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1、 目录摘要1Abstract2第一章 前言31.1 选题背景及研究意义31.2 国内外研究现状31.3 设计内容及指标41.4 论文结构4第二章 混频器性能参数及原理52.1 性能参数52.1.1 变频增益52.2.2 线性度62.2.3 噪声系数72.2.4 隔离度72.2 混频器工作原理分析82.2.1 平方律电路82.2.2 MOS管开关电路9第三章 吉尔伯特单元混频器设计143.1 LC选频网络143.1.1 LC选频网络的工作原理143.1.2 设计中LC参数的选取153.2 吉尔伯特单元混频器163.3 混频器仿真结果18第四章 改进后的正交输入上混频器224.1 上混频器结构22
2、4.2 仿真结果23第五章 仿真结果及版图绘制275.1 版图设计275.2 版图检查295.2.1 DRC检查295.2.2 LVS检查31第六章 总结与展望326.1 总结326.2 展望33参考文献34致谢36摘要混频器是WSN收发系统中的关键一环，其主要目的是为了实现对通讯系统中传输的信号按要求进行频率的搬移，从而能够发送或接受。本文设计的了一个基于0.18um CMOS工艺的针对特定频率信号的上混频器。设计要求为，输入信号为一个5M HZ的中频信号，输出射频频率为2.4G HZ2.4835G HZ，混频器工作在1.8V电压下，总电流小于5m A，电压转换增益大于5dB，输入1dB压缩
3、点大于-20dBm，噪声系数小于15dB，要求有较良好的线性度，端口隔离度。本混频器设计以吉尔伯特单元为主体，该拓扑结构有着较好的线性度和隔离度，以及较简单的转换增益，因而是普遍被选择的结构。输出由LC选频网络完成，LC并联结构作输出负载在直流中几乎不占用电压，因此提高了电源效率，在交流中可看作负载引导输出，同时控制增益，且其选频特性可以降低输出信号中的噪声。通过仿真分析，本文中设计的混频器在1.8V电源电压下工作，总电流为4m A，有近22dB的增益，噪声系数在要求输出的频段上为14.33dB，输入1dB压缩点为-13dBm。关键词：上混频器 吉尔伯特单元 LC选频网络AbstractMix
4、er is a key part in WSN transceiver system, Its main purpose is to realize the frequency shift of the signals transmitted in the communication system, so as to transmit or receive the signals. This paper designs an up-converter for a specific frequency signal based on 0.18um CMOS technology. The des
5、ign requirements are that the input signal is an intermediate frequency signal of 5MHz, and the output RF frequency is 2.4G HZ-2.4835G HZ, The mixer operates at 1.8 V voltage, the total current is less than 5m A, the voltage conversion gain is more than 5 dB, the input 1dB compression point is great
6、er than -20 dBm, the noise coefficient is less than 15 dB, and requires a good linearity and port isolation. This mixer designs Gilbert unit as the main body. The topology has good linearity, isolation and simple conversion gain, thus it is widely chosen. The output is accomplished by a LC with the
7、parallel structure frequency selecting network as the output load . The output load takes up almost no voltage in the DC, so the efficiency of the power supply is improved, which can be regarded as the load guiding output in AC, and the gain is controlled at the same time. And its frequency selectio
8、n characteristics can reduce the noise in the output signal. Through the simulation analysis, the mixer designed in this paper has the gain of near 22dB, the noise coefficient is 14.33dB in the required output frequency , and the input 1dB compression point is -13dBm，which works at 1.8 V supply volt
