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CMOS有源混频器噪声及射频接收前端关键技术研究

郭本青  
【摘要】:伴随无线通信市场的迅猛增长和集成电路技术的快速发展,射频前端集成电路技术得到了广泛深入的研究。设计者对于射频前端电路优越电学性能的无止境追求,也不断驱使着相关设计技术的推陈出新,与时俱进。其中,直接变频结构以结构简洁,高度集成而受到研究者的大为推崇,被视为最有希望成为未来射频集成收发前端的主导架构。不过,与性能上的优越相伴随的是技术上的挑战。直到今天,业界围绕着其直流失调、闪烁噪声、本振泄漏等关键技术问题所展开的研究与探索从没有间断过。另一方面,混频器是射频接收前端的核心模块之一,其噪声的周期时变特性使得相关分析变得十分复杂,也正是这个原因,其一直是射频集成电路学科颇具挑战性的研究课题。既有的相关噪声分析模型已经不能有效提供在亚微米、高频等当前实际应用场景下的混频器电路设计指导。基于此,如何开发出具有更广泛适用性的混频器噪声解析模型显得尤为迫切。 本文针对CMOS混频器的噪声特性及射频接收前端的若干关键技术问题进行了研究,取得了一些有益的结论和成果,主要研究工作和创新点如下: 1.提出亚微米CMOS有源混频器噪声模型:借助最新的基于亚微米物理机理的MOSFET器件I-V模型和器件噪声模型,通过数值迭代来求解混频器大信号I-V方程,进而结合小信号推导得到包含沟道调制效应的混频器各级噪声转换函数,最后得到包含亚域区导电效应,沟道调制等二级效应的噪声解析模型。 2.提出包含记忆效应的CMOS有源混频器噪声分析方法:基于线性周期时变理论,推导得到包含记忆效应的混频器噪声转移方程。使用电路小信号分析方法,推导得到混频器各级的周期时变转移函数。包含尾电容记忆效应的混频器电路各级噪声源至输出的噪声变换系数得以数值求解,进而最终得到适用于高频下的混频器噪声解析模型。以上两个噪声模型均为包含热噪声和闪烁噪声的一元化解析式,可以应用于具有不同中频特点的该型混频器的噪声设计优化。虽然理论上两者可以合二为一,但是出于解析式的简洁直观目的,文中分开进行论证。 3.提出本振失调下CMOS有源混频器的转换增益模型:通过对电路的共源共栅小信号等效,推导出亚微米工艺条件下的包含器件输出电阻效应的混频器有效驱动级跨导解析式。在此基础上,提出了本振信号存在各种幅度、相位失调情况下的混频器转换增益解析模型。 4.提出一种低噪放和混频器融合结构的增益可调直接变频射频接收前端:采用折叠结构降低开关对的偏置电流取得良好的闪烁噪声性能,同时兼有优越的增益性能;通过共模与差模反馈来改善直流失调,稳定中频输出;利用差分电路结构以及版图优化布局获得高的二阶交调指标,两个管子堆叠的电路结构,利于获得低压低功耗。


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