电流模式超宽带接收机中低噪声放大器和混频器的研究

论文摘要

近年来，随着无线通信技术极为迅速的发展，设计出低电压、低功耗的前端模拟射频电路显得极为重要。但目前大多数电路都采用电压模式设计，由于要在电路内部设置高阻抗节点，因此使电路设计更加复杂，不利于电压、功耗的降低；而电流模式电路采用电流作为信号变量，不必进行电压电流转换，可以获得更好的性能。近几年提出的电流模式电路多拘泥于窄带形式，而20世纪90年代以后，超宽带（Ultra Wide Band，UWB）技术因其高速率、低功耗等原因蓬勃发展。因此，本文将电流模式技术应用到超宽带电路设计中，更加符合无线通信的发展趋势。本文重点研究射频接收机前端关键器件中的低噪声放大器与混频器，根据二者的工作原理与技术参数，提出了三个电路。具体工作如下：（1）提出一个结构简单、噪声很低的35GHz的电流模式低噪声放大器。该电路采用差分输入、差分输出结构。输入匹配利用共栅结构实现，共栅管输出的电流信号经由电流镜进行放大。为了进一步降低噪声，共栅管采用电容交叉耦合方式。电路仿真结果表明，在1.2V的电压下，输入反射系数S11小于-11dB，最高增益达到15.9dB，最小噪声系数仅为1.78dB，功耗为12.4mW，因此本电路结构具有低功耗、低噪声的优点。（2）提出一个低电压高增益的35GHz电流模式低噪声放大器，电路同样采用共栅结构实现输入匹配，围绕共栅管的耦合电感可以改变等效跨导的大小，从而降低噪声。第二级采用共源放大结构，完成增益放大并且为混频器提供输入电流。两级之间采用级间电感补偿高频增益。电路仿真结果表明，在0.8V的电压下，输入反射系数S11小于-8.9dB，最高增益达到19.1dB，最小噪声系数为2.596dB，功耗为11.0mW，因此本电路结构具有低电压、低功耗、低噪声的优点。（3）提出一个35GHz的电流模式下混频器。射频信号直接以电流的形式注入到混频器的开关级，采用电感与电阻串联的方式作为负载。电路仿真结果表明，在1.2V的电压下，该电路最高转换增益达到6.9dB，最大双边带噪声系数仅为6.2dB，在4GHz点的IIP3为-1dBm，电路的功耗只有8.2mW，性能优良。本文所提出的电路由ADS软件进行优化仿真。通过与国内外发表的设计做比较发现，本文提出的电路在电压、功耗、噪声方面有一定的优势。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 射频接收机的基本结构
• 1.3 电流模式电路概述
• 1.3.1 电流模式电路发展概况
• 1.3.2 电流模式电路性能优点
• 1.4 国内外射频接收机前端发展动态
• 1.4.1 射频接收机发展动态
• 1.4.2 低噪声放大器发展现状
• 1.4.3 混频器的研究动态
• 1.5 本论文的主要研究内容
• 1.6 论文组织结构
• 第2章 低噪声放大器与混频器理论
• 2.1 低噪声放大器理论部分
• 2.1.1 低功耗
• 2.1.2 增益
• 2.1.3 噪声系数
• 2.1.4 S 参数意义
• 2.1.5 线性度
• 2.1.6 放大器的稳定性
• 2.2 混频器理论部分
• 2.2.1 混频器的分类
• 2.2.2 主要性能参数
• 第3章 电流模式超宽带低噪声放大器的设计
• 3.1 引言
• 3.2 超宽带低噪声放大器的常见结构
• 3.2.1 并联负反馈结构
• 3.2.2 共栅输入结构
• 3.2.3 LC 带通滤波器结构
• 3.3 低噪声电流模式电路设计
• 3.3.1 提出的第一个电流模式低噪声放大器
• 3.3.2 提出的第二个电流模式低噪声放大器
• 3.4 小结
• 第4章 电流模式混频器的设计
• 4.1 引言
• 4.2 超宽带混频器的结构
• 4.2.1 单平衡开关型混频器
• 4.2.2 传统 Gilbert 混频器
• 4.2.3 改进的 CMOS Gilbert 混频器
• 4.2.4 电流模式混频器
• 4.3 提出的 3-5GHz 电流模式下混频器
• 4.3.1 电路结构
• 4.3.2 开关级与噪声的优化设计
• 4.3.3 负载电路的设计
• 4.3.4 偏置电路的设计
• 4.3.5 输出设计
• 4.3.6 电路仿真结果分析
• 4.3.7 与其他超宽带混频器的比较
• 4.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A （攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录）
• 附录 B （攻读硕士学位期间所参与的学术科研活动）