多模多標準接收機射頻前端關(guān)鍵技術(shù)研究與集成電路設(shè)計.pdf

1、在當前的空間環(huán)境內(nèi)，移動通信、衛(wèi)星導(dǎo)航、短距離通信、數(shù)字電視和廣播等多種無線通信模式廣泛共存，為人們提供了高質(zhì)量、多樣性的信息服務(wù)，極大促進了社會發(fā)展和進步。支持多頻段、多模式通信的接收機及其集成電路設(shè)計成為了學術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點。本論文圍繞兼容WCDMA、LTE、WLAN等無線通信標準的多模多標準接收機射頻前端展開研究工作，分別針對接收機的架構(gòu)與鏈路指標規(guī)劃、寬帶低噪聲放大器(LNA)、可重構(gòu)無源混頻器、可重構(gòu)的低通濾波器(LPF

2、)、可編程增益放大器(PGA)以及射頻前端的集成進行了深入研究。
　　本文首先根據(jù)WCDMA、LTE、WLAN等通信標準的空中接口文件分析了多模多標準接收機各個標準對噪聲系數(shù)、線性度、增益、干擾抑制等指標的要求，并綜合考慮上述指標要求研究并設(shè)計了可重構(gòu)多模多標準接收機基本架構(gòu)。同時，本文綜合考慮了系統(tǒng)可重構(gòu)性、低功耗、可行性等因素，計算了接收機射頻前端的整體指標要求，并將該整體指標在鏈路不同模塊之間合理分配，為后續(xù)各電路模塊的研究

3、設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。
　　本文分別基于噪聲抵消結(jié)構(gòu)和有源負反饋結(jié)構(gòu)研究并設(shè)計了兩種用于接收機射頻前端的寬帶LNA。針對噪聲抵消技術(shù)在高頻段由于寄生效應(yīng)和增益下降所引起的非理想特性，本文提出了基于柵極電感峰化技術(shù)的寬帶LNA，分析了柵極電感對LNA帶寬的展寬機理，并基于TSMC0.18μm CMOS工藝對該設(shè)計進行了流片驗證，測試結(jié)果表明，在柵極峰化電感和噪聲抵消技術(shù)的共同作用下，本文設(shè)計的LNA實現(xiàn)了2.5 GHz的平坦-3 dB帶寬

4、，3.4 dB的噪聲系數(shù)以及-2.0 dBm的三階輸入截點(IIP3);此外，本文研究了有源負反饋結(jié)構(gòu)寬帶LNA相比于傳統(tǒng)電阻負反饋LNA的優(yōu)勢和不足，并研究了LNA的鍵合線與ESD協(xié)同設(shè)計技術(shù)，在此基礎(chǔ)上本文設(shè)計了一款帶ESD保護的有源負反饋LNA，并對其進行了鍵合測試，測試結(jié)果表明鍵合線能有效改善寬帶LNA輸入匹配，S11(輸入反射系數(shù))小于-8 dB的頻率范圍擴大至2.45 GHz，LNA的-3 dB帶寬達到0.75～2.7 GH

5、z，測得的噪聲系數(shù)為4.0 dB，IIP3平均值為-4.5 dBm。
　　本文比較分析了電流換向無源混頻器與傳統(tǒng)吉爾伯特結(jié)構(gòu)有源混頻器的異同，分析了電流換向無源混頻器的非線性機理和提高其線性度的方法，并基于TSMC0.18μm CMOS工藝設(shè)計實現(xiàn)了一個寬帶電流換向無源混頻器，測試結(jié)果表明該混頻器實現(xiàn)了21.8 dB的電壓轉(zhuǎn)換增益，11.5 MHz的中頻輸出帶寬，10.6 dB的噪聲系數(shù)以及9 dBm的IIP3。進而，本文在上述無

6、源混頻器的基礎(chǔ)上提出了可重構(gòu)的無源混頻器結(jié)構(gòu)，利用兩位控制字對無源混頻器的跨導(dǎo)電流和跨阻電阻陣列分別控制，以實現(xiàn)增益、線性度和噪聲系數(shù)的重構(gòu)，本文基于TSMC0.18μm CMOS工藝設(shè)計實現(xiàn)了該可重構(gòu)無源混頻器，測試結(jié)果表明，在不同的控制字下，混頻器可以實現(xiàn)與功耗相對應(yīng)的4種增益模式，分別為5dB、11 dB、16.3 dB和22 dB，在最大增益模式下，混頻器輸出中頻帶寬大于12 MHz，最低增益模式下混頻器的IIP3為8.5 dB

7、m，最高增益模式下雙邊帶噪聲系數(shù)為8.03 dB?；祛l器獲得了良好的正交特性，其IQ兩路信號的相位誤差小于1.8°，增益誤差小于0.26 dB。
　　針對多模多標準接收機對模擬基帶電路重構(gòu)性的要求，本文分別設(shè)計了一個可重構(gòu)低通濾波器和一個可編程增益基帶放大器(PGA)。本文提出一種基于Active-Gm-RC架構(gòu)的可重構(gòu)的低通濾波器結(jié)構(gòu)，提出并分析了基于OTA(運算跨導(dǎo)放大器)陣列和無源網(wǎng)絡(luò)對濾波器截止頻率進行重構(gòu)的原理和方法。本

8、文采用TSMC0.181μm CMOS工藝設(shè)計實現(xiàn)了一個截止頻率為1.4～10 MHz的可重構(gòu)低通濾波，測試結(jié)果表明在3位控制字的控制下，該濾波器可以實現(xiàn)1.39～10.61 MHz的7種粗調(diào)帶寬，測試功耗為0.45～1.35 mW，測試所得-1dB增益壓縮點為-9.7 dBVpp，最小輸入等效噪聲電壓為36 nV/Sqrt(Hz);本文基于開環(huán)源極電阻負反饋結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一款0～60 dB增益范圍12 MHz帶寬的PGA電路，并分析了輸

9、入級跨導(dǎo)提升(Gm-Boost)技術(shù)對PGA增益精度的影響以及DCOC電路的原理，PGA基于TSMC0.18μm CMOS工藝設(shè)計實現(xiàn)并流片驗證，測試結(jié)果表明PGA實現(xiàn)了0～62 dB的可編程增益變化范圍，1～1.1 dB的增益步長，0.98 Vpp的輸出擺幅，以及-2.4 dBVpp的輸入等效-1 dB壓縮點。
　　最后本文基于TSMC0.18μm CMOS工藝設(shè)計實現(xiàn)了一個可重構(gòu)的寬帶多模多標準接收機射頻前端，包含可重構(gòu)LNA

10、、單端轉(zhuǎn)差分(S2D)電路、可重構(gòu)的IQ正交混頻器和提供本振信號的正交二分頻器等電路模塊，支持WCDMA、TD/FD-LTE、WLAN等標準。采用三位控制字來控制射頻前端的增益。測試結(jié)果表明，該前端可以實現(xiàn)100 MHz～2.9 GHz的良好輸入匹配，覆蓋上述標準的大多數(shù)載頻，實現(xiàn)18～40dB的增益變化范圍和大于15 MHz的中頻帶寬，功耗為28.8～44.6 mW,最小測試噪聲系數(shù)為4.6 dB，最大IIP3為-4.9 dBm。射頻