蓝牙接收链路中射频前端电路的设计

论文总字数：21793字

摘 要

本文论述了一个蓝牙链路接收前端的设计过程。按照蓝牙的标准，接收机工作频率应该在2.4-2.5GHz之间。射频前端是由低噪声放大器与下混频器组成的。最后下混频器的中频输出为1-3MHz，整体采用低中频(Low-IF)的接收方案。

本文介绍了设计低噪声放大器的一些基本指标，以及低噪声放大器的一些常见结构，最后基于0.18μm的CMOS工艺，采用双输入双输出的差分结构，设计了一个适用2.4GHz-2.5GHz的低噪声放大器。

下混频器在射频接收机中是负责将射频信号转化中频信号。本文基于0.18μm的CMOS工艺，设计了一种2.4GHz-2.5GHz射频接收机中应用的无源混频器。无源混频器由跨导放大器、本振开关级、跨阻放大器及辅助偏置电路组成。最终输出I,Q两路1MHz-3MHz的中频信号。

关键词：低噪声放大器，无源混频器，增益，噪声系数，IIP3，

RF FRONT END OF BLUETOOTH RECEVEING LINK

Abstract

This paper discusses the design process of a front end of Bluetooth receiving link.According to the Bluetooth standard, the operating frequency of the receiver should be between 2.4GHz-2.5GHz.The radio frequency front end is composed of a low noise amplifier and a down mixer.In the end, the intermediate frequency output of the mixer is 1-3MHz, and the overall reception scheme of low if (Low-IF) is adopted.

This paper introduces the design of low noise amplifier of some of the basic indicators and common structures of the low noise amplifier . Finally based on 0.18CMOS process, using the double inputs and double outputs differential structure ,a low noise amplifier with the frequency between 2.4GHz and 2.5GHz is designed.

The down mixer is responsible for the conversion of radio frequency to intermediate frequency. Based on 0.18 CMOS technology, this paper designs a kind of passive mixer used in 2.4GHz-2.5GHz RF receiver. The passive mixer is made of transconductance amplifier, the Local oscillator switch, transimpedance amplifier and auxiliary bias circuit. Final the output I,Q signal frequency is between 1MHz-3MHz.

目 录

第一章 绪论 1

第二章 射频基础概念 1

1.1 噪声 1

1.2 线性度 5

1.3 S参数 7

1.4 阻抗匹配 8

1.5频率转化 8

1.6反馈 9

1.7电流镜 9

第三章 射频接收方案 12

2.1超外差式接收机 12

2.2零中频接收机 14

2.3镜像抑制接收方案 15

2.4低中频接收方案 16

第四章 低噪声放大器 17

3.1低噪声放大器概述 17

3.2电路设计 18

3.3分析与仿真结果 21

第五章 混频器 23

4.1混频器的一般概述 23

4.2电路设计 24

4.2.1跨导放大器设计(OTA) 25

4.2.2本振开关 27

4.2.3跨阻放大器(TIA) 28

4.2.4分析与仿真结果 30

第六章 总体仿真结果 33

结论 37

致谢 38

参考文献(References)： 38

第一章 绪论

现如今，在个人无线通信领域，无线终端的微型化、低功耗、低成本、高性能是通信技术的发展趋势。当今无线通信系统研究开发的热点之一就是高集成度的单片CMOS射频集成电路。作为无线通信技术之一的蓝牙技术是一种短距离无线通信的通用无线标准，自然也受到了很多研究关注。无线通信射频前端是指介于天线和数字处理部分重点的电路，可分为接收部分和发送部分。接收部分需要探测非常微弱的天线部分，而这些信号的频率可达到几GHz。随着CMOS尺寸的不断缩小，在保持主要性能不变的情况系啊，可减小功耗，提高集成度，更能满足移动无线终端设备低功耗、小型化得到要求。

本次设计的要求是设计一个蓝牙射频前端的电路，达到对噪声系数，S11，增益，线性度以及功耗的要求，并完成仿真。实验使用的工具是Cadence平台的SPECTRE，对自行设计的电路进行仿真修改。

铿腾电子科技有限公司（Cadence Design Systems）是一个专门从事电子设计自动化（EDA）的软件公司，是全球最大的电子设计技术。Cadence是一款大型的EDA软件，它可以完成电子设计的各种方面，包括ASIC设计，FPGA设计和PCB板设计。Cadence在电路的仿真、设计，布局布线、版图设计等方面与其他软件相比有着非常明显的优势。ADE是Cadence公司开发的模拟集成电路设计自动化仿真软件，仿真功能强大多样，包含直流仿真、瞬态仿真、零极点分析、交流小信号仿真、周期稳定性分析、噪声分析和蒙特卡洛分析等。而本次设计中使用的spectre仿真工具是cadenceADE针对全定制集成电路推出的仿真工具，主要用于模拟和数模混合集成电路的仿真。

在本次仿真中，主要使用DC(直流)分析进行直流工作点的分析，使用tran(瞬时)分析进行输出波形的一个分析，使用pss，pac，pnoise等对电路的线性度，噪声，S11以及增益进行分析。

本文采用由部分要整体的介绍方式，每个部分都是按照由基础到设计到仿真的介绍模式，希望这种描述方式能够让读者清晰地明白设计思路，也方便读者思考。

第二章 射频基础概念

这一章对射频中重要指标进行描述分析，包括：噪声(noise),线性度(linearity),隔离度(isolation),阻抗匹配(impedence match)和频率转换(frequency conversion)。这些指标也是在设计电路过程中的参考指标。

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