（电路与系统专业论文）基于cmos工艺射频前端混频器研究.pdf

0 9 2 1 0 y 19 。 杭州电子科技大学硕士学位论文 基于c m o s 工艺 射频前端混频器研究 研究生：高俊君 指导教师：程知群教授 d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt oh a n g z h o ud i a n z iu n i v e r s i t y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e r t h er e s e a r c ho fc m os r ff r o n t e n dm i x e r c a n d i d a t e ：g a oj u n j u n s u p e r v i s o r ：p r o f c h e n gz h i q u n j a n u a r y ，2 0 11 杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 近年来，在市场竞争日趋激烈地推动下，无线通信设备不断朝着低成本、低功 耗、小型化、多功能、多标准的方向发展。高集成度，低成本的硅c m o s 技术和高 集成度的射频接收机结构是实现这一发展方向的有效途径。在这种情况下，零中频 接收机和低中频接收机因具有高集成度而得到广泛的应用。混频器是接收机中的一 个关键模块，设计一个高性能的混频器尤为重要。因此，论文首先对高增益高线性 度c m o s 偶次谐波混频器进行了研究。 u w b 系统具有高比特率、低功耗和低成本的性能，它已经成为了无线个人区 域网络( w p a n ) 的新兴技术。从w p a n 的趋势来看，u w b 的使用让人们的生活 变得更加方便。再者，目前射频技术不断发展以满足宽频带的应用，为此本文又设 计了应用于u w b 系统的3 5 g h z 宽带混频器。 论文首先介绍了射频集成电路以及c m o s 混频器的研究现状，描述了目前低成 本、高集成度、低功耗、高性能的发展趋势，接着简要分析了目前比较常用的几种 接收机结构：超外差接收机、零中频接收机、镜像抑制接收机、低中频接收机，并 比较了这几种接收机的优缺点。 混频器是接收机中的一个核心模块，其性能的好坏直接影响了整个系统的性能。 设计一个具有较好性能的混频器就是本文的目的所在。文中概述了混频器的原理， 在接收机中，混频器的作用是将射频信号与本振信号进行混频，下变频到后继模块 较好处理的中频信号。按照不同的标准，可以将混频器分成不同的种类，但是不管 如何，混频器的性能指标大致相同，主要包括转换增益、线性度、噪声系数等。通 过对各性能指标的分析可知，混频器的设计要折中考虑增益、噪声和线性度，而电 流注入技术可以改善混频器性能参数之间相互制约的关系。在众多的性能指标中， 线性度是比较重要的一个，因此本文着重对线性度进行了分析，包括非线性问题产 生的原因以及优化技术，都进行了详细描述。 本文设计了一种偶次谐波混频器，采用倍频电路来利用偶次谐波作为混频器的 本振信号，采用电流复用结构作为射频输入级来提高混频器的转换增益和线性度， 在射频输入级和本振输入级之间插入一个电感来进一步提高混频器的线性度，因此 所设计的混频器具有高增益高线性度的特点。在此基础上，本文还做了进一步改进， 将射频级和本振级之间的大电感替换成l c 谐振电路，对电路性能有了一定程度的 提高，同时，减小了版图面积，降低了成本。 本文还尝试设计了3 5 g h z 的宽带混频器，采用了折叠混频器结构，降低了对 电源电压的要求，使跨导级和开关级更好地工作在饱和区，同时跨导级采用了前馈 杭州电子科技大学硕十学位论文 电路技术，消除了三阶失真，提高了线性度，所设计的混频器同样具有高线性度的 特点。本文所设计的混频器均采用s m i co 1 8 9 mc m o sr f 工艺库实现，使用a d s 进行仿真，v i r t u o s o 完成版图设计。 关键词：c m o s ，混频器，偶次谐波，电流复用，折叠结构，前馈电路 i l 杭卅i 电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e c e n ty e a r s ，i nr e s p o n s et om a r k e td e v e l o p m e n t s ，t h ed e s i g no fw i r e l e s sr e c e i v e r f o l l o w st r e n d st h a ti n c l u d el o w e rc o s t ，l o w e rp o w e r ，s m a l l e rs i z e ，a n dm u l t i f u n c t i o na n d m u l t i s t a n d a r d h i g h l