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6.3-6.8GHz射頻收發(fā)前端芯片的設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2017-07-18 06:23

  本文關(guān)鍵詞:6.3-6.8GHz射頻收發(fā)前端芯片的設(shè)計(jì)


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【摘要】:對(duì)于未來5G通信來說,除了使用傳統(tǒng)上的低于6GHz的移動(dòng)通信授權(quán)型無線頻譜資源以外,還將有望開發(fā)并拓展使用6~100 GHz頻段的無線頻譜資。本次設(shè)計(jì)把頻段定在6.3-6.8GHz,在對(duì)比幾種常用收發(fā)機(jī)架構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)之后選取了零中頻收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu),并確定了收發(fā)前端的設(shè)計(jì)指標(biāo)。其中射頻接收前端包括低噪聲放大器(LNA)和下混頻器(Mixer).射頻發(fā)射前端包括驅(qū)動(dòng)放大器(DA)、射頻可變?cè)鲆娣糯笃?RFPGA)和上混頻器(Mixer),根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)要求明確了各個(gè)子單元電路的設(shè)計(jì)要求。根據(jù)設(shè)計(jì)需要,低噪聲放大器需要實(shí)現(xiàn)單轉(zhuǎn)雙功能,在比較幾種常用低噪聲放大器結(jié)構(gòu)后,本文設(shè)計(jì)采用單轉(zhuǎn)雙噪聲抵消技術(shù)的LNA,并在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,引入正反饋技術(shù)和電流復(fù)用技術(shù)提高增益降低噪聲,以及添加了平衡Bufffer電路來改善電路輸出差分性能。為了提高下混頻器的線性度和降低閃爍噪聲,本文選用了無源混頻器結(jié)構(gòu),并根據(jù)設(shè)計(jì)要求,對(duì)混頻的開關(guān)對(duì)電路和中頻放大器電路以及本振Buffer電路作了詳細(xì)的分析。混頻器為I/Q正交混頻器,包括四路開關(guān)對(duì)電路和兩個(gè)全差分中頻放大器;電路輸出信號(hào)1dB帶寬大于250MHz;輸入線性度P1dB大于-5dBm。驅(qū)動(dòng)放大器的設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)差分轉(zhuǎn)單端的功能,并且輸出功率大于6dBm,本文設(shè)計(jì)的DA電路分為兩級(jí):差分轉(zhuǎn)單端電路級(jí)和輸出驅(qū)動(dòng)電路級(jí)。為了提高線性度和帶寬以及減小芯片面積,輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)電路采用推挽反相器結(jié)構(gòu);差分轉(zhuǎn)單端電路中添加了一個(gè)小電感來平衡6.3-6.8GHz頻段的相位和幅度。本設(shè)計(jì)采用2.5V電壓供電來實(shí)現(xiàn)電路線性度的要求,晶體管選用厚柵氧化層管。射頻可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑O(shè)計(jì)采用全差分Cascode放大器結(jié)構(gòu),在輸入端合理控制偏置電壓,來提高電路的線性度;通過控制信號(hào)電流在共柵晶體管的流向來改變電路的增益,增益0-10dB可調(diào),增益調(diào)節(jié)的同時(shí)不會(huì)影響電路輸入級(jí)的匹配和線性度指標(biāo)。上混頻器采用全差分形式的I/Q正交調(diào)制結(jié)構(gòu),它包括了兩個(gè)雙平衡Gilbert單元混頻器,并采用帶中間抽頭的差分電感作為負(fù)載;輸入信號(hào)偏置電壓實(shí)現(xiàn)片內(nèi)可調(diào)節(jié);本振端的偏置電壓采用動(dòng)態(tài)自適應(yīng)偏置電路來實(shí)現(xiàn);為了擴(kuò)展帶寬,電感負(fù)載上可以并聯(lián)一個(gè)電阻。本文設(shè)計(jì)的射頻接收前端芯片和射頻發(fā)射前端芯片,完成了版圖設(shè)計(jì)、仿真、流片以及接收前端芯片的測(cè)試,芯片采用TSMC 0.13um CMOS工藝流片。射頻接收前端芯片測(cè)試結(jié)果表明:在6.3-6.8GHz頻段內(nèi)S11-10dB;增益19-31dB可調(diào);中頻輸出1.5dB帶寬350MHz;輸入1dB壓縮點(diǎn)大于-20dBm,輸入三階截點(diǎn)(IIP3)大于-10dBm;噪聲系數(shù)(NF)小于4dB;輸出正交性能良好。對(duì)于射頻發(fā)射前端芯片的后仿真結(jié)果表明:輸出P1dB大于7dBm,OIP3大于20dBm;最大增益26dB,有10dB可調(diào)范圍;1.5dB帶寬大于500MHz。
