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L波段高动态范围接收机前端的研究与实现

刘自成  
【摘要】:全球导航卫星系统是重要的空间信息基础设施,涉及多门学科领域,应用范围正在逐步扩展到国民经济的方方面面。工作在L波段的导航接收机射频前端是应用在导航卫星系统中的一个重要组成部分,其性能和集成度将在很大程度上决定导航卫星系统的使用条件和应用范围。基于CMOS工艺实现的L波段接收机前端芯片有着提高接收机集成度、降低系统成本等优势,但同时由于导航接收机的应用特点,射频前端芯片必须保证尽可能高的动态范围以抑制外界人为或非人为情况下的电磁信号干扰,这一要求的提出对射频前端芯片的研究和实现提出了严苛的挑战。本文正是应对这一挑战,对基于CMOS工艺下的高动态范围L波段接收机射频前端进行相应的研究和实现。本文在对研究背景和以往的研究进展进行简单概述后,分析得出对于L波段接收机射频前端芯片的研究,以往只是将基于CMOS工艺进行整体实现作为难点,而当前已经过渡到提高射频前端中各关键模块的关键指标上。这其中就包括对射频前端各模块动态范围的深入研究。本文所采用的研究方法结合了自顶向下和自底向上的研究过程。文章先对射频前端的整体结构及指标进行分析,确定了希望达到的系统总指标,进而将研究重点放在了对射频前端内各关键模块动态范围性能的分析与设计上,并进一步延伸到各有源或无源器件的具体设计方法。最后对各关键模块进行设计和优化,并分别进行流片验证后将各模块连成整体射频前端,完成高动态范围的系统指标。文章主要对射频前端中低噪声放大器、混频器和中频放大器等关键模块的关键性能进行了详细的研究。在对低噪声放大器电路的研究中,本文先介绍了以往高线性度低噪声放大器电路使用的导数叠加原理,并在此基础上对设计方法进行了优化,通过更高阶的导数确定电路偏置点,令电路的三阶导数可以更好的相互叠加。使用这种方法可以在更高的输入功范围下保持导数叠加法的有效性,并且并不会对其他性能造成恶化。这种优化方法的结果是令射频前端可以承受更强的外界干扰信号。之后本文使用新方法分别在90nm和180 nm CMOS工艺下进行了电路和版图的设计。之后,本文对混频器和中频放大器模块也分别进行了研究。在对混频器电路按多种方法进行分类介绍后,选定了电压模驱动的无源混频器结构进行设计。之后更进一步对该类型混频器在不同本振波形下的工作状态进行了深入分析,相较以往的研究成果进行了更贴合实际电路工作情况的研究,并最终创新性的选取了高偏置高占空比的本振信号波形以最优化混频器电路的线性度。此外,本文对中频放大器的电路设计过程也进行了详细介绍,并分析了其中运算放大器的工作稳定性。之后本文对这两个模块同样基于180 nm CMOS工艺进行了电路和版图的设计。最后,本文对设计的各模块电路均进行了流片和测试验证,测试结果符合分析与仿真中得到的结果,证明了电路和版图设计及优化过程的有效性,提高了射频前端中各关键模块的噪声和线性度性能。同时,文章根据各模块电路的设计方法将射频前端进行了芯片集成,集成后的射频前端有着在外界强干扰信号下也能够正常工作的性能,同时具有更高的动态范围。


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