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1、 博士学位论文学校代号分 类 号10532TN4学密号B091000030级 普通博士学位论文超宽带低功耗射频接收机前端电路的研究与设计学位申请人姓名培 养 单 位导师姓名及职称学 科 专 业孙晶茹信息科学与工程学院王春华教授计算机科学与技术CMOS 射频集成电路设计2014 年 6 月 17 日研究方 向论文提交日期 学校代号 ：10532学密号：B091000030级：普通湖南大学博士学位论文超宽带低功耗射频接收机前端电路的研究与设计学位申请人姓名：导师姓名及职称：孙晶茹王春华教授培 养单位：信息科学与工程学院计算机科学与技术2014 年 6 月 17 日2014 年 9 月 24 日骆嘉
2、伟教授专 业 名 称：论文提交日期：论文答辩日期：答辩委员会主席： 超宽带低功耗射频接收机的研究与设计Research and Design of Ultra-Wideband Low-Power RFReceiver Front-End CircuitbySun JingruM.S. (Northeastern University) 2004A dissertation submitted in partial satisfaction of theRequirements for the degree ofDoctor of EngineeringinComputer Science a
3、nd Technologyin theGraduate SchoolofHunan UniversitySupervisorProfessor Wang ChunhuaOctober, 2014 博士学位论文湖 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，均已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：日 期： 年 月 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、
4、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1、保密，在2、不保密5。年解密后适用本授权书。(请在以上相应方框内打“”)作者签名：导师签名：日 期：日 期：年 月 日年 月 日I 超宽带低功耗射频接收机前端电路的研究与设计摘 要超宽带技术具有更快的传输速率、更高的频谱利用率、更低的成本，可广泛应用于无线局域网、无线个域网、无线传感网、雷达和定位等领域，已经成为了短距离无线通信的一大亮点。超宽带技术
5、的快速发展，对超宽带通信系统的接收机性能提出了更高的要求，目前各种移动终端设备层出不穷，功能越来越丰富完善，随之带来了功耗问题。在电池技术尚未取得重大突破的前提下，如何降低接收机的功耗，延长其使用时间，已经成为超宽带接收机面临的一个重要问题，对于推动超宽带无线通信技术的发展具有重要意义。本文围绕着如何降低超宽带射频接收机前端电路功耗，提高射频接收机前端电路各项性能指标等问题，对射频接收机前端电路中低噪声放大器、混频器、频率合成器和振荡器等关键模块进行了研究与讨论。(1)本文提出了一种工作在 35GHz 频率范围内的低电压高增益差分电流模式超宽带低噪声放大器。采用带变压器的共栅输入方法获得低噪声
6、宽带匹配，采用电流模式电路设计方法实现输出为电流信号，避免了电流-电压转换。电路采用0.18m CMOS 工艺实现，仿真结果表明所设计的低噪声放大器电路工作电压仅为0.8V，增益达到 18.719.3dB ，最大噪声仅为 2.65dB，IIP3 约为 2.8dBm。(2)本文提出了一种超低功耗超宽带低噪声放大器。电路通过采用电流复用技术及衬底偏置技术两种超低功耗技术设计实现。仿真结果表明，低噪声放大器的转换增益达到 11.412.2dB ，双边带噪声低于 4.3dB，输入输出反射系数都低于-10dB，并且 LNA 供电电压为 0.8V，使功耗下降为 1.9mW。(3)本文提出了一种可工作在 3
7、10.6GHz 频率范围的超宽带低电压低功耗混频器电路。所设计的混频器以传统的吉尔伯特双平衡混频器为基础，同时采用衬底偏置技术和低电压电流注入技术来降低混频器功耗。仿真结果表明，在 0.8V 的工作电压下，单边带噪声为 7.111.4dB ，转换增益为 12.118.8dB ，输入 1dB 压缩点约为 -10dBm，输入三阶互调点约为 -1.8dBm，功耗仅为 1.9mW。(4)本文提出了一种工作于 L 波段的无电感正交压控振荡器。该振荡器由单个电流差分跨导放大器（ CDTA）构成，可工作于 1.45GHz，通过改变偏置电压，频率可调谐范围为 145MHz。由于不包含大电感元件，此电路占用的版
8、图面积仅为0.091mm 2。(5)本文提出了一种低功耗的、驱动负载能力大的可编程多模分频器。提出的多模分频器 (Multi-modulus divider MMD)中，采用了单相位时钟 TSPC 技术和内置与门的 TSPC D 触发器，有效地降低了 MMD 的功耗；在 MMD 的输出级上，设II 博士学位论文计了一种占空比优化电路，增大了输出信号的占空比，提高了 MMD 驱动负载的能力。采用 Cadence 工具进行仿真，结果表明：电路的功耗为 3.72 mW，占空比为 50%。综上所述，本文对超宽带射频接收机前端电路中的关键模块低噪声放大器、混频器、可编程分频器及压控振荡器进行了深入研究和
9、讨论。对加快国内无线通信技术发展，提高射频接收机自主芯片的研发能力有一定的促进作用。关键词：超宽带；低功耗；射频前端；低噪声放大器；混频器；压控振荡器；可编程分频器III 超宽带低功耗射频接收机前端电路的研究与设计AbstractUltra-wideband technology has the advantage of faster transfer rates, higherspectral efficiency, lower cost, and can be widely used in wireless LANs, wirelesspersonal area networks, wir
10、eless sensor networks, radar and positioning and otherfields. Ultra-wideband technology has become a major highlight of short distancewireless communications. The rapid development of ultra-wideband technology putsforward higher requirements to the performance of ultra-wideband communicationsystem r
