超宽带低功耗射频接收机前端电路的研究与设计

摘要

超宽带技术具有更快的传输速率、更高的频谱利用率、更低的成本，可广泛应用于无线局域网、无线个域网、无线传感网、雷达和定位等领域，已经成为了短距离无线通信的一大亮点。超宽带技术的快速发展，对超宽带通信系统的接收机性能提出了更高的要求，目前各种移动终端设备层出不穷，功能越来越丰富完善，随之带来了功耗问题。在电池技术尚未取得重大突破的前提下，如何降低接收机的功耗，延长其使用时间，已经成为超宽带接收机面临的一个重要问题，对于推动超宽带无线通信技术的发展具有重要意义。
　　本文围绕着如何降低超宽带射频接收机前端电路功耗，提高射频接收机前端电路各项性能指标等问题，对射频接收机前端电路中低噪声放大器、混频器、频率合成器和振荡器等关键模块进行了研究与讨论。
　　(1)本文提出了一种工作在3~5GHz频率范围内的低电压高增益差分电流模式超宽带低噪声放大器。采用带变压器的共栅输入方法获得低噪声宽带匹配，采用电流模式电路设计方法实现输出为电流信号，避免了电流-电压转换。电路采用0.18μm CMOS工艺实现，仿真结果表明所设计的低噪声放大器电路工作电压仅为0.8V，增益达到18.7~19.3dB，最大噪声仅为2.65dB，IIP3约为2.8dBm。
　　(2)本文提出了一种超低功耗超宽带低噪声放大器。电路通过采用电流复用技术及衬底偏置技术两种超低功耗技术设计实现。仿真结果表明，低噪声放大器的转换增益达到11.4~12.2dB，双边带噪声低于4.3dB，输入输出反射系数都低于-10dB，并且LNA供电电压为0.8V，使功耗下降为1.9mW。
　　(3)本文提出了一种可工作在3~10.6GHz频率范围的超宽带低电压低功耗混频器电路。所设计的混频器以传统的吉尔伯特双平衡混频器为基础，同时采用衬底偏置技术和低电压电流注入技术来降低混频器功耗。仿真结果表明，在0.8V的工作电压下，单边带噪声为7.1~11.4dB，转换增益为12.1~18.8dB，输入1dB压缩点约为-10dBm，输入三阶互调点约为-1.8dBm，功耗仅为1.9mW。
　　(4)本文提出了一种工作于L波段的无电感正交压控振荡器。该振荡器由单个电流差分跨导放大器（CDTA）构成，可工作于1.45GHz，通过改变偏置电压，频率可调谐范围为145MHz。由于不包含大电感元件，此电路占用的版图面积仅为0.091mm2。
　　(5)本文提出了一种低功耗的、驱动负载能力大的可编程多模分频器。提出的多模分频器(Multi-modulus divider MMD)中，采用了单相位时钟TSPC技术和内置与门的TSPCD触发器，有效地降低了MMD的功耗；在MMD的输出级上，设计了一种占空比优化电路，增大了输出信号的占空比，提高了MMD驱动负载的能力。采用Cadence工具进行仿真，结果表明：电路的功耗为3.72mW，占空比为50％。
　　综上所述，本文对超宽带射频接收机前端电路中的关键模块低噪声放大器、混频器、可编程分频器及压控振荡器进行了深入研究和讨论。对加快国内无线通信技术发展，提高射频接收机自主芯片的研发能力有一定的促进作用。

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附表索引

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论文的研究内容与贡献

1.4本文的组织结构

第2章 射频接收机及其模块电路设计基础

2.1射频接收机结构基础

2.2低噪声放大器理论基础

2.3混频器的基本原理

2.4锁相环频率合成器理论与性能指标

2.5压控振荡器的设计理论与性能指标

2.6分频器基本理论与性能指标

2.7小结

第3章 超宽带低噪声放大器的研究与设计

3.1引言

3.2 提出的低电压高增益电流模式低噪声放大器

3.3提出的工作于3.1~10.6GHz频段的超低功耗低噪声放大器

第4章 超宽带混频器的研究与设计

4.1引言

4.2提出的低功耗混频器电路与分析

4.3仿真结果

4.4与相关工作的比较

4.5小结

第5章 无电感正交压控振荡器的研究与设计

5.1. 引言

5.2提出的无电感正交压控振荡器电路与分析

5.3 仿真结果

5.4与相关工作的比较

5.5 小结

第6章 低功耗可编程多模分频器的研究与设计

6.1引言

6.2可编程分频器

6.3仿真结果

6.4与相关工作的比较

6.5 小结

结论

1.本论文工作总结

2．未来工作展望

参考文献

附录A(攻读博士期间所发表的学术论文及成果)

附录B(攻读博士学位期间所参与的科研活动)

致谢