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基于噪声抵消技术的低功耗C频段差分低噪声放大器

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电讯技术 2014年第8期54卷 1140-1145页

作者：赵飞义张万荣丁春宝陈昌麟胡瑞心卓汇涵江之韵白杨陈亮北京工业大学电子信息与控制工程学院北京100124 泰山学院物理与电子工程学院山东泰安271000

设计了一款基于噪声抵消技术的低功耗C频段的差分低噪声放大器。该放大器由输入级、放大级以及输出缓冲级3个模块构成，其中输入级采用电容交叉耦合的差分对与直接交叉耦合结构差分对级联，实现输入匹配及噪声抵消；放大级采用具有电阻... 详细信息

设计了一款基于噪声抵消技术的低功耗C频段的差分低噪声放大器。该放大器由输入级、放大级以及输出缓冲级3个模块构成，其中输入级采用电容交叉耦合的差分对与直接交叉耦合结构差分对级联，实现输入匹配及噪声抵消；放大级采用具有电阻-电感并联反馈的电流复用结构来获得高的增益、良好的增益平坦性及低的功耗；输出缓冲级采用源跟随器结构，实现良好的输出匹配。基于TSMC0．18μmCMOS工艺库，验证表明在C频段，放大器的增益为20．4±0．5dB，噪声系数介于2．3～2．4dB之间，输入和输出的回波损耗均优于-11dB，稳定因子恒大于1，在6．5GHz下，1dB压缩点为-16．6dBm，IIP3为-7dBm，在2．5V电压下，电路功耗仅为6．75mW。

关键词：差分低噪声放大器噪声抵消电流复用增益平坦度低功耗

基于0.18μm CMOS工艺的高性能上混频器设计

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基于0.18μm CMOS工艺的高性能上混频器设计

作者：万求真湖南大学

学位级别：硕士

近十几年来,随着CMOS工艺的不断发展,高速发展的射频无线通信技术被广泛地应用在社会的各个领域中,吸引了越来越多的学者研究高性能和低成本射频无线通信系统。人们越来越希望无线通信设备拥有更小的尺寸、更低的成本、更低的功耗以及... 详细信息

近十几年来,随着CMOS工艺的不断发展,高速发展的射频无线通信技术被广泛地应用在社会的各个领域中,吸引了越来越多的学者研究高性能和低成本射频无线通信系统。人们越来越希望无线通信设备拥有更小的尺寸、更低的成本、更低的功耗以及更高的性能,从而对射频前端收发机电路也提出了相应的更高的设计要求。上混频器电路作为射频前端收发机的关键电路模块,用于实现信号频谱的搬移,其性能的好坏直接影响到整个收发机系统的性能。在这种应用背景下,本’文完成了基于0.18μm CMOS工艺的两种2.4GHz频段的高性能上混频器设计。本文首先阐述了常用发射机的结构和典型上混频器的研究现状,介绍了混频器电路设计的基础理论。分析了几种提高CMOS混频器线性度的常用方法和电流模式电路的发展慨况。然后提出了一种基于0.18μm CMOS工艺的改进的Gilbert上混频器电路,同时提出了一种基于0.18μm CMOS工艺的电流模式上混频器电路,并对提出的以上两种上混频器电路进行了版图设计和给出了后版图仿真结果。本文所做的工作和创新如下： (1)总结和分析了当前研究的两种发射机系统结构,介绍了当前典型上混频器结构的设计技术,同时分析了混频器的工作原理及其主要性能指标参数;(2)提出了一种基于0.18μm CMOS工艺的改进的高性能Gilbert上混频器电路,该电路采用双电流复用和电流注入结构以及负反馈技术对混频器跨导级和开关级进行了结构优化。然后对设计电路进行了版图设计,在1.2V低电压下,后版图仿真结果为：转换增益CG为6.3dB,输入三阶交调点ⅡP3为13.4dBm,双边带噪声系数NF为11.5dB,混频器核心电路的功耗为4.8mW,芯片面积为0.7mm*0.8mm,后版图仿真结果验证了电路的良好性能;(3)提出了一种基于0.18μm CMOS工艺的高性能电流模式上混频器电路,该电路采用电流平方电路的类Class AB结构做输入级和电容交叉耦合结构做输出级,实现了电流模式输入输出级的结构优化。然后对设计电路进行了版图设计,在1.2V低电压下,后版图仿真结果为：转换增益CG为6.5dB,输入三阶交调点ⅡP3为15.3dBm,功耗为6.8mW,芯片面积为0.7mm*0.8mm,后版图仿真结果验证了电路的良好性能。本文提出的电路采用Chartered 0.18μm CMOS工艺,在软件Cadence下进行的版图设计和后仿真,后版图仿真结果与当前发表过的上混频器电路具有可比性。

