gm-C topology based on 5th-order Chebyshev low-pass is used for themain circuit of the filter. Nauta'stransconductor with lowconsumption and easily tuning is adopted in the circuit. Frequency tuning circuit adopts the technology of the phase-locked loop, and Q factor tuning circuit can realize the Q factortuningof the integrator through the persistent oscillation of the voltage-controlled oscillator. At the same time designinga voltage-to-current converter for filter Q value tuning.

KEY WORDS: low IF topology, Nauta'stransconductor, Q factor tuning, voltagecontrolled oscillator, voltage-to-current converter.

目录

第一章 绪论 1

1.1课题背景与意义 1

1.1.1 无线通信简介 1

1.1.2无线传感器网络简介 1

1.2国内外研究现状 2

1.3研究目标和主要内容 5

1.3.1 设计指标 5

1.3.2研究主要内容 6

1.4论文结构 7

第二章 滤波器调谐系统 8

2.1滤波器发展史 8

2.2滤波器的选择 9

2.3调谐系统的选择 9

2.3.1调谐系统的工作方式 9

2.3.2 Gm-C滤波器的Q值调谐 11

2.4本章小结 16

第三章 跨导电路设计 18

3.1跨导电路结构 18

3.2跨导电路的工作原理 18

3.2.1 跨导共模信号抑制和差模信号增强的原理 20

3.3跨导电路的器件参数 21

3.4本章小结 21

第四章 Q值调谐系统的设计 22

4.1 Q值调谐系统原理 22

4.1.1 传统的VCO调节环路 22

4.1.2 Nauta跨导的滤波器调谐环路 23

4.1.3 VCO工作机理 24

4.2 Q值调谐系统电路实现 25

4.2.1 VCO单元 26

4.2.2 缓冲器单元 28

4.2.3 电压/电流转换器单元 30

4.3 本章小结 35

第五章 总结与展望 37

5.1 总结 37

5.2 展望 38

参考文献 39

致谢 40

第一章 绪论

1.1课题背景与意义

1.1.1 无线通信简介

无线通信（Wireless Communication）是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式，是近些年来信息通信领域中，发展最快、应用最广的技术。近20年来，通信技术得到了迅猛的发展，极大地推动了社会的进步，同时其中的佼佼者无线通信技术也在潜移默化地渗透到了我们生活的方方面面，比如蓝牙、3G、4G、wlan等技术都是当下最热门的无线通信技术的应用。

无线通信具有以下特点：

不受时间、空间限制。大多数情况下，人们对于通信运用的时间、地点都是无法预估的，特别的遭遇特殊状况时更是如此，而无线通信技术不受时空约束的特点，可以使人们在大多数时候采用灵活多变的手段，保证信息高效的传输与获取。

具备高机动性及可用性。灵活多变的通信方式，小巧易携带的通信设备，大容量化的系统，使得其具有高机动性及可用性，这在军事领域应用的尤为广泛。

受自然因素影响小。与传统的有线通信相比较，无线通信摒弃了冗余的“线”，使得通信过程更加可靠，当遇到闪电，地震，台风等自然灾害时就显示了无线通信的优越性。一般情况下除非信号干扰都能进行正常通信，这也是无线通信最显著的特点。

1.1.2无线传感器网络简介

随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器的日益成熟，微机电系统和片上系统等的快速发展，无线传感器网络（Wireless sensor network，WSN）应运而生，它融合了上述几种技术的技术特点，正以其低功耗、低成本、分布式和自组织等特点带来一场信息感知的变革。WSN就是由部署在监测区域内的传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统^[1]，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并进行发布。它在环境监测、医疗护理、目标跟踪、军事领域等领域有着广阔的应用前景。正如互联网技术一样，人们可以通过互联网知晓各地的图片，文字，语音信息，无限传感络也将数量巨大的传感器组建成传感器网络，可使人们探测到更广阔的领域。随着无限通讯技术的飞速发展，传感器测试技术也朝着微型化，智能化，无线化，网络化发展，无限传感器网络将成为传感器技术发展的趋势所向。

