低壓低功耗CMOS收發(fā)機射頻前端電路的設(shè)計與研究.pdf

1、近十幾年來，高速發(fā)展的射頻無線通信技術(shù)被廣泛地應用在社會的各個領(lǐng)域中，如無線局域網(wǎng)(WLAN)、藍牙(Bluetooth)、超寬帶(UWB)等短距離無線通信技術(shù)和兼容2G/3G/B3G協(xié)議的寬帶多標準遠距離無線通信技術(shù)已深入到人們的生活和工作中。無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展要求無線通信設(shè)備能在任何地方、任何時間使用，因而人們越來越希望射頻無線通信設(shè)備擁有更低的電壓、更低的功耗、更小的尺寸以及更高的性能。
　　 無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展給

2、收發(fā)機射頻前端的設(shè)計帶來了很大挑戰(zhàn)。收發(fā)機射頻前端是天線和后端數(shù)字基帶處理器之間的接口，它需要檢測在GHz頻段的微弱接收信號，同時還要在相同的頻段發(fā)射大功率的射頻信號。收發(fā)機射頻前端必須完成四個主要的操作:從天線來的射頻微弱接收信號要進行放大和下變頻處理以提取出需要的信號;從基帶處理器來的信號要進行上變頻和驅(qū)動以轉(zhuǎn)換為能夠發(fā)射的射頻信號。這需要高性能的收發(fā)機射頻前端電路，包括低噪聲放大器、下混頻器、上混頻器和驅(qū)動放大器等。在GHz頻段要

3、實現(xiàn)低電壓、低功耗、高集成度和高性能的電路是相當困難的，這使得射頻前端設(shè)計成了無線收發(fā)機設(shè)計中的一個瓶頸。本論文的主要目的是在CMOS工藝下來實現(xiàn)低電壓、低功耗、高集成度和高性能的收發(fā)機射頻前端電路，并對收發(fā)機射頻前端電路CMOS實現(xiàn)中的關(guān)鍵問題進行研究，以期設(shè)計出滿足一定應用要求的收發(fā)機射頻前端芯片。本論文的主要創(chuàng)新工作可概括如下:
　　 (1)本論文提出了一種基于Chartered0.18μCMOS工藝的3.1～10.6GH

4、z的低復雜度超寬帶低噪聲放大器(LNA)。該電路由兩級簡單的放大器通過級間匹配電感連接構(gòu)成。第一級放大器使用電阻電流復用結(jié)構(gòu)和雙電感源級負反饋技術(shù)來達到寬帶輸入阻抗匹配和低噪聲系數(shù)，第二級放大器使用帶電感峰值技術(shù)的共源級放大器來同時達到高平坦增益和好的寬帶特性。芯片測試結(jié)果顯示，在3.1～10.6GHz頻段內(nèi)，提出的超寬帶LNA的最大功率增益為15.6dB，反向隔離度S12為-45dB，輸入輸出反射系數(shù)小于-10dB，噪聲系數(shù)為2.8～

5、4.7dB，在6GHz的輸入三階交調(diào)點為-7.1 dBm。在1.5V電源電壓下，功耗為8.1mW，芯片總面積為0.8mm×0.9mm。提出的電路在滿足UWB無線通信應用的同時，具有低壓低功耗的特點。
　　 (2)本論文提出了一種基于TSMC0.18μm CMOS工藝的0.5～4.0GHz的寬帶電流模式下混頻器。該電路改變傳統(tǒng)混頻器設(shè)計思路，采用電流模式設(shè)計方法，創(chuàng)新性地把無源開關(guān)核嵌入到電流鏡放大器輸入和輸出晶體管柵極之間并進行

6、無縫耦合，用電流鏡放大器和內(nèi)嵌的無源開關(guān)核來完成混頻功能。它不需要使用電感和電阻無源元件，卻能夠同時兼有有源混頻器和無源混頻器的優(yōu)勢。芯片測試結(jié)果顯示，在0.5～4.0GHz頻段內(nèi)，提出的寬帶下混頻器的功率轉(zhuǎn)換增益為8.9～9.6dB，雙邊帶噪聲系數(shù)為6.9～9.3dB，輸入三階交調(diào)點為2.0～5.8dBm。在1.2V電源電壓下，功耗為9.6mW，芯片總面積為0.43mm×0.46mm。提出的電路在滿足寬帶多標準無線通信（如能夠兼容2G

7、/3G/B3G中的多種協(xié)議標準）應用的同時，具有低壓低功耗的特點。
　　 (3)本論文提出了一種基于Chartered0.18μm CMOS工藝的2.4GHz的電流模式發(fā)射機射頻前端電路，它把上混頻器和驅(qū)動放大器作為一個整體進行設(shè)計。電流模式上混頻器采用電流平方電路的交叉耦合結(jié)構(gòu)作為輸入級，它可以在低電壓設(shè)計下顯著提高電路的線性度?？缱栩?qū)動放大器采用兩級放大結(jié)構(gòu)連同電容交叉耦合技術(shù)可以在較小功率消耗下進一步放大信號發(fā)射功率。提出

8、的發(fā)射機射頻前端電路采用電流模式方法設(shè)計，可以去掉兩電路模塊之間不必要的幾個電壓-電流(V-I)和電流-電壓(I-V)轉(zhuǎn)換。芯片測試結(jié)果顯示，在2.4GHz頻率下，發(fā)射機射頻前端電路總的功率轉(zhuǎn)換增益為15.5dB，輸出ldB壓縮點為3dBm，輸出三階交調(diào)點(OIP3)為13.8dBm，最大輸出信號功率為4.5dBm。在1.2V電源電壓下，總的功耗為7.2mW，芯片總面積為0.9mm×1.1mm。提出的電路在滿足Bluetooth和IEE

9、E802.11b WLAN應用的同時，具有低壓低功耗的特點。
　　 (4)本論文提出了一種基于Chartered0.18μm CMOS工藝的2.4GHz的改進型Gilbert上混頻器。該混頻器的輸入跨導級采用電阻電流復用結(jié)構(gòu)和電容交叉耦合技術(shù)來增大跨導，它可以改善電路的轉(zhuǎn)換增益和線性性能并復用直流電流來節(jié)省功率消耗。同時在開關(guān)級中加入電流注入結(jié)構(gòu)來減少開關(guān)級偏置電流，它可以改善混頻器開關(guān)效率并進一步提高轉(zhuǎn)換增益。后版圖仿真結(jié)果顯