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0.3～3GHz SOI CMOS低功耗上变频混频器的设计

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0.3～3GHz SOI CMOS低功耗上变频混频器的设计

作者：赵英相东南大学

学位级别：硕士

上变频混频器作为射频收发系统中的一个重要组成部分,实现了基带频率到射频频率的变换,其性能对射频发射机有重要的影响。现代通信系统对功耗的要求越来越严格,低功耗上变频混频器是射频集成电路的研究热点和重点。SOI CMOS工艺具有寄... 详细信息

上变频混频器作为射频收发系统中的一个重要组成部分,实现了基带频率到射频频率的变换,其性能对射频发射机有重要的影响。现代通信系统对功耗的要求越来越严格,低功耗上变频混频器是射频集成电路的研究热点和重点。SOI CMOS工艺具有寄生电容小、隔离度高、无闩锁效应等优势,适用于射频电路的设计,所以基于SOI CMOS工艺设计宽带低功耗上变频混频器具有重要的研究意义和应用价值。本文基于0.28μm SOI CMOS工艺设计了一款0.3GHz低功耗上变频混频器,该混频器是在Gilbert混频器的基础上改进和优化而得。上变频混频器的跨导级采用电阻源极负反馈技术,有效提高了混频器的线性度。由于电阻具有良好的宽带特性,故负载级采用电阻负载结构。采用降低工作电流的方法降低上变频混频器的功耗,并在工作电流固定的情况下采用正反馈负阻技术实现了低功耗上变频混频器转换增益的提高。宽带低功耗上变频混频器设计包括:电路设计、前仿真、版图设计和后仿真,其中版图的整体面积为0.6630mm。宽带低功耗上变频混频器的后仿真结果表明:在1.8V的工作电源电压下,工作带宽为0.3GHz,转换增益为5.89.42dB,输入1dB压缩点大于-6dBm,输入三阶截点大于3dBm,功耗为1.3mW。本文设计的上变频混频器在满足宽带和低功耗的要求下,综合性能良好,可应用于WSN、WLAN和WIFI等通信系统。

关键词： SOI CMOS 宽带上变频混频器低功耗源极负反馈正反馈负阻技术

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高线性度的CMOS上变频混频器设计

高线性度的CMOS上变频混频器设计

作者：李鸣东南大学

学位级别：硕士

随着我国有线电视开始向数字化过渡,数字电视将拥有一个十分广阔的市场前景。数字电视的调谐器是数字电视接收机的前置级部件,在数字电视技术中占有十分重要的地位。自从超外差接收机的结构被提出以后,混频器作为其中实现频率搬移的关... 详细信息

随着我国有线电视开始向数字化过渡,数字电视将拥有一个十分广阔的市场前景。数字电视的调谐器是数字电视接收机的前置级部件,在数字电视技术中占有十分重要的地位。自从超外差接收机的结构被提出以后,混频器作为其中实现频率搬移的关键部件一直都是通信和射频电路研究的热点。本文通过比较一次变频接收机和二次变频接收机这两种不同的调谐器架构,引出了在数字电视调谐器中使用上变频混频器的基本背景和必要性。本文首先介绍了混频器的基本工作原理、分类和几种典型的拓扑结构。然后通过介绍一般的非线性系统,解释了混频器的-1dB增益压缩点和三阶互调点等重要的衡量线性度高低的指标以及增益和噪声系数等指标。基于调谐器系统的整体要求,本文提出了上变频混频器的基本拓扑结构,即由混频器核心、本振缓冲器和中频缓冲器组成。在介绍了目前主要的几种提高混频器线性度的技术后,本文选择了带有源极负反馈的吉尔伯特单元作为混频器的核心电路,并介绍了用源极负反馈提高吉尔伯特混频器线性度的原理和设计方法,还特别关注了线性度和增益、噪声等指标之间的折衷关系。然后介绍了LO缓冲器带宽的设计以及尾电流可调的中频缓冲器等。并在仿真结果的分析中,对带有源极负反馈的Gilbert单元的线性度和增益进行了数学推导和分析,还分析了混频器电路中几个主要的噪声源,同时也提出了改进方法。本文介绍了模拟电路版图设计的要点,并分别给出了上变频混频器中各模块的版图以及整体版图。基于Chartered 0.25μm RFCMOS工艺对上变频混频器的各项主要性能指标,在不同的频率,不同的温度和不同的工艺角条件下进行了模拟,得到了比较全面的仿真数据。最终设计指标如下:增益为4dB,在50～860MHz频率范围内增益波动小于1dB,IIP3为+12dBm,单边带噪声系数为16.5dB,混频器包含两个缓冲器的总功耗约为155mW。我们还对上变频混频器进行了流片试产,并选择了合适的封装形式。同时我们设计了上变频混频器的测试系统,并基于目前的测试条件对其进行了初步的测试。测试结果表明该混频器的实际功能良好。

