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本文就应用于毫米波/THz波段集成电路收发机中频解调的自动增益控制系统展开研究,实现一款针对130GHz收发系统,在宽温度范围内可通过Gb/s数据信息的自动增益控制系统芯片。该芯片由可变增益放大器、指数电压发生器、直流漂移消除模块、固定增益放大器、峰值检波器、积分器以及温度补偿模块组成,采用IHP0.13μmSiGeBiCMOS工艺实现,芯片面积为1mm2。本论文完成带有温度补偿的宽带自动增益控制系统的构架搭建和电路设计、仿真、版图绘制及流片测试,其主要创新点有:
1)为自动增益控制系统改进一种引入温度参量的线性化修正模型,简化复杂的非线性分析,并使温度对整体系统的影响一目了然,为成功的电路设计指明方向。
2)解决传统指数电压发生器在低电压下输出指数增益控制电压失真的问题,改进一种对称结构的指数电压发生器。该结构具有良好的对称性,适用于低电源电压环境,为可变增益放大器实现良好的dB线性控制特性奠定基础。
3)针对一般高频宽带自动增益控制系统由于带宽考量去除共模反馈机制而影响系统总体动态范围的问题,本文提出在直流漂移消除模块引入改进的ftdoubler电路来同时消除共模和差模直流漂移。这种方法不仅消除直流漂移且降低该模块等效输入电容值,有利于系统宽带的实现。
4)针对应用于高速信号检波的开环峰值检波器非线性严重的问题,本文提出一种线性开环峰值检波器,该检波器结构简单、频响范围宽且具有线性响应的特点,十分适用于高速线性系统检波。此外,配合该新型峰值检波器,文中还提出一种参考电平移位电路。该电平移位电路考虑到峰值检波器压缩输出信号峰值以及随温度漂移的问题,实现与峰值检波器相同的压缩系数以及温度系数,保证自动增益控制系统在宽温度范围内的比较精确度。
5)针对具有恒定增益建立时间特点的高速宽带自动增益控制系统性能随温度漂移的问题,本文提出一种基于结构补偿的温度补偿方式,在实现温度温度补偿的同时,不影响系统的宽带特性。
芯片的测试结果表明,该自动增益控制芯片带宽可达7.5GHz,在-20℃～200℃温度范围内,5Gb/s215-1PRBS码输入时,输出信号眼图峰峰值抖动小于40ps,且RSSI测量误差小于±0.3dB。这些测试结果有力地表明了本论文理论的正确性和可行性。在高速数据传输自动增益控制集成电路领域中,本芯片首次实现了宽温度补偿以及最低的RSSI误差,极大地拓展了其环境适用范围,提高了其RSSI精度及应用可靠性。