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基于0.18μm CMOS工艺的高性能上混频器设计

作　者: 万求真
导　师: 王春华
学　校: 湖南大学
专　业: 信息与通信工程
关键词: 上混频器 CMOS 电流复用 电流注入 电流模式 高性能 低功耗
分类号: TN773
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


近十几年来,随着CMOS工艺的不断发展,高速发展的射频无线通信技术被广泛地应用在社会的各个领域中,吸引了越来越多的学者研究高性能和低成本射频无线通信系统。人们越来越希望无线通信设备拥有更小的尺寸、更低的成本、更低的功耗以及更高的性能,从而对射频前端收发机电路也提出了相应的更高的设计要求。上混频器电路作为射频前端收发机的关键电路模块,用于实现信号频谱的搬移,其性能的好坏直接影响到整个收发机系统的性能。在这种应用背景下,本’文完成了基于0.18μm CMOS工艺的两种2.4GHz频段的高性能上混频器设计。本文首先阐述了常用发射机的结构和典型上混频器的研究现状,介绍了混频器电路设计的基础理论。分析了几种提高CMOS混频器线性度的常用方法和电流模式电路的发展慨况。然后提出了一种基于0.18μm CMOS工艺的改进的Gilbert上混频器电路,同时提出了一种基于0.18μm CMOS工艺的电流模式上混频器电路,并对提出的以上两种上混频器电路进行了版图设计和给出了后版图仿真结果。本文所做的工作和创新如下：(1)总结和分析了当前研究的两种发射机系统结构,介绍了当前典型上混频器结构的设计技术,同时分析了混频器的工作原理及其主要性能指标参数；(2)提出了一种基于0.18μm CMOS工艺的改进的高性能Gilbert上混频器电路,该电路采用双电流复用和电流注入结构以及负反馈技术对混频器跨导级和开关级进行了结构优化。然后对设计电路进行了版图设计,在1.2V低电压下,后版图仿真结果为：转换增益CG为6.3dB,输入三阶交调点ⅡP3为13.4dBm,双边带噪声系数NF为11.5dB,混频器核心电路的功耗为4.8mW,芯片面积为0.7mm*0.8mm,后版图仿真结果验证了电路的良好性能；(3)提出了一种基于0.18μm CMOS工艺的高性能电流模式上混频器电路,该电路采用电流平方电路的类Class AB结构做输入级和电容交叉耦合结构做输出级,实现了电流模式输入输出级的结构优化。然后对设计电路进行了版图设计,在1.2V低电压下,后版图仿真结果为：转换增益CG为6.5dB,输入三阶交调点ⅡP3为15.3dBm,功耗为6.8mW,芯片面积为0.7mm*0.8mm,后版图仿真结果验证了电路的良好性能。本文提出的电路采用Chartered 0.18μm CMOS工艺,在软件Cadence下进行的版图设计和后仿真,后版图仿真结果与当前发表过的上混频器电路具有可比性。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-10
插图索引  10-12
附表索引  12-13
第1章 绪论  13-20
  1.1 课题背景及研究意义  13-14
  1.2 射频发射机的概要介绍  14-16
    1.2.1 直接上变频发射机架构  14-15
    1.2.2 两步变频发射机架构  15-16
  1.3 典型上混频器结构的研究现状  16-18
  1.4 本论文的研究内容和组织结构  18-20
    1.4.1 主要研究内容  18-19
    1.4.2 论文的组织结构  19-20
第2章 混频器设计的理论基础  20-33
  2.1 混频器的原理  20-23
    2.1.1 混频器的基本原理  20-21
    2.1.2 非线性器件的相乘作用实现混频器  21-22
    2.1.3 开关混频器电路  22-23
  2.2 混频器的主要性能指标  23-29
    2.2.1 混频器的转换增益  23
    2.2.2 混频器的线性度性能  23-26
    2.2.3 混频器的噪声特性  26-27
    2.2.4 混频器的端口隔离度  27-28
    2.2.5 混频器的输入输出阻抗匹配  28-29
  2.3 混频器的常见结构  29-33
    2.3.1 单端混频器  29-30
    2.3.2 单平衡开关型混频器  30-31
    2.3.3 双平衡开关型混频器  31-33
第3章 0.18μm CMOS改进的Gilbert上混频器设计  33-45
  3.1 引言  33
  3.2 混频器常用的线性化技术  33-37
    3.2.1 源极负反馈技术  34
    3.2.2 分段渐近技术  34-35
    3.2.3 前馈线性技术  35-36
    3.2.4 交叉线性跨导技术  36-37
  3.3 0.18μm CMOS改进的Gilbert上混频器设计  37-45
    3.3.1 传统的上混频器结构  37-38
    3.3.2 混频器跨导级部分的设计  38-40
    3.3.3 混频器开关级部分的设计  40-41
    3.3.4 混频器输出级部分的设计  41-43
    3.3.5 提出的改进的Gilbert上混频器电路  43-45
第4章 0.18μm CMOS电流模式上混频器设计  45-55
  4.1 电流模式电路概述  45-47
    4.1.1 电流模式电路发展概况  45-46
    4.1.2 电流模式电路性能特点  46-47
  4.2 传统的电流模式混频器  47-49
  4.3 电流模式上混频器电路的设计  49-55
    4.3.1 输入电流平方电路的设计  49-52
    4.3.2 混频器开关级的设计  52
    4.3.3 输出级电路的设计  52-53
    4.3.4 提出的电流模式上混频器电路  53-55
第5章 上混频器电路版图设计与后仿真  55-67
  5.1 版图设计基本流程  55-56
  5.2 版图设计的注意要点  56-60
  5.3 改进的Gilbert上混频器版图设计与后仿真  60-63
  5.4 电流模式上混频器版图设计与后仿真  63-66
  5.5 小结  66-67
结论  67-68
参考文献  68-74
附录A (攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录)  74-75
附录B (攻读硕士学位期间所参与的科研活动)  75-76
致谢  76

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 基本电子电路 > 倍频器、分频器、变频器 > 变频器、混频器
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