【摘 要】
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在当前空间环境中,多种模式和多种标准的无线电波广泛共存,使得兼容2G/3G/4G/5G、WLAN、Bluetooth、UWB等多种通信模式和标准的收发机系统成为研究热点。混频器和低噪声放大器作为多标准接收机射频前端中的关键组成模块,对其也提出了更严格的设计要求。实现可应用于软件无线电或多标准射频接收机系统中的混频器和低噪声放大器具有十分重要的研究意义。本文通过对射频前端电路、混频器与低噪声放大器基
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在当前空间环境中,多种模式和多种标准的无线电波广泛共存,使得兼容2G/3G/4G/5G、WLAN、Bluetooth、UWB等多种通信模式和标准的收发机系统成为研究热点。混频器和低噪声放大器作为多标准接收机射频前端中的关键组成模块,对其也提出了更严格的设计要求。实现可应用于软件无线电或多标准射频接收机系统中的混频器和低噪声放大器具有十分重要的研究意义。本文通过对射频前端电路、混频器与低噪声放大器基础知识的研究,提出了两种新型的宽带混频器与宽带低噪声放大器结构。本文的主要创新工作可概括如下:(1)采用TSMC 65 nm RF CMOS工艺,设计了一种基于变压器和互补共源共栅(CS-CG)混合拓扑的宽带混频器。该混频器输入跨导级采用互补的共源共栅混合拓扑结构来增加有效跨导,与传统的共源或共栅输入跨导结构相比,它可以在相同的功耗下实现高转换增益和低噪声系数;利用变压器来代替两个传统的平面螺旋电感,应用在共源共栅混合拓扑结构的MOS管源极,可以节省芯片面积和实现宽带输入阻抗匹配。混频器的输入跨导级与本振开关级间采用交流耦合电容折叠连接,可以实现输入跨导级和本振开关级直流偏置电流的各自优化。后版图仿真结果表明,该混频器在0.8 V的电源电压下,功耗仅为2.72 m W;在3.0~7.0 GHz射频频率范围内,双边带噪声系数为2.6~6.1 d B,功率转换增益为12.2 d B~17.9 d B;在5.0 GHz的射频频率下,输入三阶交调点(IIP3)为-6.5 d Bm。包括测试PAD在内的版图总面积为0.55 mm×0.65 mm。(2)采用TSMC 180 nm RF CMOS工艺,设计了一种基于双重噪声抵消技术的宽带低噪声放大器。该低噪声放大器输入级采用共栅(CG)结构与共源(CS)结构并联输入,共源结构负责抑制噪声,作为噪声抵消级,共栅结构用于提供输入匹配;该输入级结构与传统的共源或共栅输入级结构相比,提供了理想的输入阻抗匹配和噪声性能。中间级采用带电感峰值技术的共源共栅结构,它弥补了前级共栅结构的低增益问题并扩展了带宽。由于共源共栅晶体管的寄生电容在高频时会导致电路噪声系数增加,在后级采用噪声消除技术可消除共栅晶体管的噪声贡献,来进一步改善噪声性能。仿真结果表明,在3.3~10.1 GHz频率范围内,该低噪声放大器的最大功率增益为18.5 d B,最小噪声系数为1.9 d B,输入输出反射系数均小于-10 d B,反向隔离度保持在-70 d B以下。在电源电压为1.8 V时,功耗仅为7.2 m W。
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