（信息与通信工程专业论文）电流模式上混频器和功率放大器的研究与设计.pdf

t h er e s e a r c ha n dd e s i g no ft h ec u r r e n tm o d eu p c o n v e r s i o n m i x e ra n dp o w e r a m p l i f i e r s h ix i a n g y u e b e ( n a t i o n a lu n i v e r s i t yo fd e f e n s et e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n i n f o r m a t i o na n dc o m m u n i c a t i o ne n g i n e e r i n g i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rw a n gc h u n h u a ，a s s o c i a t ep r o f e s s o rd us i c h u n m a y , 2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名： 施；蝈粤 日期：加7 年岁月27 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者签名： 袍冲对粤 日期：加7f 年岁月歹ie l 翮虢q 吼洲年朋弓阳 摘要 随着无线通信技术的迅猛发展，无绳电话、对讲机、数字蜂窝电话等个人通 信系统以及数字广播电视、无线互联网接入、全球定位系统得到广泛的应用。与 之相适应，市场对低成本、低功耗、低电压的无线通信系统的需求也越来越大， 未来的发展趋势是将射频电路与数字基带电路集成在一个芯片上，实现片上系统。 但射频电路和数字基带电路工作电压和功耗的不一致，成为无线通信系统单片集 成的一大瓶颈。 近年来，出现了一种以电流为信号变量的电路一电流模式电路。相对于传统 的电压模式电路，电流模式电路具有其独到的优越性，比如低电压、低功耗、频 带宽、动态范围大等。因此，它能够很好的解决上述瓶颈，并在射频集成电路设 计中得到越来越多的应用。 射频发射机介于数字基带电路和天线之间，其好坏将直接影响着整个无线通 信系统的性能。本文采用电流模式的设计方法设计出射频发射机中的关键模块， 为实现电流模式射频发射机打下了基础。具体工作及创新如下： ( 1 ) 提出了一种2 4 g h z 的高线性度电流模式上混频器，该上混频器以改进 的电流镜代替传统g i l b e r t 混频器中的输入跨导级，省去了尾电流管，并采用了电 流注入技术。仿真结果表明，在1 2 v 的工作电压下，该混频器具有良好的隔离度， 三阶输入互调截止点( i i p 3 ) 为1 2 0 3 d b m ，转换增益为5 d b ，噪声系数为1 6 8 d b ， 功耗为3 8 m w 。 ( 2 ) 提出了一种2 4 g h z 的高效率电流模式功率放大器，该功率放大器由两 级电路构成，第一级是电流镜构成的驱动放大级，能接收电流形式的输入信号， 并对该电流信号进行放大，属于电流模式a 类放大器；第二级为功率输出级，属 于电流模式d 类放大器，具有较高的输出功率和效率。仿真结果表明，在3 v 的 工作电压下，该功率放大器的最大附加效率( p a e ) 为3 3 5 ，最大输出功率为 2 3 6 d b m ，对应的功率增益为2 3 6 d b ，输入输出匹配s 1 1 和$ 2 2 均小于一1 0 d b 。 以上两个模块的设计均采用c h a r t e r e d0 1 8 9 mr fc m o s 工艺，使用c a d e n c e 软件完成了电路验证、参数优化、电路仿真和版图设计。设计的电路具有良好的 性能，适合应用在片上集成射频发射机中。 关键词：射频集成电路；c m o s ；电流模式；上混频器；功率放大器 硕j j 学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，t h ep e r s o n a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ss u c ha si n t e r p h o n e ，c o r d l e s sp h o n e ，d i g i t a lc e l lp h o n ee r e ，a n d d i g i t a lb r o a d c a s tt e l e v i s i o n ，w i r e l e s si n t e r n e ta c c e s s ，g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e ma r e u s e dw i d e l y c o r r e s p o n d i n g l y ，t