关键词：上混频器 CMOS 电流复用电流注入电流模式高性能低功耗

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433MHz频段射频接收前端电路设计

433MHz频段射频接收前端电路设计

作者：尹鸿杰东南大学

学位级别：硕士

无线射频芯片是通信系统电路的核心组成模块,它的性能直接决定整个通信系统的通信质量。射频接收前端电路作为无线射频芯片接收链路的重要组成部分,它的功耗占据整个收发芯片功耗的30%-40%。因而研究降低射频接收前端电路的功耗对降低... 详细信息

无线射频芯片是通信系统电路的核心组成模块,它的性能直接决定整个通信系统的通信质量。射频接收前端电路作为无线射频芯片接收链路的重要组成部分,它的功耗占据整个收发芯片功耗的30%-40%。因而研究降低射频接收前端电路的功耗对降低整个收发芯片的功耗很有意义。论文主要设计工作在433MHz频段FSK接收模式的低功耗射频接收前端电路：低噪声放大器和下变频混频器。论文分析了射频前端电路的国内外研究现状,介绍了低噪声放大器和混频器的基本原理和主要性能参数,比较了一些常用的经典电路结构,结合系统要求设计出相应的电路结构：在低噪声放大器的设计中,为了避免使用直流负反馈电路,采用了将]PMOS晶体管层叠在NMOS晶体管之上的电流复用技术,同时针对该结构设计了相应的偏置电路;改进电容耦合结构,以增大低噪声放大器的等效输入跨导,提高电路的噪声性能;在混频器的设计过程中,首先针对低噪声放大器增益不足的现象,添加了一级放大电路,同时结合折叠设计方法,将该级放大电路与混频器的跨导级设计在同一支路,构成电流复用,达到降低功耗的目的;为了降低混频器的噪声系数,采用电流分流技术以降低流经开关管的电流;在混频器的输出端设计了电阻网络,控制电路的高低两种增益模式。基于SMIC 0.18μm RFCMOS工艺设计了电路和版图,并完成相应的仿真。仿真结果显示：在1.8V的电源电压下,整个前端电路在高增益模式下可以提供49.7dB的增益,低增益模式为45.03dB,前端电路的噪声系数约为6.75dB,三阶输入截断点IIP3约为-19dBm,整个电路消耗2.42mA的电流。

关键词：低功耗射频前端电路电流复用电容交叉耦合电流分流技术

CMOS片上变压器建模及2.4GHz射频前端关键模块设计

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CMOS片上变压器建模及2.4GHz射频前端关键模块设计

作者：康劲杭州电子科技大学

学位级别：硕士

无线通信技术的迅猛发展带动了信息产业的整体发展,作为无线传输设备核心器件的射频集成电路（RFICs）不断朝着高性能、高集成度、低功耗和低成本方向发展。CMOS工艺有着先天的优势:高集成度（与基带、数字信号处理模块工艺兼容）、低成... 详细信息

