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基于0.18um CMOS工艺的Ka波段LMV设计

作　者: 祁艳杰
导　师: 刘章发
学　校: 北京交通大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 无线收发终端 LMV(LNA-Mixer-VCO) 电流复用
分类号: TN432
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

传统便携设备的无线收发终端通常由五部分组成：滤波器、放大器、混频器、本地振荡器、DAC(或ADC)。这样分立的五个部分往往造成整体设计的面积相对较大,功耗较高。而电池的发展进入瓶颈,人们为了追求更长的待机时间,不得不将电池的容量做大,造成便携设备的体积相对较大。因此,电路模块的低功耗、小封装成了设计工作者追求的目标。本文提出了一种组合的设计单元,称为LMV (LNA-Mixer-VCO)。它是低噪声放大器(LNA)、混频器(Mixer)、本地振荡器(压控振荡器,VCO)三部分的融合体。这种融合之所以可以实现,是因为低噪声放大器与混频器、混频器与压控振荡器之间具有相似的电路结构,在相似的电路结构部分便可实现元件的复用与电路的整合。LMV既具有每一个分立单元的功能,又通过电流复用结构,达到了面积以及功耗的减小。LMV结构根据Mixer以及LNA的差分特性,可以采用单平衡结构,也可以采用双平衡结构。双平衡结构相对单平衡结构具有更好的隔离特性以及转换增益。LMV的结构相对于传统的无线收发终端的设计结构具有明显的优势,相信未来一定可以达到广泛的应用。本文采用SMIC0.18um RF CMOS工艺,该工艺包含一个栅层,六个金属层,应用电压范围最大为3.3V。由于该设计应用的频段为Ka波段(26.5～40GHz),所用工艺中的电感不再适用,则不得不以微带线支节来替换。在输入匹配网络部分,采用了混合匹配电路结构,工艺库中的电容具有相对较高的Q值,所以只有电感以传输线电感来实现；其他电路部分所应用的电感,由于值很小,同样以传输线电感来充当,其他则选用集总参数元件。在本文中,根据电路的预期指标以及电路特点,选用的结构为LMV单平衡结构。经过反复验证,本设计在3.3V供电电源下,电路增益可达30dB,噪声因子低于8dB,输入三阶交调点大于-20dBm,具有良好的线性度,在距离中心频率1MHz处的相位噪声低于-120dBc/Hz,而整体面积约为1.24mm2,功耗只需约181.5mmW。设计达到了最初的设计目标。

全文目录

致谢  5-6
中文摘要  6-7
ABSTRACT  7-10
1 绪论  10-15
  1.1 无线通信系统的组成  10-11
  1.2 无线电波段的划分  11-12
  1.3 射频/微波电路的特性  12-13
  1.4 课题分析与国内外研究现状  13-14
  1.5 内容安排  14-15
2 匹配网络中应用的无源电路元件  15-23
  2.1 集总参数元件  15-16
    2.1.1 电阻  15
    2.1.2 电容  15-16
    2.1.3 电感  16
  2.2 分布参数元件  16-23
    2.2.1 微带线  16-18
    2.2.2 理查德变换与科洛达恒等关系  18-20
    2.2.3 微带支节设计  20-23
3 射频接收机前端电路结构  23-41
  3.1 低噪声放大器  24-29
    3.1.1 输入端并联电阻的共源放大器  24-25
    3.1.2 共栅放大器  25-26
    3.1.3 并联-串联反馈放大器  26-27
    3.1.4 源端电感负反馈的共源放大器  27-29
  3.2 混频器  29-36
    3.2.1 混频器基本原理与性能指标  29-32
    3.2.2 单平衡有源混频器  32-35
    3.2.3 双平衡有源混频器  35-36
  3.3 压控振荡器  36-41
    3.3.1 压控振荡器工作原理  37-38
    3.3.2 差分负阻LC振荡器  38-41
4 Ka波段LMV分析与设计  41-63
  4.1 LMV基本原理  41-43
  4.2 Ka波段LMV设计  43-63
    4.2.1 LMV中LNA设计  44-47
    4.2.2 宽带输入匹配网络设计  47-52
    4.2.3 LMV中Mixer设计  52-53
    4.2.4 LMV中VCO设计  53-58
    4.2.5 输出匹配网络设计  58-60
    4.2.6 Ka波段LMV整体电路结构及性能仿真  60-63
5 Ka波段LMV版图设计与后端仿真  63-70
  5.1 元件版图  63-66
  5.2 LMV整体版图以及后仿结果  66-70
6 总结  70-71
参考文献  71-73
作者简历  73-75
学位论文数据集  75

基于0.18um CMOS工艺的Ka波段LMV设计

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