h ed e m a n df o rl o wc o s t ，l o wp o w e r , l o wv o l t a g e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s i sa l s o g r o w i n g t h ed e v e l o p m e n tt r e n d i s i n t e g r a t i n gt h er a d i of r e q u e n c y ( r f ) c i r c u i t sw i t ht h ed i g i t a lb a s e b a n dc i r c u i t so no n e c h i pt or e a l i z es y s t e mo nc h i p ( s o c ) b u tt h eo p e r a t i n gv o l t a g ea n dp o w e rd i s s i p a t i o n o ft h er fc i r c u i t sa n dd i g i t a lb a s e b a n dc i r c u i t si si n c o n s i s t e n t ，i ti sam a j o rb o t t l e n e c k f o rr e a l i z i n gt h em o n o l i t h i co ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m r e c e n t l y , ak i n do fc i r c u i t sw h i c ht a k ec u r r e n ta ss i g n a lv a r i a b l e s ，c a l l e d a s c u r r e n tm o d ec i r c u i t s ，h a v ec o m eu p c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lv o l t a g em o d e c i r c u i t s ，c u r r e n tm o d ec i r c u i t sh a v et h eu n i q u ea d v a n t a g e ss u c ha sl o wv o l t a g e ，l o w p o w e rd i s s i p a t i o n ，w i d ef r e q u e n c yb a n d ，l a r g ed y n a m i cr a n g ea n ds oo n i tc a ns o l v e t h eb o t t l e n e c km e n t i o n e da b o v ea n di ti sa d o p t e dm o r ea n dm o r ei nt h ed e s i g no ft h e r a d i of r e q u e n c yi n t e g r a t e dc i r c u i t r ft r a n s m i t t e ri sb e t w e e nt h ed i g i t a lb a s e b a n dc i r c u i t sa n dt h ea n t e n n a i t s p e r f o r m a n c ew o u l dd i r e c t l ya f f e c tt h ew h o l ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h i s p a p e ra d o p t st h ec u r r e n tm o d ed e s i g nm e t h o dt od e s i g nt h ek e ym o d u l e si nt h er f t r a n s m i t t e r i tl a y sas o l i db a s i sf o rr e a l i z i n gl o w v o l t a g e ，l o wp o w e rc u r r e n tm o d er f t r a n s m i t t e r s t h em a i nw o r ka n di n n o v a t i o na r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) a2 4 g h zh i g h l yl i n e a rc u r r e n tm o d eu p - c o n v e r s i o nm i x e ri sp r o p o s e d t h e m i x e rr e p l a c e st h et r a n s - c