超寬帶低功耗射頻接收機(jī)前端電路的研究與設(shè)計(jì).pdf.doc

1、 博士學(xué)位論文學(xué)校代號(hào)分 類(lèi) 號(hào)10532tn4學(xué)密號(hào)b091000030級(jí) 普通博士學(xué)位論文超寬帶低功耗射頻接收機(jī)前端電路的研究與設(shè)計(jì)學(xué)位申請(qǐng)人姓名培 養(yǎng) 單 位導(dǎo)師姓名及職稱(chēng)學(xué) 科 專(zhuān) 業(yè)孫晶茹信息科學(xué)與工程學(xué)院王春華教授計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)cmos 射頻集成電路設(shè)計(jì)2014 年 6 月 17 日研究方 向論文提交日期 學(xué)校代號(hào) ：10532學(xué)密號(hào)：b091000030級(jí)：普通湖南大學(xué)博士學(xué)位論文超寬帶低功耗射頻接收機(jī)前端電路的研究與設(shè)計(jì)學(xué)位申請(qǐng)人姓名：導(dǎo)師姓名及職稱(chēng)：孫晶茹王春華教授培 養(yǎng)單位：信息科學(xué)與工程學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)2014 年 6 月 17 日2014 年 9 月 24 日駱嘉

2、偉教授專(zhuān) 業(yè) 名 稱(chēng)：論文提交日期：論文答辯日期：答辯委員會(huì)主席： 超寬帶低功耗射頻接收機(jī)的研究與設(shè)計(jì)research and design of ultra-wideband low-power rfreceiver front-end circuitbysun jingrum.s. (northeastern university) 2004a dissertation submitted in partial satisfaction of therequirements for the degree ofdoctor of engineeringincomputer science a

3、nd technologyin thegraduate schoolofhunan universitysupervisorprofessor wang chunhuaoctober, 2014 博士學(xué)位論文湖 南 大 學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名：日 期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、

4、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)湖南大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。本學(xué)位論文屬于1、保密，在2、不保密5。年解密后適用本授權(quán)書(shū)。(請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“”)作者簽名：導(dǎo)師簽名：日 期：日 期：年 月 日年 月 日i 超寬帶低功耗射頻接收機(jī)前端電路的研究與設(shè)計(jì)摘 要超寬帶技術(shù)具有更快的傳輸速率、更高的頻譜利用率、更低的成本，可廣泛應(yīng)用于無(wú)線局域網(wǎng)、無(wú)線個(gè)域網(wǎng)、無(wú)線傳感網(wǎng)、雷達(dá)和定位等領(lǐng)域，已經(jīng)成為了短距離無(wú)線通信的一大亮點(diǎn)。超寬帶技術(shù)

5、的快速發(fā)展，對(duì)超寬帶通信系統(tǒng)的接收機(jī)性能提出了更高的要求，目前各種移動(dòng)終端設(shè)備層出不窮，功能越來(lái)越豐富完善，隨之帶來(lái)了功耗問(wèn)題。在電池技術(shù)尚未取得重大突破的前提下，如何降低接收機(jī)的功耗，延長(zhǎng)其使用時(shí)間，已經(jīng)成為超寬帶接收機(jī)面臨的一個(gè)重要問(wèn)題，對(duì)于推動(dòng)超寬帶無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。本文圍繞著如何降低超寬帶射頻接收機(jī)前端電路功耗，提高射頻接收機(jī)前端電路各項(xiàng)性能指標(biāo)等問(wèn)題，對(duì)射頻接收機(jī)前端電路中低噪聲放大器、混頻器、頻率合成器和振蕩器等關(guān)鍵模塊進(jìn)行了研究與討論。(1)本文提出了一種工作在 35ghz 頻率范圍內(nèi)的低電壓高增益差分電流模式超寬帶低噪聲放大器。采用帶變壓器的共柵輸入方法獲得低噪聲

6、寬帶匹配，采用電流模式電路設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)輸出為電流信號(hào)，避免了電流-電壓轉(zhuǎn)換。電路采用0.18m cmos 工藝實(shí)現(xiàn)，仿真結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的低噪聲放大器電路工作電壓僅為0.8v，增益達(dá)到 18.719.3db ，最大噪聲僅為 2.65db，iip3 約為 2.8dbm。(2)本文提出了一種超低功耗超寬帶低噪聲放大器。電路通過(guò)采用電流復(fù)用技術(shù)及襯底偏置技術(shù)兩種超低功耗技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。仿真結(jié)果表明，低噪聲放大器的轉(zhuǎn)換增益達(dá)到 11.412.2db ，雙邊帶噪聲低于 4.3db，輸入輸出反射系數(shù)都低于-10db，并且 lna 供電電壓為 0.8v，使功耗下降為 1.9mw。(3)本文提出了一種可工作在 3

