论文总字数：22855字

摘 要

近年来，随着集成电路技术的高速发展，延时技术的重要性越发明显。比如，通信系统中，在设计数字脉宽调制（DPWM）时，延时功能是必不可少的，在均衡器、天线阵列中也都有着极为广泛的应用。传统的RC延时技术，通过改变R或C来改变延时时间，但是其延时的时间少，延时精度不高，不太适合用于高要求场合。目前，延时单元的设计对其动态范围及延时精度的要求越来越高。

本文设计了基于全通滤波器的延时单元，首先设计了一阶全通滤波器。由于线圈的低品质因素以及其较大的尺寸，输电线路和CMOS 的LC延迟线是不实用的，所以采用一个全通通滤波器来构建一个延迟电路。本设计采用基于TSMC0.18μm的CMOS工艺，在传统的gm-C延时单元 上做出改进，进行了带宽拓展。从7GHz拓宽到9GHz。

其次还设计了二阶全通滤波器，一般来说，一个高阶的理想的全通滤波器可以被分解为多个有共轭复数极点的二阶全通滤波器和一阶全通滤波器。因此，二阶全通滤波器是实现ns级延时器件的关键。虽然现在有一些二阶全通滤波器已经被设计出来，但它们基本都会用上放大器，而且带宽较小，本设计依然采用TSMC0.18μm的CMOS工艺。经仿真，其带宽符合设计要求，达到了10GHz，对今后全通滤波器和延时单元的设计和应用有一定的意义。

关键字：延时单元，延时精度，全通滤波器，带宽，群延时；

ABSTRACT

Recently, with the fast development of Integrated Circuit (IC) technique, the delay technique has become more and more important. For example, the delay cell is necessary when designing the digital pulse width modulator (DPWM) in the communication system, it also has been widely used in equalizer and antenna array. In the traditional RC delay cells, we change its delay time by changing the value of R or C, but its delay time is low and so is its time-delay accuracy, so it cannot be used in high technique field. At present, the standard of the delay cells’ accuracy and dynamic range has become higher and higher.

The paper designs a delay cell circuit based on all-pass filters. The first design is the one class all-pass filter. Transmission lines and LC delay lines in CMOS are unpractical because of the low quality factor of coils, loss of the transmission lines and their large sizes, so a reasonable choice is using an all-pass filter to design the delay cell circuit. This circuit has been designed in a 0.18μm CMOS process by TSMC. Compared with the traditional gm-C delay cells, it makes a progress in bandwidth, from 7GHz to 9GHz.

The paper still designs a two class all-pass filter; in general, high-order rational APFs can be decomposed into several second-order APFs with complex-conjugate poles and first-order APFs. Therefore, a second-order APF is a key component for realization of a delay cell with nanosecond delay. Various design techniques for second-order APFs have been presented. However, all of these filters employ amplifiers and have a low bandwidth. This circuit has also been designed in a 0.18μm CMOS process by TSMC. The simulation result shows that it conforms to the design requirements, up to 10GHz. This paper has some significance in research of all-pass filters and delay cells in the future.

Key Words: delay cell，delay accuracy, all-pass filters, bandwidth, group delay

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

目 录 Ⅲ

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2国内外研究现状和发展趋势 2

1.3论文主要工作和结构安排 3

第2章 延迟单元的基本理论依据 4

2.1 延时途径及方法 4

2.1.1延时途径 4

2.1.1延时方法 4

2.2 延时单元的类别 5

2.3有源延时单元 5

2.3.1传输门延时单元 5

2.3.2CML/SCL延时单元 6

2.4无源延时单元 7

2.4.1传输线延时单元 7

2.4.2常k-CL阶梯延时单元 8

第三章 基于全通滤波器的延时单元设计 10

3.1 设计简述 10

3.2全通滤波器的基本介绍 10

3.2.1全通滤波器的原理 10

3.2.2全通滤波器的特点 12

3.3一阶全通滤波器延时单元的设计 12

3.2.1设计方法和理论 12

3.2.2电路设计 13

3.2.3仿真结果 15

3.4 二阶全通滤波器延时单元的设计 17

3.4.1设计方法和理论 17

3.4.2电路设计 19

3.4.3仿真结果 20

3.5整体电路及仿真 21

3.5.1 以一阶全通滤波器为延时单元的整体电路及仿真 21

3.5.2 以二阶全通滤波器为延时单元的整体电路及仿真 23

3.5.3 一阶、二阶全通滤波延时单元的比较 25

第四章 总结与展望 26

致谢 27

参考文献 28

第1章 绪论

1.1引言

随着集成电路领域的高速发展，混合信号系统对时序的要求越发严苛。如此，延时单元就成了在集成电路的设计中相当重要的一环，它可以处理产生延迟，处理路径延迟有差异的信号，还可以产生时钟信号，来达到系统各种各样的要求。

