有源混频器的研究与设计

摘要

21世纪以来，无线通信技术高速发展，人们对通信设备的需求不断扩大，要求也越来越高。同时，CMOS工艺大小正在不断减小，无线通信设备更趋向于集成化。在无线通信设备中，射频接收机是很重要的模块，它决定了无线通信系统的性能。其中，混频器是射频接收机中重要的模块，在射频前端信号很强，提高混频器的性能指标即是提高整个射频前端的性能指标，因此研究混频器具有重要的意义。 本文对混频器的研究现状进行讨论后，根据经典的吉尔伯特有源混频器电路结构，对混频器的性能指标：转换增益、线性度和噪声系数等进行了介绍，文章采用了TSMC0.18um RF CMOS工艺，完成了以下三款有源混频器的设计与仿真： （1）设计了一种基于电流复用结构的下变频有源混频器。该电路主要是通过电流复用结构、动态电流注入结构来提高电路的性能。电路的工作电压为1.2V，Cadence软件仿真验证表明：电路的转换增益是25.4dB，线性度是26.04dBm，电路功耗是8mW，噪声系数是7.78dB。 （2）设计了一种基于跨导系数修正结构的下变频有源混频器。电路增加了一个跨导系数修正结构，该结构可以使得电路增益和线性度得到改善。电路还在跨导级漏极端连接了电感，减小了寄生电容对电路带来的噪声影响。Cadence软件仿真验证表明：工作电压为1.2V，射频频率是2.4GHz时，转换增益是28.4dB，线性度是10dBm，功耗是6.86mW，噪声系数是8dB。 （3）设计了一种基于第三阶跨导系数消除结构的下变频有源混频器。该电路的跨导级采用了一个电流镜结构与一个第三阶跨导系数消除结构，通过设置晶体管工作在不同的区域，使得MOS管的第三阶跨导系数相互消除，以改善电路的性能。Cadence软件仿真验证表明：在工作电压是1.2V，射频频率是5.2GHz时，转换增益是21.9dB，线性度是21.68dBm，功耗是2.3mW，噪声系数是16.5dB。

目录

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要研究内容

1.4 本文的结构安排

第2章 混频器概述

2.1 混频器基本原理

2.2 混频器的主要性能指标

2.3 混频器的电路结构

（1）有源平衡混频器

（2）无源混频器

2.4 本章小结

第3章 Gilbert有源混频器电路分析

3.1 转换增益性能分析

3.2 噪声性能分析

3.2.1 跨导级噪声分析

3.2.2 开关级噪声分析

3.2.3 负载级噪声分析

3.3 线性度性能分析

3.3.1 跨导级线性分析

3.3.2 开关级非线性分析

3.4 本章小结

第4章 基于电流复用结构的下变频有源混频器设计

4.1 本电路主要设计指标

4.2 本电路结构及分析

4.2.1 电路结构分析

4.2.2 增益分析

4.2.3 噪声分析

4.2.4 线性度分析

4.3 混频器的版图设计与仿真

4.3.1 电路的版图设计

4.3.2 电路的仿真

4.4 性能对比

4.5 本章小结

第5章 基于跨导系数修正结构的下变频有源混频器设计

5.1 本电路主要设计指标要求

5.2 本电路结构及分析

5.2.1 电路结构分析

5.2.2 负载级设计

5.2.3 开关级设计

5.2.4 电流注入结构

5.2.5 跨导级设计

5.3 混频器的版图设计与仿真

5.3.1 电路的版图设计

5.3.2 电路的仿真

5.4 性能对比

5.5 本章小结

第6章 基于第三阶跨导系数消除结构的下变频有源混频器设计

6.1 本电路主要设计指标要求

6.2 本电路结构及分析

6.2.1 电路结构分析

6.2.2 负载级设计

6.2.3 开关级电路设计

6.2.4 跨导级电路设计

6.3 混频器的版图设计与仿真

6.3.1 电路的版图设计

6.3.2 电路的仿真

6.4 性能对比

6.5 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 本文研究工作总结

7.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的科研成果

致谢

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