本文關鍵詞：6.3-6.8GHz射頻收發(fā)前端芯片的設計

  更多相關文章： 未來5G通信 射頻收發(fā)前端 噪聲抵消結構 混頻器 雙轉單驅動放大器 射頻可變增益放大器

【摘要】：對于未來5G通信來說,除了使用傳統(tǒng)上的低于6GHz的移動通信授權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。本次設計把頻段定在6.3-6.8GHz,在對比幾種常用收發(fā)機架構的優(yōu)缺點之后選取了零中頻收發(fā)機結構,并確定了收發(fā)前端的設計指標。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)射前端包括驅動放大器(DA)、射頻可變增益放大器(RFPGA)和上混頻器(Mixer),根據(jù)系統(tǒng)指標要求明確了各個子單元電路的設計要求。根據(jù)設計需要,低噪聲放大器需要實現(xiàn)單轉雙功能,在比較幾種常用低噪聲放大器結構后,本文設計采用單轉雙噪聲抵消技術的LNA,并在傳統(tǒng)結構的基礎上,引入正反饋技術和電流復用技術提高增益降低噪聲,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構,并根據(jù)設計要求,對混頻的開關對電路和中頻放大器電路以及本振Buffer電路作了詳細的分析�；祛l器為I/Q正交混頻器,包括四路開關對電路和兩個全差分中頻放大器；電路輸出信號1dB帶寬大于250MHz；輸入線性度P1dB大于-5dBm。驅動放大器的設計要求實現(xiàn)差分轉單端的功能,并且輸出功率大于6dBm,本文設計的DA電路分為兩級：差分轉單端電路級和輸出驅動電路級。為了提高線性度和帶寬以及減小芯片面積,輸出驅動級電路采用推挽反相器結構；差分轉單端電路中添加了一個小電感來平衡6.3-6.8GHz頻段的相位和幅度。本設計采用2.5V電壓供電來實現(xiàn)電路線性度的要求,晶體管選用厚柵氧化層管。射頻可變增益放大器的設計采用全差分Cascode放大器結構,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,增益調節(jié)的同時不會影響電路輸入級的匹配和線性度指標。上混頻器采用全差分形式的I/Q正交調制結構,它包括了兩個雙平衡Gilbert單元混頻器,并采用帶中間抽頭的差分電感作為負載；輸入信號偏置電壓實現(xiàn)片內可調節(jié)；本振端的偏置電壓采用動態(tài)自適應偏置電路來實現(xiàn)；為了擴展帶寬,電感負載上可以并聯(lián)一個電阻。本文設計的射頻接收前端芯片和射頻發(fā)射前端芯片,完成了版圖設計、仿真、流片以及接收前端芯片的測試,芯片采用TSMC 0.13um CMOS工藝流片。射頻接收前端芯片測試結果表明：在6.3-6.8GHz頻段內S11-10dB；增益19-31dB可調；中頻輸出1.5dB帶寬350MHz；輸入1dB壓縮點大于-20dBm,輸入三階截點(IIP3)大于-10dBm；噪聲系數(shù)(NF)小于4dB；輸出正交性能良好。對于射頻發(fā)射前端芯片的后仿真結果表明：輸出P1dB大于7dBm,OIP3大于20dBm；最大增益26dB,有10dB可調范圍；1.5dB帶寬大于500MHz。
【關鍵詞】：未來5G通信 射頻收發(fā)前端 噪聲抵消結構 混頻器 雙轉單驅動放大器 射頻可變增益放大器
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：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 論文研究內容及意義11-13
• 1.3 論文組織結構13-14
• 第二章 無線通信射頻收發(fā)機系統(tǒng)結構和性能指標14-24
• 2.1 射頻接收機結構14-16
• 2.1.1 超外差接收機14-15
• 2.1.2 低中頻接收機15
• 2.1.3 零中頻接收機15-16
• 2.2 射頻發(fā)射機結構16-18
• 2.2.1 超外差發(fā)射機結構16-17
• 2.2.2 零中頻發(fā)射機結構17-18
• 2.3 射頻收發(fā)前端系統(tǒng)指標18-21
• 2.3.1 接收前端系統(tǒng)指標18-20
• 2.3.2 發(fā)射前端系統(tǒng)指標20-21
