无线通信系统接收射频前端片上LNA和Mixer的研究与设计

摘要

近十多年来，随着人们对数据无线通信的的需求发展，GSM和UIB等无线通信网络正在得到迅猛发展。例如，目前在全球个人手持通信中广泛应用的GSM系统和在近距离无线高速交换上具有极大潜力的UWB系统等。本文设计了一个拟应用于GSM1900通信系统无线接收机前端的低噪声放大器LNA，以及一个拟应用于OFDM UWB无线接收机中的下变频混频器Mixer。 LNA采用SMIC 0.18μm RF CMOS工艺的共源共栅NMOS结构的增益可变的差动式低噪声放大器。与以往常规分析不同，本文从实现的角度着重对低噪声放大器在考虑了ESD保护PAD和封装寄生效应后的输入阻抗匹配、增益，以及共源共栅级联结构下的噪声系数、线性度等进行了一系列分析并提出了优化措施。芯片测试结果表明：该放大器工作在1.56GHz的中心工作频率下时，-3dB带宽约为150MHz，输出最大电压增益为27dB，此时噪声系数NF约为2.33dB，ⅡP3约为4.0dBm，可变增益范围为7dB。在3.3V电源电压下消耗电流8.2mA。 Mixer采用Jazz 0.18μm RF CMOS工艺，通过一种不同于传统Gilebert结构的新颖的双平衡结构来实现，以降低本振大信号对输出中频端的噪声贡献和干扰，降低混频器的静态直流功耗等。测试结果表明：在约4～252MHz的中频范围内，转换增益大于6.5～11.8dB，线性度ⅡP3大于3.3dBm，噪声系数为22.5～26dB，各端口间隔离度均在约-50dB，在1.8V电压下消耗总电流约为8mA，基本优于性能指标要求，尽管mixer PCB上的性能不足的IF测试buffer对测试结果有一定的恶化影响。

目录

论文说明：缩略词

声明

摘要

第一章绪论

1.1课题研究背景

1.2论文的主要工作和创新

1.3论文的组织安排

第二章LNA的概述和性能分析

2.1 LNA的概述

2.1.1 LNA在接收机中的重要作用

2.1.2 LNA常见的几种输入匹配方式比较

2.1.3 LNA几种主放大电路结构比较

2.2对共源共栅放大结构性能的分析和优化

2.2.1输入匹配分析

2.2.2增益分析

2.2.3噪声分析

2.2.4线性度分析

第三章LNA的电路和版图设计

3.1 LNA的电路设计

3.1.1 LNA的指标要求

3.1.2结构选取

3.1.3输入匹配部分设计

3.1.4主放大电路部分设计

3.1.5工作电流设置

3.1.6输出端LC负载的设置

3.1.7输出buffer和片外输出匹配电路的设计

3.1.8可控增益部分的控制电路的设计

3.2 LNA的版图设计

3.3 LNA的版图后仿真

3.3.1 LNA版图后仿真电路顶层图

3.3.2 LNA版图后仿真结果

第四章OFDM UWB接收机中Mixer的概述和性能分析

4.1 MIXER的概述

4.1.1 Mixer基本工作原理和功能

4.1.2常见结构分类

4.2 MIXER的性能分析

4.2.1线性度

4.2.2转换增益

4.2.3噪声分析

4.2.4端口隔离

第五章OFDM UWB接收机中MIXER的设计

5.1 MIXER电路设计的指标要求

5.2新颖的开关跨导型MIXER的设计

5.2.1开关跨导型Mixer的工作原理

5.2.2开关跨导型Mixer的电路设计

5.2.3开关跨导型Mixer的版图设计

5.2.4 Mixer版图后仿真结果

第六章LNA和MIXER的测试

6.1 LNA的测试

6.1.1 LNA芯片照片和测试PCB照片

6.1.2 LNA测试结果

6.1.3 LNA测试结果分析

6.2 MIXER的测试

6.2.1 Mixer芯片和测试PCB板照片

6.2.2 Mixer测试结果

6.2.3 Mixer测试结果与设计指标比较

6.2.4 Mixer测试总结

6.2.5测试附录

第七章总结与展望

7.1论文总结和展望

参考文献

致谢