无线通信技术的迅猛发展带动了信息产业的整体发展,作为无线传输设备核心器件的射频集成电路（RFICs）不断朝着高性能、高集成度、低功耗和低成本方向发展。CMOS工艺有着先天的优势:高集成度（与基带、数字信号处理模块工艺兼容）、低成本,而且CMOS随着特征尺寸的缩小,射频性能不断提高,高精度的射频器件模型及RFIC设计成为当前的研究热点。在CMOS射频集成电路中,变压器是一种重要的无源片上元件,它广泛地应用在阻抗匹配、单端信号与差分信号的相互转换、隔离等,以获得更高的集成度,另外还可以用在低压电路中提供无电压摆幅损耗的耦合等。由于CMOS硅基衬底的导电性,变压器在高频时主要受到四种高频效应的影响:电流拥挤效应、导体间的寄生电容、容性衬底耦合、感性衬底耦合,这些高频效应不仅大大降低了它的品质因数,而且给建模带来了困难。本文分析了这些高频效应并提出了一种新的片上螺旋变压器固定尺寸的集总参数等效电路模型,该等效电路模型采用一个Transformer Loop以及并联RC网络来表征磁性衬底耦合效应和衬底横向损耗,同时采用两个阶梯四元件结构分别表征主次线圈电感的趋肤效应、邻近效应,实现级联电阻的非频变性。接着在该固定尺寸模型的基础上提出了一个简化的可参数化的双端口“1-π”模型,并且对模型参数提出了一套解析的公式,使得电路里每个元件的值都可以根据器件的几何尺寸计算出来。采用SMIC 0.18μm RF CMOS工艺制作了七个不同尺寸的变压器,经验证,测试结果与这两类模型的仿真结果在自谐振频率范围内能精确的吻合,说明这两类模型以及Scalable规则是比较合理的。低噪声放大器和下变频混频器是接收机射频前端的关键模块,其性能决定了接收机的灵敏度和动态范围等指标。本文在二端口网络噪声理论的基础上,详细分析了四种共源低噪声放大器的优化方法,并设计了两种不同结构的低噪声放大器:一种为带附加电容的电感负反馈低噪声放大器,该低噪声放大器在功耗约束下能同时达到噪声匹配和功率匹配;另一种为电流复用的两级共源低噪声放大器,这种结构采用电流复用技术并且在输入管和cascode管之间增加谐振电感来同时实现低功耗和高增益。本文还设计了一个采用电流复用的Gilbert混频器。在分析混频器的基本原理和主要性能指标后,重点研究了Gilbert混频器的增益、噪声、线性度及相应改进方法,接着按照各性能指标之间的折中关系设计了一款采用电流复用注入技术的混频器,该混频器同时实现了高的转换增益和低的噪声系数。上述电路采用SMIC 0.18μm RF CMOS工艺完成了电路设计、仿真和版图设计。仿真结果如下:工作频率为2.4GHz,LNA噪声系数为1.7dB,S11、S22小于-30dB,功率增益为23 dB,在1.8V的电压下仅消耗2mA;Mixer在中频为2MHz时单边带噪声系数是7.5dB,转换增益为17dB,输入三阶交调点为-3.2dBm,消耗电流为6.8 mA。仿真结果表明所设计的电路满足了设计指标。

关键词： CMOS 对称互绕变压器低噪声放大器混频器电流复用

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X波段低噪声放大器的研制

X波段低噪声放大器的研制

作者：蒋宇涛杭州电子科技大学

学位级别：硕士

X波段(8～12 GHz)相控阵雷达系统被广泛应用于气象雷达、卫星雷达、探测雷达、导航雷达等领域。收发(T/R)组件是该系统最重要的组成部分之一,能够实现信号的放大、移相和衰减功能。低噪声放大器(LNA)作为T/R组件的核心器件之一,实现了... 详细信息

X波段(8～12 GHz)相控阵雷达系统被广泛应用于气象雷达、卫星雷达、探测雷达、导航雷达等领域。收发(T/R)组件是该系统最重要的组成部分之一,能够实现信号的放大、移相和衰减功能。低噪声放大器(LNA)作为T/R组件的核心器件之一,实现了接收信号的第一级放大,有利于提高接收机的灵敏度。同时,伴随着超宽带技术的迅速发展、Ga As工艺逐渐成熟,极大地促进了宽带Ga As低噪声放大器的研究。因此本文主要针对宽带微波低噪放展开研究,主要工作和贡献如下:1、针对自偏置LNA结构电路中稳定性展开研究,提出了在LNA的第一级晶体管漏极串联电阻改善稳定性的方法。在此基础上,研制了一款X波段的LNA,该LNA基于0.5 um Ga As p HEMT工艺加工,实测结果表明,其小信号增益为13.5 d B,增益平坦度小于±0.4 d B,该LNA在全频段稳定,有效的验证了文中提出的改善稳定性方法的可行性。2、针对宽带LNA的噪声和增益平坦度问题,研究了源极退化感性器件(传输线)对微波LNA的增益以及带宽产生的影响,采用优化源极传输线物理尺寸以获取高品质因数传输线的方法降低了LNA电路噪声,进一步地在LNA的级间采用有耗匹配网络的方法改善宽带LNA的增益平坦度。在此基础上,研制了一款基于0.25 um Ga As p HEMT工艺的X波段LNA。测量结果表明,该LNA的增益平坦度小于±0.4 d B。后仿真结果表明,噪声系数在工作频带内低于1.53 d B。3、针对宽带LNA的功耗与增益问题,采用电流复用的三级级联的电路结构,解决了低噪放高增益下的低功耗需求。在此基础上,研制了一款X波段的低噪放。该低噪放基于0.5 um Ga As p HEMT工艺加工,测试结果表明,该LNA的小信号增益为22 d B,功耗低至28 m W。同时,基于晶圆级异构封装工艺,文中提出了融合晶圆级封装工艺与Ga As工艺的协同仿真方法并设计了本章提出的LNA的封装,对封装后LNA的性能进行了评估。提出的协同仿真方法为基于晶圆级工艺的微波电路封装以及微波固态集成电路构建异构微系统提供了一种参考。

