应用于WSN的2.4GHz低功耗低噪声放大器设计

发布时间：2017-04-13 20:07

  本文关键词：应用于WSN的2.4GHz低功耗低噪声放大器设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：无线传感网(WSN, Wireless Sensor Network)以其低成本的先期建设、灵活而广泛的应用范围和可观的应用前景而备受关注。随着微电子技术的不断发展,高集成度、低成本的CMOS无线射频收发机芯片已经越来越多的应用于工业以及人们日常生活的电子设备中,市场潜力巨大。本文对2.4GHz无线传感网低功耗射频接收系统中的关键模块低噪声放大器(LNA, Low Noise Amplifier)展开研究,并针对无线传感网应用需求,采用0.18μm RF CMOS工艺设计了一款低噪声放大器。论文分析了不同结构低噪声放大器的设计方法,选取输入端宽带匹配的共栅结构应用于LNA设计,同时使用了低功耗LNA的设计技术,包括交叉耦合、负载正反馈等构成的增益增强技术,并采用亚闽值区技术以进一步降低功耗。本文详细描述了基于0.18μmRF CMOS工艺的LNA电路设计过程,包括LNA的主体电路结构、输入输出匹配、增益增强及噪声优化技术以及增益控制等。给出了电路前仿真结果与分析、版图设计关键点和后仿真结果与分析。后仿真结果表明,在典型工艺角及室温条件下,LNA具有15dB和0dB两档增益,在15dB增益下,噪声系数在4.65～4.85dB内变化,S11在-20～-18.85dB内变化,S22在-22～-11.3dB内变化；在0dB增益下,输入1dB压缩点为-15.7dBm,S11在-27.0～--26.1dB内变化,S22在-13.4～-13.28dB内变化；在1.8V电源电压下工作电流约为0.54mA。性能满足设计指标要求。本文设计的LNA模块经过进一步优化和流片验证后,可以应用于WSN射频芯片中。
【关键词】：无线传感网络 低噪声放大器 低功耗 亚阈值
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN722.3;TN929.5;TP212.9
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第一章 绪论8-14
• 1.1 课题的背景8-12
• 1.1.1 无线传感器网络设计背景8-9
• 1.1.2 射频前端的系统9-10
• 1.1.3 低噪声放大器10
• 1.1.4 工艺实现10-11
• 1.1.5 芯片研发平台11-12
• 1.2 设计指标12-13
• 1.3 论文组织和内容安排13-14
• 第二章 低噪声放大器设计基础14-30
• 2.1 MOS管工作原理及噪声模型14-23
• 2.1.1 MOS管基本的工作原理和工作区域14-16
• 2.1.2 MOS管的工作区域16-18
• 2.1.3 MOS管的噪声模型18-23
• 2.2 低噪声放大器的性能参数23-29
• 2.2.1 S参数和S参数在低噪声放大器中应用23-25
• 2.2.2 低噪声放大器噪声25-26
• 2.2.3 低噪声放大器非线性26-29
• 2.2.4 低噪声放大器稳定性29
• 2.3 本章小结29-30
• 第三章 低功耗低噪声放大器设计30-44
• 3.1 低噪声放大器结构分析30-32
• 3.1.1 共栅放大结构30-31
• 3.1.2 共源共栅结构31
• 3.1.3 电流复用共源共栅结构31-32
• 3.2 设计考虑32-34
• 3.2.1 低噪声放大器结构选择32-33
• 3.2.2 静电防护33-34
• 3.3 低功耗低噪声放大器结构设计34-42
• 3.3.1 级联共栅结构34-36
• 3.3.2 交叉耦合结构36-40
• 3.3.3 亚阈值区偏置技术40-41
• 3.3.4 低功耗低噪声放大器结构设计41-42
• 3.4 本章小结42-44
• 第四章 低噪声放大器前仿真44-66
• 4.1 低噪声放大器设计流程44-45
• 4.2 低噪声放大器前仿真结果45-65
• 4.2.1 常温TT工艺角下的前仿真结果45-54
• 4.2.2 芯片工艺角及蒙特卡罗仿真简介54-57
• 4.2.3 前仿真结果蒙特卡罗分析57-65
• 4.3 本章小节65-66
• 第五章 低噪声放大器版图设计及后仿真66-88
• 5.1 低噪声放大器版图设计66-68
• 5.1.1 版图设计的考虑因素66-67
• 5.1.2 版图设计67-68
• 5.2 低噪声放大器后仿真68-86
• 5.2.1 常温TT工艺角下的后仿真结果69-78
• 5.2.2 后仿真结果蒙特卡罗分析78-86
• 5.3 低噪声放大器的优值86-87
• 5.4 本章小结87-88
• 第六章 总结与展望88-90
• 6.1 总结88
• 6.2 展望88-90
• 参考文献90-93
• 攻读硕士学位期间发表论文目录93-94
• 致谢94

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