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第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
当前社会已进入高速信息交流的数字社会，人们能够便捷地获取所需的各种信息，且越来越少地受到时间和空间制约。无线通信技术尤其是移动通信技术恰好满足了人们对通信 5W（whoever, wherever, whenever, whomever, whatever)的渴求，即任何人可以在任何地点、任何时候与任何人进行任何内容的通信。以 4G、WLAN、蓝牙为主体的各种无线通信技术构筑了整个无线接入网的基石，成为不可或缺的社会生产生活必需。随之蓬勃兴起的移动互联网更是深刻改变着社会发展方式。人们现在已不再满足于人与人之间的通信，希望还能实现人与物之间、物与物之间通信，物联网、5G、万物互联讨论方兴未艾。移动智能设备的涌现进一步改变了人们的信息体验方式，不再局限于文本交流，语音通话等基础服务，而更加注重信息的多样化和实时交互。因此对无线通信技术在广连接、高速率、大带宽、低功耗、低延时等各方面提出了更高要求。这也促使 4G、5G、射频识别技术(RFID)、蓝牙(Bluetooth)、超宽带技术(Ultra-Wide Band，UWB)和无线局域网(WLAN)等多种无线通信技术向纵深发展[1-3]。为满足随时随地高速接入需求，使得无线通信设备的便携化、低功耗、低成本和高性能成为研究热点。无线通信设备在具备处理高速率、大容量、多媒体数据能力的同时，也大大增加了设备功耗。尽管各种移动通信设备层出不穷，功能日趋丰富，但如何提升电源续航能力和降低设备功耗，以满足高性能所带来的能耗需求，同时延长整机工作时间是业界长久以来的研发焦点。除了电池技术新材料研发应用之外，降低系统能耗，设计低功耗接收机已成为提升设备续航能力的重要方向之一。接收机功耗又主要在于射频部分，射频前端模块是整个接收机的关键，负责完成无线信号选择接收、放大、频谱搬移、带外信号滤除抑制以及解调等主要功能。射频前端不仅决定了接收机系统性能指标，而且也决定了接收机系统的大部分功耗。因此研究设计低功耗接收机射频前端更是重中之重。由于无线通信涉及频段多，当频率越高时，主要无线通信硬件的实现越困难。采用离散元件实现射频无线接收机不仅价格高昂，稳定性低，而且系统体积庞大，功耗居高不小。随着电子工艺技术的发展，特别是超大规模集成电路技术的发展，高集成度射频无线接收机已成为业界主流，并已广泛应用在各种通信设备上，它们的射频集成电路部分大多采用 BiCMOS、Bipolar、SiGe、GaAs 或HBT 等工艺[4-7]。近年来也出现了以GaN、AlN、InN 等为代表新兴工艺技术，由于工艺制作复杂困难，其广泛应用受到了限制。
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1.2 国内外研究现状
通信系统的收发机包括发射机和接收机，其中发射机的射频前端实现对输入信号即基带信号在载波信号上的载波调制，利用混频器将中频信号变频至所需的射频频段上后经过功率放大器放大再经天线辐射出去。发射端输出的载波信号通常为较大功率射频放大信号，为了保证信号传输的可靠性，尽量减少其对邻近信道的干扰，发射机设计时主要考虑指标为效率、频谱和功率；接收机射频模块功能则与发射机相反，主要实现从各种频谱的电波信号中筛选出所需频谱信号，并将其下变频至特定频率，经放大后再由解调器解调出基带信号，从而完成射频信号到基带信号的变换。但是，由于电磁波在空间传播路径上存在诸多损耗，如多径效应衰落、快速衰落等，信号到达接收机前端时已相当微弱并伴有许多其它信号干扰，而且干扰信号强度等级或许会远大于有用信号，所以接收机的设计重点在信道选择性和系统灵敏度两方面。低噪声放大器作为射频接收机第一级的有源模块，它的噪声性能和线性度对整个接收机系统的选择性和灵敏度都有着至关重要的作用。因此，它在放大射频有用信号的同时也能有效降低其噪声系数和提高线性性能。位于低噪声放大器之后的下混频器是接收机射频前端电路的另一重要模块，它主要负责信号频谱的搬移。射频信号通过低噪声放大器放大后在混频器与本振信号混频将信号频谱搬移到所需要的频段。此外，有源混频器还需要具有良好的端口隔离性能、一定的转换增益以及较高线性度和较低噪声。如今接收机设备正不断朝着功能更强、带宽更大，处理器速度更快的方向发展，这也带来接收机设备功耗的成倍增长。因此希望在提升性能的同时尽可能降低无线通信设备功耗，提高设备集成度。对超大规模集成电路的低功耗设计要求也日趋严苛。于是低功耗 CMOS 射频集成电路应运而生，CMOS 电路以其功耗低，抗干扰能力强，温度稳定性好，逻辑摆幅大，动态范围大，工作电压范围宽等优点迅速在射频前端电路中崭露头角，并逐渐成为了射频收发机的一种重要设计思路。一般接收机设备分为射频模拟前端部分和数字后端部分，通常射频模拟前端部分占到整个接收机设备功耗的大部分，射频模拟前端电路性能也决定了接收机无线通信性能。因此，设计用于射频前端的 CMOS 集成电路，从而降低接收机射频前端功耗，提升整机通信性能，对于无线通信系统设计具有重要意义。
