低压低功耗LNA和混频器的设计

论文摘要

20世纪90年代以来,随着IC特征尺寸的持续缩小,芯片密度和工作频率相应增加,降低电路的功耗成为IC设计关注的一个重点问题。随着亚微米、超深亚微米技术的发展和系统芯片SOC技术的日益成熟,低压低功耗技术更是受到了极大的关注。如何实现电路(尤其是模拟电路)的低压低功耗设计成为当今集成电路发展的一个重要方向。因此,针对低压低功耗技术对射频集成电路的研究和设计具有重要的现实意义。低噪声放大器与混频器是射频集成电路的一个重要组成部分,是无线收发机的核心模块,实现信号的上下变频以及信号的放大。本文主要设计了射频集成电路中的LNA和混频器,针对当今微电子技术的发展对射频集成电路提出的低压低功耗的要求,分别设计了新型的LNA和混频器。其中,本文基于经典的共源共栅结构,再结合LNA的主要技术指标,通过计算,获得最优化的电路参数,并运用射频仿真软件ADS(advanced design system)对电路进行了参数优化实现对低压低功耗LNA的设计。而在对低压低功耗混频器的设计过程中,以经典的吉尔伯特单元结构为基础,采用无尾电流源跨导级电路结构降低了跨导级和本振级直流电压降,并在输出负载网络采用折叠级联结构降低了输出负载级直流电压降,从而实现了整个电路的低压应用,达到低功耗的要求。接着,运用射频电路仿真软件ADS在1.5V TSMC 0.35μm CMOS工艺下分别对设计进行了电路仿真。同时对两个电路进行了级联进行了讨论与设计,同样在ADS的平台下给出了整体级联电路的仿真结果。仿真结果表明,本设计的LNA和混频器达到了低压低功耗的要求,其中级联的LNA和混频器电路的整体功耗仅为11.7 mW。最后,利用Cadence版图设计工具,按照版图设计流程完成了完整的版图设计。总而言之,本设计实现了射频集成电路的低压低功耗应用,适应当今集成电路发展的趋势。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 射频集成电路的工艺选择
• 1.3 射频集成电路的LNA 和混频器
• 1.3.1 LNA
• 1.3.2 混频器
• 1.4 本文的课题来源和设计内容
• 1.4.1 课题来源
• 1.4.2 设计内容
• 第2章 低压低功耗LNA 的设计
• 2.1 MOS 管的射频模型
• 2.2 MOS 器件的高阶效应以及栅氧可靠性
• 2.2.1 MOS 器件中的热载流子效应
• 2.2.2 栅氧击穿
• 2.3 系统低功耗设计
• 2.3.1 CMOS 集成电路的功耗来源
• 2.3.2 减小动态功耗的主要途径
• 2.4 LNA 电路结构选择
• 2.5 低压低功耗LNA 的电路设计
• 2.5.1 LNA 具体电路设计
• 2.5.2 电路性能分析
• 2.5.2.1 噪声系数分析
• 2.5.2.2 电路增益分析
• 2.5.2.3 电路线性度分析
• 2.5.2.4 电路功耗分析
• 2.6 低压低功耗LNA 完整电路设计与仿真
• 2.6.1 电路参数计算与选择
• 2.6.1.1 CMOS 工艺中的电容和电感
• 2.6.1.2 LNA 具体参数设计
• 2.6.2 低压低功耗 LNA 完整电路设计与优化
• 2.6.3 电路仿真与分析
• 第3章 低压低功耗混频器的设计
• 3.1 混频器的结构选择
• 3.2 低压低功耗混频器设计
• 3.2.1 Gilbert 混频器
• 3.2.2 Gilbert 混频器的噪声分析
• 3.2.3 低压低功耗混频器具体电路的设计
• 3.2.3.1 跨导级和本振级直流电压降的减小
• 3.2.3.2 输出负载级直流电压降的减小
• 3.3 混频器完整电路的设计与仿真
• 第4章 LNA 和混频器的级联与仿真
• 4.1 LNA 和混频器的级联
• 4.1.1 LNA 和混频器的级联分析
• 4.1.2 LNA 和混频器的级联电路
• 4.2 LNA 和混频器级联电路的仿真与分析
• 第5章 版图设计
• 5.1 版图设计基本流程与设计规则
• 5.1.1 版图设计基本流程
• 5.1.2 版图设计设计规则
• 5.2 LNA 和混频器的版图设计
• 5.2.1 单元库建立
• 5.2.2 布局
• 5.2.3 细节布线和全局布线
• 5.2.4 DRC 和LVS 检查
• 结论
• 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
• 附录B S 参数和史密斯（ Smith ） 圆图
• B.1 S 参数
• B.2 史密斯（ Smith ） 圆图