CMOS低电压高线性度混频器的研究

论文摘要

在近十年来,随着微电子学与超大规模集成电路技术的巨大进展,通信技术获得了前所未有的发展。而无线通信技术作为其中的一个分支无疑是发展最为迅猛的。CMOS射频前端由发射和接收模块组成,其中混频器是射频接收前端的关键部分,它的性能决定了整个接收机的性能。另一方面,随着通信事业日新月异地发展,无线通信由于其能弥补有线网络的很多缺陷而在个人和商业领域大受欢迎。随着用户的要求不断提高,无线技术必定也向更低功耗、更高的性能方向发展。前端射频模拟电路与后端数字电路集成于一个芯片上已经成为了当前集成电路设计的发展趋势。目前数字系统的工作电压及功耗可以做得非常低,而数字系统的低电压不适合射频模拟电路工作,因为当射频模拟电路取与后端数字系统同样大小的电压时,射频电路的动态范围、线性度、工作频率及增益大大受到限制。因此如何设计低电压高线性度模拟射频前端成了当前射频集成电路设计的一个难点。混频器作为射频接收中的重要模块,低电压高线性度混频器的研究成了当前的一个研究热点。本文首先简单介绍了射频电路中的一些基本概念,然后概述了CMOS混频器研究中仍存在的几大问题及国内外CMOS混频器的研究进展,其中重点分析了低电压、高线性度混频器的进展。主要工作和创新点如下:1)分析混频器工作原理之后,分析比较了国内外几种常见的混频器,提出了一个1V的低电压混频器,跨导直流部分只有一级MOS管堆叠,因而能工作在低电压条件下。仿真结果表明,所提出的电路在1V电压下具有较好的性能。2)深入研究两种非线性分析方法及近年来常见的提高线性度方法,在此基础上提出了一种改进的混频器线性度改善方法。ADS软件仿真表明,所提出的电路在基本不影响混频器其他性能如噪声、增益、功耗的情况下,三阶交调点提高了8dB。3)分析了开关级对混频器的线性度影响。通过适当的偏置电压改进了混频器的线性度。最后给出全文的总结,并作了研究展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1 本论文研究目的和意义
• 1.2 CMOS 混频器研究进展
• 1.2.1 低电压CMOS 混频器
• 1.2.2 高线性度CMOS 混频器
• 1.3 本文的主要研究内容
• 1.3.1 射频电路中一些基本概念的介绍
• 1.3.2 低电压混频器的设计
• 1.3.3 高线性度混频器的设计
• 1.3.4 低电压高线性度混频器的电路及版图设计
• 1.4 本论文的结构安排
• 第2章 射频电路的基本概念
• 2.1 引言
• 2.2 蓝牙系统
• 2.2.1 蓝牙概述
• 2.2.2 蓝牙系统组成
• 2.3 RF 接收机构架
• 2.3.1 超外差式接收机
• 2.3.2 零中频接收机
• 2.3.3 低中频式接收机
• 2.4 混频器的基本概念
• 2.4.1 混频器混频原理
• 2.4.2 混频器主要性能参数
• 2.5 小结
• 第3章 低电压混频器结构
• 3.1 引言
• 3.2 单平衡开关型混频器
• 3.3 传统 Gilbert 混频器
• 3.4 低电压CMOS 混频器
• 3.4.1 电流模式混频器
• 3.4.2 跨导开关混频器
• 3.4.3 LC 折叠式混频器
• 3.5 提出的电路及仿真结果
• 3.6 小结
• 第4章 高线性度混频器
• 4.1 引言
• 4.2 CMOS 混频器的非线性分析方法
• 4.2.1 幂级数分析法
• 4.2.2 Volterra 级数分析法
• 4.3 几种提高非线性度的方法
• 4.3.1 简单共源MOS 管三阶跨导系数
• 4.3.2 中等反型区偏置的方法
• 4.3.3 线性区MOSFET 补偿法
• 4.3.4 亚阀区MOSFET 补偿法
• 4.3.5 改进的亚阀区MOSFET 补偿法
• 4.4 开关级对混频器的非线性分析
• 4.5 小结
• 第5章 低电压高线性度混频器电路设计
• 5.1 混频器的电路设计和仿真结果
• 5.2 混频器的版图设计及后仿结果
• 5.2.1 电路的寄生效应模型
• 5.2.2 混频器电路的后仿结果
• 5.3 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读硕士学位期间发表的论文
• 附录B 攻读学位期间参与科研项目