yi n t e g r a t e d r e c e i v e ra r c h i t e c t u r ea n dl o w e rc o s ts ic m o s t e c h n o l o g yw i l lr e a c ht h o s et r e n d s i np a r t i c u l a r , d i r e c tc o n v e r s i o na r c h i t e c t u r e sh a v e g a i n e di n c r e a s i n ga t t e n t i o nb e c a u s eo ft h e i rp o t e n t i a lf o rh i g hl e v e lo fi n t e g r a t i o na n d l o wp o w e rc o n s u m p t i o n m i x e ri so n eo ft h ek e ym o d u l e si nt h er e c e i v e r ，s oi ti s i m p o r t a n tt od e s i g nam i x e rw i t hh i g hp e r f o r m a n c e a ne v e nh a r m o n i cm i x e rw i t hh i g h g a i na n dh i g hl i n e a r i t yw a sd e s i g n e di nt h i sp a p e r t h ec h a r a c t e r i s t i c so fu w b s y s t e ma r eh i g hd a t ar a t e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n d l o wc o s t u w bb e c o m e sn e wd e v e l o p i n gt e c h n o l o g yi nt h ew i r e l e s sp e r s o n a ln e t w o r k ( w p a n ) u n d e rt h et r e n do f t h ew p a n ，t h eu s a g eo fu w bm a ye x t e n s i v e l ym a k e sl i f e m o r ec o n v e n i e n ti nt h ec o m i n gf u t u r e t h i sp a p e rd e s i g n e dah i g hl i n e a r i t y3 - 5 g h zw i d e b a n dm i x e ra p p l i e di nu w bs y s t e m p a p e rf i r s t i n t r o d u c e st h ec m o sr fi n t e g r a t e dc i r c u i t s ，a n dm i x e r sr e s e a r c h ， d e s c r i b e st h ec u r r e n tl o w c o s t ，h i g hi n t e g r a t i o n ，l o wp o w e r , h i g h p e r f o r m a n c et r e n d t h e nt h ep a p e rf o l l o w e db yab r i e fa n a l y s i so ft h ec u r r e n ts t r u c t u r eo fc o m m o n l yu s e d s e v e r a lr e c e i v e r s ：s u p e r h e t e r o d y n er e c e i v e r , i m a g er e j e c t i o nr e c e i v e r , z e r o i fr e c e i v e r , l o w - i fr e c e i v e r , a n dc o m p a r e st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h e s et y p e so f r e c e i v e r s m i x e ri so n eo ft h ek e ym o d u l e si nt h er a d i ot r a n s c e i v e r , a n di t sp e r f o r m a n c eg r e a t l y i m p a c to nt h ee n t i r ew i r e l e s ss y s t e m d e s i g nam i x e rw i t hg o o dp e r f o r m a n c ei s t h e p u r p o s eo ft h i sp a p e r t h ep a p e r o u t l i n e st h ep r i n c i p l e so ft h em i x e r 。