應用於數位視頻廣播系統中具自動校正機制的連續時間Tow-Thomas濾波器之設計

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蔡志育(Jhih-Yo Tsai) 查詢紙本館藏

畢業系所

電機工程學系

論文名稱

應用於數位視頻廣播系統中具自動校正機制的連續時間Tow-Thomas濾波器之設計
(Design of Continuous-Time Tow-Thomas Filter with Auto-Tuning Mechanism for DVB-T/H Receiver)

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摘要(中)

本篇論文描述一個應用在歐規陸地/手持式數位視頻廣播系統(DVB-T/H)中基頻接收端通訊系統的類比前端電路(AFE)。吾人使用一個足夠頻寬的全差動放大器於接收端內訊號路徑上構成一個4 MHz的六階Chebyshev低通濾波器。顧及製程與溫度變動會使得濾波器參數偏移，吾人使用自動校正機制將濾波器之參數調整在我們所要的區間內。吾人使用台灣積體電路公司(TSMC)所提供之0.18微米金氧半製程來進行設計驗證。佈局後(post-layout)模擬結果顯示，本電路在操作電壓為1.8 V時，其動態增益有53dB，頻寬之校正誤差小於5%，導通帶漣波在2dB內，雙端輸入模擬出的總諧波失真(THD)小於-60dB，消耗功率為38.9毫瓦。

摘要(英)

This thesis describes an analog font end (AFE) specifically designed for the DVB-T/H applications. A Chebyshev low-pass filter, which is with 4-MHz bandwidth and consists of a fully differential amplifier with sufficient bandwidth, has been developed and added in the signal path of the receiver. Considering the parameter offsets of the designed filter stemming from the process and temperature variations, an auto-tuning mechanism has been proposed to calibrate the parameters such as the central frequency and quality factor. Post-layout simulation results from the designed filter in a TSMC 0.18-μm CMOS process show that it has a dynamic range of 53 dB, calibration error of less than 5%, pass-band ripple of less than 2 dB, total harmonic distortion of less than 60 dB, and power consumption of 38.9 mW, under the nominal supply voltage of 1.8 V.

關鍵字(中)

★ 自動校正機制

關鍵字(英)

