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《湖南大学》 2011年
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电流模式射频接收机前端设计

马铭磷  
【摘要】:随着近年来关于射频收发机结构及其单元电路研究的不断深入,特别是在蓝牙和802.11无线局域网领域,低电压、低功耗、低成本的要求不断提高。低噪声放大器、混频器、振荡器是现代通信系统中射频接收机前端的基本模块。就传统的电压模式低噪声放大器和混频器而言,他们之间采用电压耦合的方式相互连接,低噪声放大器的输入跨导管将电压信号转化成电流信号进行放大,但是在其负载端又通过负载将电流信号转化成电压信号作为后续混频器的输入信号。混频器再一次将电压信号转化成电流信号再进行电流换向混频,最终通过混频器的负载将电流信号转化成电压信号传输给下级电路。不难看出,在低噪声放大器输出端的电流到电压转换电路和混频器输入端的电压到电流转换电路其实不是必须的。 电压模式电路以电压为信号,导致电路中间节点需要高阻抗以得到大摆幅电压信号,这与低电压设计的愿望是相违背的。本论文中提出的电流模式射频接收机前端电路的核心模块低噪声放大器和混频器以电流为信号采用电流模式设计方法进行设计。电流模式电路具有很多优点,例如:带宽更宽;更容易实现加法、减法、乘法操作;电路结构更加简单;动态范围更宽;工作更稳定;更适合低电压、低功耗、低成本设计。 本论文提出的电流模式低噪声放大器和混频器作为一个整体进行设计。它包含一个差分跨导低噪声放大器和一个差分电流模式下混频器。单端跨导低噪声放大器包含一个MOS管、两个电容、两个电感。栅源之间并联的电容能减小栅极匹配电感的取值。电流模式下混频器由四个开关电流镜组成,调节开关电流镜输入输出管宽度的比值能增加混频器的增益,从而增加整个接收机前端的增益。提出的电流模式射频接收机前端电路工作电压为1V。该接收机通过chartered0.18μm CMOS艺进行流片。整个电流模式射频接收机前端低噪声放大器和混频器部分测量增益17.48dB、输入三阶互调点(IIP3)-7.02dBm。总的噪声系数4.5dB、功耗14mW。本论文提出的电流模式低噪声放大器和混频器不需要常规电压模式低噪声放大器和混频器中电压与电流的相互转换电路。相对于折叠型的低噪声放大器和混频器,本设计的增益更大。相对于电流镜耦合型的低噪声放大器和混频器,本设计具有更低的工作电压。 要实现低成本的单片集成设计,意味着射频收发机要采用零中频或低中频的结构。本设计采用结构简单的零中频结构,这要求接收机中振荡器为正交振荡器实现镜像抑制和解调。本论文提出正交振荡器采用二次谐波电容耦合的方式实现正交输出。其优点是在耦合的过程中不增加额外的噪声和功耗。另外作为耦合器件的电容在射频集成电路中易于实现,并且所占芯面积不大。为了实现低电压设计,本论文中被耦合的振荡器采用折叠结构实现。本论文提出的折叠型负阻LC正交振荡器具有很好的相位噪声性能。在距离中心频率100kHz处相位噪声为-94.14dBc/Hz,在距离中心频率1MHz处相位噪声为-122.9dBc/Hz.整个正交振荡器的工作电压为0.8V,振荡器的直流偏置为7.4mA。该振荡器适用于要求低电压低相位噪声的应用。
【学位授予单位】:湖南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TN858

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