低功耗高线性射频接收关键技术研究与芯片设计

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近几年来,无线通信技术向着多功能、低功耗的方向发展:覆盖各种通信协议,提供尽可能多的服务功能以及尽可能长的工作时间;简而言之就是多重标准的通信设备:宽带、高性能以及低功耗。射频接收芯片是无线通信系统的一个主要的组成部分,然而当前的研究成果存在如下两个问题:①宽带和低功耗很少同时具备或者功耗不够低,②低电压和高线性无法同时实现。为此本文将从(超)低功耗、宽带射频接收前端和低电压、高线性射频接收前端这两个部分,分别展开详细的研究并最终给出芯片的测试结果。  首先,低功耗射频接收前端的研究与芯片设计。本部分的工作内容主要有:①对当前已有的低功耗技术进行分析验证,通过分析得出相关技术的优缺点和设计时的相关要求;②通过对低功耗技术的相关分析、总结,最终提出新的电路架构,并给出详细的理论分析和流片测试结果。当前已有的低功耗技术主要有:亚阈值区、折叠Cascode结构、电流复用以及互补式电流复用技术,等等。经过对这些已有技术的分析、验证,对于具体的电路设计分别通过以下几个方面进行:输入端口的阻抗匹配、电压增益(输出阻抗)、噪声以及线性度,等等,并且最终都通过芯片的流片测试来加以验证。本部分研究与设计的创新点在于提出了多款低功耗、宽带射频电路结构:①多重电容交叉耦合共栅结构低噪声放大器、②多重有源电流复用共栅结构低噪声放大器、③有源电流复用互补式共栅结构低噪声放大器、④有源跨导增强双平衡下变频混频器,并且均可以实现低功耗和宽带的设计目的。四款低功耗芯片的最终结果可以简要的归纳为:端口匹配均小于负8dB,LNA的噪声系数大于4.3dB小于7dB,而Mixer的噪声系数介于13.5和15.2dB之间,对于LNA电压增益均大于15dB,混频器的转换增益介于13.5和15.2dB之间,线性度(IIP3)均大于负25dBm,功耗均小于0.7mW而带宽为0.3GHz至1GHz。  其次,低电压高线性射频接收前端的研究与芯片设计。对于低电压的设计主要借鉴低功耗宽带射频接收前端设计部分的低功耗技术,降低电路的供电电压以及添加额外的电流源等来适当的降低电路的电压、功耗。本部分的工作内容主要有:①对当前已有的高线性技术进行分析验证,通过分析得出相关技术的优缺点和设计时的相关要求;②通过对低电压(功耗)技术的相关分析、总结,最终提出新的电路架构,并给出详细的理论分析和流片测试结果。当前已有的高线性技术主要有:优化偏置、衍生叠加、后失真、噪声抵消,等等。经过对这些已有技术的分析、验证,对于具体的电路设计分别通过以下几个方面进行:输入端口的阻抗匹配、电压增益(输出阻抗)、噪声以及线性度,等等,并且最终都通过芯片的流片测试来加以验证。本部分研究与设计的创新点在于提出了两款低电压、高线性射频电路结构:①互补式后失真共栅结构低噪声放大器、②差分衍生叠加双平衡下变频混频器,并且均可以实现低功耗和高线性的设计目的。两款高线性芯片的最终结果可以简要的归纳为:端口匹配均小于负6dB,LNA的噪声系数小于4.5dB,而Mixer的噪声系数为14.6dB,对于LNA电压增益均大于10dB小于11.2dB,混频器的转换增益介于8.5和9.5dB,线性度(IIP3)均大于正10dBm,功耗均小于14mW而带宽为0.9GHz至1.2GHz。  论文对应用于无线通信网络的射频接收前端相应的关键技术进行了深入的研究,包括低噪声放大器、下变频混频器的低功耗技术、高线性技术等,提出了多种低功耗以及高线性的电路结构。虽然本文的设计主要是针对1GHz的频段展开研究,但是对于高频段的设计同样具有一定的参考意义。
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