超宽带射频前端的分析与设计

论文摘要

超宽带（Ultra-Wideband,UWB）无线通信技术是一种高数据率、低功耗的短距离无线通信技术,近年来成为国内外研究的热点之一。它可以实现最高480Mb/s,最低110Mb/s的数据率,是无线个人局域网（Wireless Personal Area Network,WPAN）的解决方案之一。随着CMOS工艺的发展,采用全CMOS工艺实现的单片集成射频前端成为一种趋势,可以满足射频芯片低成本和高性能的要求。本论文研究并设计了应用于3.1～4.8GHz MB-OFDM UWB接收机中的射频前端电路,包括低噪声放大器（LNA）和下变频混频器（Down-conversion Mixer）以及其它辅助电路,还设计了包含射频前端在内的接收链路。射频前端集成在接收链路芯片中完成流片,二者均进行了测试。基于前次设计和测试,还进行了射频前端和接收链路的功耗和性能优化,并完成版图后仿真。芯片采用Jazz 0.18μm射频CMOS工艺实现,测试和仿真结果表明,所设计电路符合MB-OFDM UWB接收机的性能要求。论文首先从MB-OFDM UWB系统指标入手,详细分析了超宽带接收机的系统参数推算过程。接着比较分析了各种接收机结构,本文所设计的超宽带接收机最终选取了零中频结构。随后分析确定了接收机的模块指标分配,确定了射频前端的详细性能指标。在接下来的电路设计章节中,着重介绍以下部分:采用电阻反馈加源极电感退化结构的低噪声放大器,并探索了增益可变功能的实现以及输入匹配的补偿;采用正交合并结构的类似吉尔伯特结构下变频混频器,也探索了增益可变的实现;射频前端整体、其它辅助模块和接收链路总的设计。最后是芯片的实现和测试与仿真,包括射频前端和接收链路的第一次测试结果、改进版设计的版图后仿真结果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 论文的主要工作和创新之处
• 1.3 论文的组织安排
• 2 超宽带接收机系统
• 2.1 超宽带接收机参数
• 2.1.1 灵敏度
• 2.1.2 线性度与动态范围
• 2.1.3 接收机基带滤波要求
• 2.1.4 频率综合器对接收机的影响
• 2.2 结构比较
• 2.3 模块指标分配
• 3 低噪声放大器设计
• 3.1 宽带匹配和高频噪声
• 3.1.1 宽带匹配方法
• 3.1.2 器件的高频噪声
• 3.2 电阻反馈加源极电感退化LNA的分析
• 3.2.1 结构选取
• 3.2.2 输入匹配
• 3.2.3 增益响应
• 3.2.4 噪声系数
• 3.3 增益可变与输入匹配补偿
• 3.4 电路实现
• 4 低电压正交下混频器设计
• 4.1 结构分析
• 4.1.1 低电压有源混频器
• 4.1.2 正交混频器的实现
• 4.2 正交合并结构下混频器的分析
• 4.2.1 转换增益
• 4.2.2 噪声系数
• 4.2.3 线性度
• 4.3 增益可变的实现
• 4.4 电路实现
• 5 射频前端整体、辅助模块和接收机链路的设计
• 5.1 射频前端整体设计
• 5.2 电流模数模转换器（I-DAC）
• 5.3 数字控制电容阵列（DCCA）
• 5.4 LO信号缓冲器（LO Buffer）
• 5.5 接收机链路设计
• 6 射频前端与接收链路的实现与测试
• 6.1 版图设计和测试方案
• 6.2 第一版测试结果
• 6.2.1 UWB射频前端
• 6.2.2 UWB接收链路
• 6.3 第二版仿真结果
• 7 结论与展望
• 参考文献
• 致谢