关键词：二次变频上变频混频器 Gilbert单元线性度 0.25μm CMOS

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毫米波上变频混频器芯片设计

毫米波上变频混频器芯片设计

作者：宋佳敏电子科技大学

学位级别：硕士

近年来,大数据、超高清视频等有着大存储量的技术得到高速发展,其对数据的无线传输提出了新的需求,现有的无线通信技术已经远不能满足人们的需求,毫米波无线通信技术,有着大宽带的绝对优势使其成为未来民用通信的发展方向。现有的毫米... 详细信息

近年来,大数据、超高清视频等有着大存储量的技术得到高速发展,其对数据的无线传输提出了新的需求,现有的无线通信技术已经远不能满足人们的需求,毫米波无线通信技术,有着大宽带的绝对优势使其成为未来民用通信的发展方向。现有的毫米波通信几乎都是满足军用需求,其成本高且不易被小型化,因此基于低成本的CMOS工艺得到广泛关注。中国也提出基于45GHz的Q-LinkPan无线通信标准,其相对于国际上广泛采用的60GHz标准的优势在于大气衰减较弱,易于长距离通信。本课题设计的上变频混频器和调制器正是应用于45GHz频段发射机中的重要模块。本文在研究混频器设计的基础之上,着重研究了混频器的快速简单模型,其主要分析了混频器各部分元件对混频器的增益和三阶交调量的关系,为混频器的参数优化提供了很大的帮助。文中也研究了一些特殊技术来提升基本的Gilbert混频器的性能,包括Multi-tanh技术和负阻技术,并对这些技术进行了分析;在设计混频器使用的巴伦时,为变压器建立了六端口模型,并详述设计匹配巴伦的方法,在此过程中也分析和改善了巴伦的平衡性问题;本文也设计了一个具有高隔离度的毫米波OOK调制器,并且应用于发射机系统芯片中,其电路借鉴了基本双栅混频器结构,并研究了相关改进技术来提高其隔离度。本文所有的电路设计都是采用台积电CMOS 90nmRF 1P9M工艺。在设计过程中简述了相关版图的注意事项。上述的上边频混频器最终仿真结果为:增益为5dB、中频带宽为4.3GHz、输入三阶交调点为0.89dBm、输出1dB压缩点为-3.5dBm。另外本文设计调制器最终结果为:增益为1.1dB、数据率3Gbps、输出1dB压缩点为0.85dBm、隔离度为65dB、功耗为64.8mW。在采用单端本振源的情况下其增益测试结果和仿真结果吻合,并且隔离度为24dB,已满足系统的要求。最后采用该结构调制器的发射机芯片的隔离度测试结果为40dB,与仿真结果有差异,并分析了其原因。

关键词： CMOS 上变频混频器调制器 Q波段

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硅基D波段上变频混频器的研究与设计

硅基D波段上变频混频器的研究与设计

作者：雷宇超杭州电子科技大学

学位级别：硕士

随着科学技术的不断变革,数据通信改变了人类的交互方式。毫米波频谱资源丰富,可应用于大数据通量的高速无线通信系统。先进的硅基工艺成本较低是实现高集成度系统的基石。作为发射机中的关键器件,上变频混频器实现了基带信号的频谱搬移... 详细信息