o n d u c t a n c eo ft h et r a d i t i o n a lg i l b e r tm i x e rw i t ht h e i m p r o v e d c u r r e n tm i r r o r s ，l e a v e so u tt h er a i l t r a n s i s t o ra n d a d o p t st h e c u r r e n t b l e e d i n gm e t h o d t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h em i x e rh a sg o o di s o l a t i o na n d i ta c h i e v e s12 0 3 d b mt h i r d - o r d e ri n p u ti n t e r c e p tp o i n t ( i i p 3 ) ，5 d bc o n v e r s i o ng a i n a n d1 6 8 d bn o i s ef i g u r ew h i l ei t sp o w e rd i s s i p a t i o ni so n l y3 8 m wu n d e r1 2 vs u p p l y v o l t a g e ( 2 ) a2 4 g h zh i g he f f i c i e n c yc u r r e n tm o d ep o w e ra m p l i f i e ri sp r e s e n t e d t h e p o w e ra m p l i f i e r ( p a ) c o n s i s t so ft w o - s t a g ed i f f e r e n t i a la m p l i f i e r s t h ef i r s ts t a g ei sa d r i v i n ga m p l i f i e rw h i c hc a na c c e p ta n da m p l i f yt h ec u r r e n tw a v e f o r mi n p u ts i g n a l ，i t b e l o n g st oc u r r e n tm o d ec l a s s - aa m p l i f i e r ；t h es e c o n ds t a g ei sac u r r e n tm o d ec l a s s - d i i i ，- 电流模式 j 混频器和功率放人器的研究j 设计 a m p l i f i e ra n du s e da sp o w e ro u t p u tp a r t ，i th a sh i g he f f i c i e n c ya n do u t p u tp o w e r t h e s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep ah a st h ep e a kp o w e r a d d e de f f i c i e n c y ( p a e ) o f 3 3 5 ，s a t u r a t e do u t p u tp o w e ro f2 3 6 d b m ，t h ep o w e rg a i no f2 3 6 d b ，s11 a n d $ 2 2 a r eb o t hl e s st h a n - 10 d bu n d e rt h es u p p l yv o l t a g eo f3 v t h ed e s i g no ft h et w om o d u l e sa b o v ea d o p t sc h a r t e r e d0 18 1 x mr fc m o s p r o c e s s u s i n gt h ec a d e n c es o f t w a r e ，i tf i n i s h e st h ec i r c u i tv e r i f i c a t i o n ，p a r a m e t e r o p t i m i z a t i o n ，s i m u l a t i o na n dl a y o u td e s i g n t h et w om o d u l e sp r o p o s e di nt h ep a p e r h a v eg o o dp e r f o r m a n c ea n dc a nb ea p p l i e dt ot h ei n t e g r a t e dr ft r a n s m i t t e ro nt h e c h i p k e yw o r d s ：r a d i of r e q u e n c yi n t e g r a t e dc