单芯片极窄微弱脉冲检测系统设计

0 引言
    随着大规模集成电路的发展，单芯片方案由于成本低、体积小、功耗低等优点，被越来越多的电子系统所采用。
    微弱脉冲信号检测和识别在通信、医疗中都有广泛应用，将微弱脉冲信号检测系统单芯片化具有现实的研究意义。

1 微弱脉冲检测系统框架设计
    本系统的设计目标是用低成本CMOS工艺实现1ns、10mV脉冲信号的检测，并输出FPGA可处理的数字信号，用于超宽带无线通信OOK接收通道，见图l。

    对于纳秒级信号的检测，传统接收机方案采用需要高速时钟的高速ADC来实现模数转换，高速时钟产生电路一般应用频率综合器方案，消耗较大面积和功耗，且同样需要外接参考时钟。
    高速ADC使用时钟的重要原因之一是为了利用正反馈来弥补放大器在高频情况下的增益不足。随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，通过使用有源电感，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，低成本、低功耗，采用多级放大器级联的方案来提高检测系统的分辨率，并对输出信号通过延时电路来加大脉宽，降低后续基带部分数字信号处理电路的压力。

    本系统具体框架见图2所示。前一级是片外的检波器，通过50Ω微带线将信号输入，所以本系统需要将输入阻抗匹配为50Ω。本系统第一级为共栅型放大器，主要为系统实现输入匹配，并提供一定的增益。第二级为一个4输入放大器，可外置阈值电平。第三级为一个高频放大
器，使用了有源电感，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器，将差分信号转为单端，并提供一定的增益。第五级为一对反相器，提供非线性增益，将信号整形为数字信号。第六级为可控脉冲展宽电路，将1ns脉冲展宽为5ns。最后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提供电流的带隙基准电路。

2 主要电路模块设计
2．1 共栅型放大器A1
    本检测系统第一级为了较完整地接收并放大从片外50Ω微带线传来的极窄脉冲信号，使用了输入阻抗较低的共栅型放大器Al，见图3。通过选取合适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，选用较为精确的高阻poly电阻，但其在工艺制作中仍会有较大的绝对偏差。第一级中信号较为微弱，A1中使用了共模反馈电路来稳定输出端的直流成分，并抑制较低频段的共模噪声。

    共模反馈电路中，M5的栅端通过R3、R4检测输出端的共模电平与Vref比较，将差值反馈于M11的栅端，进而改变M3等放大器核心器件的电流，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产生。
2．2 前置放大器A2
    本放大器核心部分为两对差分对管：M21、M22的栅端接差分输入脉冲信号，M23、M24的栅端分别接直流参考电压Vref+、Vref-，输出信号Vo2见式(1)。当脉冲信号Kin大于Vref时，Vo2为正，经过后级电路模块的放大及整形，输出高电平(>1．79V)；反之输出低电平(<0．1V)。

2．3 使用有源电感的放大器A3
    A3的电路结构见图3。M33提高了放大器低频增益的同时，显著增大了输出端Vout-和输入端共源放大管M3l的漏端之间的阻抗，阻隔了输出端信号通过M3l的栅漏交叠电容Cgd_M31回流输入端的通路，从而提高了放大器的稳定性；同时降低了M31栅端到其漏端的增益AM31使M31栅端的密勒等效电容Cmil(见式(2))大为降低，从而提高了放大器的带宽。
    
    由于SMIC 0．18μm工艺寄生电容的影响，A3作为本系统的主放大器，还需要电感特性器件来进一步提高其带宽达到1GHz。
    虽然片上电感的噪声性能优于有源电感，但占用太大面积。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 差分转单端放大器A4及脉冲整形A5
    差分电路对共模干扰包括电源和地的波动具有较高的抑制能力。本系统前几级中信号较为微弱，需用差分形式传递。信号经过A4放大后，对比共模干扰已足够大，故转变为单端形式以降低功耗。
    当输入脉冲信号接近Vref时，A4输出端电压需要进一步整形才能变为数字信号。A5为一对反相器，可以大大提高脉冲检测的灵敏度。

3 结果分析
    图7为本系统第四级A4后的AC分析结果，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脉冲信号，b为A4后的波形，幅度为758mV，c为A5整形后得到的1．8V脉冲波形，d为经过A6展宽后4．79ns脉宽的波形。图9为本系统芯片照片，大小为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，工作稳定，采用CMOS工艺，低成本、低功耗，且尚有较大改进余度。