低壓低功耗CMOS收發(fā)機(jī)射頻前端電路的設(shè)計(jì)與研究.pdf

1、近十幾年來(lái)，高速發(fā)展的射頻無(wú)線通信技術(shù)被廣泛地應(yīng)用在社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域中，如無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)、藍(lán)牙(Bluetooth)、超寬帶(UWB)等短距離無(wú)線通信技術(shù)和兼容2G/3G/B3G協(xié)議的寬帶多標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)距離無(wú)線通信技術(shù)已深入到人們的生活和工作中。無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展要求無(wú)線通信設(shè)備能在任何地方、任何時(shí)間使用，因而人們?cè)絹?lái)越希望射頻無(wú)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(wú)線通信技術(shù)的飛速發(fā)展給

2、收發(fā)機(jī)射頻前端的設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)。收發(fā)機(jī)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(cè)在GHz頻段的微弱接收信號(hào)，同時(shí)還要在相同的頻段發(fā)射大功率的射頻信號(hào)。收發(fā)機(jī)射頻前端必須完成四個(gè)主要的操作:從天線來(lái)的射頻微弱接收信號(hào)要進(jìn)行放大和下變頻處理以提取出需要的信號(hào);從基帶處理器來(lái)的信號(hào)要進(jìn)行上變頻和驅(qū)動(dòng)以轉(zhuǎn)換為能夠發(fā)射的射頻信號(hào)。這需要高性能的收發(fā)機(jī)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(dòng)放大器等。在GHz頻段要

3、實(shí)現(xiàn)低電壓、低功耗、高集成度和高性能的電路是相當(dāng)困難的，這使得射頻前端設(shè)計(jì)成了無(wú)線收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)中的一個(gè)瓶頸。本論文的主要目的是在CMOS工藝下來(lái)實(shí)現(xiàn)低電壓、低功耗、高集成度和高性能的收發(fā)機(jī)射頻前端電路，并對(duì)收發(fā)機(jī)射頻前端電路CMOS實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行研究，以期設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足一定應(yīng)用要求的收發(fā)機(jī)射頻前端芯片。本論文的主要?jiǎng)?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(fù)雜度超寬帶低噪聲放大器(LNA)。該電路由兩級(jí)簡(jiǎn)單的放大器通過(guò)級(jí)間匹配電感連接構(gòu)成。第一級(jí)放大器使用電阻電流復(fù)用結(jié)構(gòu)和雙電感源級(jí)負(fù)反饋技術(shù)來(lái)達(dá)到寬帶輸入阻抗匹配和低噪聲系數(shù)，第二級(jí)放大器使用帶電感峰值技術(shù)的共源級(jí)放大器來(lái)同時(shí)達(dá)到高平坦增益和好的寬帶特性。芯片測(cè)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(diǎn)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(mǎn)足UWB無(wú)線通信應(yīng)用的同時(shí)，具有低壓低功耗的特點(diǎn)。
　　 (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(jì)思路，采用電流模式設(shè)計(jì)方法，創(chuàng)新性地把無(wú)源開(kāi)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(jìn)行

6、無(wú)縫耦合，用電流鏡放大器和內(nèi)嵌的無(wú)源開(kāi)關(guān)核來(lái)完成混頻功能。它不需要使用電感和電阻無(wú)源元件，卻能夠同時(shí)兼有有源混頻器和無(wú)源混頻器的優(yōu)勢(shì)。芯片測(cè)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(diǎn)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(mǎn)足寬帶多標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線通信（如能夠兼容2G

7、/3G/B3G中的多種協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)）應(yīng)用的同時(shí)，具有低壓低功耗的特點(diǎn)。
　　 (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(jī)射頻前端電路，它把上混頻器和驅(qū)動(dòng)放大器作為一個(gè)整體進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(jí)，它可以在低電壓設(shè)計(jì)下顯著提高電路的線性度。跨阻驅(qū)動(dòng)放大器采用兩級(jí)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(jìn)一步放大信號(hào)發(fā)射功率。提出

8、的發(fā)射機(jī)射頻前端電路采用電流模式方法設(shè)計(jì)，可以去掉兩電路模塊之間不必要的幾個(gè)電壓-電流(V-I)和電流-電壓(I-V)轉(zhuǎn)換。芯片測(cè)試結(jié)果顯示，在2.4GHz頻率下，發(fā)射機(jī)射頻前端電路總的功率轉(zhuǎn)換增益為15.5dB，輸出ldB壓縮點(diǎn)為3dBm，輸出三階交調(diào)點(diǎn)(OIP3)為13.8dBm，最大輸出信號(hào)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(mǎn)足Bluetooth和IEE

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