2.4GHz接收机芯片中的0.35μm BiCMOS混频器分析与设计

摘要

近年来，由于人们对于网络应用和移动数据交换的需求越来越高，无线局域网络在企业，学校以及家庭中得到越来越多的应用。为适应人们对带宽不断增长的需求，GHz以上的无线高频通信发展迅速，目前发展的主要有两个频带上的应用，分别是 2.4GHz 的 ISM 频带(Industrial，Scientific，and Medical Band)以及5GHz的u-NⅡ频带(Unlicensed National Information Infrastructure Band)。其中 2.4GHz ISM频带在射频前端相对容易实现，应用较广。然而射频集成电路设计的核心技术仍掌握在国外的几家大公司手中。如何尽快地突破和解决射频集成电路的设计难点，拥有我国自行设计的芯片，是我国集成电路设计产业的当务之急。由于在射频电路中器件的正确建模对于设计的准确性十分重要，本文首先讨论了集成无源器件模型以及 MOS 器件的射频模型。然后根据国际上在噪声模型方面的最新进展，推导了低噪声放大器在同时考虑冲击噪声和闪烁噪声情况下的最小噪声因子。这一推导有助于更准确地估计噪声，有利于低噪声器件的设计。 其次本文介绍了混频器的基本原理以及几种常见结构。针对应用最广泛的吉尔伯特型混频器，文章较为详细地分析了它的性能特点，并探讨了指标之间的折衷关系。在此基础上，结合2.4GHz ISM Band 接收机项目的要求，对常用混频器结构做出优化改进。对于第一级混频器通过优化的输入匹配网络和仔细设计晶体管尺寸、工作点来改善噪声系数(NF)。同时，采用谐振的 LC 回路做电流源，以及并联的 PMOS 管．电阻做负载，获得了高线性度。后仿真结果显示单边带噪声系数约等于8.57dB，转换增益约等于10dB,1dB压缩点约等于-7.84dBm，输入三阶交调点约等于4.52dBm。对于第二级混频器采用 LC 回路作为负载完成差分输出到单端输出的转换以及实现抑制噪声的目的。后仿真结果如下：单边带噪声系数约等于11.63dB，转换增益约等于4.53dB，1dB压缩点约等于-3.21dBm，输入三阶交调点约等于2.28dBm。最后完成了2.4GHz前端低噪声放大器和混频器的级联仿真，后仿真结果为：单边带噪声系数约等于5.84dB，转换增益约等于21.21dB，1dB压缩点约等于-16.91dBm，输入三阶交调点约等于-5.65 dBm。满足2.4GHz射频接收前端的要求。所有的器件都基于Jazz o.35μm BiCMOS工艺设计。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图目录、表目录

独创性声明及关于论文使用授权的说明

第一章绪论

1.1研究的背景与意义

1.2设计工艺的选择

1.3本论文的主要工作

1.4本文的组织结构

第二章CMOS RFIC器件模型

2.1集成无源器件

2.1.1电阻

2.1.2电容

2.1.3电感

2.2射频MOS器件模型

第三章统一热噪声和冲击噪声的低噪声放大器噪声分析

3.1噪声源分类

3.1.1冲击噪声(Shot Noise)

3.1.2热噪声(Thermal Noise)

3.1.3闪烁噪声(Flicker Noise)

3.2 MOS晶体管噪声模型

3.2.1漏极电流噪声

3.2.2栅噪声

3.2.3 MOS的完整噪声模型

3.3经典的二端口网络噪声理论

3.3.1线性二端口网络的噪声因子

3.3.2最优的源噪声导纳

3.4冲击噪声、热噪声的统一建模

3.4.1模型说明

3.4.2热噪声、冲击噪声统一表达式

3.5基于热噪声、冲击噪声统一模型的低噪声放大器分析

3.5.1预备公式

3.5.2推导单管低噪声放大器网络噪声参数

3.5.3最小噪声系数的推导

第四章混频器性能指标分析与设计折衷考虑

4.1混频器的分类与结构

4.1.1单平衡混频器的工作原理

4.1.2双平衡混频器工作原理

4.2混频器指标分析以及设计中的折衷考虑

4.2.1转换增益与带宽

4.2.2线性度

4.2.3端口隔离度

4.2.4低电压供电

4.2.5噪声系数

第五章两级混频器设计与级联仿真

5.1混频器电路设计

5.1.1 2.4GHz频段混频器电路设计

5.1.2 49MHz频率的混频器设计

5.2偏置电路的设计

5.3版图设计

5.3.1抑制干扰

5.3.2减小寄生参数

5.3.3混频器核心单元版图设计的考虑及最终版图形式

5.4两级混频器的仿真结果

5.4.1 2.4GHz频段混频器仿真结果

5.4.2 2.4GHz频段混频器仿真结果分析

5.4.3 49MHz混频器仿真结果

5.4.4 49MHz混频器仿真结果分析

5.5 2.4GHz频段低噪声放大器和混频器的级联仿真

第六章结论

6.1论文工作总结

6.2进一步工作的建议

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果