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第2章 CMOS 接收机射频前端电路模块设计理论
2.1 接收机射频前端概要
通信机由发射机和接收机组成。如图 2.1 所示，接收机射频部分是要从诸多电磁波信号中筛选出有用信号，并经前级放大电路模块放大至解调器所需电平值后由解调器解调出有用信号，再将载频信号转换为基带信号。由于空间传输存在各种路径损耗并伴随许多干扰，接收机所接收到的电磁波信号非常微弱且变化复杂。为顺利接收并解调信号，要求接收机选择性良好、灵敏度高和动态范围大。低噪声放大器和混频器是负责处理信号放大和变频的关键模块，两者又位于射频接收机前端，对整机射频性能的影响最大，故对这部分的技术要求也最高。本章分析和讨论这些电路的基本原理、结构以及特点，以为后面章节的具体电路设计提供相应理论基础。目前比较常见的接收机主要结构包括超外差结构、零中频结构和低中频结构等几种。超外差接收机（Super-Heterodyne Receiver）射频部分的结构方框图如图 2.2 所示[104]。因该结构具有成熟的理论基础和较好的射频性能，是目前应用最广泛的射频接收机拓扑结构。一般，接收机天线所能接收到的最低信号电平为-125dBm 左右，一般需要多级放大才能保证信号电平满足解调器解调门限。为了保持放大器的稳定，避免振荡，放大器频带内增益不能过大。在超外差接收机中，将设计的总增益分别分配到射频、中频、低频和基带各个频段予以组合实现。如此一来，在较低的中频段上实现放大器高增益要比载波频段上做高增益的放大器容易得多，也要稳定得多。从天线上接收到的微弱射频信号先由射频带通滤波器(RF BPF)消除带外信号， 然后经低噪声放大器(LNA)放大。但LNA 的增益不宜太高，过高会因为器件的非线性导致众多的非线性互调失真。经 LNA后的镜像干扰抑制滤波器滤波后，信号与本振信号（LO1）在混频器中混频，下变频后得到中频 (IF)信号。然后经中频处的带通滤波器(IF Filter)滤除杂波并交由中频放大器(IFAmp)放大，有用信号分两路再一次下混频，即获得所需的正交 IQ 两路基带信号。其信号经再次放大和滤波处理后，通过模数转换器(ADC)转换为数字信号[105]进行解调。
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2.2 低噪声放大器理论分析
低噪声放大器（LNA）的主要作用是放大天线从空中接收到的微弱信号，减少噪声干扰，以供系统解调出所需的基带信息数据，其性能对整个接收机电路有很大的影响。如今，人们对各种无线通信设备的要求也越来越高，如功耗低、功率辐射少、使用距离远、覆盖范围要广等，要求 LNA 的噪声越小越好，并对信号有一定的放大作用，但 LNA 的增益不能过大，会给下一级的混频器带来多种非线性失真。要满足接收系统的上述要求。这就需要兼顾 LNA 的各项主要指标，包括噪声系数（NF）、增益（S21）、输入匹配（S11）、输出匹配（S22）、隔离度（S12）、输入三阶截取点（IIP3）以及功率消耗等[107]。所以，低噪声放大器的设计对整个接受系统是很重要的，而且是提高灵敏度的关键手段之一。
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第 3 章 低功耗超宽带低噪声放大器研究与设计..........45
3.1 引言........... 45
3.2 提出的超低功耗 3.1-10.6GHz 超宽带低噪声放大器.......... 45
3.3 仿真结果 .............. 50
3.4 与相关工作的比较 ......... 51
3.5 小结........... 52
第 4 章 一种 5GHz 超低功耗高增益混频器的设计.......53
4.1 引言........... 53
4.2 提出的超低功耗混频器电路与设计 .............. 53
4.3 仿真结果 .............. 59
4.4 与相关工作的比较 ......... 63
4.5 小结........... 63
第 5 章 电流模式四相正交振荡器的研究与设计..........65
5.1 引言........... 65
5.2 提出的四相正交电流模式振荡器 ....... 65
5.3 仿真结果 .............. 72
5.4 实验结果 .............. 75
5.5 小结........... 76
第 6 章 基于 MOCCCA 与 OTA 的电流模式通用滤波器的研究与设计......77
第6章 基于 MOCCCA 与 OTA 的电流模式通用滤波器的研究与设计
6.1 引言