• 2.4 射頻收發(fā)前端指標要求設定21-22
• 2.5 本章小結22-24
• 第三章 6.3-6.8GHz低噪聲放大器的設計24-38
• 3.1 MOSFET噪聲模型24-25
• 3.2 低噪聲放大器結構分析25-28
• 3.2.1 噪聲抵消技術25-26
• 3.2.2 噪聲抵消電路26-28
• 3.3 6.3-6.8GHz低噪聲放大器設計28-33
• 3.3.1 LNA電路設計指標29
• 3.3.2 噪聲抵消電路設計29-31
• 3.3.3 正反饋技術和電流復用結構設計和分析31-32
• 3.3.4 增益控制單元和輸出平衡Buffer設計32-33
• 3.3.5 器件選擇33
• 3.4 低噪聲放大器版圖設計和后仿真結果33-37
• 3.4.1 LNA版圖設計33-34
• 3.4.2 LNA的后仿真結果34-37
• 3.5 本章小結37-38
• 第四章 6.3-6.8GHz下混頻器的設計38-52
• 4.1 混頻器工作原理38-39
• 4.2 下混頻器性能指標39-40
• 4.3 無源混頻器結構分析40-42
• 4.4 6.3-6.8GHz無源混頻器設計42-46
• 4.4.1 無源開關對設計43-44
• 4.4.2 本振驅動電路設計44-45
• 4.4.3 可調增益中頻放大器電路設計45-46
• 4.5 混頻器版圖設計和后仿真結果46-51
• 4.5.1 版圖設計46
• 4.5.2 后仿真結果46-51
• 4.6 本章小結51-52
• 第五章 發(fā)射前端驅動放大器的設計52-66
• 5.1 驅動放大器基本原理52-58
• 5.1.1 阻抗匹配52-54
• 5.1.2 驅動放大器性能指標54-55
• 5.1.3 驅動放大器電路結構選取55-58
• 5.2 驅動放大器電路設計58-62
• 5.2.1 雙轉單電路單元設計59-60
• 5.2.2 輸出驅動放大器電路單元設計60-62
• 5.3 版圖和后仿真結果62-64
• 5.3.1 版圖設計要點62-63
• 5.3.2 驅動放大器后仿真結果63-64
• 5.4 本章小結64-66
• 第六章 射頻可變增益放大器的設計66-74
• 6.1 可變增益放大器結構66-67
• 6.1.1 基于模擬乘法器的可變增益放大器66-67
• 6.1.2 基于可編程負載的可變增益放大器67
• 6.2 射頻可變增益放大器設計67-70
• 6.2.1 Cascode結構放大器設計68-69
• 6.2.2 增益調節(jié)電路設計69-70
• 6.2.3 偏置控制電路設計70
• 6.3 射頻可變增益放大器版圖設計和后仿真結果70-72
• 6.3.1 電路版圖設計70-71
• 6.3.2 電路后仿真結果71-72
• 6.4 本章小結72-74
• 第七章 上混頻器的設計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 上混頻器的設計76-78
• 7.2.1 上混頻器跨導級電路設計76-77
• 7.2.2 上混頻器開關級電路設計77
• 7.2.3 上混頻器偏置電路設計77-78
• 7.3 上混頻器的版圖設計和后仿真結果分析78-80
• 7.3.1 電路版圖設計78-79
• 7.3.2 上混頻器仿真結果分析79-80
• 7.4 本章小結80-81
• 第八章 射頻收發(fā)前端級聯(lián)及芯片測試81-90
• 8.1 射頻收發(fā)前端級聯(lián)問題分析81-83
• 8.1.1 襯底串擾81-82
• 8.1.2 鍵合線寄生效應82
• 8.1.3 級間匹配和耦合方式82
• 8.1.4 電壓和地的隔離設計82-83
• 8.2 接收前端和發(fā)射前端版圖設計83-84
• 8.3 芯片鍵合PCB設計84-85
• 8.4 射頻接收前端芯片測試85-89
• 8.4.1 射頻接收前端增益和帶寬測試85-86
• 8.4.2 射頻接收前端線性度測試86-88
• 8.4.3 射頻接收前端噪聲系數(shù)測試88-89
• 8.4.4 射頻接收前端正交輸出波形測試89
• 8.5 本章小結89-90
• 第九章 總結與展望90-92
• 9.1 總結90-91
• 9.2 展望91-92
• 致謝92-94
• 參考文獻94-98
• 作者簡介98

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