射频收发模块是无线传感器网络芯片的重要组成部分，它的性能和功耗将直接影响整个系统。同时射频收发机芯片的设计也是整个无线传感网硬件技术发展的一个主要瓶颈，受到世界范围的关注和研究^[2,3]。传统的射频收发机工艺采用分立的原件设计，不仅稳定性低，而且成本较高不利于广泛使用，在降低成本的驱动下，成本低廉，集成度高，能够满足高性能射频收发芯片的要求的CMOS工艺应运而生。研究出低成本高性能的工作在射频频段的集成电路芯片一直是国际上研究的热点之一。射频电路的单片集成相较于传统工艺，有更小的体积与功耗，带来更低廉的成本，更适合于无线传感网络这种用量大并且要求低功耗的产品。射频收发机的传统工艺大都使用片外滤波器，不仅体积大而且成本高，目前普遍使用片内滤波器，但是片内滤波就要考虑芯片老化，芯片内原件参数值受工艺和环境因素的影响等问题^[4]，这些因素都会影响滤波器内部跨导和电容值，最终改变积分器的参数，使滤波器中心频率，带宽以及Q值发生偏差，而本文的重点就是设计出合适的调谐系统调节滤波器的Q值，保证滤波器的性能稳定。

1.2国内外研究现状

目前国内外射频接收机的可选结构方案通常有高中频、低中频、零中频。

传统的高中频结构是通信收发机领域中应用最广的一种，其基本原理是将接收进来的射频信号与本振频率进行混频，下变频到较低的中频，前一级要有一个低噪声放大器(LNA),因为混频器一般有较高的噪声，高中频结构中的变频可能不止一次，多次变频的架构中，系统总放大倍数可以被分配到不同的频率上，这样可以提高稳定性并且提高系统的总增益。高中频接收机结构如图1.1所示^[5]。

图1.1 高中频接收机结构

该结构中包含了两个混频器，从射频到基带有两次频率变换，因此有两个不同的中频。射频频带选择滤波器BPF1接收到经过天线传输的射频信号，进行系统频段的选择，滤除频段外干扰；滤波后的射频信号经过低噪声放大器(LNA)的放大，既提供了足够增益，也保证了混频器及后级的噪声系数和灵敏度产生轻微的影响，整个接收机能否获得较好的灵敏度就取决于低噪声放大器的性能；镜像抑制滤波器BPF2的作用是进行镜像信号抑制，经过两次混频和信道选择最终得到所需的中频信号。

高中频接收机的一个显著特点是：每一次频谱变换，载频fc附近的有用信号和载频fc 2fi (或fc-2fi)附近的镜像信号都会同时被变换到中频，从而使有用信号在中频被恶化。因此，混频之前进行镜像抑制是必须的。镜像抑制滤波器的性能直接受制于载频与中频之间的比值，如果比值较大就需要Q值很高的滤波器，往往采用片外无源SAW滤波器来实现镜像抑制，但是片外元件昂贵，板级体积较大，引脚数较多，成本较高，同时还会引入很大的寄生电容影响整个电路的性能。为了使所需滤波器Q值不会太高，易于实现，一般都将载频和中频的比值取得较小，这样就必然要取一个高中频逐级向下变换，就会产生多级变换结构，但是这种结构的复杂度、功耗、成本等都较高，显然都是不利于集成的。

高中频接收机的一个显著缺点就是存在镜像抑制问题，而零中频的接收机结构，解决了这个问题。在零中频结构中，射频信号被直接下变频到基带，这种情况下镜像信号就是射频信号本身，但是这并没有消除镜像抑制的问题，信号的上下边带叠加在了一起。这个问题可以采用I/Q两路下变频(复混频)方法来解决，如图1.2所示^[5]。

图1.2 零中频接收机

采用零中频的方案可以省去高中频结构中价格昂贵且难以集成的镜像抑制滤波器(如声表面SAW滤波器)的使用，接收机的整体面积、成本和功耗都较低，非常适合单片集成。

虽然零中频结构看上去比高中频结构简单很多，但是还是存在一系列问题^[6,7]：

1)在这种接收机中，对镜像信号的抑制是通过彼此正交的正弦信号与高频信号混频来消除的，所以这两条支路的匹配程度决定了抑制率。因此这种结构就会对失配很敏感，失配引起的幅度和相位误差，就会造成镜像信号抑制率的下降。

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