滤波器对于不同的频率能产生不同的幅频响应，常据此特性对信号进行相应处理，因此滤波器被广泛应用于电子电路中。滤波器可根据外部是否供电分为有源滤波器和无源滤波器。在无源滤波器中，其构成元器件通常为电容、电感和电阻，由于没有外部能量供给，因此无源滤波器对信号具有一定损耗，此外，由于无源滤波器中含有的电感具有较大面积，因此不利于于系统集成化。有源滤波器通常由有源器件、电阻和电容构成，其版图面积较小，十分有利于系统的集成化设计，此外，有源滤波器还具有其他无源滤波器所不具有的优点：有源滤波器可对输入信号幅度进行放大；有源滤波器的幅频响应不易受到信号源和负载内阻的影响；有源滤波器的参数可灵活地调节；有源滤波器的无杂散动态范围较大。因而，有源滤波器得到了普遍应用。在有源滤波器中，根据滤波器的阶数可分为低阶滤波器和高阶滤波器，其中低阶滤波器因其电路结构简单而得到广泛应用。在低阶滤波器中，由于二阶滤波器具有较好的频率选择性和阻带衰减能力因而得到广泛应用[126]。在射频系统中，信号从射频端下变频至低频时，需要使用滤波器对信号做相应处理。在二次变频的超外差式结构接收机中，当信号经过二次混频后，需要相应的带通滤波器选取信号和抑制带外噪声；在零中频接收中，需要相应的低通滤波器对零中频信号进行滤波；解调后的信号在进行模数转换之前，需通过相应的低通或带通滤波器[109]；另外，在发射机中，仍需要相应的滤波器对通过的基带信号进行处理。综上所述，在射频系统中，具有不同幅频响应的滤波器设计是其一个重要组成部分。学者提出了一种基于跨导运算放大器(OTA, Operational trans-conductance amplifier)，不需要任何有源器件而具有五种滤波功能的滤波器[80]，但由于外接了接地电容和四个电阻使得器件数过多，自然频率与品质因数不可调。文献[81]虽减少了器件数量，电容不接地，不适合 IC 集成，并且这样基于 OTA 设计的高通滤波器输出不能提供高输出阻抗。文献[82]在 OTA 基础上设计的滤波器满足五种滤波类型，自然频率与品质因数均可调，并且电容接地，无需任何有源器件可实现电流输出。但因器件数目多，导致结果复杂，功耗更多以及芯片面积过大等。基于以上研究成果，本章采用了电流模式设计思路，结合多输出的电流可控电流放大器(MOCCCA, Multi-output current controlled current amplifier)和跨导运算放大器，提出了一款二阶通用滤波器电路。该二阶通用滤波器电路采用的是电流模式设计，电流模式又是实现低功耗的有效途径。
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总结
本论文首先介绍了低功耗接收机 CMOS 射频前端电路的研究背景及意义，简述了国内外低功耗低噪声放大器、低功耗高增益混频器、电流模式四相正交振荡器和电流模式二阶通用滤波器的发展状况及趋势。接着对上述电路模块进行了相关理论介绍和分析，在理论分析基础上进而融合相应的低功耗技术提出了新型低电压、超低功耗低噪声放大器；结合电流复用技术提出了高增益、超低功耗下混频器电路；根据振荡器理论和电流模式器件特点，针对性地创新，提出一种振荡频率可调的四相正交振荡器；将滤波器理论、电流模式技术、电流模式器件相结合，提出了基于 MOCCCA 与 OTA 的电流模式二阶通用滤波器。本文主要工作及创新如下：
(1) 提出了一种采用电流复用技术和衬底偏置技术的超低功耗超宽带射频前端 LNA电路。所设计的 UWB LNA 电路采用 TSMC 0.18μm CMOS 工艺，并通过采用片上变压器网络和功率优化技术，使得 LNA 在整个频段内的转换增益达在 8.3dB-10.5dB，噪声系数在 1.8dB-3.6dB，IIP3 在 4.5GHz 处为-3.8dBm。所有这些仿真结果都满足超宽带接收机的性能要求。尤其是该电路的工作电压为 0.8V，功率消耗仅为 1.9mW，满足超宽带中超低功耗应用的设计要求。
(2) 提出了一种可工作于低电压下的超低功耗 CMOS 混频器，工作频率为 5GHz。该电路基于 Gilbert 双平衡结构，在折叠型电路拓扑结构中通过将输入跨导级与开关级各自独立偏置，以实现低电压工作。此外，混频器跨导级结合电流复用技术，提升了低电压下混频器转换增益。同时，在综合考虑偏置电流消耗时，通过合理调节电流，可进一步提高该混频器电路转换增益和线性度性能。仿真结果表明，输入本振功率为-4dBm 时，混频器转换增益可达 17.9dB，输入三阶互调点约为-1.4dBm，单边带噪声系数为 9dB，此时功耗仅为 0.9mW。该混频器的噪声系数和功耗非常低，转换增益和线性度性能较好，非常适合应用于超低功耗射频接收机。
(3) 提出了一种无电感四相正交电流模式振荡器。该电路中不含有电感，因此具有极小版图面积，面积为 1.44mm2。此振荡器具有较低功耗，振荡频率和振荡条件可由外接偏置电源单独调节，振荡频率可由 30.02MHz 调至 93.70MHz，调谐范围达 63.68MHz，其调谐范围较大。该振荡器输出信号线性度较好，谐波功率相对于基波功率较小，输出信号波形无明显失真。
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参考文献（略）