关键词：宽带低噪声放大器自偏置源极退化感性器件电流复用异构集成

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400～600MHz射频接收芯片设计

400～600MHz射频接收芯片设计

作者：赵启越天津大学

学位级别：硕士

随着无线通讯技术的进步,接收机的设计和研究具有重要的意义。本文介绍了多种结构体系的接收机,并完成了射频接收前端中关键模块的工作原理分析、电路结构设计、版图设计和后仿验证工作。以超外差式结构接收机作为基本架构,本文详细地... 详细信息

随着无线通讯技术的进步,接收机的设计和研究具有重要的意义。本文介绍了多种结构体系的接收机,并完成了射频接收前端中关键模块的工作原理分析、电路结构设计、版图设计和后仿验证工作。以超外差式结构接收机作为基本架构,本文详细地阐述了低噪声放大器、混频器和可变增益放大器的电路设计方法。低噪声放大器由于采取了噪声抵消技术,可以在很宽的频带下达到输入阻抗匹配同时具有较低的噪声。电流复用技术可以提高电流利用效率,在有限的功耗下达到更高的增益,以降低后级模块的噪声指标要求。混频器基于吉尔伯特结构,电流注入技术用以使开关晶体管的直流电流减少,进而降低闪烁噪声,同时提高混频器的转换增益和线性度。利用交叉耦合跨导增强技术提高等效跨导值,同时在跨导对漏极之间增加LC振荡回路提高传输增益并改善噪声性能。另外以PMOS交叉耦合对作为有源负载,提高传输增益。在可变增益放大器中,采用开环结构以实现更大带宽,增加差分输入转单端输出结构,并采用中频放大器,保证输出功率,提高较高的线性度。论文基于TSMC 0.18μm CMOS工艺,对射频接收前端进行原理图设计、版图设计和后仿验证。后仿数据表明,在1.8V电源电压下,本课题设计的40000MHz射频接收前端实现了低于12dB的单边带噪声系数,200dB的增益动态范围,输出1dB压缩点为15dBm,谐波抑制比高于28dBc,输入、输出电压驻波比均低于1.8,达到了设计要求,已经送至流片。

关键词：射频接收前端低噪声放大器噪声抵消电流复用吉尔伯特混频器电流注入可变增益放大器

CMOS无线发射机射频前端研究及电路优化设计

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CMOS无线发射机射频前端研究及电路优化设计

作者：王静北京交通大学

学位级别：硕士

随着集成电路(IC)产业的发展壮大和人们生活节奏的加快,人们不断追求更加方便、快捷的生活方式。很多设备从最初的有线连接发展为现在的无线控制,在使用方面不再受限于距离,大大提高了效率。如今,无线应用已经相当普及,其中,无线通信更... 详细信息

随着集成电路(IC)产业的发展壮大和人们生活节奏的加快,人们不断追求更加方便、快捷的生活方式。很多设备从最初的有线连接发展为现在的无线控制,在使用方面不再受限于距离,大大提高了效率。如今,无线应用已经相当普及,其中,无线通信更是成为人们生活中形影不离的一部分。无线通信技术发展至今,已经日趋成熟,并仍在不断地优化和改良中。本文以无线通信中必不可缺的无线收发机为研究基础,重点对无线发射机的结构和组成它的各个电路模块进行研究分析。在了解无线发射机射频(Radio Frequency)前端电路构成的基础上,对发射机前端电路提出优化设计。在保证基本应用功能的前提下,尽可能的降低电路功耗,减少器件使用,从而减小芯片面积,达到节约成本的目的。本文提出了一种较为新颖的应用于无线发射机的联合设计模块。该模块由发射机中上变频混频器(up-conversion mixer)和压控振荡器(VCO)两个重要电路组成。采用平衡-非平衡(balun)电路将差分输入和输出转化为单端输入、单端输出的结构,可直接用于配有50Ω天线的无线通信系统中,构成无线发射机的重要功能部件。设计中采用了电流复用和匹配网络复用的结构,在降低直流功耗的同时,从根本上减少了无源器件的使用,大大缩小了芯片的面积。本文给出了该电路的详细设计思路和过程,包括版图设计和后端仿真结果。最后对设计提出了可能的进一步的改进方案,以期达到更好的效果。设计的实现采用SMIC0.18um RF CMOS工艺,整个电路采用全集成设计,包括滤波、匹配电路部分,均采用硅集成器件实现。测试结果显示,在1.2V的供电电压下,电路直流功耗低于4.7mW,最大转换增益可达7.8dB,电路的噪声系数在有效频段内低于20dB,在偏离中心频率100KHz处,电路的相位噪声低于-100dBc/Hz。整个设计在功耗方面取得了良好的成效,而其他性能也都达到了GSM通信应用的基本要求。同时,由于采用了复用技术,去掉了冗余电路和器件,在电路的面积上也实现了较大的突破。经测量版图面积得到,该联合设计模块占用面积约为1.18mm2。

