超低功耗CMOS低噪声放大器和混频器的研究与设计

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随着无线通信技术的迅猛发展和广泛应用,无线通信设备的便携化、低功耗、低成本和高性能已成为发展趋势。由功耗引发的电池续航时间、封装成本、以及高集成芯片散热等问题日益突出,降低功耗已成为当前射频集成电路设计的一个研究热点与难点,为了满足人们对无线终端系统越来越高的要求,研究与设计超低功耗的低噪声放大器与混频器具有重要意义。  本文简要介绍了课题的研究背景与意义,分析了超低功耗低噪声放大器与混频器的国内外研究现状,并对几种常见的低功耗技术和相应的电路结构存在的优缺点进行了总结。在理论分析与仿真优化的基础上,本文提出了新型的高增益、低电压的超低功耗低噪声放大器和高线性度、低电压的超低功耗超宽带混频器电路。本文的主要工作和成果如下:  (1)提出了一种可工作在5.2GHz的高增益、低电压的超低功耗低噪声放大器电路。该电路采用折叠级联结构和正向衬底偏置技术来降低LNA的工作电压,第一级放大器利用源极电感负反馈技术较好地实现输入阻抗匹配。为了使该LNA在获得较高增益的同时不恶化其它方面的性能,第二级放大器引入了变压器负反馈跨导增强技术。仿真结果表明,在5.2GHz的工作频率下,提出的低噪声放大器的输入反射系数S11和输出反射S11分别为-14.3dB和-12.4dB,功率增益达到15.3dB,噪声系数为0.8dB,输入三阶互调点约为-10.34dBm。在0.6V低电压下,低噪声放大器的功耗仅为0.8mW。  (2)提出了一种可工作在1.5~11.5GHz频率范围的高线性度、低电压的超低功耗超宽带下混频器电路。该电路以吉尔伯特双平衡混频器为基础,采用本振信号衬底注入和正向衬底偏置技术来降低工作电压。为了使该混频器在获得较高线性度的同时不恶化其它方面的性能,混频器采用了改进型的源极负反馈共源结构。仿真结果表明,在1.5~11.5GHz工作频率范围内,提出的混频器的功率转换增益为6~7.2dB,单边带噪声系数为18.4~20.5dB,输入三阶互调点为1.0~6.84dBm。在0.75V低电压下,混频器核心电路的功耗仅为0.46mW。  本文提出的电路采用Chartered 0.18μm CMOS工艺实现,用Cadence进行模拟仿真。与近些年来国内外同类电路相比,本文提出的低噪声放大器在功耗和增益方面具有一定优势,提出的混频器在功耗、线性度和电路结构方面获得了更优越的性能。
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