發(fā)布時(shí)間：2020-08-07 16:37

【摘要】：無線通信技術(shù)已經(jīng)充分滲透到生活中的方方面面,各種移動通信設(shè)備層出不窮,功能日趨豐富完善。但如何既豐富通信功能,提升通信性能,又提高電源續(xù)航能力和降低設(shè)備功耗,以滿足高性能所帶來的能耗需求,延長整機(jī)工作時(shí)間始終是業(yè)界長久以來的研發(fā)焦點(diǎn)。電源與電池技術(shù)研發(fā)是新材料研究的重點(diǎn)之一,而如何降低系統(tǒng)能耗,提升設(shè)備續(xù)航能力則一直是電路與系統(tǒng)學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)之一。通信設(shè)備功耗主要在于射頻部分,而接收機(jī)和發(fā)射機(jī)共同構(gòu)成了射頻前端,因此研究設(shè)計(jì)低功耗的接收機(jī)射頻前端電路模塊是降低設(shè)備功耗,提升續(xù)航能力的有效手段之一。傳統(tǒng)接收機(jī)射頻前端電路由雙極型TTL集成電路構(gòu)成,具有速度快,功耗高特點(diǎn)。以CMOS集成電路為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的接收機(jī)射頻前端電路在滿足性能要求前提下,因其功耗低,動態(tài)范圍廣,邏輯擺幅大,抗干擾能力強(qiáng),溫度穩(wěn)定性好,工作電壓范圍寬等特點(diǎn)迅速成為低功耗射頻前端電路的重要設(shè)計(jì)技術(shù)。但如何既充分利用CMOS電路實(shí)現(xiàn)低功耗,又保證射頻性能,則是業(yè)界長久以來的研究重點(diǎn)。本文就接收機(jī)CMOS射頻前端電路模塊進(jìn)行了深入針對性研究,通過理論分析,對技術(shù)融合創(chuàng)新,不僅提高了CMOS射頻接收機(jī)前端電路的各項(xiàng)綜合指標(biāo),而且有效降低了各模塊功耗。本文重點(diǎn)研究探討了射頻接收機(jī)前端電路中的低噪聲放大器、混頻器、振蕩器和電流模式濾波器等關(guān)鍵模塊,主要研究工作和創(chuàng)新如下:(1)提出了一種低功耗超寬帶CMOS低噪聲放大器。該電路在共源級堆疊型級聯(lián)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,融合襯底偏置及電流復(fù)用技術(shù),引入片上變壓器網(wǎng)絡(luò),從而有效降低了低噪聲放大器功耗。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,此低噪聲放大器工作頻率范圍為3.1-10.6GHz,增益能夠達(dá)到8.3-10.5dB,噪聲系數(shù)低于3.6dB,三階輸入互調(diào)點(diǎn)IIP3為-3.8dB,線性度良好,輸入輸出反射系數(shù)均低于-10dB,供電電壓為0.8V,功耗下降為1.9mW,設(shè)計(jì)的版圖面積僅0.86*0.52mm~2,成功實(shí)現(xiàn)了寬頻帶,高性能,低功耗設(shè)計(jì)目標(biāo)。(2)提出了一種工作頻率為5GHz的低功耗高增益CMOS混頻器電路。此混頻器以傳統(tǒng)吉爾伯特雙平衡混頻器為基礎(chǔ),引入自偏置電阻電流復(fù)用技術(shù)以增強(qiáng)跨導(dǎo)級增益,采用電流注入技術(shù)以提升混頻器的增益、線性度和噪聲性能。仿真結(jié)果表明該混頻器不僅射頻性能優(yōu)良,而且實(shí)現(xiàn)了低功耗,在1V工作電壓下,轉(zhuǎn)換增益為17.9dB,輸入三階互調(diào)點(diǎn)約為-1.4dBm,單邊帶噪聲為9dB,功耗僅為0.9mW。(3)提出了一種電流模式四相正交振蕩器。該振蕩器由三個(gè)電流差分跨導(dǎo)放大器(CDTAs)和三個(gè)接地電容構(gòu)成,通過改變偏置電壓,其振蕩條件和振蕩頻率可調(diào),頻率可調(diào)諧范圍達(dá)63.68MHz。由于不包含電感元件,該電路占用的版圖面積僅為1.44mm~2。(4)提出了基于MOCCA(Multi-output current controlled current amplifier)和OTA(Operational transconductance amplifier)的電流模式濾波器,該濾波器為新型的二階通用濾波器電路,具有品質(zhì)因數(shù)和中心頻率獨(dú)立可調(diào),參數(shù)靈敏度低等特點(diǎn)。通過調(diào)節(jié)參數(shù),該濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)低通、帶通、高通、帶阻和全通功能。綜上所述,本文對低功耗接收機(jī)CMOS射頻前端電路中的關(guān)鍵模塊低噪聲放大器、混頻器、振蕩器及電流模式濾波器進(jìn)行了深入研究和討論。在降低系統(tǒng)功耗,提升綜合指標(biāo),延長工作時(shí)間,提高能源效率方面提供了一定的借鑒思路,對提高射頻芯片的自主研發(fā)能力也有一定促進(jìn)作用。
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN92
【圖文】：

-50 -40 -30 -20 -10 0-80-60-40-200-10020輸入功率 (dBm)輸出功率(dBm)4.5 GHz圖 3.7 LNA 的 IIP3 仿真結(jié)果個(gè)頻帶內(nèi) LNA 噪聲系數(shù)在 1.8dB-3.6dB 之間。圖 間，實(shí)現(xiàn)了較高超寬帶增益。選取射頻信號的輸入截取點(diǎn)進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如圖 3.7 所示，其 IIP3 章提出的超低功耗超寬帶 LNA 電路版圖如圖 3.8 所

圖 4.14 本章提出的混頻器版圖設(shè)計(jì)，信號鏈路和寄生參數(shù)的不匹配應(yīng)該慎重和后仿的轉(zhuǎn)換增益對比如圖 4.13 所示。取參數(shù)后的后仿與原理圖前仿轉(zhuǎn)換增益都稱性和寄生參數(shù)引起的阻抗不匹配沒有有約為 0.86*0.78mm2。比較提出的高增益低噪聲下混頻器性能參數(shù)，顯然，所提出的折疊型混頻器，采用改進(jìn)仿真得出具有較大轉(zhuǎn)換增益、低噪聲的優(yōu)超低功耗，因此非常適用于接收機(jī)中應(yīng)用表 4.2 近期同類文獻(xiàn)比較頻率NF變頻增益

容值 C1變小，或外接電容 C2 和 CDTA 的跨導(dǎo)變大。ωω0ΔωT1T2T3輸出功率譜圖 5.9 品質(zhì)因素對相位噪聲的影響nce SPECTRE 軟件對本文提出的振蕩器電路進(jìn)行仿真，采用的μm CMOS 工藝。此外，本文給出該振蕩器的設(shè)計(jì)版圖。

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本文編號：2784243