低压低功耗CMOS收发机射频前端电路的设计与研究

摘要

近十几年来，高速发展的射频无线通信技术被广泛地应用在社会的各个领域中，如无线局域网(WLAN)、蓝牙(Bluetooth)、超宽带(UWB)等短距离无线通信技术和兼容2G/3G/B3G协议的宽带多标准远距离无线通信技术已深入到人们的生活和工作中。无线通信技术的不断发展要求无线通信设备能在任何地方、任何时间使用，因而人们越来越希望射频无线通信设备拥有更低的电压、更低的功耗、更小的尺寸以及更高的性能。
　　 无线通信技术的飞速发展给收发机射频前端的设计带来了很大挑战。收发机射频前端是天线和后端数字基带处理器之间的接口，它需要检测在GHz频段的微弱接收信号，同时还要在相同的频段发射大功率的射频信号。收发机射频前端必须完成四个主要的操作:从天线来的射频微弱接收信号要进行放大和下变频处理以提取出需要的信号;从基带处理器来的信号要进行上变频和驱动以转换为能够发射的射频信号。这需要高性能的收发机射频前端电路，包括低噪声放大器、下混频器、上混频器和驱动放大器等。在GHz频段要实现低电压、低功耗、高集成度和高性能的电路是相当困难的，这使得射频前端设计成了无线收发机设计中的一个瓶颈。本论文的主要目的是在CMOS工艺下来实现低电压、低功耗、高集成度和高性能的收发机射频前端电路，并对收发机射频前端电路CMOS实现中的关键问题进行研究，以期设计出满足一定应用要求的收发机射频前端芯片。本论文的主要创新工作可概括如下:
　　 (1)本论文提出了一种基于Chartered0.18μCMOS工艺的3.1～10.6GHz的低复杂度超宽带低噪声放大器(LNA)。该电路由两级简单的放大器通过级间匹配电感连接构成。第一级放大器使用电阻电流复用结构和双电感源级负反馈技术来达到宽带输入阻抗匹配和低噪声系数，第二级放大器使用带电感峰值技术的共源级放大器来同时达到高平坦增益和好的宽带特性。芯片测试结果显示，在3.1～10.6GHz频段内，提出的超宽带LNA的最大功率增益为15.6dB，反向隔离度S12为-45dB，输入输出反射系数小于-10dB，噪声系数为2.8～4.7dB，在6GHz的输入三阶交调点为-7.1 dBm。在1.5V电源电压下，功耗为8.1mW，芯片总面积为0.8mm×0.9mm。提出的电路在满足UWB无线通信应用的同时，具有低压低功耗的特点。
　　 (2)本论文提出了一种基于TSMC0.18μm CMOS工艺的0.5～4.0GHz的宽带电流模式下混频器。该电路改变传统混频器设计思路，采用电流模式设计方法，创新性地把无源开关核嵌入到电流镜放大器输入和输出晶体管栅极之间并进行无缝耦合，用电流镜放大器和内嵌的无源开关核来完成混频功能。它不需要使用电感和电阻无源元件，却能够同时兼有有源混频器和无源混频器的优势。芯片测试结果显示，在0.5～4.0GHz频段内，提出的宽带下混频器的功率转换增益为8.9～9.6dB，双边带噪声系数为6.9～9.3dB，输入三阶交调点为2.0～5.8dBm。在1.2V电源电压下，功耗为9.6mW，芯片总面积为0.43mm×0.46mm。提出的电路在满足宽带多标准无线通信（如能够兼容2G/3G/B3G中的多种协议标准）应用的同时，具有低压低功耗的特点。
　　 (3)本论文提出了一种基于Chartered0.18μm CMOS工艺的2.4GHz的电流模式发射机射频前端电路，它把上混频器和驱动放大器作为一个整体进行设计。电流模式上混频器采用电流平方电路的交叉耦合结构作为输入级，它可以在低电压设计下显著提高电路的线性度。跨阻驱动放大器采用两级放大结构连同电容交叉耦合技术可以在较小功率消耗下进一步放大信号发射功率。提出的发射机射频前端电路采用电流模式方法设计，可以去掉两电路模块之间不必要的几个电压-电流(V-I)和电流-电压(I-V)转换。芯片测试结果显示，在2.4GHz频率下，发射机射频前端电路总的功率转换增益为15.5dB，输出ldB压缩点为3dBm，输出三阶交调点(OIP3)为13.8dBm，最大输出信号功率为4.5dBm。在1.2V电源电压下，总的功耗为7.2mW，芯片总面积为0.9mm×1.1mm。提出的电路在满足Bluetooth和IEEE802.11b WLAN应用的同时，具有低压低功耗的特点。
　　 (4)本论文提出了一种基于Chartered0.18μm CMOS工艺的2.4GHz的改进型Gilbert上混频器。该混频器的输入跨导级采用电阻电流复用结构和电容交叉耦合技术来增大跨导，它可以改善电路的转换增益和线性性能并复用直流电流来节省功率消耗。同时在开关级中加入电流注入结构来减少开关级偏置电流，它可以改善混频器开关效率并进一步提高转换增益。后版图仿真结果显示，在2.4GHz频率下，提出的改进型Gilbert上混频器的功率转换增益为7.1dB，输入三阶交调点为11.3dBm，双边带噪声系数为12.7dB。在1.2V电源电压下，功耗为6.0mW，版图总面积为0.65mm×0.75mm。提出的电路在满足Bluetooth和IEEE802.11b WLAN应用的同时，具有低压低功耗的特点。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 论文背景及研究意义

