低功耗射频通信系统前端LNA与Mixer的研究与实现

论文摘要

近年来,无线通信技术得到了广泛关注和迅猛发展,无线通信技术目前正给人们带来越来越广泛和深远的影响。在此过程中,出现了多种常用的无线网络标准,例如IEEE802.11（Wi-Fi）、蓝牙（Bluetooth）、UWB、Zigbee等等。本论文所属的自定协议无线通信系统目标是针对短距离、中低速率无线数据传输应用开发的2.4GHz ISM频段的射频收发器系统,具有低功耗、低成本等特征,具有现实意义和产业价值。本文设计了应用于该通信系统无线接收机前端的低噪声放大器LNA以及下变频混频器Mixer。LNA使用了带源极负反馈电感的共源共栅NMOS结构,同时还是双端差分结构。本文在考虑寄生效应等实际因素的条件下分析了增益、线性、噪声、输入匹配等关键指标的影响因素,并对这些指标提出实际的优化措施。在实现方面,本文在低功耗约束条件下,部分改变了传统电路结构,减少大面积元件以获得低成本的设计,并以此为基础尽量提高关键指标的整体性能。LNA在低功耗条件下具有很高的增益。Mixer使用了Gilbert双平衡结构。电路引入了源极负反馈电阻调节转换增益与线性度之间的平衡。电路使用接成电阻的PMOS管串联小电阻的结构来代替电阻负载,作为混频器的输出。它充分利用了电压的裕度,提高线性度和增益的整体性能。每个混频器转换增益6.2dB,却在1.8V直流电压下只消耗3.3mW。由于balun、PA、模式/关断开关和中频滤波器等模块的存在,电路各模块之间的匹配与连接也是重要的设计部分。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 无线通信简述
• 1.1.1 无线通信历史简介
• 1.1.2 无线通信的ISM频段
• 1.2 课题研究背景
• 1.2.1 低功耗自主协议通信系统的研究意义
• 1.2.2 近零中频接收机简述
• 1.2.3 系统设计指标的制订
• 1.2.4 论文射频接收前端结构简介
• 1.3 论文的主要工作和创新
• 1.4 论文的组织安排
• 第二章 LNA原理与指标
• 2.1 接收通路中LNA一般描述
• 2.2 LNA输入匹配分析
• 2.3 经典源端负反馈型LNA的设计指标分析
• 2.3.1 增益
• 2.3.2 噪声系数
• 2.3.3 线性度
• 2.3.4 输入输出匹配
• 2.3.5 功耗
• 2.4 几种流行的LNA结构分析
• 2.4.1 共源共栅结构
• 2.4.2 共栅结构
• 2.4.3 电流复用结构
• 2.4.4 包含transformer 的LNA
• 第三章 低功耗LNA电路设计
• 3.1 设计指标约束
• 3.2 结构选取
• 3.3 电路设计
• 3.3.1 电路原理图
• 3.3.2 尺寸选取
• 3.4 仿真结果
• 3.4.1 增益
• 3.4.2 噪声系数
• 3.4.3 线性度
• 3.4.4 S参数
• 3.4.5 指标小结
• 第四章 MIXER原理与指标
• 4.1 混频器的概述
• 4.2 混频器的基本模型和工作原理
• 4.3 混频器的分类
• 4.3.1 有源与无源
• 4.3.2 单平衡与双平衡
• 4.4 几种常用的MIXER结构分析
• 4.4.1 平方律混频器
• 4.4.2 高线性度混频器
• 4.4.3 无源双平衡
• 4.4.4 Gilbert混频器
• 4.5 Gilbert混频器性能分析
• 4.5.1 线性度
• 4.5.2 转换增益
• 4.5.3 噪声
• 4.5.4 隔离
• 第五章 低功耗MIXER电路设计
• 5.1 指标要求
• 5.2 低功耗约束下的结构与参数考虑
• 5.3 线性度考虑
• 5.4 电路设计
• 5.4.1 电路原理图
• 5.4.2 尺寸选取
• 5.5 仿真结果
• 5.5.1 转换增益
• 5.5.2 线性度
• 5.5.3 噪声系数
• 5.5.4 瞬态波形
• 5.5.5 指标小结
• 第六章 低功耗接收前端联合与匹配
• 6.1 联合与匹配概述
• 6.2 LNA与MIXER匹配
• 6.3 输出buffer
• 6.4 与片外balun匹配
• 6.5 模式开关与PD开关
• 第七章 LNA与MIXER版图流片与测试
• 7.1 版图设计概述
• 7.2 电路版图
• 7.2.1 LNA版图
• 7.2.2 Mixer版图
• 7.2.3 系统版图
• 7.3 测试
• 第八章 结论与展望
• 8.1 论文结论和展望
• 参考文献
• 致谢