0.18μm CMOS工艺正交混频器和多相滤波器的设计

摘要

快速增长的无线通信市场产生了对低成本，低功耗和高性能的RF收发器的巨大需求。传统的基于分立元件和简单集成电路的RF前端不再适合这些应用，因为其成本高，能耗高，体积大。把射频收发器集成在一个单芯片或封装里，以减少成本和尺寸是一个发展趋势。基于片上系统（SoC：System on Chip）和系统封装（SiP：System in Package）的解决方案变得越来越有吸引力，并已成为业界研究的重点。和SiP相比，SoC更具吸引力，因为SoC通常具有更小的尺寸和更低的成本。 本文的重点是研究用于射频接收机的正交混频器和多相滤波器设计和实现，这些电路都是SoC的主要模块。在电路设计的领域，主要有两种类型的多相滤波器，它们是无源RC非对称多相滤波器（PPF：Passive RC Asymetric Polyphase Filter）和有源多相滤波器。有源多相滤波器可以通过运放或Gm-C电路实现。通过使用正交混频器和多相滤波器，可以有效地抑制射频接收器中镜像信号。 本文基于对两个芯片设计项目的参与，设计了应用于不同的场合的多相滤波器和正交混频器，并研究了通过正交混频器和多相滤波器抑制镜像信号和进行信道选择的技术。第一个项目是企业合作项目，内容是开发DVB-T数字电视接收机射频前端芯片中的无源RC多相滤波器。第二个项目为国家863项目的子课题，内容是设计用于单片无线传感网（WSN：Wireless Sensor Networks）接收芯片的正交混频器和有源多相滤波器，本文给出了该芯片的设计方法、电路图、仿真结果、版图和测试结果。 文中的两款芯片均采用0．18μm CMOS工艺设计。对于用于DVB-T数字电视接收机芯片的RC多相滤波器，论文中推导了它在两种应用中电压和功率增益的优化，以及对每一级滤波器匹配程度的要求，该芯片实现了58dB的镜像抑制比。对于用于WSN收发器芯片的正交混频器和有源多相滤波器，论文中对正交混频器的混频增益进行了优化设计，通过推导等效电路，得出该混频增益与混频管的偏置电压密切相关；文中也给出了有源多相滤波器的详细设计流程，讨论了其中跨导单元的原理、跨导值计算、输出摆幅和噪声等特性，并设计了调节滤波器中心频率和带宽的方法。该芯片由于集成了正交混频器和有源多相滤波器，可以同时实现镜像的抑制和信道的选择。经测试，该芯片具有39dB的IRR，45dB的邻带抑制比，其测试结果均满足设计要求。该课题的研究成果小仅可以应用于WSN，也可以用于GPS等要求低功耗单片集成的射频接收机中。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第1章 概述

1.1 研究背景

1.2 工艺的选择

1.3 研究内容

1.4 论文概览

第2章 射频接收机构架的回顾

2.1 简介

2.2 接收机构架

2.2.1 超外差接收机

2.2.2 零中频接收机

2.2.3 低中频接收机

2.3 镜像抑制技术

2.3.1 Hartley结构

2.3.2 Weaver结构

2.3.3 双正交混频结构

2.4 结论

第3章 用于镜像抑制混频器的RC非对称多相滤波器的设计和实现

3.1 简介

3.2 设计要点

3.2.1 PPF的性质

3.2.2 基于PPF的镜像抑制混频器

3.2.3 RF PPF和LO PPF的设计

3.2.4 IF PPF的设计

3.2.5 失配的减小

3.3 电路和仿真

3.3.1 PPF的电路图

3.3.2 PPF的仿真

3.4 测量结果

3.5 结论

第4章 正交混频器和Gm—C有源多相滤波器的设计

4.1 电路结构

4.2 正交混频器的设计

4.2.1 混频器设计

4.2.2 混频器的电路图

4.3 Gm—C有源多相滤波器的设计

4.3.1 滤波器设计技术回顾

4.3.2 通过跨导单元实现悬浮电感

4.3.3 通过跨导单元实现低通到带通的变换

4.3.4 跨导单元的设计

4.3.5 多相滤波器的电路图

4.4 电路仿真

4.4.1 混频增益(转换增益)仿真

4.4.2 输入1dB压缩点

4.4.3 滤波器特性的仿真

4.4.4 系统功耗

4.4.5 工艺角和温度仿真

4.4.6 仿真总结

4.5 芯片的版图设计

4.6 电路后仿真

4.6.1 系统混频增益(转换增益)后仿真

4.6.2 系统噪声系数后仿真

4.6.3 系统温度后仿真

4.6.4 后仿真总结

4.7 结论

第5章 正交混频器和有源多相滤波器的测试

5.1 电路的测试

5.1.1 混频增益和输入1dB 压缩点的测量

5.1.2 滤波器特性的测量

5.1.3 功耗的测量

5.2 仿真和测量结果对比

5.3 结论

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致 谢

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