超低功耗射频接收机低噪声放大器和混频器的研究与设计

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无线通信技术已成为当前发展最为迅速和最具活力的技术领域之一,随着无线通信产业的蓬勃发展,并广泛地应用到人们生活中的众多领域,人们对无线通信系统的要求越来越高。便携化、低成本、低功耗、易集成必将成为无线通信设备发展的必然趋势。低噪声放大器和混频器作为射频接收机的关键模块同时也是主要耗能部件,其性能表现对整个接收机系统起着至关重要的作用,研究和设计超低功耗、高性能低噪声放大器和混频器,对无线通信技术的推广和应用具有十分重要的意义。  本文首先简要介绍了课题的研究背景及意义,分析了超低功耗低噪声放大器(Low Noise Amplifier,LNA)与混频器(Mixer)的国内外研究现状,并对几种常见的低功耗技术进行了归纳和总结。在理论分析和仿真优化的基础上,本文提出了新型的低电压超低功耗低噪声放大器和低电压超低功耗下混频器电路。本文的主要工作和成果如下:  (1)提出了一种工作频率为5.5GHz的高增益、超低电压、超低功耗低噪声放大器。该电路通过对传统折叠型共源共栅结构进行改进,并在其基础上采用电容交叉耦合跨导增强技术及正向衬底偏置,使得LN A超低功耗状态下的射频性能得到明显改善,仿真结果表明,该LNA在0.5V工作电压下,增益可达16.5dB,噪声系数为1.53dB,输入输出反射系数均小于-15dB,同时功耗仅为0.89mW。  (2)提出了一种工作频带为4~5GHz的超低功耗UWB LNA。该电路采用二级放大形式,其中第一级采用共栅极输入以实现宽频率范围内的输入阻抗匹配,并利用电流复用型的有源式跨导增强反馈技术提高共栅放大级的增益和噪声性能。电路的第二级采用共源放大电路,进一步提高LNA的增益,同时,电路各MOS管均采用衬底偏置技术,降低电路的供电电压。最终,该LNA的工作电压为0.6V,在工作频率4~5GHz频带内,输入反射系数小于-12dB,输出反射系数小于-16dB,增益介于14.5~15.3dB,噪声系数为2.3~2.6dB,功耗仅为0.9mW。  (3)提出了一种可工作在5GHz的超低功耗折叠型Gilbert下混频器。该电路采用折叠型拓扑结构来降低M ixer工作电压,并在M ixer的跨导级利用自偏置电阻电流复用结构,改善了混频器的转换增益性能,同时通过电流注入技术减少开关级偏置电流,实现对开关级的优化改善了混频器开关效率,进一步提升了噪声性能。仿真显示,本文提出的混频器在5GHz的频率下,转换增益可达17.9dB,IIP3为-1.4dBm,双边带噪声系数为9dB。在1V的工作电压下,电路功耗仅为0.46mW。  本文提出的电路采用TSMC0.18μm CMOS工艺实现,并用ADS与Cadence进行模拟仿真。与近些年来国内外同类电路相比,本文提出的LNA和Mixer在功耗、增益和噪声方面具有明显的优势。
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