低功耗高線性射頻低噪聲放大器與混頻器的研究與設(shè)計.pdf

1、隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，各種無線通信系統(tǒng)在人們實際生產(chǎn)生活中的應(yīng)用也變得越來越廣泛，讓我們的生產(chǎn)變得更加高效，生活也變得更加豐富。無線通信系統(tǒng)中信號的正常接收都需要通過接收機(jī)來完成，低噪聲放大器和混頻器是組成接收機(jī)的關(guān)鍵組件，這兩者的性能表現(xiàn)對接收機(jī)乃至整個無線通信系統(tǒng)都有著舉足輕重的影響。然而，與日益增長的高性能需求不相符的是電源技術(shù)發(fā)展的相對滯后，在系統(tǒng)能耗受到制約的情況下，研究并設(shè)計出低功耗的高性能低噪聲放大器和混頻器，

2、將對無線通信系統(tǒng)的發(fā)展起到非常重大的促進(jìn)作用。
　　低噪聲放大器和混頻器橋接了接收機(jī)的天線與后級組件。微弱的射頻信號通過天線接收后，經(jīng)過低噪聲放大器放大，再輸送至混頻器轉(zhuǎn)換成低頻信號，最后通過后級組件進(jìn)行下一步處理。本文圍繞如何在低功耗的前提下設(shè)計出高性能的低噪聲放大器和混頻器這條主線進(jìn)行展開，分別以低電壓低功耗和高線性低噪聲這兩個方面為切入點，充分分析了低噪聲放大器和混頻器的研究現(xiàn)狀;然后以理論分析為指引，通過仿真測試等技術(shù)手段

3、，設(shè)計提出具有一定實際應(yīng)用價值的低噪聲放大器和混頻器，主要創(chuàng)新內(nèi)容包括以下幾點:
　　(1)提出了一個低功耗高增益的超寬帶低噪聲放大器(LPHG-LNA)。此低噪聲放大器基于簡單的共源共柵電路結(jié)構(gòu)，并運(yùn)用MOS管正向襯底偏置技術(shù)降低整個電路的工作電壓，有效地減少了電路的功率消耗;另外，在共源級將變壓器與電阻式反饋相結(jié)合構(gòu)造出多反饋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不僅提高了阻抗匹配性能，而且增加了放大器的工作帶寬，工作頻率范圍達(dá)到3.4GHz至10.1G

4、Hz。該低噪聲放大器的工作電壓為0.8V，增益達(dá)到14.2dB，噪聲系數(shù)最低降至1.49dB，僅消耗2.33mW的功率，適用于需要低電壓低功耗以及高增益的應(yīng)用環(huán)境。
　　(2)提出了一個低功耗高線性的超寬帶低噪聲放大器(LPHL-LNA)。此低噪聲放大器針對LPHG-LNA線性度性能表現(xiàn)不夠理想的問題改進(jìn)電路設(shè)計，通過運(yùn)用噪聲消除和非線性抑制技術(shù)，在有效抑制電路噪聲的同時，較大幅度地提高電路的線性度。與LPHG-LNA進(jìn)行對比可知

5、，此LPHL-LNA盡管增加了四個MOS管，它的工作電壓、功耗、增益和阻抗匹配等性能指標(biāo)與LPHG-LNA基本相當(dāng);工作頻率從3.4GHz-10.1GHz擴(kuò)展至3.1GHz-10.6GHz，噪聲系數(shù)也略有降低，而線性度的提升效果比較明顯，IIP3值提高19dBm，達(dá)到4.2dBm。
　　(3)為了更好地配合低噪聲放大器的工作，并完成混頻的任務(wù)，設(shè)計提出了一個低功耗高線性高增益的無源混頻器(HLHG-Mixer)。該混頻器采用無源開

6、關(guān)核進(jìn)行混頻以減少功耗和非線性失真;并在跨導(dǎo)級運(yùn)用電流復(fù)用的互補(bǔ)式放大器結(jié)構(gòu)，結(jié)合負(fù)載級的共源放大器對輸入信號進(jìn)行兩次放大，從而取得較為理想的轉(zhuǎn)換增益。此混頻器的結(jié)構(gòu)簡潔，在1V的電源電壓下轉(zhuǎn)換增益達(dá)到12.4dB，同時保持較為理想的線性度，IIP3和1dB壓縮點分別為7.78dBm和-3.76dBm，電路總功耗只有1.41mW。
　　(4)提出了一個低功耗高線性低噪聲的次諧波巴倫有源混頻器(HLLN-Mixer)，并基于GLOB

7、AL FOUNDRIES公司的0.18μm RF CMOS工藝進(jìn)行流片測試。此混頻器設(shè)計提出一種新型的次諧波巴倫結(jié)構(gòu)并將其運(yùn)用在本振信號輸入端，從而有效降低混頻器所需本振信號的頻率、數(shù)量和功率，進(jìn)而大大緩解本地振蕩器的工作壓力;此外，針對HLHG-Mixer噪聲抑制不太理想的問題，在混頻器的跨導(dǎo)級采用改進(jìn)的噪聲消除和非線性抑制技術(shù)，有效降低整個混頻器的噪聲并較好地保持其線性度;同時，為了克服傳統(tǒng)Gilbert有源混頻器因跨導(dǎo)級和開關(guān)級共

8、用偏置電流所引起的諸多問題，此混頻器的跨導(dǎo)級和開關(guān)級分別使用不同的偏置電流，并且利用電流注入技術(shù)提高跨導(dǎo)級的偏置電流以獲得更高的增益和更低的噪聲。測試結(jié)果表明，該混頻器的噪聲系數(shù)由HLHG-Mixer的15.66dB降低至2.6dB，降低幅度約為13dB，效果較為突出，轉(zhuǎn)換增益也小幅提高了3.4dB，達(dá)到15.8dB;線性度保持在較高水平，IIP3約為6.6dBm，而整個電路功耗為7.6mW。對比兩者的綜合性能指標(biāo)(FOM)，HLHG-