i r c u i t ( r f i c ) ；c m o s ；c u r r e n tm o d e ； u p - c o n v e r s i o nm i x e r ；p o w e ra m p li f i e r i v 硕十学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 插图索引一v i i 附表索引i x 第1 章绪论1 1 1研究背景及意义l 1 2电流模式电路概述2 1 3射频发射机概述3 1 4国内外射频发射机及其模块研究动态5 1 4 1 电压模式射频发射机及其模块研究动态6 1 4 2 电流模式射频发射机及其模块研究动态9 1 5论文的主要研究内容1 0 1 6论文的组织结构1 1 第2 章射频发射机模块相关理论1 2 2 1混频器相关理论1 2 2 1 1 混频器概述1 2 2 1 2 混频器分类1 4 2 1 3 主要性能参数1 4 2 1 4 典型性能指标l8 2 2 功率放大器相关理论18 2 2 1 功率放大器概述1 8 2 2 2 功率放大器分类18 2 2 3 主要性能参数一1 9 2 2 4 典型性能指标一2 1 2 3 小结2l 第3 章高线性度电流模式上混频器设计2 2 3 1 引言2 2 3 2 提出的电路结构2 2 3 3电路分析2 3 3 3 1 输入电流镜一2 3 3 3 2 电流注入级一2 8 3 3 3 开关级与混频原理2 9 v 3 5本电路与其他混频器性能比较3 5 3 6 小结3 5 第4 章高效率电流模式功率放大器设计3 6 4 1 弓i 一言3 6 4 2 提出的电路结构3 7 4 3 电路分析一3 8 4 3 1 输入输出匹配网络3 8 4 3 2 驱动放大级电路3 9 4 3 3 功率输出级电路一4 l 4 3 4 其它电路4 3 4 4电路仿真结果分析4 3 4 5本电路与其它功率放大器性能比较。4 6 4 6d 、结4 7 第5 章版图设计4 8 5 1版图设计概述4 8 5 2 版图设计流程o 4 8 5 3 版图设计技巧4 9 5 4提出的版图5 0 5 5 小结51 总结与展望5 2 参考文献5 4 致谢6 0 附录a ( 攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录) 6 l 附录b ( 攻读硕士学位期间所参与的科研活动) 6 2 v i 硕上学位论文 插图索引 图1 1 典型的射频发射机结构图一3 图1 2 超外差式射频发射机结构图一4 图1 3 零中频发射机结构图5 图1 4 改进的零中频射频发射机结构图5 图1 5 用于正交调制系统的零中频发射机6 图1 6 集成了p a 的零中频发射机6 图1 7 一种新型的电流模式发射机9 图1 8 一种低电压、低功耗的电流模式发射机1 0 图2 1 基本的g i l b e r t 混频器1 3 图2 2 输入l d b 压缩点1 6 图2 3 三阶互调点h 一1 7 图2 4 混频器各端口隔离度示意图1 8 图3 1 本章提出的高线性度电流模式上混频器2 3 图3 2 电路中使用的电流镜2 4 图3 3 改进型输入电流镜小信号等效电路2 6 图3 4 电流注入原理图2 9 图3 5 混频器核心电路2 9 图3 6 常用的偏置电路3 l 图3 7 无电感时上混频器的i i p 3 和增益仿真结果3 3 图3 8 有电感时上混频器的i i p 3 和增益仿真结果3 3 图3 9 噪声系数仿真结果3 3 图3 1 0 本振端口到射频端口的隔离度3 4 图3 1 1 本振端口到射频端口的隔离度3 4 图3 1 2 直流功耗仿真结果3 4 图3 1 3 输出信号瞬态仿真结果3 5 图4 1 本章提出的高效率电流模式功率放大器3 7 图4 2 输入输出阻抗匹配示意图3 8 图4 3 阻抗匹配网络的类型3 8 图4 4 输入端小信号模型3 9 图4 5 驱动放大级电路原理图3 9 图4 6 功率输出级电路一4 1 v tt 电流模式上混频器和功率放人器的研究与设计 图4 7 并联谐振回路上的电流示意图4 2 图4 8m o s 管m 8 的漏极电压4 2 图4 9m o s 管m 8 的漏极电流4 3 图4 1 0 附加效率仿真结果4 4 图4 1 1 输出功率仿真结果4 4 图4 1 2 输入输出匹配仿真结果一4 4 图4 1 3m 8 的漏极电压和电流的瞬态仿真结果4 5 图4 1 4 功率放大器的交流( a c ) 仿真结果4 5 图4 1 5 稳定系数k f 仿真结果4 6 图4 1 6 辅助稳定系数b f 仿真结果4 6 图5 1 电流模式上混频器版图5 l 图5 2 电流模式功率放大器版图5 l 硕士学位论文 附表索引 表2 1 混频器的典型性能指标1 8 表2 2 功率放大器的典型性能指标2 1 表3 1 提出的电流模式上混频器与其它上混频器性能比较一3 5 表4 1 提出的电流模式功率放大器与其它功率放大器性能比较4 6 i x 硕士学位论文 第1 章绪论 随着无线通信技术的发展，各种无线通信系统在社会生活中得到了广泛应用。 