7、10.6ghz 頻率范圍的超寬帶低電壓低功耗混頻器電路。所設(shè)計(jì)的混頻器以傳統(tǒng)的吉爾伯特雙平衡混頻器為基礎(chǔ)，同時(shí)采用襯底偏置技術(shù)和低電壓電流注入技術(shù)來(lái)降低混頻器功耗。仿真結(jié)果表明，在 0.8v 的工作電壓下，單邊帶噪聲為 7.111.4db ，轉(zhuǎn)換增益為 12.118.8db ，輸入 1db 壓縮點(diǎn)約為 -10dbm，輸入三階互調(diào)點(diǎn)約為 -1.8dbm，功耗僅為 1.9mw。(4)本文提出了一種工作于 l 波段的無(wú)電感正交壓控振蕩器。該振蕩器由單個(gè)電流差分跨導(dǎo)放大器（ cdta）構(gòu)成，可工作于 1.45ghz，通過(guò)改變偏置電壓，頻率可調(diào)諧范圍為 145mhz。由于不包含大電感元件，此電路占用的版

8、圖面積僅為0.091mm 2。(5)本文提出了一種低功耗的、驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力大的可編程多模分頻器。提出的多模分頻器 (multi-modulus divider mmd)中，采用了單相位時(shí)鐘 tspc 技術(shù)和內(nèi)置與門(mén)的 tspc d 觸發(fā)器，有效地降低了 mmd 的功耗；在 mmd 的輸出級(jí)上，設(shè)ii 博士學(xué)位論文計(jì)了一種占空比優(yōu)化電路，增大了輸出信號(hào)的占空比，提高了 mmd 驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力。采用 cadence 工具進(jìn)行仿真，結(jié)果表明：電路的功耗為 3.72 mw，占空比為 50%。綜上所述，本文對(duì)超寬帶射頻接收機(jī)前端電路中的關(guān)鍵模塊低噪聲放大器、混頻器、可編程分頻器及壓控振蕩器進(jìn)行了深入研究和

9、討論。對(duì)加快國(guó)內(nèi)無(wú)線通信技術(shù)發(fā)展，提高射頻接收機(jī)自主芯片的研發(fā)能力有一定的促進(jìn)作用。關(guān)鍵詞：超寬帶；低功耗；射頻前端；低噪聲放大器；混頻器；壓控振蕩器；可編程分頻器iii 超寬帶低功耗射頻接收機(jī)前端電路的研究與設(shè)計(jì)abstractultra-wideband technology has the advantage of faster transfer rates, higherspectral efficiency, lower cost, and can be widely used in wireless lans, wirelesspersonal area networks, wir

10、eless sensor networks, radar and positioning and otherfields. ultra-wideband technology has become a major highlight of short distancewireless communications. the rapid development of ultra-wideband technology putsforward higher requirements to the performance of ultra-wideband communicationsystem r

11、eceiver. currently, various mobile terminal apparatus have been produced,and the function become more perfect, and the power consumption increase rapidly.under the premise of not yet achieved a major breakthrough in battery technology,how to reduce the power consumption of the receiver front-end cir

12、cuit, delay their useof time, has become an important issue facing the ultra-wideband receiver. for thedevelopment of ultra-wideband wireless communication technology is important. thispaper focuses on how to reduce the power consumption of ultra-wideband radioreceivers front-end circuit，and how to

13、improve the performances of radio receiver,and other issues. rf receivers key modules, low noise amplifier, mixer, frequencysynthesizer and oscillator have been studied and discussed .(1) this paper presents a novel current mode differential uwb lna. acommon-gate stage with transformer realizes a lo

14、w noise input matching and producesa current gain. the output of the lna is differential current, which can avoid thecurrent-to-voltage conversion. the lna is simulated with tsmc 0.18m rf cmosprocess. simulation results show that the max noise figure is only 2.65 db,transconductance gain is larger t

15、han 18.7 db, and third order input intercept point isabout 2.8dbm over 35 ghz. with a voltage of 0.8 v, the power consumption is11mw. a comparison with conventional uwb lna shows that this lna hasadvantages of low voltage, low noise, high gain, and high linearity.(2) this paper presents an ultra-low

16、-power low noise amplifier (lna) forultra-wideband (uwb) receivers. by adopting current-reuse and forward body biastechniques, the total measured conversion gain of the receiver is 11.412.2db db anddsb nf is below 4.3db, the input and output reflection coefficient are lower than-10db. all of these r

17、esults satisfy the requirements of the rf receiver. especially, thepower consumption of the circuit is 1.9mw with a 0.8v supply voltage, which meetsiv 博士學(xué)位論文the demand for ultra-low-power applications.(3) this paper presents a 3.110.6ghz low voltage low power down-conversionmixer using tsmc 0.18m rf

18、 cmos process. the mixer adopts forward body biastechnique to decrease the power dissipation and supply voltage. the current-reusebleeding circuit is also applied to improve the conversion gain and linearity. thesimulation results have show that the mixer achieves a conversion gain of12.118.8db, a s

19、sb nf of 7.111.4db, an iip3 of -1.8dbm, while its powerdissipation is only 1.9mw under a 0.8v supply voltage. it is especially suitable forlow power wireless communication applications.(4) this paper presents a non-inductive quadrature voltage controlled oscillator(qvco) , which can work at l-band.