9、age, and the total current is 4 mA.Keywords: up-converter Gilbert unit LC frequency selection network第一章 前言1.1 选题背景及研究意义无线传感网（WSN）是由微机电系统（MEMS）、片上系统（SOC）、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展孕育而出，由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成的多跳自组织网络。它的末梢是可以感知和检查外部世界的传感器，传感器通过无线方式通信，实现了数据的采集、处理和传输三种功能，它的目的是协作地感知、采集和处理传感网络覆盖区域中被感知的对象的信息，并发送给
10、观察者，从而使得观察者能够更精确的做出反馈。因其有着大规模、自组织、动态性、可靠性、集成化、具有密集的节点布置、协作方式执行任务的特点，所以在收集信息方面有着得天独厚的优势和安全性，可探测包括地震、电磁、光强、湿度、噪声、温度、压力、土壤成分、移动中物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样且实时变化的因素。无线传感器网络应用于许多领域，如军事、航空、医疗、救灾、环境、防爆、保健、家居、工业、商业等领域。可以看出，WSN的最关键的一环就是各个传感节点，它是外界与处理系统之间信息交换的桥梁，每个传感节点其实是一个具有收发功能的收发信机，它以嵌入式微处理器及射频收发机芯片为主，所以芯片性能的好坏直
11、接决定传感网络节点的各项指标，而射频收发机系统中重要的一环就是混频器，其功能就是对输入的信号进行频率的搬移，如在发送端将输入的中频进行频率的向上搬移从而使其达到发送频率，在接收端将接收到的射频向下变频从而方便系统处理，混频器的性能直接影响了芯片的性能指标，因此研究并设计应用于无线传感器网络的上混频器具有重要的意义。1.2 国内外研究现状自1968年Barrie Gilbert提出吉尔伯特乘法器电路结构起，因其本身有不错的隔离度、线性度等性能，该结构被认可并被广泛使用于各类有源混频器之中。如今，其主要的应用是作为混频器电路的主体结构，再依据不同的应用领域、设计要求而进行改进，目前国内外主要的研究
12、方向有以下三个方面：（1） 高线性度：线性度决定了混频器处理信号的失真上限，近年来，国内外一直致力于寻找高线性度混频器结构，如负反馈技术、电流注入技术，现在比较有效的一种方法是由电阻源退化负反馈技术改进而得到的电感源退化负反馈技术。（2） 低噪声：噪声系数决定了混频器处理信号的失真下限，近年来，随着通讯技术的飞速发展，以及人们对于通讯的要求的不断的提高，低噪声越来越成为重点研究方向。（3） 低功耗：随着WSN的快速发展，和其的大规模、多领域的应用，以及COMS工艺的不断进步，对于低功耗的混频器的研究也日益重要了起来。1.3 设计内容及指标1. 设计内容（1）课题调研，查阅相关文献资料，了解混频
13、器的应用，理解并掌握混频器设计的性能参数、一般结构及其工作原理；（2）确定设计的上混频器结构及各部分参数；（3）使用cadence进行前仿真，按设计指标调整结构与参数；（4）前仿真满足设计指标后进行版图设计，并进行DRC与LVS的检查。2. 设计指标电源电压1.8V电流5dB输入1dB压缩点-20dBm噪声系数15dB输入中频5MHz输出射频频率2.4-2.4835GHz1.4 论文结构第一章为前言，首先简述了本次设计的研究背景，概述了什么是无线传感网络，什么是混频器，以及它们的联系、应用领域和重要性。第二章介绍了对于混频器中应该关注的各性能参数以及它们对器件的影响，然后提出一些较简单的混频器
14、结构，结合这些一般结构，定性定量地对混频器的工作原理进行分析。第三章先简单介绍了LC网络的工作原理，和选择其作为负载的原因，并给出了其参数的选择，之后给出了所设计的以吉尔伯特单元为主体的上混频器结构，并给出简单的理论分析，再结合仿真结果进行分析，发现其优缺点，提出保留与改进。第四章为改进后使用正交输入的上混频器结构，简述了其工作原理，给出其仿真结果，各项性能符合所给指标。第五章为改进后的上混频器的版图设计，以及DRC和LVS的检查结果。第六章为总结和展望，先总结了本次设计所做的主要工作，接着列举了一些在实际工作中遇到的问题和解决方法或思路，再对本次设计结果中还有改进空间的部分提出一些建议，最后
15、总结了本次设计为未来工作所积累的经验。第二章 混频器性能参数及原理2.1 性能参数2.1.1 变频增益图2.1 混频器符号如图2.1，混频器是一个三端器件，有两个输入和一个输出，其中一个输入端固定的用于本振信号输入，另外两端当输入射频（RF）输出中频（IF）时称为下混频器，用于接收机中，当输入IF输出RF时称为上混频器，用于发射机中。变频增益定义为输出RF（或IF）信号与输入IF（或RF）信号的比值，通常取电压或者功率，在取电压的比值，且单位为分贝（dB）时，增益为 （2.1）称为变频增益是因为它的输入与输出的频率不同，它是频率转换型器件的范畴。2.2.2 线性度图2.2 混频器线性度及重要参数现代通信系统对信号的动态范围有着严格的要求，动态范围的下限由噪声系数决定，其上限则由线性度决定，因为混频器在接收机中处于射频信号幅度最高的位置，且还有许多噪声干扰存在，所以器件的线性度决定了电路对于信号处理的失真程度。在正常工作情况下，输入电平远低于本振电平，此时输出将随输入线性变化，当输入电平增加到一定程度时，输出
