超宽带低噪声放大器和混频器的研究与设计

论文摘要

超宽带（Ultra-Wide Band, UWB）技术是当前无线通信技术领域发展极为迅速的一种新型无线通信技术。超宽带技术以高速率、高容量，低功耗和低成本等特性受到通信学术界和产业界的重视，并将获得日益广泛的应用。因此，研究并提高超宽带射频通信电路性能，对无线通信的发展具有重要的科学意义和现实意义。本文的研究对象为超宽带低噪声放大器与混频器。在系统分析了近年来国内外超宽带低噪声放大器和混频器的研究状况后，提出了一种新型低电压增益可调超宽带低噪声放大器电路和和一种超低电压混频器电路。本文所做的主要工作如下：首先在近年来超宽带低噪声放大器的研究基础上，提出了一种工作在3.1-10.6GHz的低电压增益可调的超宽带低噪声放大器。该低噪声放大器电路主要由两级构成：第一级为输入匹配级，采用共栅结构实现宽带输入匹配；第二级为放大级，采用改进型共源共栅结构组成，这种结构在获得良好增益的同时大大降低了对电源电压的要求。电路采用了一种新型增益控制机制，在不影响放大器其他性能指标的前提下，改变共源共栅级共源管的偏置电压实现增益可调。通过采用电感负载峰值技术和极间串联电感峰值技术，在整个频带内获得了良好的增益平坦度。仿真结果表明，在0.85V的电源电压下，该电路在整个带宽内实现了良好的输入输出匹配（S11<-8.3dB, S22<-8dB），增益最高达到16.27dB，并实现了1116.27dB范围内可调，最小噪声系数为2.44dB，功耗为17mW。然后在传统吉尔伯特混频器的基础上，提出了一种应用于3.1-10.6GHz的超低电压混频器。通过使用多路输入技术，折叠式结构，输出级放大等技术，本文所提出的混频器取得了良好的性能：工作电压仅为0.6V，功耗为6.6mW。仿真结果显示，在3.1-10.6GHz频带内，混频器的转换增益达到了1318dB，IIP3大于0dBm，1dB压缩点大于-12dBm，噪声系数在15.7dB以下。本文提出的放大器和混频器电路采用TMSC0.18μm RF CMOS工艺，使用ADS工具进行仿真，Virtuoso Layout Editor工具完成版图设计。与已经提出的超宽带低噪声放大器和混频器电路比较，所提出的放大器电路在工作电压、功耗、增益等方面有一定优势，提出的混频器结构新颖，在工作电压、功耗、转换增益和线性度方面性能较好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 超宽带低噪声放大器研究现状
• 1.2.2 超宽带混频器研究现状
• 1.3 本文的主要研究内容和组织结构
• 1.3.1 主要研究内容
• 1.3.2 论文的组织结构
• 第2章 低噪声放大器概述和性能分析
• 2.1 低噪声放大器简介
• 2.2 低噪声放大器性能指标
• 2.2.1 S 参数
• 2.2.2 噪声及噪声系数
• 2.2.3 增益和增益可调
• 2.2.4 线性度
• 2.3 常见的 CMOS 低噪声放大器电路结构
• 2.4 小结
• 第3章 混频器基本原理和性能分析
• 3.1 基本原理
• 3.1.1 平方律型混频器
• 3.1.2 乘法器型混频器
• 3.2 混频器性能指标
• 3.2.1 转换增益
• 3.2.2 失真和线性度
• 3.2.3 噪声性能
• 3.2.4 端口隔离度
• 3.3 超宽带吉尔伯特混频器的优化技术
• 3.3.1 带宽拓展技术
• 3.3.2 电流注入技术
• 3.3.3 折叠技术
• 3.3.4 电流复用技术
• 3.3.5 负反馈技术
• 3.3.6 负载优化技术
• 3.3.7 电容交叉耦合技术
• 3.4 小结
• 第4章 超宽带低噪声放大器的设计
• 4.1 电路结构
• 4.2 电路分析
• 4.2.1 输入匹配
• 4.2.2 低电压设计
• 4.2.3 增益分析
• 4.2.4 噪声分析
• 4.2.5 输出匹配
• 4.2.6 偏置电路
• 4.3 仿真结果
• 4.3.1 S 参数仿真
• 4.3.2 噪声仿真
• 4.3.3 瞬态仿真
• 4.4 版图设计
• 4.4.1 基本设计流程
• 4.4.2 寄生效应
• 4.4.3 低噪声放大器电路版图设计
• 4.5 与相关论文性能比较
• 4.6 小结
• 第5章 超低电压超宽带下混频器设计
• 5.1 电路结构
• 5.2 设计分析
• 5.2.1 低电压设计
• 5.2.2 跨导级设计
• 5.2.3 输出级设计
• 5.3 仿真结果分析
• 5.3.1 直流仿真
• 5.3.2 单频点仿真
• 5.3.3 全频带仿真
• 5.4 版图设计
• 5.5 与相关论文性能比较
• 5.6 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）