射频接收芯片中平衡混频器的研究与设计

发布时间：2017-09-14 13:43

  本文关键词：射频接收芯片中平衡混频器的研究与设计

  更多相关文章： 射频CMOS接收芯片 单平衡混频器 双平衡混频器 工程实践应用 可变增益 电路仿真 芯片测试

【摘要】：随着国家公共事业智能化产业链的高速发展,省力又省心的智能化无线抄表技术慢慢的在大中型的居民小区中普及开来,而在无线抄表中射频接收芯片内,核心模块混频器的设计性能好坏,将直接影响这一智能化对我们生活的改变。故而如何设计出一款更实用于工程应用中的混频器模块将变的非常之重要。在近些年的各种研究设计文献中,对于射频收发机中的混频器,研究设计人员一般均把线性度作为其最重要的设计与优化指标,但对于一些在工程实践应用中,对线性度要求不高的射频芯片(比如在FSK调制的系统中),显得没有什么好的办法。本文所研究设计的两类平衡混频器均能比较有效的解决这一问题,并且更适合于相应的工程实践项目。本论文研究设计的主要工作以及主要贡献如下:1,首先阐述了混频器的基础理论,射频接收机的相关分类,而且对其在射频CMOS中的主要性能进行详述分析,其中有增益分析、线性度分析、噪声分析以及隔离度分析,除此之外,更为难得的是,本论文还对在工程实践应用中,不可忽视的功耗分析、可靠性分析,以及可能存在的稳定性问题进行详细阐述与研究。2,基于工程实践应用,较有新意的设计了一款拥有低功耗、高增益且增益可选择、在多路信号中良好的共模反馈特性、较好的端口隔离特性的单平衡混频器CMOS电路,其专门应用于无线抄表中的射频接收芯片内(其中总功耗为0.33mw;增益高达44.78dbm,并且可在四个值之间切换;系统相位裕度从-57.86°优化到71.4°的稳定状态)。具体简述如下A:该单平衡混频器设计,是以一个最简单的单平衡混频单元框架开始分析、仿真,在此基础上,做出相应满足我们设计期望的各性能指标的设计,在核心单平衡模块中,本文加入了共模反馈电路的设计,加入了端口隔离优化措施的设计,加入了可变增益模块的设计,为了更大的提高系统的转化增益,本文还设计了低频放大模块。B:本文经过反复的前仿真,包括:转化增益(Gain)仿真、线性度(1db压缩点,三阶交调点IIP3)仿真、噪声系数仿真(1.2k与50Ω匹配两种情况)、端口隔离性仿真,稳定性仿真(即系统相位裕度的仿真)、可靠性仿真(温度,电源电压,工艺角)、功耗仿真等,以优化确定出最终的电路框架结构。C:经过整体的版图设计,随之本文对整个混频器系统进行了核心性能的后仿真,以便给流片后可能出现的管子寄生问题留出相应的设计裕度。D:经过流片,对该结构混频器系统模块进行了各主要性能指标的芯片测试,并给出了芯片测试分析和结果,从结果看来,本文所设计优化的混频器基本已经达到了在工程实践应用中的性能要求。3,为更好的应用于超高频与工程实践,本论文还较有新意的设计了一款,增益最大时频点可测的双平衡混频器CMOS电路,其同样可应用于无线抄表中射频接收芯片内,亦可应用于射频接收芯片的二极混频模块。具体简述如下A:与单平衡混频其相比,该双平衡混频器电路拥有更加良好的端口隔离特性,本文采用了预留的带源极负反馈的共源极优化技术提高相应线性度,除此而外,本文采用无源二阶滤波器结构作为负载,设计了可测量增益最大频点的本振缓冲电路。B:本文对所设计的双平衡各模块电路同样进行了各种性能指标的前仿真,包括一般在项目中常用到的可靠性和工艺角的仿真,以便满足在射频接收芯片中的工程应用,具体与单平衡类似。C:最后本文对整个双平衡混频器的总电路进行了版图的设计,并进行了简要的分析。
【关键词】：射频CMOS接收芯片 单平衡混频器 双平衡混频器 工程实践应用 可变增益 电路仿真 芯片测试
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN773
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 符号对照表13-14
• 缩略语对照表14-18
• 第一章 绪论18-22
• 1.1 课题研究背景与意义18
• 1.2 相关研究现状18-19
• 1.3 本论文的工作以及主要贡献19-20
• 1.4 论文架构20-22
• 第二章 混频器概述22-34
• 2.1 序22
• 2.2 混频器理论基础22-24
• 2.2.1 理论研究对工程实践的意义22-23
• 2.2.2 理论基础23-24
• 2.3 混频器的分类24-28
• 2.3.1 无源混频器24-26
• 2.3.2 有源混频器26-28
• 2.4 射频接收前端分类28-32
• 2.4.1 零中频接收机28-29
• 2.4.2 低中频接收机29-30
• 2.4.3 超外差式接收机30-31
• 2.4.4 镜像抑制接收机31-32
• 2.5 小结32-34
• 第三章 射频CMOS芯片中混频器性能分析34-50
• 3.1 序34-35
• 3.2 主要性能分析35-44
• 3.2.1 增益分析36-38
• 3.2.2 噪声分析38-40
• 3.2.3 线性分析40-43
• 3.2.4 隔离度分析43-44
• 3.3 工程实践应用分析44-48
• 3.3.1 功耗分析44-45
• 3.3.2 稳定性分析45-48
• 3.3.3 可靠性分析48
• 3.4 小结48-50
• 第四章 射频接收芯片内单平衡混频器设计50-86
• 4.1 序50
• 4.2 单平衡混频器的电路设计50-59
• 4.2.1 核心单平衡模块设计51-52
• 4.2.2 共模反馈模块设计52-56
• 4.2.3 可变增益模块设计56-57
• 4.2.4 低频放大模块设计57-58
• 4.2.5 单平衡混频器总体电路设计58-59
• 4.3 电路仿真59-78
• 4.3.1 混频器总模块前仿真60-76
• 4.3.2 核心模块后仿真76-78
• 4.4 单平衡混频器的版图设计78-80
• 4.5 芯片测试80-85
• 4.5.1 测试概述80
• 4.5.2 测试目的以及测试方法80-82
• 4.5.3 测试结果以及分析82-85
• 4.6 小结85-86
• 第五章 射频接收芯片内双平衡混频器（Gilbert Mixer）的设计86-98
• 5.1 序86
• 5.2 双平衡混频器的电路设计86-89
• 5.2.1 核心双平衡模块（Gilbert单元）设计86-87
• 5.2.2 应用于工程实践的本振缓冲模块电路设计87-89
• 5.2.3 双平衡混频器总体电路设计89
• 5.3 电路仿真89-97
• 5.4 双平衡混频器的版图设计97
• 5.5 小结97-98
• 第六章 总结与展望98-100
• 参考文献100-102
• 致谢102-104
• 作者简介104-105

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本文编号：850353