随着科学技术的不断变革,数据通信改变了人类的交互方式。毫米波频谱资源丰富,可应用于大数据通量的高速无线通信系统。先进的硅基工艺成本较低是实现高集成度系统的基石。作为发射机中的关键器件,上变频混频器实现了基带信号的频谱搬移,其性能制约着数据通信质量,因此设计高增益、高线性度及高镜像抑制的上变频混频器具有重要的意义。同时,毫米波频段无源器件损耗大、有源器件本征增益低,使得上变频混频器设计极具挑战。文中通过对D波段上变频混频器的研究,基于65nm CMOS工艺设计了两款上变频混频器,其中包括一款带有负阻电流注入结构和中频放大器的吉尔伯特混频器及一款带有差分正交耦合器和变压器信号合成器的正交混频器。本文的主要研究内容及贡献如下:（1）详细分析了吉尔伯特结构的小信号模型,在考虑本振信号的上升和下降时间及相位误差后,对模型进行修正求解获得更精确的转换增益、噪声系数和线性度公式。为了提升混频器的增益,在跨导级输出端口加入负阻电流注入结构,解决了吉尔伯特结构的跨导级和开关级共电流偏置条件下要求开关管尺寸小但要求跨导管尺寸大的矛盾。为了实现中频端口的宽带匹配和自偏置,在跨导级输入端口加入带电阻反馈的中频放大器。通过对以上结构中小信号模型的分析和仿真,结果表明改进后的结构增益有提升噪声有削减,并且在本振功率为1d Bm时线性度也会有所改善。（2）以上述理论分析为依据,以提升混频器的增益和线性度为目标,设计了一款带有负阻电流注入结构和中频放大器的吉尔伯特混频器。为了将本振和射频端口的单端信号转换为差分信号,设计了巴伦,并结合传输线电感完成了射频和本振端口的阻抗匹配。后仿结果表明最大电压转换增益8d B,3d B增益带宽13GHz,输出1d B压缩点-6d Bm,输入三阶交调点-5.5d Bm,LO-RF隔离度大于40 d B。包含所有PAD后芯片尺寸为480×310μm2。（3）以实现镜像抑制为目标,设计了一款上变频正交混频器。在本振端口设计了一个D波段差分正交耦合器,实现了4路相位差为90°的信号输出,140GHz时幅度平衡度低于0.7d B,相位平衡度低于1度,在输入本振信号为140GHz时可实现31.4d B的镜像抑制度。在RF端口设计了一个信号合成器,实现了两路差分信号的合成并转换为单端形式。后仿结果表明最大转换增益16d B,输出1d B压缩点-13.4d Bm,输入三阶交调点-5.5d Bm,LO-RF隔离度大于30 d B。包含所有PAD后芯片尺寸为600×400μm2。

关键词：毫米波 CMOS 上变频混频器正交耦合器

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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

硅基毫米波低噪声放大器与上变频混频器的研究与设计

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硅基毫米波低噪声放大器与上变频混频器的研究与设计

作者：刘浩天津大学

学位级别：硕士

近年来,随着毫米波技术的推广,硅基毫米波无线收发机由于低成本、高集成度的优点得到了快速的发展。其中接收机中的低噪声放大器实现高的增益与低的噪声系数有利于提升接收机的灵敏度。发射机中的上变频混频器实现高的本振/射频端口隔... 详细信息

