射频CMOS混频器线性度的研究

论文摘要

射频集成电路（RFIC）是无线通信领域中不可缺少的关键电路。随着无线通信系统的容量和速率的提升,系统对RFIC的性能提出了更高的要求。为了满足产品化后高可靠性和低成本的要求,用CMOS工艺实现单片集成的RFIC正逐渐成为研究的一个热点。混频器是无线通信射频前端集成电路的核心模块,用来实现频率变换。高线性度的射频前端设计是整个射频接收机系统电路设计中的关键。线性度是混频器最重要的性能指标,其性能直接影响整个接收机系统的性能,这就对电路设计技术提出了新的要求,也正是本文所要着重讨论的问题。本论文主要设计了应用于无线通信的射频CMOS混频器,并对其线性度重点研究。首先,介绍了几种接收机的结构和性能,并对优缺点进行比较；其次,介绍混频器的一般工作原理和主要的性能参数,对混频器的种类和性能进行了描述。然后总结了国内外提高混频器主要性能的方法；基于吉尔伯特混频器结构对电路进行了改进,负载级用RC并联网络消除谐波的影响,采用PMOS电流注入结构解决了增益和线性度的矛盾,跨导级采用源极负反馈电感提高线性度,给出了完整的电路图和仿真结果；设计了基于吉尔伯特混频器的端口匹配电路并与前面混频器电路进行了比较分析。最后,对相关工作进行了总结,提出今后工作的重点和方向。本文研究的是应用于无线通信接收端的下变频混频器。采用TSMC 0.18μm CMOS工艺,在Cadence SpectreS仿真器中对混频器电路进行了仿真,主要性能指标为：工作电压1.8V,工作频率2.1GHz,输出中频频率200MHz,转换增益3.78dB,1dB压缩点-7.16dBm,三阶交调截点1.63dBm。设计了基于吉尔伯特单元混频器的阻抗匹配电路,输入射频2.1GHz时反射系数为-27dB,输入本振频率为2.3GHz端口反射系数为-30dB,1dB压缩点为-8.54dBm,增益6.11dB。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文的主要内容
• 2 射频接收机系统
• 2.1 接收机射频前端的系统结构
• 2.1.1 超外差式接收机
• 2.1.2 零中频接收机
• 2.1.3 低中频接收机
• 2.1.4 接收机结构选择准则
• 2.2 接收机的性能参数
• 2.2.1 灵敏度
• 2.2.2 动态范围
• 2.3 本章小结
• 3 混频器系统理论
• 3.1 混频器的原理
• 3.2 混频器的分类
• 3.2.1 单端混频器
• 3.2.2 单平衡混频器
• 3.2.3 双平衡混频器
• 3.3 混频器的主要性能指标
• 3.3.1 噪声系数
• 3.3.2 转换增益
• 3.3.3 线性度
• 3.3.4 阻抗匹配
• 3.3.5 端口隔离度
• 3.4 本章小结
• 4 混频器性能分析与设计
• 4.1 噪声分析及降低噪声设计考虑
• 4.1.1 噪声优化方法及分析
• 4.1.2 降低噪声设计考虑
• 4.2 增益优化方法及设计考虑
• 4.2.1 增益优化方法
• 4.2.2 转换增益设计考虑
• 4.3 线性度优化方法及设计考虑
• 4.3.1 线性度优化方法
• 4.3.2 线性度设计考虑
• 4.4 混频器的设计
• 4.4.1 负载级电路设计
• 4.4.2 开关级电路设计
• 4.4.3 跨导级电路设计
• 4.4.4 源极负反馈电感的采用
• 4.4.5 混频器的电流注入优化
• 4.4.6 总的电路结构
• 4.5 仿真结果与分析
• 4.5.1 基本功能验证
• 4.5.2 变频增益
• 4.5.3 线性度
• 4.6 本章小结
• 5 两种电路结构的比较与分析
• 5.1 匹配网络设计
• 5.1.1 本振端口阻抗匹配
• 5.1.2 射频端口阻抗匹配
• 5.2 混频器总的电路结构
• 5.3 仿真结果
• 5.3.1 变频增益
• 5.3.2 线性度仿真结果
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录