基于P和L频段射频前端关键电路研究

摘要

随着CMOS工艺的不断进步,促进了高集成度的射频收发机的不断发展。低噪声放大器和混频器是接收机射频前端两个关键电路模块,研制高性能的低噪声放大器和混频器一直是研究的热点。本文基于CMOS工艺研究设计了可应用于数字电视调谐器的P波段宽带低噪声放大器和无源混频器以及可应用了北斗二号的L频段窄带低噪声放大器。
　　 首先,介绍了该课题的研究背景,以及国内外关于宽带低噪声放大器和高线性度混频器的研究状况。论文在总结相关文献的基础上,对噪声的二端口网络、功耗限制条件下的噪声优化方法、低噪声放大器常用的线性化技术以及低噪声放大器的常用四种电路结构进行理论分析。在经典的共源共栅低噪声放大器基础上采用电容交叉耦合技术设计了L频段窄带高增益低噪声放大器。该结构在提高共栅管跨导的同时改进了共源放大管的输入匹配,解决了栅极电感的集成问题。该低噪声放大器工作在1.8V电源电压下,采用了SMIC0.18μm工艺库,ADS仿真结果为:中心频率1.561GHz处增益为19.684dB,噪声系数为2.045dB,线性度IIP3大于一5.5dBm,电流消耗7mA。
　　 其次,本文介绍了混频器的性能参数、有源混频器与无源混频器的比较、重点分析了提高无源混频器线性度的几种方法。接着根据P波段接收机的具体指标要求,分别设计了P波段宽带可变增益低噪声放大器以及无源混频器。为了缓解共栅结构易实现宽度匹配以及较高噪声系数的矛盾,P波段低噪声放大器采用了噪声相消技术的共栅结构,有效的降低了共栅放大管的噪声。本次P波段接收机工作频段为370MHz～650MHz,输入信号功率范围较大(-40dBm～-10dBm)，因此设计了可变增益的低噪声放大器,满足各个输入功率能量下的信号处理。根据输入信号功率大小,改变控制位,实现步长10dB的增益变化。基于TSMC0.18μm工艺库,Cadence仿真结果显示在高增益模式下指标为:NF＜2.3 dB,Gain＞20 dB,IIP3＞5.8dBm。同时设计了P波段无源混频器,根据单输入和双输入两种结构,分别设计了单平衡无源混频器和双平衡无源混频器。双平衡无源混频器采用传统的结构,仿真显示IIP3＞28dBm。在传统结构的基础上,对单平衡无源混频器进行改进,仿真验证了在重负载下,改进后的结构有更高的转换增益和更好的噪声性能。
　　 最后,对P波段接收机射频前端电路进行版图设计,合理的版图设计对最后的流片结果至关重要。在尽量较小PCB测试板的外在影响的情况下,对流片后的P波段射频芯片进行测试,测试结果基本满足设计要求。