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低功耗接收机CMOS射频前端电路研究与设计

发布时间:2020-08-07 16:37
【摘要】:无线通信技术已经充分渗透到生活中的方方面面,各种移动通信设备层出不穷,功能日趋丰富完善。但如何既丰富通信功能,提升通信性能,又提高电源续航能力和降低设备功耗,以满足高性能所带来的能耗需求,延长整机工作时间始终是业界长久以来的研发焦点。电源与电池技术研发是新材料研究的重点之一,而如何降低系统能耗,提升设备续航能力则一直是电路与系统学术界研究的热点之一。通信设备功耗主要在于射频部分,而接收机和发射机共同构成了射频前端,因此研究设计低功耗的接收机射频前端电路模块是降低设备功耗,提升续航能力的有效手段之一。传统接收机射频前端电路由双极型TTL集成电路构成,具有速度快,功耗高特点。以CMOS集成电路为基础设计的接收机射频前端电路在满足性能要求前提下,因其功耗低,动态范围广,逻辑摆幅大,抗干扰能力强,温度稳定性好,工作电压范围宽等特点迅速成为低功耗射频前端电路的重要设计技术。但如何既充分利用CMOS电路实现低功耗,又保证射频性能,则是业界长久以来的研究重点。本文就接收机CMOS射频前端电路模块进行了深入针对性研究,通过理论分析,对技术融合创新,不仅提高了CMOS射频接收机前端电路的各项综合指标,而且有效降低了各模块功耗。本文重点研究探讨了射频接收机前端电路中的低噪声放大器、混频器、振荡器和电流模式滤波器等关键模块,主要研究工作和创新如下:(1)提出了一种低功耗超宽带CMOS低噪声放大器。该电路在共源级堆叠型级联结构基础上,融合衬底偏置及电流复用技术,引入片上变压器网络,从而有效降低了低噪声放大器功耗。仿真实验结果表明,此低噪声放大器工作频率范围为3.1-10.6GHz,增益能够达到8.3-10.5dB,噪声系数低于3.6dB,三阶输入互调点IIP3为-3.8dB,线性度良好,输入输出反射系数均低于-10dB,供电电压为0.8V,功耗下降为1.9mW,设计的版图面积仅0.86*0.52mm~2,成功实现了宽频带,高性能,低功耗设计目标。(2)提出了一种工作频率为5GHz的低功耗高增益CMOS混频器电路。此混频器以传统吉尔伯特双平衡混频器为基础,引入自偏置电阻电流复用技术以增强跨导级增益,采用电流注入技术以提升混频器的增益、线性度和噪声性能。仿真结果表明该混频器不仅射频性能优良,而且实现了低功耗,在1V工作电压下,转换增益为17.9dB,输入三阶互调点约为-1.4dBm,单边带噪声为9dB,功耗仅为0.9mW。(3)提出了一种电流模式四相正交振荡器。该振荡器由三个电流差分跨导放大器(CDTAs)和三个接地电容构成,通过改变偏置电压,其振荡条件和振荡频率可调,频率可调谐范围达63.68MHz。由于不包含电感元件,该电路占用的版图面积仅为1.44mm~2。(4)提出了基于MOCCA(Multi-output current controlled current amplifier)和OTA(Operational transconductance amplifier)的电流模式滤波器,该滤波器为新型的二阶通用滤波器电路,具有品质因数和中心频率独立可调,参数灵敏度低等特点。通过调节参数,该滤波器能够实现低通、带通、高通、带阻和全通功能。综上所述,本文对低功耗接收机CMOS射频前端电路中的关键模块低噪声放大器、混频器、振荡器及电流模式滤波器进行了深入研究和讨论。在降低系统功耗,提升综合指标,延长工作时间,提高能源效率方面提供了一定的借鉴思路,对提高射频芯片的自主研发能力也有一定促进作用。
【学位授予单位】:湖南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TN92
【图文】:

版图设计,超宽带,超低功耗


-50 -40 -30 -20 -10 0-80-60-40-200-10020输入功率 (dBm)输出功率(dBm)4.5 GHz图 3.7 LNA 的 IIP3 仿真结果个频带内 LNA 噪声系数在 1.8dB-3.6dB 之间。图 间,实现了较高超宽带增益。选取射频信号的输入截取点进行仿真。仿真结果如图 3.7 所示,其 IIP3 章提出的超低功耗超宽带 LNA 电路版图如图 3.8 所

原理图,混频器,版图设计,转换增益


图 4.14 本章提出的混频器版图设计,信号链路和寄生参数的不匹配应该慎重和后仿的转换增益对比如图 4.13 所示。取参数后的后仿与原理图前仿转换增益都称性和寄生参数引起的阻抗不匹配没有有约为 0.86*0.78mm2。比较提出的高增益低噪声下混频器性能参数,显然,所提出的折叠型混频器,采用改进仿真得出具有较大转换增益、低噪声的优超低功耗,因此非常适用于接收机中应用表 4.2 近期同类文献比较频率NF变频增益

谱图,时域仿真,振荡器


容值 C1变小,或外接电容 C2 和 CDTA 的跨导变大。ωω0ΔωT1T2T3输出功率谱图 5.9 品质因素对相位噪声的影响nce SPECTRE 软件对本文提出的振荡器电路进行仿真,采用的μm CMOS 工艺。此外,本文给出该振荡器的设计版图。

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