0.6μm CMOS工艺900MHz GSM低噪声放大器和混频器的设计

摘要

近几十年来,随着无线通信技术的不断发展,人类已基本实现随时随地通信的梦想,相应地,人类对高性能大容量无线通信系统的需求也越来越大.在这种形势下,射频与通信集成电路的研究已趋于白热化.目前,各种无线通信标准并存,但市场份额最大的还是GSM系统,因此,针对GSM标准进行射频接收电路的研究和设计具有重要的现实意义.低噪声放大器(LNA)和混频器(Mixer)是无线通信射频接收机中不可缺少的关键电路.近年来,随着无线通讯由第二代(2G)标准向第三代(3G)标准过渡,系统对芯片的噪声系数和线性度等指标提出了更高的要求.同时,为了满足产品化后高可靠性和低成本的要求,芯片需要高集成度,因此射频接收机必须单芯片实现.该文介绍了LNA和Mixer的基本原理以及几种常见的LNA和Mixer结构,并对各种结构的优缺点作了阐述.针对目前LNA和Mixer中应用最为广泛的源极电感负反馈LNA和CMOS开关型Gilbert混频器,文章作了较为详细的分析.在此基础上,文中对这两种结构进行了优化,提出了全差分电感负反馈LNA结构和低压Gilbert混频器结构.该优化的结构扬原有电感负反馈LNA和Gilbert混频器电路之长,避其之短,解决了LNA电路中电感失配的影响,Gilbert混频器电路中电源电压高、线性度低的问题.CMOS工艺的电感和MOS管噪声是设计LNA和Mixer时需要考虑的非常重要的问题.该文专门介绍了电感的模型、品质因数以及自谐振频率,介绍了MOS管的射频和噪声模型以及其最新发展,讨论了模型的选择对设计结果的影响.文章根据GSM接收机标准给出了基于0.6μmCMOS工艺、采用全差分电感负反馈结构的LNA和低压Gilbert结构混频器完整的电路设计、模拟结果和版图设计.模拟结果表明,采用该方案的LNA和Mixer基本达到了GSM的设计标准.更进一步的结果有待于芯片制作完成后的功能测试.

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文摘

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第1章引言

1.1信息通信发展和GSM(全球移动通讯系统)

1.2 GSM标准

1.2.1 GSM接收机性能指标

1.3集成电路的工艺选择

1.4本论文的主要工作

第2章CMOS工艺中的电容与电感

2.1 CMOS工艺中的电容

2.2 CMOS工艺中的电感

2.2.1 CMOS工艺中电感的模型

2.2.2品质因数(Q)

2.2.3电感Q值的提高

2.2.4自谐振频率及提高

2.3 CMOS工艺中电容和电感的建模

第3章RFIC中MOS管模型

3.1 MOS管的射频模型

3.2 MOS管的噪声模型

3.2.1 MOS管沟道热噪声

3.2.2 MOS管栅感应噪声

3.2.3 MOS管闪烁噪声

3.2.4 MOS管BSIM4.3.0模型中的噪声

第4章低噪声放大器的设计

4.1 GSM接收机构架选择

4.1.1 GSM接收机中LNA的基本要求

4.2 LNA的各种构架及比较

4.3电感负反馈LNA的NF与MOS管栅宽的关系及优化

4.4电路的线性度

4.5 LNA的电路设计及版图设计考虑

4.5.1 LNA的电路设计

4.5.2 LNA的版图设计考虑

4.6小结

第5章混频器的设计

5.1混频器性能参数及结构选择

5.1.1混频器的性能参数

5.1.2混频器的结构选择

5.2电流开关型CMOS GILBERT混频器的变频增益

5.3电流开关型CMOS GILBERT混频器的噪声分析

5.3.1混频器的跨导级噪声分析

5.3.2混频器的开关级噪声分析

5.3.3混频器的本振噪声分析

5.3.4混频器的噪声系数

5.4低压电流开关型混频器构架

5.5混频器的电路设计及与LNA的级联

5.5.1混频器的电路设计

5.5.2混频器与LNA的级联电路

5.6 LNA级联混频器电路的版图设计

5.7一种新型混频器的设计

结论

参考文献

致谢

附录A攻读学位期间所发表的学术论文目录

附录B射频接收前端的噪声，线性度及频率变换基础

B.1二端口网络的噪声理论

B.2电路中的信号失真和动态范围

B.3频率变换和频谱布局