i nt h er e c e i v e r , t h e m i x e rf u n c t i o ni s p u tt h er fs i g n a la n dl o c a lo s c i l l a t o rs i g n a lm i x i n g ，t h e nd o w n c o n v e r s i o nt oi fs i g n a lt h a tc a nb et h ep r o c e s s e dw e l lb ys u c c e s s o rm o d u l e a c c o r d i n gt o t h ed i f f e r e n ts t a n d a r d ，t h em i x e rm a yb ed i v i d e di n t od i f f e r e n tt y p e ，n om a t t e rb u t ，t h e p e r f o r m a n c eo fm i x e rm a i n l yi n c l u d e st h ec o n v e r s i o ng a i n ，l i n e a r i t y , n o i s ef a c t o ra n ds o o n t h r o u g ha n a l y s i s ，t h ec o n v e r s i o ng a i n ，l i n e a r i t y , a n dt h en fs h o u l db e t r a d e o f f d u r i n gd e s i g nam i x e r ，a n dt h ec u r r e n ti n je c t i o nt e c h n o l o g ym a yi m p r o v et h er e l a t i o n s w h i c hb e t w e e nt h em i x e rp e r f o r m a n c ep a r a m e t e rr e s t r i c t sm u t u a l l y i nt h en u m e r o u s p e r f o r m a n c ei n d i c e s ，t h el i n e a r i t yi sq u i t ei m p o r t a n to n e ，t h e r e f o r et h i sa r t i c l eh a sc a r r i e d o nt h ea n a l y s i se m p h a t i c a l l yt ot h el i n e a r i t y , a n dt h i sp a p e ra l s od e s c r i b e st h er e a s o no f i l l n o n 1 i n e a rp r o b l e ma n dt h eo p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e st oi m p r o v et h el i n e a r i t yi nd e t a i l a ne v e nh a m o n i cm i x e ri sd e s i g n e di nt h i sp a p e r t h ep r o p o s e dm i x e re m p l o y sa c u r r e n tr e u s ec i r c u i ti nt h er fi n p u ts t a g et oi m p r o v ei t sl i n e a r i t ya n d c o n v e r s i o ng a m ， a n du s e sm ed o u b l ef r e q u e n c yt e c h n i q u ei nt h el oi n p u ts t a g e ，r e s p e c t i v e l y a n d a l l i n d u c t o ri si n s e r t e db e t w e e nc u r r e n tr e u s e c i r c u i ta n dd o u b l ef r e q u e n c yc i r c u i tt ol m p r o v e t h el i n e a r i t y s ot h ed e