论文总字数：25116字

摘 要

2.4GHz作为全球共同的免费ISM频段，不仅广泛用于工业、医疗、科学，生活中的大多数无线设备也都使用了工作于2.4GHz频段的BLE和ZIGBEE等技术。在越来越复杂的工作环境中，为使无线通信系统更好地工作，提升无线收发机的性能十分关键的。混频器作为无线收发机中连接射频、本振和中频的重要电路模块，对其电路结构进行设计和改进，对提高收发链路的性能有很大的意义。

本论文将设计改进一个基于TSMC 40nm工艺，用于BLE和ZIGBEE等2.4GHz短距离无线通信接收链路的下混频器。因为电流模无源混频器具有转换增益大，线性度高，工作时功耗小等优点，所以本次设计将采用电流模无源混频器结构。本论文中设计的混频器使用了电流复用结构的跨导级电路，这种电路提高了等效跨导，降低了跨导级电路的功耗，同时优化了跨导级线性度。为了改进传统反馈式跨阻器的增益较小的问题，本次设计中跨阻级主体电路使用了调整型共源共栅电路来增大跨阻级的增益，同时辅助放大器使用了折叠式共源共栅结构来改善跨阻器输出阻抗，提供了更高的增益。本论文将使用这些电路来改进设计混频器，以完成课题设计要求的输入电压为0.8V，静态电流2mA，转换增益达20dB以上，噪声系数小于12dB，三阶互调截点IIP3大于-10dBm，同时有I、Q正交两路输出的指标要求。

最后在Cadence上的仿真结果表明，在0.8V低电压正常工作状态下，当设计的下混频器输出中频信号频率为1MHz时双边噪声系数约为10.74dB，输出中频信号1.1MHz转换电压增益约22.81dB，，输入三阶交调点IIP3为-4.55dBm，混频器在正常工作电压前提下完成了相应的指标。

关键词：电流模无源混频器；电流复用结构；等效跨导；调整型共源共栅

Abstract

As the global free ISM band, 2.4GHz is not only used in industrial, medical, and scientific fields. Most wireless devices in life also use technologies such as BLE and ZIGBEE operating in the 2.4 GHz band. In an increasingly complex working and living environment, it is very important to improve the performance of the wireless transceiver in order to make the wireless communication system work better. As an important circuit module connecting radio frequency, local oscillator and intermediate frequency in the wireless transceiver, the mixer is very meaningful in designing and improving its circuit structure.

This paper will design and improve a passive mixer based on the TSMC 40nm process for 2.4GHz short-range wireless communication receiving links such as BLE and ZIGBEE. For the passive mixers that are currently used more, they are widely used in the RF receiving front-end link because of their advantages of large conversion gain, high linearity, and low power consumption during operation. The transconductance level equivalent transconductance of the current multiplexing structure is higher, and the power consumptiont is reduced. The linearity of the transconductance is optimized. In the passive mixer, the gain of the traditional feedback type cross-resistor is small. The Transimpedance Amplifier uses the adjusted cascode circuit in this design. To increase the gain across the resistor stage, the auxiliary amplifier uses a folded cascode structure to improve the transimpedance output impedance.

Finally, the simulation results show that under the normal operating condition of 0.8V low voltage, the designed lower mixer output intermediate frequency is 1.1MHz, the conversion gain is about 22.81dB, the bilateral noise figure is about 10.7dB, and the input third order intersection The point IIP3 is -4.55dBm.

Key words: current mode passive mixer; current multiplexing structure; equivalent transconductance; adjusted cascode

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1论文背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3论文主要工作 3

1.4论文内容概述 3

第二章 混频器概述 5

2.1混频器基本工作原理 5

2.2混频器的关键性能参数 5

2.2.1转换增益 6

2.2.2噪声系数 6

2.2.3线性度 8

2.2.4端口间隔离 9

2.3混频器的结构概述 10

2.3.1非线性混频器 10

2.3.2单平衡有源混频器 11

2.3.3双平衡有源混频器 12

2.3.4单平衡无源混频器 14

2.3.5双平衡无源混频器 14

2.4本章小结 15

第三章 混频器设计 16

3.1跨导级的设计 17

3.2开关级的设计 20

3.3跨阻级的设计 21

3.3.1跨阻级电路分析 21

3.3.2跨阻级结构设计 22

3.4本章小结 27

第四章 电路仿真 28

4.1仿真电路的搭建 28

4.2基本功能仿真 28

4.3主要性能仿真 30

4.3.1转换增益仿真 30

4.3.2噪声系数仿真 31

4.3.3线性度IIP3仿真 32

4.4温度工艺角仿真 34

4.5本章小结 35

第五章 总结与展望 36

5.1总结 36

5.2展望 37

参考文献 38

致 谢 39

第一章 绪论

1.1论文背景

随着物联网及智能化概念的提出与发展，我们身边越来越多的设备开始加入了全球智能化浪潮中，在我们的日常工作生活中，无线传感网络正在扮演着重要的角色。无线传感网络是由无线传感节点组成的，它们功耗低成本低，因此可以满足大量部署的需求。在部署区域内，无线传感节点利用不同的无线通信方式可以形成多跳自组织网络，以此来协作完成感知、采集、处理一定范围内数据的功能。

但是，在传感器节点的部署进程中出现了两个问题，一是为了获取更多详细的不同数据，传感器节点数量激增，由于开放的频段有限，工作频率相同会造成大量传感终端的信号恶化。二是由于传感器节点由于部署数量问题不便于随时更新，人们对其的低功耗要求也越来越高。依据国际通信联盟无线电通信局（ITU Radiocommunication Sector）规定，应用于工业、科学、医学的免费开放频段中的2.4GHz为各国共同的ISM（Industrial Scientific Medical）频段。传感节点使用的诸如超低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy , BLE）与ZIGBEE等技术就工作在此频段下。根据规定，传感节点工作在此频段时需遵守小于1W的发射功率，以免对其他频段的传输造成干扰。因此，对短距离无线通信接收链路来说，提高其对信号的增益，降低其功耗，对整个无线通信行业发展都有重要意义。

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