高性能Zigbee射频收发链路的研究及实现

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Zigbee协议在无线传感网中应用广泛,符合Zigbee标准的高性能低功耗射频收发电路是其推广应用的关键之一,而射频收发链路的性能直接决定了整个射频收发系统的指标,特别是功耗、灵敏度及线性度等,因此论文以符合Zigbee标准的高性能射频收发链路为题,开展了深入的研究工作。  论文以低功耗高灵敏度及高线性度为目标,在综述现有技术的基础上通过系统设计,完成了各模块性能指标的分配,研究了接收链路和发射链路中的关键模块;在接收链路中,通过研究低噪声放大电路、混频器、可变增益放大器等,在降低功耗和提高接收灵敏度方面进行了优化设计;在发射链路中,通过研究上变频混频器及功率放大器,改善了发射电路的线性度;最后实现了完整的射频收发电路设计与流片验证。论文的主要工作和创新点如下:1、改进设计了一种交叉耦合噪声抵消型低噪声放大器和一种基于电流缓冲器的无源混频器:低噪声放大器通过采用交叉耦合和噪声抵消结构,在降低功耗的同时实现了较低的噪声系数;基于电流缓冲器的无源混频器则在保证线性度的同时降低了混频器的噪声系数,其较高转换增益抑制了后级模块噪声对接收机噪声系数的影响,保证了较低的接收电路噪声系数,仿真结果表明:低噪声放大器在20dB电压增益的条件下噪声系数为2.1dB;混频器在实现29dB转换增益的同时将噪声系数控制在12dB以下,同时整个前端的静态电流控制在4.5mA以内。2、提出了一种基于峰值检测和对数电路的可变增益放大器,拓展了接收信号强度检测范围并降低了功耗。仿真表明其RSSI检测范围40dB,增益步长为1dB,总电流消耗在3mA以下。3、优化设计了基于超级源跟随结构的上变频混频器,提高了混频器的线性度。改进设计了一种基于A类和C类功率放大器的互补结构,在不增加功耗的前提下提高了线性度,仿真表明发射电路的静态电流为25mA,在8dBm的最大输出功率下达到了19dBm的OIP3。  论文基于TSMC130nm RF CMOS工艺设计了一种2.4GHz Zigbee射频收发机的电路及其版图,并进行了流片验证。测试结果表明:在1%的误包率条件下该射频接收机实现了-96dBm的接收灵敏度以及80dB的接收动态范围,在1.4V的电源电压下其静态功耗为13mW;发射系统的最大发射功率达到了5.46dBm,同时相邻信道抑制比达到了32dB。
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