s i g n e dm i x e rh a st h ep e r f o r m a n c eo fh i g hl i n e a r i t ya n dh i g hg a i n h o w e v e rt h ei n d u c t o ru s e di nt h a td e s i g no c c u p i e sl a r g ea r e ai nt h el a y o u ta n d c o n s u m e s m o r ep o w e rw i t ht h ei n c r e a s eo ff r e q u e n c y t h i sp a p e rp r e s e n t sa ne h m w i t hal c r e s o n a n tc i r c u i ti n s t e a do ft h ee n h a n c e m e n ti n d u c t o r , t h es i m u l a t e dr e s u l t sr e v e a lt h a t t h i si m p r o v e dm i x e rh a sh i g h e rp e r f o r m a n c ea n ds m a l l e rs i z e t h i sp a p e ra l s oa t t e m p tt od e s i g na3 - 5 g h zw i d eb a n dm i x e rt h a tu s e dt h ef o l d i n g m i x e rs t m c t u r e ，t h i s s t r u c t u r er e d u c e st h es u p p l yv o l t a g er e q u e s t ，a n d c a u s e st h e t r a n s c o n d u c t a n c es t a g ea n dt h es w i t c hs t a g e w o r kb e t t e ri nt h es a t u r a t i o n a r e a i n a d d i t i o n ，t h et h i r d o r d e rd i s t o r t i o ni sc a n c e l l e dd u et h et r a n s c o n d u c t a n c es t a g eu s et h e f e e d f o r w a r dc i r c u i tt oi m p r o v et h el i n e a r i t y , s ot h ed e s i g n e dm i x e r h a sh i g hl i n e a r i t y a l l m i x e r sd e s i g n e di nt h i sp a p e rr e a l i z ei ns m i co 18 1 x mc m o s r fc r a f t ，s i m u l a t ei na d s ， a n dd e s i g nl a y o u ti nv i r t u o s o k e y w o r d ：c m o s ，m i x e r , e v e nh a r m o n i c ，c u r r e n tr e u s e ，f o l d e r m i x e r , f e e d f o r w a r d c i r c u i t i v 杭州电子科技大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 引言l 1 2 射频集成电路设计现状和发展2 1 3c m o s 混频器的研究现状3 1 4 本文主要内容及安排4 第2 章射频接收机6 2 1 引言6 2 2 接收机主要结构6 2 2 1 超外差式接收机7 2 2 2 镜像抑制接收机1 0 2 2 3 零中频接收机1 2 2 2 4 低中频接收机1 4 第3 章混频器1 5 3 1 混频器原理1 5 3 1 1 混频器的基本原理1 5 3 1 2 非线性电路的混频作用1 6 3 1 3 开关电路的混频作用1 7 3 2 混频器分类1 7 3 3 混频器性能指标2 1 3 3 1 变频增益损耗2 1 3 3 2 噪声2 2 3 3 3 线性度2 3 3 3 4 端口隔离度2 3 3 3 5 输入匹配2 4 3 4 设计考虑2 4 第4 章c m o s 混频器线性度分析及优化技术2 8 4 1c m o s 混频器线性度分析2 8 4 1 1 混频器线性度简介2 8 4 1 2 非线性分析2 9 v 杭州电子科技大学硕士学位论文 4 2 线性度优化技术3 2 4 2 1 提高跨导级线性度3 2 4 2 2 提高本振级线性度3 4 