1．2 收发机射频前端的系统结构

1．2．1 超外差式接收机

1．2．2 零中频接收机

1．2．3 低中频接收机

1．2．4 发射机结构

1．2．5 小结

1．3 低压低功耗收发机射频前端电路研究现状

1．4 论文的研究内容和组织结构

1．4．1 论文的研究内容

1．4．2 论文的组织结构

第2章 射频集成电路设计的基本知识

2．1 二端口网络理论

2．1．1 低频的二端口网络参数

2．1．2 传输线基本理论和二端口网络散射参数

2．2 射频集成电路的性能参数

2．2．1 功率增益

2．2．2 灵敏度

2．2．3 噪声系数

2．2．4 线性度

2．2．5 动态范围

2．3 系统级联后的分析与设计

2．3．1 系统级联后的功率增益

2．3．2 系统级联后的噪声系数

2．3．3 系统级联后的线性度

2．3．4 系统设计

2．4 射频集成电路的版图设计

2．4．1 版图设计的基本流程

2．4．2 版图设计的注意要点

第3章 基于3．1～10．6GHz的低复杂度超宽带低噪声放大器

3．1 引言

3．2 传统的超宽带低噪声放大器结构

3．2．1 分布式结构低噪声放大器

3．2．2 带通滤波器结构低噪声放大器

3．2．3 并联负反馈结构低噪声放大器

3．2．4 共栅级结构低噪声放大器

3．3 提出的3．1～10．6GHz低复杂度超宽带低噪声放大器

3．3．1 电阻电流复用原理

3．3．2 第一级放大器

3．3．3 级间匹配网络

3．3．4 第二级放大器

3．3．5 源极跟随器

3．4 芯片设计与测试

3．4．1 芯片设计

3．4．2 测试结果

3．4．3 与相关论文的性能比较

3．5 本章小结

第4章 基于0．5～4．0GHz的宽带电流模式下混频器

4．1 引言

4．2 电流模式电路设计方法

4．2．1 电流模式电路发展概况

4．2．2 电流模式电路性能特点

4．3 提出的0．5～4．0GHz宽带电流模式下混频器

4．3．1 电流镜放大器的设计

4．3．2 无源开关核的设计

4．3．3 电流模式下混频器的噪声分析

4．3．4 电流模式下混频器的实现

4．4 芯片设计与测试

4．4．1 芯片设计

4．4．2 测试结果

4．4．3 与相关论文的性能比较

4．5 本章小结

第5章 基于2．4GHz的电流模式发射机射频前端电路

5．1 引言

5．2 电流模式发射机射频前端结构设计

5．3 电流模式发射机射频前端电路设计

5．3．1 电流平方电路的交叉耦合结构

5．3．2 电流模式上混频器设计

5．3．3 跨阻驱动放大器设计

5．3．4 提出的2．4GHz电流模式发射机射频前端电路

5．4 芯片设计与测试

5．4．1 芯片设计

5．4．2 测试结果

5．4．3 与相关论文的性能比较

5．5 本章小结

第6章 基于2．4GHz的高线性度改进型Gilbert上混频器

6．1 引言

6．2 混频器常用的线性化技术

6．2．1 源极负反馈技术

6．2．2 分段线性近似技术

6．2．3 预失真技术

6．2．4 前馈线性技术

6．3 提出的2．4GHz高线性度改进型Gilbert上混频器

6．3．1 传统的Gilbert上混频器结构

6．3．2 混频器输入跨导级的设计

6．3．3 混频器开关级的设计

6．3．4 混频器输出级的设计

6．3．5 提出的2．4GHz改进型Gilbert上混频器

6．4 版图设计与仿真结果

6．4．1 版图设计

6．4．2 后版图仿真结果

6．4．3 与相关论文的性能比较

6．5 本章小结

总结

参考文献

附录A(攻读博士学位期间所发表的学术论文)

附录B(攻读博士学位期间所参与的科研活动)

致谢