华中科技大学 硕士学位论文 2.4G高增益Gillbert混频器的分析与设计 姓名：张程龙 申请学位级别：硕士 专业：微电子学与固体电子学 指导教师：张科峰 20070527 I 摘 要 随着 CMOS 工艺特征尺寸的不断缩小， 它越来越适于高频应用， 并逐渐在部分应 用上取代了成本较高的 GaAs 和 bipolar 工艺等。因此，使得射频、中频和基带集成 在同一块芯片中成为了可能。 混频器是射频系统中的一个关键模块。 在接收器和发射器中,它通过两个信号的相 乘来实现频率变换，对于下变换混频器，高的转换增益可降低接收器对低噪声放大器 的增益要求并可抑制后面中频电路的噪声，而混频器的线性度则决定了整个接收器的 动态范围，同时混频器也是接收器的一个主要噪声源，因此其性能的好坏直接影响到 整个收发器的系统性能。 由于混频器是一非线性时变系统，并存在一个较强的本振（LO）周期信号驱动， 因此对其转换增益，噪声和非线性的理论分析比一般线性时变系统更为复杂。本文对 当前使用最为广泛的 Gillbert 型混频器进行了详细的理论分析， 特别是针对转换增益， 噪声和非线性等性能参数建立了分析模型，并对已有的分析方法进行了优化与改进， 使得其更方便于对电路的设计进行指导。本文的目的就是为射频电路设的计提供一种 有效的理论分析方法来指导电路设计。 本文首先对混频器的基本原理和性能参数进行了简单的说明，并对目前较为流行 的几种混频器进行了介绍，对其性能和应用进行了简单的比较。而后着重分析了 Gillbert 型混频器的转换增益，噪声和非线性等性能参数，对已有的分析方法提出了 优化改进。本文在前面理论分析的基础上设计了一 2.4G 下变换 Gillbert 混频器，增加 了一个 LO 缓冲器使得在提高增益的同时保证了功耗基本不变，其仿真结果与前面理 论分析基本相符，证明了前面的理论分析并说明了如何利用理论分析对电路设计进行 指导。最后对整个研究工作进行了总结，并对论文的局限性进行了说明。 关键词：无线收发器，混频器，高转换增益，低电压 II Abstract As the scale decrease of the CMOS techonology, it has been more and more used for RF circuits. And the CMOS techonology has partly substitute bipolar and Gallium Arsenide, which is more expensive and traditionally implemented for RF application. It makes the fabrication of system on a chip (SOC), consisting of radio frequency (RE), intermediate frequency (IF), and baseband frequency, to be realizable. Mixer is a key component in radio frequency (RF) system, which performs frequency translation of the carrier by multiplication of RF and local oscillation (LO). For the down-conversion mixer, a high conversation gain requires lower gain of the low noise amplifier (LNA) and it can reduce the noise of the following IF circuits, the linearity of the mixer determines the dynamic range of the receiver, and the mixer is also one of the dominating source of noise. So its performance has directly impact on the performance of the system. As the mixer is a nonlinearty time-variant system and its input is the strong LO singal, its operating point is periodically-time-varying. As a result, the analysis of its operation is considerably more complicated than that of the linear time-invariant blocks. The thesis makes a particular analysis of the Gillbert mixer on theory, which is most commonly used. The thesis makes a perticular theoretical analysis of Gillbert mixer which is the most commonly used, especially proposed the models used for the analysis of the conversation, noise and linearty, and makes some optimize and improvement.The subject of this thesis is to provide a useful means for the guidance of the circuits design. First of all, it makes an introduction of the fundamentals and primary parameters and introduces several mixer structures which are commonly used currently and makes simple comparision of the performance and application. Then, especially, we make a perticular analysis of the conversation, noise and linearty of the Gillbert mixer, and proposed some improvement means on the base of available theory. It designed a 2.4G down-conversation Gillbert mixer on the base of theoretical analysis, compared the results of the simulation to the theoretical analysis previous. It is sufficient to III demonstrate the use of the previous theoretical results for the guidance of circuits design. Finally, the research is summarized and the limitation of the thesis is presented. Keywords: Transceiver Mixer High conversation gain Low voltage 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做 出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 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、使用学位论文的规定，即： 学校有权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。 本人授权华中科技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。 保 密，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 1 绪 论 本章首先简要介绍了射频电路的发展和特点，以及相关集成电路产业的发展状况 及其重要性，而后阐述了当前混频器在射频电路中的地位和主要应用，以及当前研究 的热点和难点。 1.1 研究工作的意义 在通信领域，近十年来通信技术以惊人的速度发展，而射频无线移动通信技术的 发展显得尤为迅猛。例如以手机为代表的个人通信市场迅速增氏，根据IDC的调查1， 手机的交货量将从2002年的3.91亿部增加到2006年的6.02亿部，年增长率达9.5%，预 计到2010年，无线通信用户将达到10亿人，并将超过有线通信用户。便携式通信设备 在提供方便、可靠的通信服务方面扮演了重要的角色。在便携式通信设备中，无线接 收器前端用来接收和解调无线信号，是便携式通信设备中最关键的一部分。为了获得 更方便、可靠的通信设备，无线接收器前端必须尺寸小、功耗低、工作频率高和生产 成本低2。因此如何采用成本低廉、集成度高的CMOS工艺实现高性能的射频集成电 路，已成为射频集成电路设计研究的焦点。人们不断提出基于CMOS工艺的射频电路 结构及设计技术，并逐渐推出成熟的CMOS射频产品，取得了非常大的成绩。混频器 作为接收器的关键模块，其CMOS设计技术的研究也是非常重要的课题之一。 混频器是无线通信系统的核心模块， 位于低噪声放大器(LNA)之后， 直接处理LNA 放大后的射频信号，其性能直接影响整个接收器系统的性能。在接收器中，混频器的 作用是将射频(RF)信号变换成容易处理的低频信号；在发射器中，把中频信号变为射 频信号，再由天线发射出去。为实现混频功能，混频器还需要接收来自压控振荡器的 本振(LO)信号，其电路完全工作在射频频段。因此，混频器的设计通常需要考虑转换 增益、线性度、噪声系数以及功耗等性能指标。 任何非线性元件都可以用来做混频器。混频器的实现是从双极技术开始的，而且 达到了很好的混频性能。但其功率损耗很大、噪声系数较高、成本高、以及无法和基 带部分实现单片集成，因而逐渐被CMOS混频器所取代。CMOS技术与双极技术相比， 其非常显著的优点就是低成本、低功耗、高集成度，以及可以与收发器后端电路进行 2 单片集成3。 为了弥补中频滤波器的损耗，以及降低混频器后续电路噪声对系统噪声的贡献， 混频器需要有较高的转换增益。同时混频器的线性度决定了接收机的动态范围。为了 降低系统噪声及减轻LNA的设计压力，混频器应该具有较低的噪声系数。而功耗是所 有模块必须考虑的问题，降低混频器的功耗，可有效地降低系统功耗。由于，当前手 持设备的广泛应用，射频收发器的电源电压不断降低，而传统的Gillbert混频器一般采 用多器件叠加，其对电源电压要求较高，所以低电压混频器的设计成为了当前射频电 路的热点与难点。本文给出了CMOS Gilbert型混频器的高频转换增益的预测算法，时 变输出噪声功率谱