第5 章高增益高线性度偶次谐波混频器设计3 6 5 1 偶次谐波混频器( e h m ) 应用与原理简介3 6 5 2e h m 电路设计与分析3 8 5 2 1 倍频电路3 9 5 2 2 电感应用4 0 5 2 3 电流复用电路4 0 5 2 4 总电路性能4 1 5 2 5 其他设计考虑4 3 5 2 6 仿真与优化4 3 5 3 改进型偶次谐波混频器设计4 4 5 3 1 电路改进分析4 4 5 3 2 电路仿真与比较4 5 5 4 电路版图设计4 6 5 4 1 设计注意事项4 6 5 4 2 版图设计4 7 第6 章3 5 g h z 宽带混频器设计4 9 6 1 超宽带u w b 技术4 9 6 2 电路设计与分析4 9 6 2 1 折叠混频器5 0 6 2 2 前馈电路5 1 6 2 3 带宽拓展5 4 6 3 电路仿真5 5 第7 章总结5 6 致谢6 7 参考文献5 8 附录6 4 v i 杭州电子科技大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 近十几年来，射频电路的研究得到了巨大的发展，在无线通信、遥感、医疗、 遥控、射频识别和全球定位等领域得到广泛的应用。射频电路是现代通信系统中不 可缺少的一个部分，其性能的好坏直接影响着整个通信系统的性能。随着科学技术 的发展，射频电路设计方法越来越成熟，射频覆盖的频率范围也越来越宽。 随着科学技术的不断提升，电子通信系统也不断得到完善和发展。从窄带语音 通信到宽带综合业务通信，从有线传输的语音通信到无线传输的移动通信，从模拟 调制信号通信到数字调制信号通信，电子通信系统日趋先进，也越来越复杂。随着 通信系统信息容量的不断提高，射频通信技术显得越来越重要。随着射频电路的不 断发展和广泛应用，射频的范围还将向更高的频率延伸。 无线通信，也可以称为射频( r f ) 和微波( m w ) 通信，这种通信方式的信息载 体主要是无线电磁波，它所利用的频段从5 0 m h z 到3 0 g h z ，所以范围比较宽广。 无线通信的产生和发展使人类的信息交流摆脱了时间和空间的限制，并且这种通信 方式具有高度的灵活性和机动性，所以说无线通信的诞生是人类历史上具有里程碑 意义的大事。“天涯若比邻”这句古诗描写得好，也是人们长久以来的梦想，而今无 线通信的存在让人们真正实现了这个梦想。从目前来看，射频通信涵盖的范围已经 非常广，从最简单的电动玩具在内的人类生活到最尖端的航天军事。现在，全球的 手机用户已经超过一亿，这正是个人无线通信市场发展和日益成熟所带来的喜人成 果，在这样的大好形势下，无线局域网也得到了迅猛发展。 现今的无线通信网络( 如全球移动通信g s m 系统) ，极大地影响着人们的个人 通信方式。人们还通过电子邮件( e m a i l ) 、便携式多媒体终端以及无线辨认和跟踪 系统( r f i d ) 等其他通信方式，交流着大量信息【2 j 。 射频通信电路主要是在无线通信系统中的应用。不同的射频通信系统具有类似 的结构，典型的射频通信系统由调制、变频、放大和解调等几部分组成。近年来， 射频通信电路的主要应用领域包括卫星通信、车载和船载通信、航空通信、个人移 动通信( g s m 、c d m a 和3 g ) 、高速数字通信、光纤通信、无线局域网( w l a n ) 、 电视广播和电台广播等i l 】。 通信技术正朝着更高的要求不断发展着，这种趋势需要无线通信设备在任何时 间、任何地方都能够使用，这就要求无线通信设备重量轻、体积小、功耗低，这无 疑给集成电路技术提出了更高的要求，以使得设计的电池可以更轻、更小、更持久 l 杭州电子科技大学硕士学位论文 耐用。 1 2 射频集成电路设计现状和发展 众所周知，2 0 世纪有着很多重大的发明，而集成电路就是其中之一，集成电路 的出现极大地改变了人类的生活，它使得通信设备的体积更小、重量更轻、价格更 低廉，随着射频通信电路逐步从军用向民用方向的转变，射频通信技术得到了进一 步的发展。 近年来，无线通信技术得到了非常迅速的发展，其应用范围也越来越广泛。 c m o s 工艺也正朝着低成本、高性能的方向不断进步，这使得越来越多的数字功能 可以集成在芯片上的单位面积内，从而可以采用更复杂的调制解调和编解码算法， 获得更高性能的无线通信。 在过去的二十几年中，电子产业迅猛发展。半导体行业协会( s e m i c o n d u c t o r i n d u s t r ya s s o c i a t i o n ，s i a ) 有报告指出：仅在1 9 9 5 年，世界集成电路产业的年销售 额增加了1 4 7 ，而且，在过去的5 年中一直以指数级的速度增长。该报告还预测： 世界集成电路芯片销售额在1 9 9 6 年为1 5 4 0 亿美元，到1 9 9 9 年会超过2 3 4 5 亿美元。 c m o s 集成电路的销售是世界集成电路销售中的最大份额。