应用于无线通信射频前端电路及混合集成接收机研究

杭州电子科技大学硕士学位论文应用于无线通信射频前端电路及混合集成接收机研究姓名：李进申请学位级别：硕士专业：@指导教师：程知群20100301杭州电子科技大学硕士学位论文IV摘要近年来，射频(RF)无线通信技术的迅速发展增加了人们对低电压高性能射频前端的需求，无线通讯系统中的关键模块-RFIC成为当前的研究热点，如：蜂窝式个人通信与基站、无线接入系统、卫星通信、全球卫星定位系统、无线局域网等。射频IC的优化设计，除了数字IC所要求的功耗、速度外，还必须考虑系统部件的噪声、增益、线性度、最大功率传输等因素。同时，由于激烈的市场竞争，通讯系统对射频IC的要求也越来越高，低成本、低功耗、高线性度、多功能等已经成为射频集成电路发展的趋势。低噪声放大器（LNA）和混频器是射频前端的关键模块，直接决定接收机的灵敏度和动态范围。因此，怎样提高低噪声放大器和混频器的性能指标一直是人们研究的热点，本文对低噪声放大器和混频器的发展状况做了总结，然后分别从线性度提高和噪声优化两个方面对低噪声放大器和混频器设计进行了深入的研究。首先，本文对射频电路里面常用的S参数、两端口网络、增益、噪声、线性度等常见的概念做了分析与说明，然后在总结了相关文献资料的基础上，对LNA的常见输入阻抗匹配结构、MOS管的非线性来源和低噪声放大器的线性化技术进行了分析和总结。接着论文针对传统的共源共栅低噪声放大器结构提出了一种由2个MOS管并联构成的3阶互调失真吸收单元来提高传统CMOS共源共栅LNA线性度的方法。与传统结构相比，该方法的输入三阶交调点（IIP3）可以提高近15dB，电流消耗增加了1.8mA，噪声增加0.2dB。其次，本文对混频器的工作原理进行了介绍，总结了常用的增益、噪声、线性度性能的提高技术。通过引入电流注入技术对Gilbert双平衡混频器进行了改进，设计了一种高增益低噪声的Gilbert混频器，通过仿真和优化，此改进的Gilbert混频器的增益（CG）达到了17.4dB，噪声系数约为8.8dB；然后，在传统电流注入混频器的基础上引入电感调谐的方法来改善混频器增益和噪声，线性度也有一定程度的提高，仿真结果表明，与传统电流注入混频器相比，改进型电流注入混频器电路，当本振功率为-3dBm时，增益提高了1.76dB，IIP3提高2.1dBm,噪声系数降低了约1dB，本次设计采用SMIC0.18umCMOS工艺库。第六章采用混合集成方法设计了UHF频段的接收机，测试结果表明：在信噪比要求为12dB的条件下，灵敏度达到-115dbm，本振及镜像抑制良好，已经达到设计要求。最后，第七章对本文的设计做了总结。关键词：射频前端电路，低噪声放大器，混频器，CMOS工艺，UHF，接收机杭州电子科技大学硕士学位论文VABSTRACTThewirelesscommunicationsystems,suchascordless,GPS,andBluetoothapplications,etc,haveincreasedthedemandforlow-costandhighperformancefront-endreceivers.TheneedforlowvoltageoperatingRFchipswithlowpowerdissipationandhighperformanceareincreasingrapidly.Thesystemcomponents,suchasnoise,gain,linearity,maximumpowertransmissionandotherfactorsmustbeconsideredinthedesignofRFIC,inadditiontotherequiredofpowerconsumption,speedofdigitalIC.Atthesametime,underthedrasticmarketcompetition,telecommunicationsystemwithlowcost,lowpowerdissipationandmultifunctionbecomethedevelopmenttrendofradiofrequencyintegratedcircuits.TheLNAandMixeraretheimportantcomponentsofatypicalfrond-endcircuit,whichdirectlydeterminethereceiversensitivityanddynamicrange.So,improvingtheperformanceofLNAandMIXERbecomesapopularissue.Thisthesisexploresdesigntechniquesforlownoiseamplifierandmixerbyfocusingonnoiseoptimizationandlinearityimprovement.Firstly,thethesisgivesanalysisaboutthecommonconceptionofRFdesign,suchasS-parameter,twoportnetwork,gain,noise,linearity,etc.Thenitsummarizestheuniversalstructuresofinputimpedancematching,sourcesofMOSFETnon-linearityandlinearizationtechnologiesforlownoiseamplifier.AnewlinearizationmethodisthenproposedforlinearizingthetraditionalstructureofcascodeLNA,andthelinearityisimprovedbya3rdintermodulationdistortionsinkerwhichcomprisedoftwoMOSFET.Comparedwithtraditionalstructure,proposedcircuitshaveanIIP3improvementof15dB,currentdissipationofa1.8mAincreaseandnoisefigureofabout0.2dBincrease.Secondly,thethesisintroducesthebasictheoryofmixerandsumsupboostingtechniquesforgain,noiseandlinearityperformances.ThethesisalsooffersmodificationstotheGilbertdouble-balancedmixerbyadoptingmethodofcurrentinjection,thesimulationresultsshowthatthemodifiedGilbertmixerhasachievedaconversiongainof17.4dB,NFof8.8dB.Thenbasedonthecurrentbleedingmixer,atuninginductorisusedtoimprovetheconversiongainandnoisefigureofmixer,andacertainimprovementoflinearityisalsoobtained.Comparedwiththeconventionalcurrentbleedingmixer,whentheLOpoweris-3dBm,theimprovedGilbertmixerhasthegainincreaseof1.76dB,IIP3increaseof2.1dBm,NFdecreaseof1dB.DesignsinthisthesisarebasedonSMIC0.18μmRFCMOStechnology.AUHFbandreceiverisdesignedinchapter6,usingmixed-integratedmethod.Testresultsshowthat:under12dBSNRconditions,thesensitivityreachesto-115dbm,localoscillatorand杭州电子科技大学硕士学位论文VIimagerejectionhasbeenpromisingtomeetthedesignrequirements.Lastly,chapter7summarizestheabovedesignwork.Keywords:RFFront-endCircuit,LowNoiseAmplifier,Mixer,CMOSTechnology，UHF，Receiver杭州电子科技大学硕士学位论文III杭州电子科技大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。论文作者签名：日期：年月日学位论文使用授权说明本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。（保密论文在解密后遵守此规定）论文作者签名：日期：年月日指导教师签名：日期：年月日杭州电子科技大学硕士学位论文1第1章绪论1.1射频集成电路的发展及研究前景近年来，通信技术以惊人的速度发展，而射频(RF)无线通信技术的发展显得尤为迅猛。当今，射频无线通信技术已经被广泛应用于生活的各个方面，如：蜂窝式个人通信与机站、无线接入系统、卫星通信、全球卫星定位系统、无线局域网等。随着多种无线通讯系统的蓬勃发展，使无线通讯系统中的关键模块—射频集成电路(RFIC)—成为当前的研究热点。射频IC的优化设计，除了数字IC所要求的功耗、速度、产量外，还必须考虑系统部件的噪声、增益、线性度、最大功率传输等因素。同时，由于激烈的市场竞争，通讯系统对射频IC的要求也越来越高，低成本、低功耗、高线性度、多功能等已经成为射频集成电路发展的趋势。21世纪是信息技术高度发展的时代，以微电子为基础的电子技术是推动信息技术发展的物质基础。集成电路是微电子的核心和主体，也是电子信息产业的基础。现代的无线通信系统中，由于CMOS工艺生产费用低，集成密度高，且静态时电路不存在直流电流，收发机的数字处理部分大多采用CMOS工艺实现。但由于CMOS器件的跨导小，并且CMOS工艺实现的射频电路通常衬底的损耗较大，收发机的射频前端电路一般采用双极型工艺或砷化镓工艺。而通常无线通信系统中的数字基带部分占芯片面积的75％以上，考虑到集成度及成本等指标的要求，只有实现CMOS集成射频前端，才能最终实现无线通信系统的单片集成。随着深亚微米CMOS工艺的不断进步和成熟，其沟道长度不断减小，截止频率ft不断增加，深亚微米CMOS工艺其MOSFET的特征频率已经达到50GHz以上，再加上CMOS工艺与其他工艺相比具有工艺成熟、应用广泛、价格低、集成度高、功耗小等特点，用CMOS工艺设计射频集成电路RFIC(radiofrequencyintegratedcircuits)已经成为近几年世界性范围内研究的热点，世界各国的研究人员在CMOS射频集成电路的设计和制作方面进行了大量的研究。美国许多成功的新兴集成电路无晶圆厂芯片设计公司(fabless)和众多的芯片设计start-ups都比较集中在这一领域。在5GHz以下