应用于无线传感器网络的LNA和Mixer的研究与设计

摘要

近十年来,随着无线传感器网络的迅速发展和CMOS工艺技术的不断进步,采用低成本的CMOS工艺实现高性能射频通信电路和系统成为可能。作为无线传输设备的核心器件,射频集成电路的设计技术和应用层面的产品开发一直以来倍受重视。因此,如何设计出应用于无线传感器网络的高性能CMOS射频集成前端已成为当前的研究热点。　　本论文的主要工作是基于SMIC0.18μm RF CMOS工艺,设计用于IEEE802.15.4标准的2.4GHz无线局域网射频接收机前端的低噪声放大器(LNA)和下变频混频器(Mixer)。本论文提出一个简化的短沟道MOSFET设计模型,说明了该模型中各个参数的物理意义并用仿真数据拟合的方法提取模型参数。分析了源极电感负反馈LNA的输入阻抗匹配、噪声系数和线性度。LNA的设计以cascode结构为基础,采用源级电感负反馈的方法提高了线性度,并且通过设计一个控制电压控制LNA的输出阻抗,从而实现了可变增益这一目的,采用Cadence Spectre-RF后仿真结果表明,在控制电压为0V-1.8V的情况下,在2.45GHz处,LNA输入输出匹配良好,功率增益范围为-0.33dB-15.93dB,噪声系数范围为1.715dB-1.848dB,输入1dB压缩点范围为-8.4dBm-7.746dBm,输入三阶交调点范围为5.48dBm-5.68dBm。在1.8V电源电压下,功耗约为21.6mW。　　下变频器的设计以Gilbert有源双平衡混频器为基础,采用电流注入技术的方法,减少流经开关管和负载的电流,缓解电压裕度和功耗的限制,减小开关级的闪烁噪声,采用源极电感负反馈的方法提高线性度。Cadence Spectre-RF后仿真结果表明,转换电压增益为24.3dB,双边带噪声系数为5.88dB,输入1dB压缩点为-9.886dBm,输入三阶交调点为1.551dBm。在1.8V电源电压下,功耗约为8.1mW。

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第一章 绪论

§1.1研究背景

§1.2无线传感器网络的发展状况和发展趋势

§1.3基于CMOS技术的射频前端系统

§1.4 IEEE 802.15.4无线局域网标准

§1.5本文的主要工作

第二章 射频接收机概述

§2.1射频接收机体系结构

§2.2 WSN接收机的性能参数

§2.3接收机前端电路设计

§2.4本章小结

第三章 MOS器件模型分析

§3.1 MOSFET器件的简化设计模型

§3.2 MOSFET饱和区直流参数拟合

§3.3 本章小结

第四章 CMOS低噪声放大器的研究与设计

§4.1低噪声放大器的主要性能指标

§4.2源极电感负反馈结构的分析

§4.3 LNA的噪声分析

§4.4 LNA的线性度分析

§4.5 可变增益低噪声放大器电路的设计

§4.6 增益控制模块电路的设计

§4.7 本章小结

第五章 改进型CMOS混频器的研究与设计

§5.1混频器的工作原理

§5.2混频器的主要性能指标

§5.3有源双平衡结构的分析

§5.4 Gilbert混频器性能的分析

§5.5 改进型Gilbert混频器电路的设计

§5.6本章小结

第六章 版图的设计与后仿真

§6.1版图设计的方法

§6.2本次设计的版图

§6.3射频前端模块的后仿真结果

§6.4本章小结

第七章 论文总结与展望

§7.1工作总结

§7.2展望

参考文献

附录A

致谢

作者在攻读硕士学位期间主要研究成果