关键词： CMOS集成电路无线发射机电流复用混频器压控振荡器(VCO)

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应用于WSN的低功耗上变频混频器设计

应用于WSN的低功耗上变频混频器设计

作者：侯立东南大学

学位级别：硕士

无线传感网(即Wireless Sensor Networks,简称WSN)是指由一组集成有传感器、数据处理单元和通信模块的传感器以自组织方式构成的无线网络。它是随机分布的,能协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息,并发给观察者。WSN是... 详细信息

无线传感网(即Wireless Sensor Networks,简称WSN)是指由一组集成有传感器、数据处理单元和通信模块的传感器以自组织方式构成的无线网络。它是随机分布的,能协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息,并发给观察者。WSN是多技术、多领域的一种融合,是构建无线物联网的关键技术。射频收发芯片是WSN节点的关键模块,对构建无线物联网具有重要意义。在发射机芯片中,混频器模块实现的是频率转换功能,其电路设计的好坏直接影响整个发射模块的性能。本论文主要介绍了一种运用于WSN的低功耗上变频混频器的设计。该混频器基于TSMC 0.18μm RF CMOS工艺,工作电压为1.8V,将2MHz的基带信号上变频至2.4～2.4835GHz的射频信号。该上变频混频器在考虑了传统的吉尔伯特(Gilbert)混频器的优缺点后进行了改进和创新,达到了较高的综合性能。该混频器的负载部分采用了LC谐振网络,提高了转换增益。同时使用负载增强技术,用正反馈产生负阻来提高混频器的负载阻抗。采用电流复用结构作为跨导级电路的结构,提高了混频器的等效跨导。在跨导级通过源极反馈技术提高了混频器的线性度。最后,采用电流注入技术降低了混频器的噪声系数。论文给出了电路的设计、前仿真、版图设计和后仿真。后仿真结果表明:在1.8V电源电压下,上变频混频器的转换增益为5.17dB,输入1dB压缩点为-7.86dBm,输入三阶截点为0.94dBm,噪声系数为13.4dB。本文设计的上变频混频器在低功耗的前提下实现了较高的综合性能,可以应用于WSN发射机系统中。

关键词：上变频混频器低功耗电流注入电流复用

一款3~6.3 GHz增益可调的低噪声放大器设计

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中国电子科学研究院学报 2023年第9期18卷 786-793页

作者：王金婵彭欢庆樊云航赵芃张金灿河南科技大学信息工程学院河南洛阳471023

针对无线接收机在对不同信号进行放大时,噪声恶化严重的问题,文中在驱动放大级采用电流复用技术,可以降低系统功耗,同时,在增益变化过程中保证了输入级增益对后级电路噪声的抑制作用,使得增益变化过程中,噪声始终低于1 dB。输入级和输... 详细信息

针对无线接收机在对不同信号进行放大时,噪声恶化严重的问题,文中在驱动放大级采用电流复用技术,可以降低系统功耗,同时,在增益变化过程中保证了输入级增益对后级电路噪声的抑制作用,使得增益变化过程中,噪声始终低于1 dB。输入级和输出级阻抗匹配良好,在3 GHz~6.3 GHz的工作频段上可实现系统增益的连续可调范围约30 dB(19.6 dB~49.6 dB),同时通过采用两个控制电压分别控制两级放大电路,在增益变化过程中系统获得了良好的增益平坦度,版图尺寸为0.95×1.53 mm^(2)。在常规工作状态下,系统噪声为0.56±0.02 dB,增益为49.6±0.47 dB,功耗97 mW。在4.5 GHz频率处,系统的OP1dB为10.3 dBm,OIP3达到29 dBm,具有良好的线性度。

关键词：低噪声放大器可变增益噪声抑制电流复用增益平坦度