單芯片極窄微弱脈沖檢測系統設計

摘要：采用O．18 μm CMOS工藝設計了一款單芯片集成極窄微弱脈沖檢測系統，該芯片包括輸入匹配、放大器、脈沖展寬器、驅動(dòng)及帶隙基準電壓電流產(chǎn)生電路。為提高檢測系統靈敏度，文章采用了多級放大器級聯(lián)以及有源電感。測試表明該芯片可以檢測1ns脈寬10mV的脈沖，輸出數字信號，可以應用于00K系統接收機，接收超過(guò)40M數據率的清晰視頻。該芯片低功耗、低成本，具有研究和實(shí)踐推廣價(jià)值。
關(guān)鍵詞：脈沖；檢測；放大器；有源電感

0 引言
隨著(zhù)大規模集成電路的發(fā)展，單芯片方案由于成本低、體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，被越來(lái)越多的電子系統所采用。
微弱脈沖信號檢測和識別在通信、醫療中都有廣泛應用，將微弱脈沖信號檢測系統單芯片化具有現實(shí)的研究意義。

1 微弱脈沖檢測系統框架設計
本系統的設計目標是用低成本CMOS工藝實(shí)現1ns、10mV脈沖信號的檢測，并輸出FPGA可處理的數字信號，用于超寬帶無(wú)線(xiàn)通信OOK接收通道，見(jiàn)圖l。

對于納秒級信號的檢測，傳統接收機方案采用需要高速時(shí)鐘的高速ADC來(lái)實(shí)現模數轉換，高速時(shí)鐘產(chǎn)生電路一般應用頻率綜合器方案，消耗較大面積和功耗，且同樣需要外接參考時(shí)鐘。
高速ADC使用時(shí)鐘的重要原因之一是為了利用正反饋來(lái)彌補放大器在高頻情況下的增益不足。隨著(zhù)集成電路工藝的進(jìn)步，器件寄生電容越來(lái)越小，0．18μm CMOS工藝截止頻率已達40GHz，通過(guò)使用有源電感，已可以在較低功耗下實(shí)現較高的高頻增益。
本系統要求單片集成，低成本、低功耗，采用多級放大器級聯(lián)的方案來(lái)提高檢測系統的分辨率，并對輸出信號通過(guò)延時(shí)電路來(lái)加大脈寬，降低后續基帶部分數字信號處理電路的壓力。

本系統具體框架見(jiàn)圖2所示。前一級是片外的檢波器，通過(guò)50Ω微帶線(xiàn)將信號輸入，所以本系統需要將輸入阻抗匹配為50Ω。本系統第一級為共柵型放大器，主要為系統實(shí)現輸入匹配，并提供一定的增益。第二級為一個(gè)4輸入放大器，可外置閾值電平。第三級為一個(gè)高頻放大
器，使用了有源電感，可以在較低功耗下達到較高的帶寬。第四級為差分轉單端放大器，將差分信號轉為單端，并提供一定的增益。第五級為一對反相器，提供非線(xiàn)性增益，將信號整形為數字信號。第六級為可控脈沖展寬電路，將1ns脈沖展寬為5ns。最后一級為反相器陣列組成的驅動(dòng)，可以驅動(dòng)5pF電容和50Ω電阻。本系統同時(shí)集成了為核心電路提供電流的帶隙基準電路。