延时技术自诞生以来，其结构越来越多，应用范围越来越广，要求也越来越高。如数字测试装置定时边沿、集成度的要求变得越来越高。如今，信息领域的飞速发展对相控阵天线的性能要求越来越高，比如更高的通信速率、更高的分辨率、测距时的高精度、多目标的识别以及其分类、在较差电磁环境下工作等，这就要求天线能够具备较好的工作调谐带宽以及瞬时信号带宽。相控阵天线自20世纪70年代问世以来，在通信领域等方面的角色越来越重要。相控阵天线以电子的方式控制天线波束的扫描，具备波束指向灵活、探测速度快、作用距离远、目标容量大，抗干扰能力强等优点。常规相控阵天线常采用移相器控制波束扫描，会产生“波束斜视”现象^[1]，这种技术很大程度上限制了相控阵天线的瞬时带宽。当信号带宽增大时，由于孔径效应和渡越时间等非线性因素的影响，收发信号不能有效的合成，增益和主副瓣比下降，抗干扰能力差；当入射角增大时，波束产生偏移，系统信噪比加剧恶化，影响分辨力的提高。在阵列天线的各个单元采用相应的实时延迟线取代传统相控阵天线中的移相器，可以大大减轻天线孔径效应、渡越时间的影响，使得相控阵天线瞬时信号带宽对天线波束的影响减小，也使得天线渡越时间对瞬时带宽的限制减小，这样相控阵天线就可以实现宽带宽角扫描。目前，这种时控阵技术已经成为研究热点问题^[2][3]。传统软件算法对多路号进行延时，可以达到信号同步信与积累，但运算速度较慢，达不到实时处理的目的。而硬件延时方式，可以提高信号处理速度，并且能够实时处理。硬件延时方法主要有光控延时法、数字延时法和模拟延时法^[4]。光纤延时线方法，器件成本较高，不易集成在片上且不易提取^[5]；数字信号处理往往涉及复杂的算法，甚至需要专门的数字信号处理器，实现成本较高且只能按整数倍采样间隔补偿信号传播延时^[6]；而模拟信号延时实现简单，可以直接通过模拟集成电路组件实现，成本低。因此，研究高精度可变集成模拟延时线可以为进一步提高宽带相控天线监测扫描性能提供新的技术手段。研究应用于相控阵天线的高精度可变模拟延时线，具有抗干扰性能强、实现成本低、定位精度高、传输速率高和探测范围大等优点。宽带信号延时精确控制为模拟波束成形技术奠定理论基础，为进一步提高宽带相控阵天线监测扫描性能提供新的技术手段和实现途径。

1.2国内外研究现状和发展趋势

随着延迟线技术在相控阵天线的应用发展，越来越多的机构开始关注实时延时控制设计的理论和实践，集成延时线从实现方式可以分为数字延时与模拟延时。延迟在数字域实现，常用的数字延迟方法有数字时域内插^[7]、频域加权^[8]、过密采样法以及分数延时滤波器^[9]等。1995年，Adrian Garrod^[10]第一次指出“数字T/R组件”这一概念，他对这种基于直接数字合成技术的相控阵全数字T/R组件做了较多的研究，研制了13 单元的收发全数字波束形成实验阵，验证了数字波形的产生和数字延时的实现。2001 年林肯实验室又完成了一个96个阵元的L波段数字阵列天线窄带实验系统，用数字方法实现了发射波束的灵活产生和精确延时，阵列上数字T/R组件与天线机间的信号传输使用数字光纤传输方式实现^[11]。然而采用数字延时的方式，每个天线阵列都需要进行模数转换再经过数字滤波器进行高精度延时补偿，这样计算量大，实现复杂，系统的实时性较差，面积和功耗也较大；由于器件、环境、温度等因素的影响，各个发射、接收通道间往往会造成通道失配，因此还需要数字均衡技术加以补偿。

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