而m o s 集成电路市场 的主要销售额来自微处理器、存储器和其他逻辑电路，其总的年销售额占世界总销 售额的7 5 左右( 即1 1 4 2 亿美元) ，这充分显示了c m o s 工艺的强劲活力【3 1 。 无线通信的飞速发展使得无线收发机射频前端的设计面临更多的挑战乜3 。射频 前端是天线和后端基带处理器之间的接口。在天线和基带处理器之间，射频前端电 路的功能是完成将信号从一个频带搬移到另一个频带的过程。射频前端电路的设计 目标是低成本、高性能和低功耗。采用分立原件实现无线收发机射频前端电路将会 使系统的价格变得非常昂贵，系统体积也将非常庞大，这是与人们的需求相矛盾的。 集成电路设计技术和工艺技术的发展，为无线收发机射频前端实现集成化提供 了可能。由于绝大多数的无线收发机基带处理器都是采用c m o s 工艺来实现，因此 射频前端也应采用c m o s 工艺来实现，以便最终实现单芯片的收发机，即将射频前 端和基带处理器集成在同一块芯片上。而目前随着深亚微米技术的发展，c m o s 晶 体管的特征频率被不断提高，c m o s 工艺已经接近甚至已经可以满足射频集成电路 的需要。要在g h z 频段实现低成本、高性能、低功耗的电路是相当困难的，这使得 射频前端设计成为了无线收发机设计的一个瓶颈。 c m o s 工艺仍然以非常快的速度继续发展，目前最小特征尺寸已经远远小于 o 1 p m 。如在0 1 8 p m 的c m o s 工艺中，晶体管的密度为1 2 5 亿个晶体管，相当于 同一个衬底上共同存在了2 0 个高性能微处理器规模的电路系统【3 1 。这么高的器件密 度使得真正实现在一个芯片上的系统集成成为可能，即能够在一个管芯上集成微处 理器或微控制器、数字信号处理器、存储器、模拟或混合信号功能等。 杭州电子科技人学硕士学位论文 随着特征尺寸的减小，集成电路设计的复杂度却在增大，电路中的寄生效应和 器件之间的匹配程度已经成为影响许多高速或高精度电路性能的关键因素，因此需 要更多关注版图的设计。集成电路工艺和电路的版图设计、器件建模等密切相关， 设计师对工艺了解得越多，设计的电路就越能接近该工艺的性能极限。 目前，通过c m o s 工艺已经能够非常容易地用大量晶体管来实现数字信号处理 的复杂算法，但是却比较难用这种方法去实现射频模拟功能。以前，射频模拟功能 都是用g e s i 和g a a s 工艺来实现的，但采用这种办法的代价是成本比较高，更为重 要的一点是，g e s i 和g a a s 工艺和数字c m o s 工艺不兼容，直接导致单片集成无法 实现。所以，数字信号处理器和天线之间的接口即模拟前端，成为了迸一步发展的 瓶颈。以上所阐述的所有因素引发了用集成电路工艺来实现射频系统的研究和开发 热潮。在众多的工艺中，如g a a s 、g e s i 器件、双极工艺、b i c m o s 、硅c m o s 、 m e s f e t 、异质结双极晶体管( h b t ) 等，由于各种工艺所用的器件和材料有一定 区别，虽然硅基c m o s 工艺的高频性能和噪声性能不是最好的，但是它的成本最低、 工艺最为成熟、功耗最小、集成度最高，应用也最为广泛，况且随着技术特别是按 比例缩小技术水平的提高，m o s 晶体管的频率特性和噪声特性也逐渐得到改善，因 此从长远来看，未来的发展趋势将是c m o s 射频集成电路。事实上，世界各国的研 究人员最近几年在c m o s 射频集成电路的设计和制作方面做了大量的研究工作，并 且取得了可喜的进展，许多大学和工业界的研究组都在进行射频集成电路的研究， 采用c m o s 工艺实现的射频集成电路产品越来越多，功能越来越复杂，性能也在不 断提高，所以说c m o s 射频集成电路开始进入真正的产品开发阶段。 可以说，射频通信和集成电路的发展对人类进入信息社会起到了不可估量的推 动作用。通信技术的不断进步，使得集成电路朝系统集成( s o c ，s y s t e m - - o n a - - c h i p ) 的趋势发展，特别是对于射频通信这样复杂的系统来说更是大势所趋。 1 3c m o s 混频器的研究现状 c m o s 混频器的研究主要就是对混频器性能的研究和改进。目前，业内对于混 频器的研究主要集中在以下几个方面： 1 ) 混频器需要一定的增益来弥补中频滤波器的损耗，这样做能有效降低混频器 后续电路噪声对系统噪声的贡献。 2 ) 为了降低系统噪声系数，必须降低混频器噪声系数，这样做的好处是还可以 减轻低噪声放大器的设计压力。随着c m o s 尺寸的减少，对于噪声的分析和如何减 少电路噪声的研究也越来越显得重要，特别是在零中频接收机中，闪烁噪声更是十 分严重的问题。 3 ) 混频器的线性度直接决定接收机的动态范围，如何提高混频器的线性度是混 频器的关键技术之一。混频器的线性度通常用l d b 压缩点( p l d b ) 和三阶交调点( i p 3 ) 杭州电子科技大学硕士学位论文 来表征，而在零中频接收机中，则更多地用二阶交调点( i p 2 ) 表示。