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采用0.18μm CMOS工艺实现单芯片极窄微弱脉冲检测

小序

跟着大年夜规模集成电路的成长,单芯片规划因为资源低、体积小、功耗低等优点,被越来越多的电子系统所采纳。

微弱脉冲旌旗灯号检测和识别在通信、医疗中都有广泛利用,将微弱脉冲旌旗灯号检测系统单芯片化具有现实的钻研意义。

1 、微弱脉冲检测系统框架设计

本系统的设计目标是用低资源CMOS工艺实现1ns、10mV脉冲旌旗灯号的检测,并输出FPGA可处置惩罚的数字旌旗灯号,用于超宽带无线通信OOK接管通道,见图l。

对付纳秒级旌旗灯号的检测,传统接管机规划采纳必要高速时钟的高速ADC来实现模数转换,高速时钟孕育发生电路一样平常利用频率综合器规划,耗损较大年夜面积和功耗,且同样必要外接参考时钟。

高速ADC应用时钟的紧张缘故原由之一是为了使用正反馈来增补放大年夜器在高频环境下的增益不够。跟着集成电路工艺的进步,器件寄生电容越来越小,0.18μm CMOS工艺截止频率已达40GHz,经由过程应用有源电感,已可以在较低功耗下实现较高的高频增益。

本系统要求单片集成,低资源、低功耗,采纳多级放大年夜器级联的规划来前进检测系统的分辨率,并对输出旌旗灯号经由过程延时电路来加大年夜脉宽,低后进续基带部分数字旌旗灯号处置惩罚电路的压力。

本系统详细框架见图2所示。前一级是片外的检波器,经由过程50Ω微带线将旌旗灯号输入,以是本系统必要将输入阻抗匹配为50Ω。本系统第一级为共栅型放大年夜器,主要为系统实现输入匹配,并供给必然的增益。第二级为一个4输入放大年夜器,可外置阈值电平。第三级为一个高频放大年夜器,应用了有源电感,可以在较低功耗下达到较高的带宽。第四级为差分转单端放大年夜器,将差分旌旗灯号转为单端,并供给必然的增益。第五级为一对反相器,供给非线性增益,将旌旗灯号整形为数字旌旗灯号。第六级为可控脉冲展宽电路,将1ns脉冲展宽为5ns。着末一级为反相器阵列组成的驱动,可以驱动5pF电容和50Ω电阻。本系统同时集成了为核心电路供给电流的带隙基准电路。

2 、主要电路模块设计

2.1 共栅型放大年夜器A1

本检测系统第一级为了较完备地接管并放大年夜从片外50Ω微带线传来的极窄脉冲旌旗灯号,应用了输入阻抗较低的共栅型放大年夜器Al,见图3。经由过程拔取相宜的宽长比及偏置电流,M3、M4的跨导为20ms,A1的S11在1G带宽内小于-10。R1、R2作为A1的负载,选用较为正确的高阻poly电阻,但其在工艺制作中仍会有较大年夜的绝对误差。第一级中旌旗灯号较为微弱,A1中应用了共模反馈电路来稳定输出真个直流因素,并抑制较低频段的共模噪声。

共模反馈电路中,M5的栅端经由过程R3、R4检测输出真个共模电平与Vref对照,将差值反馈于M11的栅端,进而改变M3等放大年夜器核心器件的电流,构成了负反馈环路。V1、Il等偏置均为片内带隙基准电路部分孕育发生。

2.2 前置放大年夜器A2

本放大年夜器核心部分为两对差分对管:M21、M22的栅端接差分输入脉冲旌旗灯号,M23、M24的栅端分手接直流参考电压Vref+、Vref-,输出旌旗灯号Vo2见式(1)。当脉冲旌旗灯号Kin大年夜于Vref时,Vo2为正,颠末后级电路模块的放大年夜及整形,输出高电平(>1.79V);反之输出低电平(<0.1V)。

2.3 应用有源电感的放大年夜器A3

A3的电路布局见图3。M33前进了放大年夜器低频增益的同时,显明增大年夜了输出端Vout-和输入端共源放大年夜管M3l的漏端之间的阻抗,阻隔了输出端旌旗灯号经由过程M3l的栅漏交叠电容Cgd_M31回流输入真个通路,从而前进了放大年夜器的稳定性;同时低落了M31栅端到其漏真个增益AM31使M31栅真个密勒等效电容Cmil(见式(2))大年夜为低落,从而前进了放大年夜器的带宽。

因为SMIC 0.18μm工艺寄生电容的影响,A3作为本系统的主放大年夜器,还必要电感特点器件来进一步前进其带宽达到1GHz。

虽然片上电感的噪声机能优于有源电感,但占用太大年夜面积。图5中M37、M39、C31、M38构成了有源电感,见图6,其阻抗中有一个零点来拓展带宽,见式(3)

2.4 差分转单端放大年夜器A4及脉冲整形A5

差分电路对共模滋扰包括电源和地的颠簸具有较高的抑制能力。本系统前几级中旌旗灯号较为微弱,需用差分形式通报。旌旗灯号颠末A4放大年夜后,比较共模滋扰已足够大年夜,故转变为单端形式以低落功耗。

当输入脉冲旌旗灯号靠近Vref时,A4输出端电压必要进一步整形才能变为数字旌旗灯号。A5为一对反相器,可以大年夜大年夜前进脉冲检测的灵敏度。

3 、结果阐发

图7为本系统第四级A4后的AC阐发结果,增益可达62dB,3dB带宽可达816.6MHz,1GHz时增益为57dB。图8为本系统各级瞬态波形,a为输入的1.1ns、3mV脉冲旌旗灯号,b为A4后的波形,幅度为758mV,c为A5整形后获得的1.8V脉冲波形,d为颠末A6展宽后4.79ns脉宽的波形。图9为本系统芯片照片,大年夜小为O.66×0.49mm,功耗为32mW。在图1所示的系统中,可以传送40M数据率的清晰视频。

4 、结语

本文设计的单芯片极窄微弱脉冲检测系统,事情稳定,采纳CMOS工艺,低资源、低功耗,且尚有较大年夜改进余度。

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