应用于WBAN的低功耗CMOS收发器射频前端电路的设计与研究

摘要

随着物质生活的飞速发展，人们对无线通信等电子设备的需求也与日俱增，物联网成为了时代的发展趋势。无线体域网（WBAN）作为物联网的核心技术之一，能够有效应用于疾病的实时监控，家庭的自动化控制和医疗的远程诊断等，具有广泛的应用前景和巨大的潜在市场。WBAN技术的关键问题是要实现近距离的终端之间的互联，而蓝牙（Bluetooth）技术因为具有协议完整，低功耗，低成本，高集成度等特点，在WBAN中具有最广泛的应用。
　　最早的蓝牙集成电路设计采用多芯片集成的方法，功耗高。近年来，射频集成电路都是在GaAs和SiGe工艺上设计实现的，因为其具有相对较高的单位增益截止频率fT。但是由于CMOS工艺节点逐渐缩小，截止频率fT不断提高，再加上CMOS工艺良好的射频性能以及将收发器的RF、IF和基带部分集成在单芯片上的高集成度等，使其成为了低功耗无线通信中的主流应用。然而由于射频前端电路对工艺、性能、功耗、面积等的严格要求，用CMOS工艺来实现2.45GHz的Bluetooth收发器仍是迫切的实际需求。
　　基于此，本文设计了一个2.45GHz Bluetooth低功耗CMOS收发器的射频前端电路。论文确定了收发器的体系结构，对CMOS工艺下射频电路设计的关键问题进行分析，并完成了低噪声放大器（LNA）、功率放大器（PA）、混频器（Mixer）和信道选择滤波器（Channel Filter）等收发器射频前端电路核心模块的原理图设计，版图设计和测试电路设计。另外，为了实现低功耗，设计从发射器结构、接收器结构、功率放大器结构上进行了创新和优化。
　　本设计基于TSMC0.18μm RF CMOS工艺，仿真结果表明，最大发射功率等于0dBm，发射器功耗为13mA，最小接收灵敏度等于-85dBm，接收器功耗为18mA，整个收发器功耗低，成本低，线性度高，能够满足WBAN的应用。

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第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 研究现状

1.3 论文的主要工作和创新点

1.4 论文的结构安排

第2章 收发器体系结构设计和参数确定

2.1 蓝牙协议标准简介

2.2 收发器体系结构设计

2.3 收发器设计指标的确定和分配

第3章 功率放大器的设计与研究

3.1 功率放大器的性能指标

3.2 设计方案选择

3.3 电路设计

3.4 版图与仿真结果分析

第4章 低噪声放大器的设计与研究

4.1 低噪声放大器的性能指标

4.2 设计方案选择

4.3 电路设计

4.4 版图与仿真结果分析

第5章 两级中频混频器的设计与研究

5.1 混频器的性能指标

5.2 设计方案选择

5.3 电路设计

5.4 版图与仿真结果分析

第6章 信道选择滤波器的设计与研究

6.1 镜像抑制原理

6.2 电路设计

6.3 版图与仿真结果分析

第7章 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 课题展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表的学术成果