无线通信在早期仅作为有线通信的一种补充，而现在已发展为一种主流的通信方 式。因此，无线通信设备中的关键模块射频集成电路成为当前的研究重点。本章 从研究背景出发，给出了射频集成电路研究的意义，并指出电流模式电路是解决 射频集成电路发热量大、与数字电路工作电压不兼容等问题的一种有效途径。接 着详细介绍了射频发射机的概念，电流模式电路及其特点，并对国内外射频发射 机及其模块电路的研究动态进行了总结和归纳，最后介绍了本文的主要工作。 1 1 研究背景及意义 人类进入信息时代后，信息的获取与交换变得越来越频繁，通信技术得到迅 猛发展，而其中的无线通信技术显得尤为突出。在过去的十几年中，例如对讲机、 无绳电话、数字蜂窝电话、第三代移动电话、全球卫星定位系统、卫星直播电视、 卫星移动通信、无线局域网( w l a n ) 等无线通信系统在社会生活中得到了广泛 应用，对人们的工作和生活方式产生了巨大而深远的影响。与之相适应，市场对 重量轻、体积小、低成本、低功耗、便于携带的无线通信设备的需求也越来越大。 为满足这些要求，无线通信设备将尽可能多的采用集成电路来代替传统的分立元 件进行设计和制作。未来的趋势是将数字基带电路和射频收发机集成在同一块芯 片上，实现利用单芯片完成通信功能的片上系统( s o c ) 。 整个无线通信系统，主要可分为两部分：基带部分( b a s eb a n d ) 和射频部分。 基带部分大多采用数字集成电路，负责数字基带信号的处理。数字集成电路出现 得较早，无论在设计上还是制造上都比较成熟。目前，其主流的生产工艺为c m o s 工艺，具有低成本、低功耗、制造过程相对简单等诸多优点。而传统的射频集成 电路采用g a a s 、b i p o l a r 或b i c m o s 工艺制造，不仅成本较高，而且制造过程复 杂。随着亚微米、深亚微米半导体技术的不断发展，c m o s 工艺的特征尺寸不断 按比例缩小，截止频率已达到几十吉赫兹i l 】，已能够满足大多数射频电路的要求。 同时，由于数字基带电路通常占到芯片面积的7 5 以上1 2 j ，为了与数字基带电路 的工艺兼容，实现片上系统( s o c ) ，射频集成电路也开始逐渐采用c m o s - v 艺 进行设计和制造。因此，c m o s 射频集成电路的设计成为当前研究的热点。 然而，在实现数模混合集成电路的过程中，出现了不少新的问题。为了降低 通信设备的功耗，数字集成电路的工作电压逐年下降，目前已到达了很低的水平。 而较低的工作电压并不适合射频集成电路工作，因其将影响射频集成电路中有源 1 电流模式上混频器和功率放大器的研究与设计 器件m o s 管的工作状态，使电路的线性度、动态范围、工作频率及增益恶化。 因此，保证射频电路能在较低的工作电压下正常工作也就成为射频集成电路设计 的重难点。另外，由于射频集成电路功耗较大，在进行全集成时，热堆积可能会 引起芯片烧坏。综上所述，射频电路和数字电路的工作电压与功耗的不一致，成 为了数模混合集成的一大瓶颈1 3 j 。 近年来，以电流为信号变量的电流模式电路逐渐被应用在射频集成电路设计 领域，并成为解决上述瓶颈的一种有效途径。一些具有低电压、低功耗性能的电 流模式射频电路先后被提出来。相对于传统的电压模式电路，电流模式电路在速 度、带宽、动态范围、工作电压和功耗等方面有其独到的优越性【4 】。随着电流模 式电路的应用，电压模式电路带来的如增益带宽积为常数、输入信号转换速率低、 功耗工作电压相对较高等问题将迎刃而解。 本文采用电流模式设计方法和c h a r t e r e d0 18 9 mr fc m o s 工艺，使用 c a d e n c e 软件设计了2 4 g h z 的电流模式上混频器和电流模式功率放大器。设计的 电路模块具有低功耗、低电压等优点，适合应用在片上集成射频发射机中。 1 2 电流模式电路概述 目前，学术界对电流模式电路这个术语还没有形成统一、严格的定义。一般 来讲，电流模式电路可以定义为：选用电流而不是电压作为信号变量，并通过处 理电流变量来决定其功能的电路【5 j 。相应的电路设计方法称为电流模式设计法。 电流模式电路是相对于电压模式电路来说的，两者之间存在着联系与区别。首先， 根据欧姆定律，电路中的电压和电流是彼此关联、相互作用的。电流模式电路中 肯定存在电压量，而电压模式电路中也一定存在电流量，不存在仅有电压或电流 的情况。其次，电流模式电路和电压模式电路的不同之处在于处理的信号对象不 同。例如，电流模式放大器，放大的对象是电流信号，而电压模式放大器，其放 大的对象则是电压信号。 电流模式的概念和电路设计原理在上个世纪六七十年代就已经被提出。1 9 6 8 年，s m i t hk c 和s e d r aa s 提出了电流传送器原理，将电流信号作为电路处理的变 量，设计了首个电流模式电路1 6 j 。起初，电流模式电路多应用于分立元件电路中。 随着集成电路工艺的不断进步，电流模式电路也开始应用在集成电路领域，并收 到了良好的效果1 7 1 。