【關(guān)鍵詞】:未來5G通信 射頻收發(fā)前端 噪聲抵消結(jié)構(gòu) 混頻器 雙轉(zhuǎn)單驅(qū)動(dòng)放大器 射頻可變?cè)鲆娣糯笃?/strong>
【學(xué)位授予單位】:東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】:碩士
【學(xué)位授予年份】:2016
【分類號(hào)】:TN859;TN402
【目錄】:
  • 摘要4-5
  • Abstract5-10
  • 第一章 緒論10-14
  • 1.1 研究背景10-11
  • 1.2 論文研究?jī)?nèi)容及意義11-13
  • 1.3 論文組織結(jié)構(gòu)13-14
  • 第二章 無線通信射頻收發(fā)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和性能指標(biāo)14-24
  • 2.1 射頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)14-16
  • 2.1.1 超外差接收機(jī)14-15
  • 2.1.2 低中頻接收機(jī)15
  • 2.1.3 零中頻接收機(jī)15-16
  • 2.2 射頻發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)16-18
  • 2.2.1 超外差發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)16-17
  • 2.2.2 零中頻發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)17-18
  • 2.3 射頻收發(fā)前端系統(tǒng)指標(biāo)18-21
  • 2.3.1 接收前端系統(tǒng)指標(biāo)18-20
  • 2.3.2 發(fā)射前端系統(tǒng)指標(biāo)20-21
  • 2.4 射頻收發(fā)前端指標(biāo)要求設(shè)定21-22
  • 2.5 本章小結(jié)22-24
  • 第三章 6.3-6.8GHz低噪聲放大器的設(shè)計(jì)24-38
  • 3.1 MOSFET噪聲模型24-25
  • 3.2 低噪聲放大器結(jié)構(gòu)分析25-28
  • 3.2.1 噪聲抵消技術(shù)25-26
  • 3.2.2 噪聲抵消電路26-28
  • 3.3 6.3-6.8GHz低噪聲放大器設(shè)計(jì)28-33
  • 3.3.1 LNA電路設(shè)計(jì)指標(biāo)29
  • 3.3.2 噪聲抵消電路設(shè)計(jì)29-31
  • 3.3.3 正反饋技術(shù)和電流復(fù)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析31-32
  • 3.3.4 增益控制單元和輸出平衡Buffer設(shè)計(jì)32-33
  • 3.3.5 器件選擇33
  • 3.4 低噪聲放大器版圖設(shè)計(jì)和后仿真結(jié)果33-37
  • 3.4.1 LNA版圖設(shè)計(jì)33-34
  • 3.4.2 LNA的后仿真結(jié)果34-37
  • 3.5 本章小結(jié)37-38
  • 第四章 6.3-6.8GHz下混頻器的設(shè)計(jì)38-52
  • 4.1 混頻器工作原理38-39
  • 4.2 下混頻器性能指標(biāo)39-40
  • 4.3 無源混頻器結(jié)構(gòu)分析40-42
  • 4.4 6.3-6.8GHz無源混頻器設(shè)計(jì)42-46
  • 4.4.1 無源開關(guān)對(duì)設(shè)計(jì)43-44
  • 4.4.2 本振驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)44-45