近年来,随着毫米波技术的推广,硅基毫米波无线收发机由于低成本、高集成度的优点得到了快速的发展。其中接收机中的低噪声放大器实现高的增益与低的噪声系数有利于提升接收机的灵敏度。发射机中的上变频混频器实现高的本振/射频端口隔离度有利于提升发射机的通信速率。然而随着工作频率的升高,例如超过W波段,对于低噪声放大器,晶体管的寄生效应将导致其难以在低功耗的情况下实现高的增益,其噪声系数也因晶体管噪声性能的恶化而增加。对于上变频混频器,器件间强的寄生耦合降低了其本振/射频端口隔离度。因此对硅基毫米波低噪声放大器与上变频混频器的不断深入研究具有重要意义。针对上述关于低噪声放大器的问题,并结合毫米波成像接收机的需求,本文基于55 nm CMOS工艺,采用谐振电感的增益提升技术,设计了一款工作在D波段,具有高增益、低噪声系数和较低功耗的低噪声放大器。后仿真结果表明,该放大器的3 d B频带为125-140 GHz,带内峰值增益为20.4 d B,最小噪声系数为5.3 d B,输出1 d B压缩点大于0.5 d Bm。该放大器的功耗为22 m W。在与同类工作的比较中该放大器具有较好的性能。针对上述关于上变频混频器的问题,并结合支持高阶正交幅度调制方式的空间无线通信发射机的需求,本文基于0.13μm Si Ge Bi CMOS工艺,采用一定的传输和互联结构,设计了一款工作在218-228 GHz,具有较高的本振/射频端口隔离度的上变频混频器。后仿真结果表明,在工作频带内该混频器的本振/射频端口隔离度大于24 d B,最大转换增益为-3.5 d B,输出1 d B压缩点大于-15 dBm。在与同类工作的比较中该混频器具有较好的性能。

关键词：毫米波硅基低噪声放大器高增益低噪声系数上变频混频器较高的本振/射频端口隔离度

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高线性度上变频混频器设计

电子器件 2004年第4期27卷 603-606页

作者：李鸣唐守龙罗岚黄成时龙兴东南大学国家专用集成电路系统工程技术研究中心南京210096

首先介绍了二次变频接收机的架构及其优点 ,随后采用 Gilbert单元设计了适用于二次变频结构数字电视调谐器的上变频混频器。基于 Chartered 0 .2 5μm CMOS工艺的仿真结果显示该混频器达到了良好的性能 ;转换增益为 3 d B,在 5 0～ 860 ... 详细信息

首先介绍了二次变频接收机的架构及其优点 ,随后采用 Gilbert单元设计了适用于二次变频结构数字电视调谐器的上变频混频器。基于 Chartered 0 .2 5μm CMOS工艺的仿真结果显示该混频器达到了良好的性能 ;转换增益为 3 d B,在 5 0～ 860 MHz的频率范围内增益变化小于 0 .5 d B,IIP3为 1 0 d Bm,在 3 .3 V单电源下消耗 2 0 m A的电流。

关键词：上变频混频器线性度 0.25μm CMOS

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有源双平衡上变频混频器

今日电子 2015年第8期 64-65页

LTC5576具有很宽的RF频率范围，从3GHz直到8GHz。其凭借25dBm OIP3线性度和在8GHzN仅为2dB的优异转换损耗提高了微波发送器及上变频性能，与其他无源混频器相比，LTC5576可提供卓越的输出信号质量，无源混频器一般的损耗为8dB。

关键词：上变频混频器平衡有源频率范围信号质量发送器线性度损耗

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高动态范围有源上变频混频器

电子设计工程 2009年第8期17卷 112-112页

凌力尔特公司推出新型宽带有源上变频混频器LT5578，该器件在400MHz至2．7GHz的频段内提供了高动态范围性能．并支持所有的分配型LTE（长期演进）宽带无线业务。在900MHz时，该混频器提供了27dBm的输出IP3线性度和同类最佳的-160．5dBm... 详细信息

凌力尔特公司推出新型宽带有源上变频混频器LT5578，该器件在400MHz至2．7GHz的频段内提供了高动态范围性能．并支持所有的分配型LTE（长期演进）宽带无线业务。在900MHz时，该混频器提供了27dBm的输出IP3线性度和同类最佳的-160．5dBm／Hz噪声层（在-5dBm的输出电平条件下），从而实现了绝佳的发送器动态范围。

关键词：上变频混频器动态范围有源输出电平无线业务 LTE 线性度 IP3