l9 8 9 年和19 9 0 年的i e e e 电路与系统国际会议上专门开辟 了“电流模式信号处理”的专题学术讨论会，并把其作为v l s i 和模拟信号处理的 重点研究方向，这进一步促进了电流模式电路在集成电路中的应用。在c m o s 射 频集成电路设计方面，w a n gc c 等人最早于2 0 0 2 提出了c m o s 电流模式下混频 器【1 1 1 ，该混频器具有高线性度和低功耗的特点。到目前为止，已有多种c m o s 电流模式射频电路被提出来，包括电流模式低噪声放大器【1 2 , 1 3 l ，电流模式混频器 2 硕n ：学位论文 0 4 , 1 5 】，电流模式功率放大器【1 6 , 1 7 1 ，电流模式射频收发机1 8 2 1 】等，电流模式设计方 法已成为射频集成电路领域的一种重要的设计方法。 与电压模式电路相比，电流模式电路具有明显的特点与优势，例如节点电阻 低、工作速度快、频带宽、动态范围大、电源电压低、功耗小等。电流模式电路 之所以具有这些优点，其根本原因在于电路的设计思想更符合电路器件本身的工 作原理。电路中最常见的有源器件是晶体三极管和m o s 管，而它们都是受控器 件，内部的被控制量都是电流。所以当电路的处理对象选择电流而不是电压时， 诸如加、减、乘、积分等运算都变得更为简单。特别是电流模式电路具有的低电 压、低功耗的优点，能够解决射频电路和数字电路的工作电压与功耗不一致的问 题，有利于数模混合集成电路的设计和制造。 1 3 射频发射机概述 无线通信是利用大气空间作为传输信道，来实现信息传输的一种方式。大气 空间作为一种不可靠的传输信道，不同频率的信号在大气空间中的传输特性不同， 高频信号在大气中的传输特性较好，而低频信号在大气传输过程中的衰落往往很 大。因此，低频信号不适合直接用来进行无线传输，需要进行频率变换。同时， 发射天线的尺寸与信号的频率有关，频率越低则需要的发射天线尺寸越大。为了 降低设备成本，也要求信号在发射前进行频率的变换。 射频发射机就是能够实现信号频率变换与功率放大的设备，它是无线通信系 统重要的组成部分，其主要的模块包括上混频器、功率放大器、滤波器、频率合 成器等。典型的射频发射机结构如图1 1 所示，其主要的工作过程为，来自基带 的信息信号在上混频器中与本振信号进行混频，通过滤波器得到相应的射频信号。 射频信号通过功率放大器放大后，由天线发射出去。随着无线通信技术的迅速发 展，市场要求射频收发机在保持高性能的前提下，具有低功耗、低电压、低价格、 高集成度等特点，片上集成射频收发机成为了研究的热点。在射频发射机中，由 于输入信号只有来自基带的信息信号，且该信号的能量很强，所以降低了电路对 镜像信号抑制和噪声的要求，使射频发射机相对射频接收机更容易实现。 图1 1 典型的射频发射机结构图 3u 电流模式一l ：混频器和功率放人器的研究与设计 射频发射机的结构方案与接收机类似，总的来说可以分为三种：一种是将调 制和上混频分开，先在较低的频率上进行调制，然后将已调信号搬移到载波上， 这称为超外差结构；第二种是将调制和上混频合二为一，在一个电路里完成，这 称为零中频结构：第三种是将基带信号用数字调制法调制到较低频率的载波上， 然后再经过数模转换器d a c 变换为模拟信号，这称为低中频结构。下面分别介 绍这几种结构的射频发射机。 ( 1 ) 超外差式射频发射机 超外差式射频发射机是最早投入使用的一种发射机，它具有优越的频带选择 性和成熟的技术。图1 2 给出了典型的超外差式射频发射机结构，它包括中频滤 波器、上混频器、射频滤波器、功率放大器等部分。在数字基带电路中，基带信 号通过直接数字频率合成技术实现正交调制。已调信号再由d a c 转换成中频模 拟信号。该中频模拟信号经过滤波后通过上混频器搬移到射频频段，再次滤波后 由功率放大器放大，然后通过天线发射出去。 超外差式发射机的优点在于：一是功率放大器与本振口之间具有良好的隔离 度；二是可以得到高质量的调制信号。 其缺点也很明显：一是信号经过频谱搬移后，会产生两个边带的频率信号， 必须采用额外的滤波器把其中一个边带滤除掉，增加了电路的复杂程度；二是为 了使发射机具有良好的性能，需要使用大量高品质因子的无源元件，不利于系统 的集成。 在集成电路工艺中，高品质因子的无源元件却难外实现。正因为如此，在射 频集成电路中，超外差式发射机结构使用较少。 图1 2 超外差式射频发射机结构图 ( 2 ) 零中频射频发射机 零中频射频发射机如图1 3 所示，主要包括上混频器、功率放大器等模块。 在该发射机中，本振频率等于载波频率，基带信号经过调制后由功率放大器放大， 再通过天线发射出去。 零中频结构最大的优点是结构简单。与超外差结构相比，电路少了一次调制 过程并且减少了几个滤波器，在获得高质量信号的同时降低了设计难度，大大提 高了系统的集成度。 4 硕上学位论文 图1 3 零中频发射机结构图 零中频结构虽然简单，但是具有明显的缺点。由于发射信号是以本振信号频 率为中心的带通信号，发射信号有可能通过泄漏或反射回到发射机中，并影响本 振，使得本振信号的频率不稳定，从而影响发射机的各项性能指标。