线性度是众多 性能指标中较为重要的一个，因此目前对线性度的关注越来越多，线性度优化技术 的研究也正不断地进行着。 4 ) 随着c m o s 工艺尺寸的不断减少，低电压低功耗是所有模块设计中应该考 虑的问题，降低混频器的功耗也就降低了系统的功耗。 5 ) 混频器设计过程中往往要考虑多个性能之间的折中，为了缓减噪声、增益和 线性度之间的矛盾，电流注入技术被提出并得到了广泛应用。 6 ) 混频器的镜像抑制比对收发系统起着越来越重要的影响。因为镜像频率同样 会在混频器的作用下产生与有用信号同频率的中频，一旦进入后端部件如中频放大 器中，将无法将其滤除，从而对系统产生很大干扰。目前，对于镜像频率抑制的方 法有许多种，如零中频接收机、镜像抑制混频器【4 培】等。 7 ) 二阶非线性是所有无线接收机结构中存在的一个重要问题【9 】，在直接转换接 收机中表现的更为突出，二阶交调失真在基带中引进了不需要的频谱分量，这些频 谱破坏了接收机的灵敏度。而混频器二阶非线性对于零中频接收机结构的影响最大， 下变频混频器的输入二阶交调点( i i p 2 ) 决定了整个接收机的二阶级线性度【9 1 。因此， 对于混频器二阶交调失真的研究刻不容缓。意大利学者m a s s i m ob r a n d o l i n i ，m a r c o s o s i o ，f r a n c e s c os v e l t o ，p a o l or o s s i 、d a v i d es a n z o g n i 等人对混频器的二阶交调失 真展开研究【9 - 1 ，并且已经设计了适用于3 g ( u m t s ) 系统的i i p 2 为7 8 d b m 的零 中频接收机【3 】【1 1 】。更有许多国外学者对混频器二阶交调失真的改善进行了研究，提 出了一系列改善的方法。国内对于c m o $ 混频器的研究较多，但对于混频器二阶交 调失真的研究较少。 1 4 本文主要内容及安排 本文的设计均采用s m i c0 1 8 r t m 标准c m o s 工艺。大量文献表明，偶次谐波 混频器主要用于直接变频接收机中，用于改善直流失调和i m 2 带来的问题。低中频 接收机由于能克服零中频接收机的缺点得到了越来越多的应用，但是它的中频与直 流接近，并不能保证完全避免直流失调的问题，所以论文尝试将偶次谐波技术用于 低中频接收机混频器中。此外论文还设计了3 5 g h z 宽带混频器，该课题涵盖了单 频点和宽带两大类型的混频器设计，能系统地了解混频器的结构、功能及不同设计 方法，对不同的通信系统性能的提高有极大的帮助。文章的安排如下： 第一章介绍了研究的背景和意义，简述了射频集成电路设计的现状和发展，同时 也简要介绍了c m o s 混频器的研究现状。 第二章介绍了几种无线接收机的结构特点。接收机结构的选择直接关系到整个接 收机的功耗和集成度，这一章主要描述了超外差式接收机、镜像抑制接收机、零中频 接收机及低中频接收机这几种最常见接收机结构的优缺点。 4 杭州电子科技大学硕士学位论文 第三章主要介绍了直接下变频混频器的基本工作原理、分类及一些性能参数。 第四章主要介绍了c m o s 混频器的线性度，分析了混频器中非线性的产生、来源， 并对线性度的优化技术进行了描述。 第五章在介绍了偶次谐波混频器的原理及应用领域的基础上，详细论述了在 0 1 8 p , mc m o s 工艺上高增益高线性度偶次谐波混频器的实现，并完成了电路设计及 改进、仿真以及版图设计工作。 第六章采用折叠混频器结构设计了应用于u w b 技术的3 5 g h z 宽带混频器，并 增加前馈补偿电路提高电路的线性度，并完成了电路设计以及仿真工作。 第七章总结了本论文的工作。 杭州电子科技大学硕士学位论文 第2 章射频接收机 2 1 引言 射频收发信机由接收机和发射机两部分组成。接收机的作用是将有用的射频信 号从天线接收的众多的电磁波中筛选出来，并通过信号放大、混频、滤波等一系列 作用，然后将这一带通信号变换成为基带信号。而发射机部分的作用刚好与接收机 部分刚好相反，它是对基带信号进行载波调制，而后变为带通信号并搬移到所需的 频段上，并且保证该信号具有足够的发射功率。目前，无线数字通信的应用越来越 广泛。为了提高整个收发信机的性能，设计出高性能的接收机是一个非常重要的工 作，因为接收机是发信机的重要组成部分，其性能好坏对收发信机的性能至关重要。 随着无线移动通信的飞速发展，接收机的设计面临着低价格、高集成度、低电压、 低功耗、高工作频率等诸多因素的挑战。提高接收机中模拟前端的集成度已经成为 提高接收机集成度的关键所在【l2 1 。 目前，很多通信协议在通信过程中并存，它们有的工作频段不同，但是有的使 用同一频段，这样不同协议传输的信号就会出现在同一频段上，在传递和接收过程 中，这些信号之间的相互干扰，加上自然界本身存在的干扰，使得射频信号有了一 定程度的衰减。当然每一种通信协议都会对接收机提出特定的性能要求。