CMOS有源混頻器噪聲及射頻接收前端關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、伴隨無線通信市場的迅猛增長和集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，射頻前端集成電路技術(shù)得到了廣泛深入的研究。設(shè)計者對于射頻前端電路優(yōu)越電學(xué)性能的無止境追求，也不斷驅(qū)使著相關(guān)設(shè)計技術(shù)的推陳出新，與時俱進。其中，直接變頻結(jié)構(gòu)以結(jié)構(gòu)簡潔，高度集成而受到研究者的大為推崇，被視為最有希望成為未來射頻集成收發(fā)前端的主導(dǎo)架構(gòu)。不過，與性能上的優(yōu)越相伴隨的是技術(shù)上的挑戰(zhàn)。直到今天，業(yè)界圍繞著其直流失調(diào)、閃爍噪聲、本振泄漏等關(guān)鍵技術(shù)問題所展開的研究與探索從沒有間斷過。

2、另一方面，混頻器是射頻接收前端的核心模塊之一，其噪聲的周期時變特性使得相關(guān)分析變得十分復(fù)雜，也正是這個原因，其一直是射頻集成電路學(xué)科頗具挑戰(zhàn)性的研究課題。既有的相關(guān)噪聲分析模型已經(jīng)不能有效提供在亞微米、高頻等當(dāng)前實際應(yīng)用場景下的混頻器電路設(shè)計指導(dǎo)?；诖?，如何開發(fā)出具有更廣泛適用性的混頻器噪聲解析模型顯得尤為迫切。
　　本文針對CMOS混頻器的噪聲特性及射頻接收前端的若干關(guān)鍵技術(shù)問題進行了研究，取得了一些有益的結(jié)論和成果，主要研究

3、工作和創(chuàng)新點如下：
　　1.提出亞微米CMOS有源混頻器噪聲模型：借助最新的基于亞微米物理機理的MOSFET器件I-V模型和器件噪聲模型，通過數(shù)值迭代來求解混頻器大信號 I-V方程，進而結(jié)合小信號推導(dǎo)得到包含溝道調(diào)制效應(yīng)的混頻器各級噪聲轉(zhuǎn)換函數(shù)，最后得到包含亞域區(qū)導(dǎo)電效應(yīng)，溝道調(diào)制等二級效應(yīng)的噪聲解析模型。
　　2.提出包含記憶效應(yīng)的CMOS有源混頻器噪聲分析方法：基于線性周期時變理論，推導(dǎo)得到包含記憶效應(yīng)的混頻器噪聲轉(zhuǎn)移方

4、程。使用電路小信號分析方法，推導(dǎo)得到混頻器各級的周期時變轉(zhuǎn)移函數(shù)。包含尾電容記憶效應(yīng)的混頻器電路各級噪聲源至輸出的噪聲變換系數(shù)得以數(shù)值求解，進而最終得到適用于高頻下的混頻器噪聲解析模型。以上兩個噪聲模型均為包含熱噪聲和閃爍噪聲的一元化解析式，可以應(yīng)用于具有不同中頻特點的該型混頻器的噪聲設(shè)計優(yōu)化。雖然理論上兩者可以合二為一，但是出于解析式的簡潔直觀目的，文中分開進行論證。
　　3.提出本振失調(diào)下CMOS有源混頻器的轉(zhuǎn)換增益模型：通過

5、對電路的共源共柵小信號等效，推導(dǎo)出亞微米工藝條件下的包含器件輸出電阻效應(yīng)的混頻器有效驅(qū)動級跨導(dǎo)解析式。在此基礎(chǔ)上，提出了本振信號存在各種幅度、相位失調(diào)情況下的混頻器轉(zhuǎn)換增益解析模型。
　　4.提出一種低噪放和混頻器融合結(jié)構(gòu)的增益可調(diào)直接變頻射頻接收前端：采用折疊結(jié)構(gòu)降低開關(guān)對的偏置電流取得良好的閃爍噪聲性能，同時兼有優(yōu)越的增益性能；通過共模與差模反饋來改善直流失調(diào)，穩(wěn)定中頻輸出；利用差分電路結(jié)構(gòu)以及版圖優(yōu)化布局獲得高的二階交調(diào)指標(biāo)