为此，人们 提出了改进的方法。如图1 4 所示，两个较低的本振频率q 和国：合成为劬+ 皱， 以此新的频率作为载频。这样由于发射的频率和本振频率相差很远，便不会发生 上述问题。但这样做的同时也增加了电路的复杂程度和设计难度。 图1 4 改进的零中频射频发射机结构图 ( 3 ) 低中频射频发射机 一 低中频射频发射机在集成度和性能方面是前两种结构的折衷，适合应用在对 系统性能要求不高的场合。基带信号首先通过数字调制的方法调制到较低频率的 载波上，然后经数模转换器变换为模拟信号，再用片上可集成的滤波器抑制杂波 信号就可以得到输出信号。如果发射机中的上混频器具有很好的线性度和镜像抑 制功能，则可省去片上滤波器模块。 1 4 国内外射频发射机及其模块研究动态 长期以来，射频集成电路的设计工艺以砷化镓( g a a s ) 、双极型或者b i c m o s 工艺为主，这是因为它们具有高截止频率、高增益以及相对较低的噪声的优点。 但他们的缺点在于生产成本较高、工艺过于复杂、不利于大规模集成【2 2 1 。随着 c m o s 器件沟道的不断减小，其截止频率已达到几十吉赫兹，能够满足一般射频 电路的需求。同时c m o s 工艺可以解决射频、数字集成电路工艺兼容的问题，所 以学术界掀起了对全集成c m o s 无线收发机的研究热潮，并提出了各种射频集成 电路。本节分别对电压模式和电流模式c m o s 射频发射机及其模块进行总结和概 括。 5 电流模式j 二混频器和功率放大器的研究与设计 压模式射频发射机及其模块研究动态 流模式电路出现以前，人们往往习惯用电压信号作为电路处理的对象， 路都是电压模式的。电压模式射频集成发射机及各个模块经过长期的发 出功率、工作效率、增益、工作电压和功耗等方面有了一定的进步，基 足无线通信的要求。本节从电压模式射频发射机、上混频器、功率放大 面，分别介绍最新的研究动态。 电压模式射频发射机整机研究动态 年，w uc y 和k a oh s 成功研制出用于正交调制系统的零中频结构射 【2 3 1 ，其结构如图1 5 所示。该电路集成了正交压控振荡器( v c o ) 、混 x e r ) 和前级驱动放大器三个模块。两路正交的电压信号通过与正交的本 频，得到射频信号。射频信号依次通过集成驱动放大器和片外功率放大 ，由天线发射出去。该发射机的优点是采用了电流复用技术，功耗有所 下降，输出功率也较大。其缺点是采用了多层堆叠的m o s 管，工作电压较高， 且没有实现片内集成的功率放大器。 图1 5 用于正交调制系统的零中频发射机 图1 6 集成了p a 的零中频发射机 随后发表的文献【2 4 】提出了用于第三代移动通信w c d m a 标准的发射机芯 片。整。个发射机仍采用零中频结构，其工作电压为1 4 v 。其缺点是仍然只集成了 驱动放大器，功率放大器的集成未获突破。 2 0 0 8 年，集成功率放大器的问题得到了解决，z h e n gr 和l iw 利用0 18l jm 6 硕士学位论文 c m o s 工艺，实现了真正意义上的全集成射频发射机f 25 1 。其结构如图1 6 所示。 其中，混频器采用了典型的g i l b e r t 双平衡结构，功率放大器采用了共源共栅的a 类结构，能够得到较好的线性度。电路的工作电压为1 8 v ，功耗为4 3 m w ，频带 范围从3 1 4 8 g h z 。其不足是输出功率较小，仅为2 d b m 。 同年，文献【2 6 采用0 1 3l amc m o s 工艺实现了全集成射频发射机。由于o 1 3 l amc m o s 工艺特征频率可达9 0 g h z ，因此，该发射机的工作频率能够达到 6 0 g h z ，实现了频率上的突破。为了提高整个发射机的性能，除了集成上混频器， 功率放大器之外，该芯片还同时集成了可变增益放大器和片上滤波器。相比文献 【2 5 】，其最大的优点是采用片上传输线替代了无源电感，大大节省了芯片面积， 同时其输出功率更高，达到了2 0 d b m 。 从上文可以知道，电压模式c m o s 射频集成发射机的研究是不断向前发展 的。起初，发射机内部只能集成上混频器和驱动放大器模块，而功率放大器的集 成并没有得到解决。发射机输出的射频信号还需要通过片外功率放大器的再次放 大，才能经天线发射出去。在2 0 0 8 年，实现了功率放大器的片上集成。另外，射 频集成电路的工艺也在不断进步，使得射频发射机的工作频率范围增大，现已达 到6 0 g h z 。 ( 2 ) 电压模式上混频器研究动态 上混频器是射频发射机的重要模块，能够实现中频信号到射频信号的转换， 其性能好坏直接影响射频发射机的整体性能，因此研究和设计高性能的上混频器 具有非常重要的意义。按照混频器转换增益是否大于零可以把混频器分为无源混 频器和有源混频器两大类。无源混频器不需要直流偏置电流，节省了功耗，并且 电路结构简单，元件数目少。但这种混频器的缺点是：转换增益小于1 ，存在混 频损耗【2 7 , 2 8 】。有源混频器包括单管跨导型混频器、单平衡混频器、吉