11、eceiver. Currently, various mobile terminal apparatus have been produced,and the function become more perfect, and the power consumption increase rapidly.Under the premise of not yet achieved a major breakthrough in battery technology,how to reduce the power consumption of the receiver front-end cir
12、cuit, delay their useof time, has become an important issue facing the ultra-wideband receiver. For thedevelopment of ultra-wideband wireless communication technology is important. Thispaper focuses on how to reduce the power consumption of ultra-wideband radioreceivers front-end circuit，and how to
13、improve the performances of radio receiver,and other issues. RF receivers key modules, low noise amplifier, mixer, frequencysynthesizer and oscillator have been studied and discussed .(1) This paper presents a novel current mode differential UWB LNA. Acommon-gate stage with transformer realizes a lo
14、w noise input matching and producesa current gain. The output of the LNA is differential current, which can avoid thecurrent-to-voltage conversion. The LNA is simulated with TSMC 0.18m RF CMOSprocess. Simulation results show that the max noise figure is only 2.65 dB,transconductance gain is larger t
15、han 18.7 dB, and third order input intercept point isabout 2.8dBm over 35 GHz. With a voltage of 0.8 V, the power consumption is11mW. A comparison with conventional UWB LNA shows that this LNA hasadvantages of low voltage, low noise, high gain, and high linearity.(2) This paper presents an ultra-low
16、-power low noise amplifier (LNA) forultra-wideband (UWB) receivers. By adopting current-reuse and forward body biastechniques, the total measured conversion gain of the receiver is 11.412.2dB dB andDSB NF is below 4.3dB, the input and output reflection coefficient are lower than-10dB. All of these r
17、esults satisfy the requirements of the RF receiver. Especially, thepower consumption of the circuit is 1.9mW with a 0.8V supply voltage, which meetsIV 博士学位论文the demand for ultra-low-power applications.(3) This paper presents a 3.110.6GHz low voltage low power down-conversionmixer using TSMC 0.18m RF
18、 CMOS process. The mixer adopts forward body biastechnique to decrease the power dissipation and supply voltage. The current-reusebleeding circuit is also applied to improve the conversion gain and linearity. Thesimulation results have show that the mixer achieves a conversion gain of12.118.8dB, a S
19、SB NF of 7.111.4dB, an IIP3 of -1.8dBm, while its powerdissipation is only 1.9mW under a 0.8V supply voltage. It is especially suitable forlow power wireless communication applications.(4) This paper presents a non-inductive quadrature voltage controlled oscillator(QVCO) , which can work at L-band.
