CMOS射频前端电路设计中的低噪声、高线性度研究

【摘要】：低噪声、高线性度的射频前端设计是整个射频接收机系统电路设计中的关键。一般而言，电路的低噪声与高线性度很难同时得到满足，这主要是受限于MOS器件的特性和普通的电路设计技术。随着越来越多的无线通信应用的普及，系统设计师往往需要同时满足低噪声和高线性度要求的射频前端电路。这就对电路设计技术提出了新的要求，也正是本文所要着重讨论的问题。 平面螺旋电感是射频电路设计中最重要的无源元件。本文提出了一种基于集总参数的高效物理模型和遗传算法的优化算法。实验证明，这种优化计算方法的计算效率远远高于电磁场计算的方法，但是其计算结果的精度却可以与电磁场计算的方法相比拟。 本文在介观导体模型的基础上，提出了基于“三点计算法”的噪声计算方法。通过与测试数据的比较，可以证明，这种计算方法不但大大提高了介观导体模型的精确度和适用性，并且首次给出了热噪声系数γ随端电压变化的方程。通过比较发现，采用γ方程进行噪声分析和优化，不但可以更加精确地预测噪声性能，而且可以得到更低功耗的电路。 针对非线性和噪声trade-off的困难，本文提出了两种新的电路拓扑结构：采用输出谐波消除法提高LNA的IIP3，采用电流注入法提高Mixer的IIP3的方法。实验证明，这两种方法都是在几乎不损害电路噪声性能的条件下极大地提高了电路的线性度。 最后，本文给出了2.4GHz、5GHz射频前端电路的设计实例，包括2.4GHz LNA、5GHz LNA和Mixer。通过对测试结果的分析，可以证明采用γ方程进行低噪声设计的重要性。本文的部分工作涉及到5GHz以上的频段，根据作者的了解，这是国内第一次采用CMOS工艺在这么高的频率上进行射频集成电路设计，并且得到了比较完整的测试结果。