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随着CMOS工艺的特征尺寸按照摩尔定律不断地缩小,MOS晶体管的截止频率得到了飞速地增加,标准CMOS工艺在射频集成电路领域得到了广泛地应用。标准CMOS工艺用于射频集成电路的设计,其主要的优点是集成度高、成本低;主要缺点是MOS管的1/f噪声大、饱和区的线性度不够好等。特别是在零中频架构的射频收发机中,大的1/f噪声会严重地干扰有用信号。虽然目前比较成熟的射频通信系统有手机通讯、数字电视广播、蓝牙、无线局域网、全球定位系统、军民用雷达等,但一些新的研究领域,如无线人体局域网、物联网、智能电网也悄然兴起。 本文针对无线人体局域网、物联网、智能电网中无线抄表这三个新研究领域中的射频通信系统展开了研究,基于标准的CMOS工艺,分别设计了三款射频收发机芯片,在解决了CMOS工艺器件高1/f噪声、线性度不够好等问题的同时,针对这三个系统中特有的技术难点提出了相应的解决方案。这三款CMOS射频收发机分别采用了超再生、零中频、低中频架构,工作频段分别为3.5G~4.5GHz、840M~928MHz、470M~510MHz。论文的主要工作和创新点包括: 1.针对无线人体局域网的应用,基于标准的0.18um CMOS工艺,设计了一种基于注入锁定原理的新型低功耗IR-UWB超再生接收机芯片。 (1)从系统上,利用超再生的原理来降低接收机功耗,同时不需要下变频混器,避开了MOS管的高1/f噪声问题。 (2)提出了用振荡器注入锁定的原理来进行频率校准的方法,替代了基于锁相环的方法,进一步降低了接收机芯片的功耗。 2.针对物联网的应用,基于标准的0.18um CMOS工艺,实现了一种全集成的手持式零中频超高频RFID读写器芯片。 (1)提出并设计了一款电容耦合共栅输入的低1/f噪声、高线性度、高增益的吉尔伯特有源下变频混频器。 (2)提出并设计了一种新的片上直流失调消除电路,不仅满足了协议规定的通信时间要求,同时省去了大的片外去DC电容,提高了芯片的集成度。 (3)提出并设计了一种新的数字信号单端转差分电路,有效抑制了发射机中数字基带信号引入的噪声,保证了发射机输出信号的信噪比。 (4)集成了一款高线性度的上变频混频器和功率驱动放大器,减少了片外功率放大器的使用,减小了芯片的成本。 3.针对智能电网中的无线抄表应用,基于标准的90nm CMOS工艺,设计了一种低中频架构的射频收发机芯片。 (1)针对环境的复杂性,采用了OFDM方式来解决多径效应的影响,并采用低中频架构,避开MOS管1/f噪声的影响。 (2)为了使收发机能覆盖较大的通信范围,提出并设计了一种新的增益可变低噪声放大器和一种多路可选的功率合成放大器。 (3)提出并设计了一种新型高线性度、低功耗的复数带通滤波器来抑制接收机的镜像干扰。