20、The QVCO is constituted by a single currentdifferential cross transconductance amplifier (CDTA) , can work at 1.45GHz. Bychanging the bias voltage, frequency tuning range can reach 145MHz. Since theoscillator does not contain large inductive element, the circuit layout area occupiedonly 0.091mm 2.(5
21、) This paper presents a low-power multi-modulus programmable divider usingchartered 0.18m CMOS process. The TSPC technology is adopter and the TSPC Dflip-flop is designed to lower the power consumption in design of implementationcircuit. The simulation result shows that the output signal is large. I
22、ts powerdissipation is 3.27mW under a 1.8V supply voltage. It is suitable for the application inwireless communication system.In summary, this paper studys the key modules of ultra-wideband RF receiverfront-end circuit, low noise amplifiers, mixers, programmable divider and VCO. Topromote the develo
23、pment of domestic wireless communication technology andimprove the RF receiver autonomous chip R & D capabilities have a certain role.Key Words: UWB; Low-power; RF front-end; LNA; Mixer; Frequency Synthesizer;Voltage Controlled OscillatorV 超宽带低功耗射频接收机前端电路的研究与设计目 录学位论文原创性声明与学位论文版权使用授权书 . I摘要 . IIAbst
24、ract . IV插图索引 . IX附表索引 . XI第 1 章 绪论 . 11.1 研究背景及意义 . 11.2 国内外研究现状 . 11.2.1 低功耗技术研究现状 . 11.2.2 超宽带低噪声放大器研究现状 . 41.2.3 超宽带混频器的研究现状 . 61.2.4 压控振荡器研究现状 . 71.2.5 分频器研究现状 . 91.3 论文的研究内容与贡献 . 101.4 本文的组织结构 . 12第 2 章 射频接收机及其模块电路设计基础 . 132.1 射频接收机结构基础 . 132.1.1 超外差结构 . 132.1.2 零中频接收机 . 132.1.3 低中频接收机 . 142.2
25、 低噪声放大器理论基础 . 142.2.1 低噪声放大器的基本结构 . 152.2.2 噪声系数 . 162.2.3 增益 . 202.2.4 S 参数 . 202.2.5 线性度 . 212.3 混频器的基本原理 . 232.3.1 混频器基本原理 . 232.3.2 混频器的主要性能指标 . 242.3.3 混频器的结构 . 262.4 锁相环频率合成器理论与性能指标 . 29VI 博士学位论文2.4.1 锁相环频率合成器基本理论 . 292.4.2 锁相环频率合成器的性能指标 . 292.5 压控振荡器的设计理论与性能指标 . 312.5.1 压控振荡器的基本理论 . 312.5.2 性
26、能指标 . 322.5.3 环形压控振荡器的基本理论 . 332.6 分频器基本理论与性能指标 . 342.6.1 可编程分频器基本理论 . 342.6.2 可编程分频器的性能指标 . 362.7 小结 . 36第 3 章 超宽带低噪声放大器的研究与设计 . 383.1 引言 . 383.2 提出的低电压高增益电流模式低噪声放大器 . 383.2.1 电流模式 LNA 设计的基本原理 . 393.2.2 噪声消除技术的基本原理 . 403.2.3 提出的电路与分析 . 403.2.4 仿真结果 . 443.2.5 与相关工作的比较 . 453.2.6 小结 . 463.3 提出的工作于 3.110.6GHz 频段的超低功耗低噪声放大器 . 463.3.1 超低功耗技术 . 463.3.2 提出的电路与分析 . 473.3.3 仿真结果 . 513.3.4 与相关工作的比较 . 523.3.5 小结 . 53第 4 章 超宽带混频器的研究与设计 . 544.1 引言 . 544.2 提出的低功耗混频器电路与分析 . 544.2.1 改进的低电压电流注入技术 . 554.2.2 电路分析 .