★ Auto-tuning

論文目次

目錄
摘要 i
Abstract ii
致謝 iii
目錄 iv
圖目錄 vii
表目錄 x
第一章緒論 1
1.1 數位視頻廣播發展現況 1
1.2 研究動機 3
1.3 論文架構 4
第二章系統架構與設計 6
2.1 接收機架構 6
2.1.1 低中頻接收機架構 7
2.1.2 零中頻接收機架構 10
2.1.3 雙次轉頻第二零中頻接收機架構 14
2.2 接收機規格 16
第三章類比前端電路設計 18
3.1 連續時間濾波器理論 18
3.2 濾波器頻率響應特性介紹 19
3.2.1 Butterworth頻率響應 20
3.2.2 Chebyshev I 頻率響應 22
3.2.3 Chebyshev II 頻率響應 23
3.2.4 Elliptic 頻率響應 24
3.2.5 濾波器頻率響應的比較 25
3.3 濾波器架構的分析與比較 26
3.4 濾波器架構與分析 27
3.4.1 Tow-Thomas濾波器 27
3.4.2 Sallen-Key濾波器 31
3.4.3 Leap-frog濾波器 33
3.5 綜合討論 36
3.6 模擬結果 37
第四章自動校正機制架構與分析 39
4.1 濾波器之校正方法 39
4.1.1 直接型校正架構 39
4.1.2 間接型校正架構 40
4.1.3 交換型校正架構 41
4.2 頻率校正 42
4.2.1 利用積分器時間常數的振幅鎖定迴路 42
4.2.2 使用鎖相迴路的校正方法 43
4.3 品質因素校正 44
4.3.1 振幅鎖定迴路 44
4.4 Tom-Thomas濾波器之校正分析 45
4.4.1 Tow-Thomas濾波器之偏移 46
4.4.2 Tow-Thomas濾波器之校正機制 47
4.5 模擬結果 50
第五章自動校正濾波器之設計 53
5.1 設計考量 53
5.1.1 線性度 54
5.1.2 閃爍雜訊 55
5.1.3 頻率補償技術 57
5.2 自動校正濾波器之電路實現 59
5.2.1 前饋式補償的全差動運算放大器 61
5.2.2 共模回授電路 64
5.2.3 使用電晶體分流電路 65
5.2.4 輸入可變電組 67
5.2.5 輸出緩衝器 68
5.2.6 比較器 69
5.3 晶片佈局與模擬結果 70
5.3.1 模擬結果 72
5.4 綜合討論 77
第六章結論與未來展望 79
6.1 結論 79
6.2 未來展望 80
參考文獻 81
圖目錄
圖 1 1 DVB-H系統架構概念圖 2
圖 1 2 時間切片圖示 3
圖 2 1 理想接收機 7
圖 2 2 低中頻接收機架構 8
圖 2 3 鏡像頻率干擾 9
圖 2 4 鏡像抑制濾波器 9
圖 2 5 (A)高中頻和(B)低中頻的鏡像頻率與鄰近干擾抑制效果 10
圖 2 6 零中頻接收機架構 11
圖 2 7 本地震盪頻率與鄰近通道間的自混效應 11
圖 2 8 產生正交訊號由(A) 射頻路徑或 (B) 本地震盪器路徑 12
圖 2 9 增益與相位誤差造成I/Q通道不平衡 13
圖 2 10 非線性系統的交互調變失真 14
圖 2 11 雙次轉頻第二零中頻接收機架構 15
圖 3 1 (A)低通濾波器 (B)標準化後的低通濾波器 19
圖 3 2 BUTTERWORTH 的振幅響應 21
圖 3 3 CHEBYSHEV I 的振幅響應 22
圖 3 4 CHEBYSHEV II 的振幅響應 24
圖 3 5 ELLIPTIC的振幅響應 25
圖 3 6 各種濾波器頻率響應之比較 26
圖 3 7 二階電路轉移函數之參 28
圖 3 8 二階濾波器流程圖 29
圖 3 9 TOW-THOMAS濾波器之局部電路實現 30
圖 3 10 TOW-THOMAS濾波器電路實現 30
圖 3 11 差動型TOW-THOMAS濾波器電路 31
圖 3 12 SALLEN-KEY濾波器(A)直流增益為K (B)直流增益為AK 32
圖 3 13 LC梯狀濾波器的架構 34
圖 3 14 跳蛙式設計架構 34
圖 3 15 跳蛙式濾波器之訊號流程圖 35
圖 3 16 五階跳蛙式低通濾波器 36
圖 3 17 各級濾波器之中心頻率與品質因素 38
圖 4 1 直接型校正架構 40
圖 4 2 間接型校正架構 41
圖 4 3 交換型校正架構 41
圖 4 4 利用積分器時間常數的振幅鎖定迴路 42
圖 4 5 使用鎖相迴路的校正機制 43
圖 4 6 振幅鎖定迴路 44
圖 4 7 TOM-THOMAS濾波器(差動型) 47
圖 4 8 六階CHEBYSHEV濾波器之架構 49
圖 4 9 POLY電阻在製程TT下之溫度變化 50
圖 4 10 POLY電阻在製程SS下之溫度變化 51
圖 4 11 POLY電阻在製程FF下之溫度變化 51
圖 4 12 MIM電容在製程FF下之溫度變化 51
圖 4 13 MIM電容在製程SS下之溫度變化 52
圖 5 1 濾波器頻譜規格 54
圖 5 2 在氧化層與矽介面的不連接鍵結 55
圖 5 3 閃爍雜訊頻譜 56
圖 5 4 閃爍雜訊轉折頻率之概念 56
圖 5 5 前饋式頻率補償 (A) 形成一個RHP零點 (B) 形成一個LHP零點 58
圖 5 6 前饋式頻率補償的小訊號模型 59
圖 5 7 六階濾波器架構圖 59
圖 5 8 校正區塊圖 60
圖 5 9 自動校正迴路 60
圖 5 10 兩級串接的運算放大器其前饋補償技術 61
圖 5 11 使用前饋補償技術的全差動運算放大器電路圖 63
圖 5 12 運算放大器使用前饋補償技術的頻率響應 63
圖 5 13 共模回授電路 65
圖 5 14 使用電晶體分流模型(MOCD) 65
圖 5 15 使用電晶體分流電路(MOCD) 66
圖 5 16 應用在差動放大器之MOCD 67
圖 5 17 可變輸入電阻 68
圖 5 18 輸出緩衝器 69
圖 5 19 比較器遲滯轉換曲線 70
圖 5 20 完整的包含輸出級之內部遲滯比較器 70
圖 5 21 自動校正濾波器之晶片佈局圖 72
圖 5 22 MOCD在製程TT下之溫度變化 73
圖 5 23 MOCD在製程SS下之溫度變化 73
圖 5 24 MOCD在製程FF下之溫度變化 73
圖 5 25 TT(25˚C)下之頻率響應 74
圖 5 26 FF(0˚C)下之頻率響應 74
圖 5 27 SS(100˚C)下之頻率響應 74
圖 5 28 FS(50˚C)下之頻率響應 75
圖 5 29 SF(75˚C)下之頻率響應 75
圖 5 30 TT(25˚C)下之線性度 75
圖 5 31 SS(100˚C)下之線性度 76
圖 5 32 SF(75˚C)下之線性度 76
圖 5 33 FS(50˚C)下之線性度 76
圖 5 34 FF(0˚C)下之線性度 77
圖 5 35 不同製程與溫度下之線性度 77
表目錄
表 2 1 DVB-TH 對基頻通道之要求 16
表 2 2 調諧器對C/N之要求[13] 16
表 2 3 可程式化增益濾波器預計規格表 17
表 3 1 濾波器頻率響應比較表 26
表 3 2 各類型主動濾波器的優缺點比較[16] 27
表 5 1 可變輸入電阻的電阻值 68
表 5 2 自動校正濾波器之性能總結 78
表 5 3 電路性能比較 78

參考文獻

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指導教授

薛木添、蘇純賢
(Muh-Tian Shiue、Chun-Hsien Su)

審核日期

2009-2-2

推文