基于低电源电压应用的一种混频器的设计

论文摘要

从1958年第一块集成电路诞生以来的40多年中,集成电路已跨越了小、中、大、超大、特大、巨大规模几个台阶,集成度平均每二年提高近3倍,这种进步归功于工艺尺寸的缩小,工艺尺寸缩小在带来集成度提高的同时也带来了很多问题,如器件中的电场增大,使得热载流子效应和栅氧击穿这样一些物理现象对电路性能的影响也随之增大,严重时甚至破坏电路功能,因此在缩小尺寸提高集成度的同时应不断降低电路的电源电压。作为射频通信电路中的重要模块——混频器,现有的性能最优良的混频器结构首推Gilbert双平衡混频器。为了适应电源电压日益降低下的应用要求,本文通过改变Gilbert结构混频器跨导级结构设计了两种低压混频器。接着文章指出随着电源电压的进一步降低（1.5V以下）,MOS开关器件固有的导通电阻和时钟馈通效应给Gilbert低压混频器带来了不可逾越的设计瓶颈:本振级开关器件不理想导通时的导通电阻消耗掉相当一部分直流电压,并且导通电阻的压控特性还引入了非线性;有限关断电阻引入的电荷泻放回路;时钟馈通效应和沟道电荷注入效应使得输出电压不稳定,使得的输出电压产生误差;为了满足大转换增益要求的高输出电阻占据了很大部分直流电压,使得下端电路工作电压过低,工作性能较差。针对上面的问题,论文提出了一种新结构的折叠级联输出开关跨导混频器,开关跨导结构改变了本振级在上,跨导级在下的传统的开关实现方式,节约了一个0.5V的控制电压,有利于电源电压的降低,并且将本振级开关器件直接与两端电压相连,提供一条低阻导电通道,使得本振级开关电阻上的直流电压降减小到几乎为零;同时,本振级器件噪声（其中包括开关导通电阻波动和时钟馈通效应以及沟道电荷注入效应引入的噪声）转化为共模噪声,通过差分输出滤除,折叠级联输出结构使得输出电阻上的直流电压降所带来的下端电路工作的不理想问题得到了解决,适应了低电源电压下应用的要求,折叠级联输出开关跨导混频器在0.18μm工艺、1.3V的电源电压下的仿真结果显示:电路的转换增益为-11.5dB,1dB增益压缩点为-5.65dBm,单边带噪声系数为20.65dB,三阶交调失真为4.7dBm。论文最后还给出了下一步工作的建议,以期进一步完善折叠级联输出开关跨导混频器的性能指标。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 微电子技术的发展现状
• 1.2 选题背景与意义
• 1.3 混频器的研究现状
• 1.4 本文框架与所做的工作
• 第2章 混频器概述与参数分析
• 2.1 混频器概述
• 2.2 混频器的主要参数
• 2.2.1 增益
• 2.2.2 噪声
• 2.2.3 线性范围
• 2.2.4 失真
• 2.2.5 口间隔离
• 2.2.6 阻抗匹配
• 第3章 基于Gilbert 结构的低压混频器设计分析
• 3.1 Gilbert 混频器
• 3.2 基于Gilbert 结构的低压混频器的设计
• 3.3 基于 Gilbert 结构低压混频器的设计瓶颈
• 3.3.1 开关导通电阻对Gilbert 低压混频器性能的影响
• 3.3.2 时钟馈通效应对Gilbert 低压混频器性能的影响
• 第4章 开关跨导混频器的设计
• 4.1 MOS 器件的高阶效应以及栅氧可靠性
• 4.1.1 MOS 器件中的热载流子效应
• 4.1.2 栅氧击穿
• 4.2 开关跨导混频器的设计
• 4.2.1 传统开关实现方式与本振端控制电压损失
• 4.2.2 开关跨导混频器的电路设计
• 4.3 折叠级联输出开关跨导混频器的设计
• 第5章 两种结构低压混频器的性能研究与对比
• 5.1 隔离度性能分析与对比
• 5.2 转换增益性能分析与对比
• 5.3 噪声性能分析与对比
• 5.4 线性度性能分析与对比
• 第6章 电路仿真与对比
• 结论
• 全文总结
• 本文主要工作及创新点
• 后续工作建议
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录