基于CMOS工艺的IR-UWB通信射频芯片设计

【摘要】2002年美国联邦通信委员会开放了无须许可的3.1～10.6GHz的超宽带(UWB)频谱资源吸引了许多公司和学术研究机构投入UWB技术的产品和应用开发工作。因为该技术利用宽带频谱资源、采用简单的调制方式可以在短距离内实现高达数百兆的无线通信速率,远超过一般的短距通信系统如802.11/a/b/g、蓝牙等。但是UWB技术的发展并非一帆风顺,直接序列超宽带(DS-UWB)多带正交频分复用(MB-OFDM)两大体制无法达成统一阻碍了UWB标准的制定。从此,UWB的体制之争完全由市场来决定。因而UWB技术的开发不再局限于何种体制,能否实现被市场所接受的低功耗、低成本UWB芯片成为了关键。本文研究重点是基于载波结构脉冲超宽带(IR-UWB)射频前端芯片的低功耗、低成本电路设计。论文系统地讨论了共栅输入多级超宽带LNA的设计,对带宽、噪声系数和功耗等重要技术指标进行了理论分析,针对多级共栅LNA的噪声系数和功耗的缺点提出了基于电容交叉耦合和电流复用结合的技术,显著降低了LNA功耗。测试结果显示该UWBLNA在3～5GHz的峰值增益18.8dB,最低噪声系数3.4dB,芯片的整体功耗为7.8mW。针对多级宽带LNA的大面积片上电感问题,提出了适合UWB应用的低Q值小尺寸片上电感,可以在不牺牲UWBLNA的性能前提下有效减小芯片面积。测试显示,应用该技术的UWBLNA比采用普通电感的LNA面积降低75%,有效降低了芯片面积。论文系统地讨论了UWB收发射频前端结构,并针对IR-UWB体制讨论了低阶调制方式的直接变频收发机结构,并实现了针对OOK调制方式和BPSK调制方式的接收机电路。提出了适合单比特接收的基于宽带限幅放大器接收机结构,降低了接收机的复杂度和功耗。接收机还广泛采用电流复用LNA和跨导驱动放大器、无源混频等多种方法进一步降低芯片功耗。因为合理的接收机结构和低功耗电路设计,该接收机采用SMIC0.18umCMOS工艺可以实现400Mbps解调速率,功耗仅32mW,芯片面积小于1mm2。本论文还介绍了基于Sigma-delta调制器的小数频率综合器设计。针对深亚微米工艺的1/f对振荡器相位噪声的影响,提出了具有1/f噪声抑制的串联耦合正交振荡器(QVCO)电路,通过引入源级耦合电容在10KHz频偏处实现了15dB的相位噪声优化。采用SMIC0.18umCMOS工艺流片验证,该芯片工作在4.8GHz的1MHz频偏处相位噪声为-124dBc/Hz。在该QVCO基础上应用合理的锁相环参数设计和低噪声模块电路设计,实现了小于1°积分相位噪声的小数频综。最后,本论文实现了包含频率综合器在内的全集成UWB收发芯片设计,芯片总功耗134.6mW,射频收发芯片数据率超过300Mbps,基于所设计芯片搭建的业务演示系统实现了125Mbps视距大于16米的无线高清视频传输。
【作者】蔡力；
【导师】王卫东；黄鲁；
【作者基本信息】中国科学技术大学，电磁场与微波技术，2012，博士
【关键词】脉冲超宽带；低噪声放大器；射频接收机；正交振荡器；小数频率综合器；无线高清视频传输；

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