CMOS混频器设计与优化

论文摘要

本文分别设计了低工作电压高增益高线性度5.8 GHz CMOS混频器、超宽带分布式混频器和低功耗2.4 GHz CMOS混频器。低工作电压高增益高线性度5.8 GHz CMOS混频器在传统的吉尔伯特单元基础上采用折叠型的电路拓扑结构,将跨导级与开关级分别偏置,降低了传输增益、噪声与线性度之间折衷设计的难度。射频信号频率介于5.725-5.825 GHz之间,中频信号设定为480 MHz,工作电压仅为1V,获得了高达17dB的转换增益,ⅡP3为1.29 dBm,质量因数（FOM）高于传统吉尔伯特单元。功耗仅为8 mW。分布式结构是实现超宽带系统的最佳选择。分布式结构将晶体管的寄生电容与传输线实现的电感组成截止频率很高的LC网络,实现了超宽带带宽。采用漏极混频器结构,即本振信号输入至晶体管的漏极,可直接驱动晶体管至线性电阻区的工作状态,无需漏极偏置,非常适用于低功耗的通信系统。详细分析了分布式混频器传输损耗的解析表达式,验证了分布式结构实现超宽带应用的理论。提出了一种优化偏置电压VGS的方法来最小化CMOS漏极混频器的传输损耗。所设计的三级均匀分布式漏极混频器在2-40 GHz范围内的传输损耗为5±1dB,射频端口的反射系数在1.5-60 GHz范围内均低于-13 dB,IIP3在2-40 GHz范围内为7-17 dBm,单边带噪声在整个频带内低于12.6 dB,在33 GHz时单边带噪声最小,仅为10.7 dB。非均匀分布式漏极混频器通过按比例缩小下一级电路尺寸来获得更大的增益带宽积和更平坦的频率响应,仿真结果验证了这一现象。所设计的三级非均匀分布式漏极混频器在4-50 GHz内的传输损耗为5.35±0.65 dB,优于均匀分布式结构。ⅡP3在26.9 GHz时为14 dBm。分布式漏极混频器非常适用于低功耗、超宽带的集成电路设计应用。低功耗的2.4 GHz CMOS混频器,采用无源双平衡结构,不消耗直流电流,满足了系统低功耗的要求,且线性度很好。射频信号频率为2.4-2.48 35 GHz,中频频率设定为2 MHz,传输损耗仅为-5.54 dB,ⅡP3高达9.18 dBm。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 英汉缩略语表
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 无线通信发展现状
• 1.2 CMOS RF发展趋势
• 1.3 混频器简介
• 1.4 论文主要工作、创新点及结构安排
• 1.4.1 本文主要工作及创新点
• 1.4.2 章节安排
• 2 混频器概述
• 2.1 基本原理
• 2.2 主要性能参数
• 2.3 混频器的电路结构
• 2.4 混频器的优化
• 3 低工作电压高增益高线性度的5.8 GHz CMOS混频器设计
• 3.1 主要设计指标要求
• 3.2 传统吉尔伯特双平衡混频器的缺点
• 3.3 折叠结构的混频器
• 3.4 原理图仿真结果
• 3.5 版图设计和后仿真结果
• 3.6 本章总结
• 4 低功耗的2.4GHz CMOS混频器设计
• 4.1 主要设计指标要求
• 4.2 电路设计
• 4.3 电路原理图仿真结果
• 4.4 版图设计和后仿真结果
• 4.5 本章总结
• 5 超宽带低功耗混频器
• 5.1 超宽带系统概述
• 5.1.1 超宽带系统的研究背景
• 5.1.2 超宽带系统的定义
• 5.1.3 超宽带系统的优点
• 5.2 超宽带均匀分布式漏极混频器
• 5.2.1 超宽带分布式混频器简介
• 5.2.2 CMOS漏极混频器的工作原理
• GS'>5.2.3 优化偏置电压V_GS
• 5.2.4 均匀分布式混频器基本原理
• 5.2.5 传输损耗表达式分析
• 5.2.6 电路设计
• 5.2.7 仿真结果与版图设计
• 5.3 超宽带非均匀分布式漏极混频器
• 5.3.1 非均匀分布式漏极混频器的基本原理
• 5.3.2 传输损耗表达式分析
• 5.3.3 电路设计
• 5.3.4 仿真结果与版图设计
• 5.4 本章总结
• 6 总结和展望
• 6.1 本论文研究工作总结
• 6.2 进一步的工作方向
• 参考文献
• 作者简介