20、the qvco is constituted by a single currentdifferential cross transconductance amplifier (cdta) , can work at 1.45ghz. bychanging the bias voltage, frequency tuning range can reach 145mhz. since theoscillator does not contain large inductive element, the circuit layout area occupiedonly 0.091mm 2.(5

21、) this paper presents a low-power multi-modulus programmable divider usingchartered 0.18m cmos process. the tspc technology is adopter and the tspc dflip-flop is designed to lower the power consumption in design of implementationcircuit. the simulation result shows that the output signal is large. i

22、ts powerdissipation is 3.27mw under a 1.8v supply voltage. it is suitable for the application inwireless communication system.in summary, this paper studys the key modules of ultra-wideband rf receiverfront-end circuit, low noise amplifiers, mixers, programmable divider and vco. topromote the develo

23、pment of domestic wireless communication technology andimprove the rf receiver autonomous chip r & d capabilities have a certain role.key words: uwb; low-power; rf front-end; lna; mixer; frequency synthesizer;voltage controlled oscillatorv 超寬帶低功耗射頻接收機(jī)前端電路的研究與設(shè)計(jì)目 錄學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明與學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) . i摘要 . iiabst

24、ract . iv插圖索引 . ix附表索引 . xi第 1 章 緒論 . 11.1 研究背景及意義 . 11.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 . 11.2.1 低功耗技術(shù)研究現(xiàn)狀 . 11.2.2 超寬帶低噪聲放大器研究現(xiàn)狀 . 41.2.3 超寬帶混頻器的研究現(xiàn)狀 . 61.2.4 壓控振蕩器研究現(xiàn)狀 . 71.2.5 分頻器研究現(xiàn)狀 . 91.3 論文的研究?jī)?nèi)容與貢獻(xiàn) . 101.4 本文的組織結(jié)構(gòu) . 12第 2 章 射頻接收機(jī)及其模塊電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ) . 132.1 射頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) . 132.1.1 超外差結(jié)構(gòu) . 132.1.2 零中頻接收機(jī) . 132.1.3 低中頻接收機(jī) . 142.2

25、 低噪聲放大器理論基礎(chǔ) . 142.2.1 低噪聲放大器的基本結(jié)構(gòu) . 152.2.2 噪聲系數(shù) . 162.2.3 增益 . 202.2.4 s 參數(shù) . 202.2.5 線性度 . 212.3 混頻器的基本原理 . 232.3.1 混頻器基本原理 . 232.3.2 混頻器的主要性能指標(biāo) . 242.3.3 混頻器的結(jié)構(gòu) . 262.4 鎖相環(huán)頻率合成器理論與性能指標(biāo) . 29vi 博士學(xué)位論文2.4.1 鎖相環(huán)頻率合成器基本理論 . 292.4.2 鎖相環(huán)頻率合成器的性能指標(biāo) . 292.5 壓控振蕩器的設(shè)計(jì)理論與性能指標(biāo) . 312.5.1 壓控振蕩器的基本理論 . 312.5.2 性

26、能指標(biāo) . 322.5.3 環(huán)形壓控振蕩器的基本理論 . 332.6 分頻器基本理論與性能指標(biāo) . 342.6.1 可編程分頻器基本理論 . 342.6.2 可編程分頻器的性能指標(biāo) . 362.7 小結(jié) . 36第 3 章 超寬帶低噪聲放大器的研究與設(shè)計(jì) . 383.1 引言 . 383.2 提出的低電壓高增益電流模式低噪聲放大器 . 383.2.1 電流模式 lna 設(shè)計(jì)的基本原理 . 393.2.2 噪聲消除技術(shù)的基本原理 . 403.2.3 提出的電路與分析 . 403.2.4 仿真結(jié)果 . 443.2.5 與相關(guān)工作的比較 . 453.2.6 小結(jié) . 463.3 提出的工作于 3.110.6ghz 頻段的超低功耗低噪聲放大器 . 463.3.1 超低功耗技術(shù) . 463.3.2 提出的電路與分析 . 473.3.3 仿真結(jié)果 . 513.3.4 與相關(guān)工作的比較 . 523.3.5 小結(jié) . 53第 4 章 超寬帶混頻器的研究與設(shè)計(jì) . 544.1 引言 . 544.2 提出的低功耗混頻器電路與分析 . 544.2.1 改進(jìn)的低電壓電流注入技術(shù) . 554.2.2 電路分析