  • 4.4.3 可調(diào)增益中頻放大器電路設(shè)計(jì)45-46
  • 4.5 混頻器版圖設(shè)計(jì)和后仿真結(jié)果46-51
  • 4.5.1 版圖設(shè)計(jì)46
  • 4.5.2 后仿真結(jié)果46-51
  • 4.6 本章小結(jié)51-52
  • 第五章 發(fā)射前端驅(qū)動(dòng)放大器的設(shè)計(jì)52-66
  • 5.1 驅(qū)動(dòng)放大器基本原理52-58
  • 5.1.1 阻抗匹配52-54
  • 5.1.2 驅(qū)動(dòng)放大器性能指標(biāo)54-55
  • 5.1.3 驅(qū)動(dòng)放大器電路結(jié)構(gòu)選取55-58
  • 5.2 驅(qū)動(dòng)放大器電路設(shè)計(jì)58-62
  • 5.2.1 雙轉(zhuǎn)單電路單元設(shè)計(jì)59-60
  • 5.2.2 輸出驅(qū)動(dòng)放大器電路單元設(shè)計(jì)60-62
  • 5.3 版圖和后仿真結(jié)果62-64
  • 5.3.1 版圖設(shè)計(jì)要點(diǎn)62-63
  • 5.3.2 驅(qū)動(dòng)放大器后仿真結(jié)果63-64
  • 5.4 本章小結(jié)64-66
  • 第六章 射頻可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑O(shè)計(jì)66-74
  • 6.1 可變?cè)鲆娣糯笃鹘Y(jié)構(gòu)66-67
  • 6.1.1 基于模擬乘法器的可變?cè)鲆娣糯笃?/span>66-67
  • 6.1.2 基于可編程負(fù)載的可變?cè)鲆娣糯笃?/span>67
  • 6.2 射頻可變?cè)鲆娣糯笃髟O(shè)計(jì)67-70
  • 6.2.1 Cascode結(jié)構(gòu)放大器設(shè)計(jì)68-69
  • 6.2.2 增益調(diào)節(jié)電路設(shè)計(jì)69-70
  • 6.2.3 偏置控制電路設(shè)計(jì)70
  • 6.3 射頻可變?cè)鲆娣糯笃靼鎴D設(shè)計(jì)和后仿真結(jié)果70-72
  • 6.3.1 電路版圖設(shè)計(jì)70-71
  • 6.3.2 電路后仿真結(jié)果71-72
  • 6.4 本章小結(jié)72-74
  • 第七章 上混頻器的設(shè)計(jì)74-81
  • 7.1 有源混頻器的基本分析74-76
  • 7.1.1 單平衡混頻器74-75
  • 7.1.2 雙平衡混頻器75-76
  • 7.2 上混頻器的設(shè)計(jì)76-78
  • 7.2.1 上混頻器跨導(dǎo)級(jí)電路設(shè)計(jì)76-77
  • 7.2.2 上混頻器開關(guān)級(jí)電路設(shè)計(jì)77
  • 7.2.3 上混頻器偏置電路設(shè)計(jì)77-78
  • 7.3 上混頻器的版圖設(shè)計(jì)和后仿真結(jié)果分析78-80
  • 7.3.1 電路版圖設(shè)計(jì)78-79
  • 7.3.2 上混頻器仿真結(jié)果分析79-80
  • 7.4 本章小結(jié)80-81
  • 第八章 射頻收發(fā)前端級(jí)聯(lián)及芯片測(cè)試81-90
  • 8.1 射頻收發(fā)前端級(jí)聯(lián)問題分析81-83
  • 8.1.1 襯底串?dāng)_81-82
  • 8.1.2 鍵合線寄生效應(yīng)82
  • 8.1.3 級(jí)間匹配和耦合方式82
  • 8.1.4 電壓和地的隔離設(shè)計(jì)82-83
  • 8.2 接收前端和發(fā)射前端版圖設(shè)計(jì)83-84
  • 8.3 芯片鍵合PCB設(shè)計(jì)84-85
  • 8.4 射頻接收前端芯片測(cè)試85-89
  • 8.4.1 射頻接收前端增益和帶寬測(cè)試85-86
  • 8.4.2 射頻接收前端線性度測(cè)試86-88
  • 8.4.3 射頻接收前端噪聲系數(shù)測(cè)試88-89
  • 8.4.4 射頻接收前端正交輸出波形測(cè)試89
  • 8.5 本章小結(jié)89-90
  • 第九章 總結(jié)與展望90-92
  • 9.1 總結(jié)90-91
  • 9.2 展望91-92
  • 致謝92-94
  • 參考文獻(xiàn)94-98
  • 作者簡(jiǎn)介98

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