射频接收 机位于无线通信系统的最前端，天线将空间中众多的电磁波耦合下来，这些信号经 过低噪声放大器进行放大，而后射频信号通过混频器下变频到频率较低的中频信号， 再提供给基带部分进行解调。接收机的选择性和灵敏度非常重要，因为接收机接收 到的信号能量很小，并且被许多其他信号干扰，要想从众多的噪声干扰中接收到有 用的信号，就必须具有很好的选择性和灵敏度1 1 3 】。 接收机的机构不同，表现出来的特性也将不同。实际应用中，我们将根据系统 要求的性能指标、功耗要求、成本以及复杂程度来决定采用何种方案来设计电路结 构。进行r f i c 电路设计前，必须先反复分析比较各种结构的优缺点，然后选择最 合理的结构模型以适应系统的实际应用【1 2 】。随着微电子技术的发展，我们越来越高 地要求接收机系统集成化，这样不但能顺应低功耗的趋势，而且能将更多的功能集 成在一起，最终能够在同一个系统中实现适应于不同通信标准的接收机【1 2 】。 本章简要地分析了几种常用的接收机结构，包括超外差式接收机、镜像抑制接 收机、零中频接收机和低中频接收机【1 4 - 15 1 ，并总结了这几种接收机结构的优缺点。 2 2 接收机主要结构 接收机的基本构成框图如图所示，主要包含两个部分【1 6 】，一是由锁相环( p l l ) 6 杭州电子科技大学硕士学位论文 构成的频率合成器产生本振( l o ) 信号作为混频器的一个输入，然后与经过低噪声 放大器( l n a ) 放大的射频( r f ) 信号进行混频；第二部分是信号接收通道，包括 低噪声放大器( l n a ) 、混频器( m i x e r ) 、中频滤波器( f i l t e r ，也就是图中的l p f ) ， 以及中频放大器( i fa m p l i f i e r ) ，信号经过该通道实现了从射频信号到中频信号的 转变，而后中频信号通过模数转换器( a d c ) 输出到数字基带部分做进一步的信号 处理。 图2 1 接收机基本构成框图 目前使用的射频接收机主要有几类结构，如超外差式接收机、镜像抑制接收机、 零中频接收机和低中频接收机等。 2 2 1 超外差式接收机 1 9 1 8 年a r m s t r o n g 提出了超外差式接收机结构，这种结构人们至今还在广泛采用， 当然也在不断地改进。这种传统的结构使用中频进行信号处理的过程，因此又被称为 中频接收机。从目前情况看，绝大多数无线接收机前端仍然采用传统的超外差式1 7 】， 特别是因为这种结构的接收机具有高灵敏度和高镜像抑制性能，在无线系统中应用非 常广。 超外差式接收机的基本原理是将天线接收到的高频信号经放大和下变频后转换 为一固定的中频信号，然后进行下一步变频或者直接进行解调，其系统结构如图2 2 所示。 8 一琴 i 一 岬影- 8 瓜 r fs y n t h e s i z e r i 一 。 。 j c o s i n es i n e i f p l l + q v c o q 图2 2 超外差式接收机结构 超外差式接收机工作原理：从天线接收到的信号由射频滤波器( r fb p f ) 滤 去带外干扰信号，然后经低噪声放大器( l n a ) 进行放大，镜像抑制滤波器( i rf i l t e r ) 7 杭州电子科技大学硕士学位论文 压缩镜像信号，滤波后的信号在混频器( m i x e r ) 中和本地振荡信号混频后被转换为 固定的中频信号，中频信号的频率值由设计者根据通信协议和具体需要而定【1 2 】。于 是有用信号被转换为了一固定中频信号，继而经信道选择滤波器输出，中频信号再 通过一个i q 两路混频器转换到基带信号。在低频的情况下，信号的增益和相位失 配显得不重要。 在超外差式接收机结构中，要想获得好的选择性和灵敏度，可以选择适当的中 频频率和滤波器。它可以将从强干扰中选出来的很微弱的信号，通过两次频率变换， 在较低的频率上完成信号选择，这个过程的实现可选用q 值不太高的滤波器来完成 d 8 。由于超外差接收机采用了多个变频级，因此它的性能不会被直流偏移和本振泄 漏问题直接影响，但是它也存在着许多缺点。 首先，超外差式接收机面临的问题是镜像信号的干扰。镜像频率上的干扰信号 与本振信号在混频器中进行调制，由此而产生了镜像干扰。每一次频谱下变换时， 如果采用高本振，载频f c 附近的有用信号和载频f c + 2 f l f 附近的镜像信号同时变换到 中频矗f ，若采用低本振，则f c 2 f 附近的镜像信号被同时变换到中频。于是镜像干 扰噪声就在中频处下变频产生，从而使得有用信号在中频被严重恶化，进而间接影 响了接收信号的品质。也就是说，接收机信号的信号噪声比( s n r ) 被降低了。 如图2 3 所示，假设射频信号为c o s m r f t ，本振信号为c o s m l o t ，中频信号为c o s f d 啊t ， 镜像信号为c o s o o i m t ，其中， 后= l 如一南l = l 厶一厶l ( 2 1 ) 其中有用中频为： c o s 国l 一= c o s r f l c o s