師兄-p基于電流驅(qū)動無源混頻器寬帶接收

報告提綱研究背景研究內(nèi)容整流電路低功耗低噪聲放大器低噪聲混頻器基于電流驅(qū)動無源混頻器的寬帶總結(jié)展望2報告提綱研究背景研究內(nèi)容整流電路低功耗低噪聲放大器低噪聲混頻器基于電流驅(qū)動無源混頻器的寬帶總結(jié)展望3無線通信無線通信和傳感迅速發(fā)展：

，WLAN，物聯(lián)網(wǎng)…CMOS工藝不斷進(jìn)步：65nm，40nm，28nm…低功耗、低成本 成為 競爭力4射頻收發(fā)系統(tǒng)發(fā)射機(jī)調(diào)制信號、上變頻發(fā)射?下變頻接收、解調(diào)數(shù)據(jù)頻率

器提供載波/本振、調(diào)制射頻收發(fā)機(jī)的“心臟”5射頻接收前端設(shè)計能夠兼容多種標(biāo)準(zhǔn)的射頻接收前端電路多個 集成在一個

內(nèi)頻段覆蓋，性能滿足多個標(biāo)準(zhǔn)的寬帶coswLOtsinwLOtLNAmixerfilterIF

amplifier1326研究內(nèi)容整流電路優(yōu)化轉(zhuǎn)換效率低功耗低噪聲放大器降低功耗技術(shù)修正低功耗技術(shù)帶來的問題低噪聲混頻器降低跨導(dǎo)管噪聲降低開關(guān)管噪聲基于電流驅(qū)動無源混頻器的寬帶優(yōu)化交流電流分配比例提出新的跨阻放大器結(jié)構(gòu)7報告提綱研究背景研究內(nèi)容整流電路低功耗低噪聲放大器低噪聲混頻器基于電流驅(qū)動無源混頻器的寬帶總結(jié)展望8整流電路整流電路為RFID系統(tǒng)提供電源，主要的指標(biāo)有：轉(zhuǎn)換效率：決定RFID系統(tǒng)工作距離越遠(yuǎn)輸出電壓：滿足后級電路工作輸入匹配：減少功率反射9整流電路器件類型基于 二極管低輸入信號幅度無法CMOS實現(xiàn)，成本高受PVT影響大基于二極管連接CMOS易于CMOS實現(xiàn)，成本低Vth受PVT影響大10整流電路原理M1M1M3Mn-1MnC2kC2k+1C2C1C3VinCLC2KC2K-1C2K+1M2K+1M2KV2KV2K-1V2K+1Vi????

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?????MOS管的Vth越低越好電路級數(shù)越大越好？多級結(jié)構(gòu)示意圖單級結(jié)構(gòu)原理圖11整流電路考慮因素采用多級結(jié)構(gòu)增大輸出電壓，需要考慮的幾個因素：器件選擇尺寸選擇級數(shù)選擇M1M2M3M4M5M6M7M8CCCCCCCCRloadLmatchCmatchVin12整流電路器件選擇-0.500.5121.52.53-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81漏端電流/mA柵端電壓/Vnnt33nnt18-0.001mA-0.1mANative

MOS：零Vthnnt33:

耐壓高，反向漏電流大nnt18：耐壓低，反向漏電流小Vg13后級使用nnt33耐高壓前級使用nnt18低漏電整流電路尺寸選擇54.543.532.521.510.500102030

40MOS管寬長比506070電壓/V輸入信號幅度MOS管壓降Vd輸出電壓Vout

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n Vi

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?????Vout‘

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n22Vi

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????2??????2????+?????信號功率一定，增大尺寸一倍輸入阻抗降低一半輸入信號幅度降低為

2142MOS管壓降降低幅度較小整流電路級數(shù)選擇15Vout

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+?????78910111213140.511.522.533.501234電路級數(shù)5678Vout/VVout/VVout@pin=-10dBmVout@pin=0dBmVout@pin=10dBm電路級數(shù)選擇取決于輸入信號幅度大小整流電路65-30-201020-10

0輸入信號功率/dBmVout/VPCE/%1050PCE/%輸出電壓/V本文07’[ASSCC]07’[CICC]06’[JSSC]頻段/GHz2.42.40.950.95輸出電壓/V51.51.50.8轉(zhuǎn)換效率/%228122516報告提綱研究背景研究內(nèi)容整流電路低功耗低噪聲放大器低噪聲混頻器基于電流驅(qū)動無源混頻器的寬帶總結(jié)展望17研究現(xiàn)狀和趨勢國內(nèi)外現(xiàn)狀電感源級負(fù)反饋（T.H.Lee

@

MIT

）—低功耗,低噪聲，面積大電阻負(fù)反饋（S.S.Taylor

@

Berkeley

）—寬帶

，高噪聲，高功耗噪聲抵消共柵結(jié)

.Nauta@

Twente）—

低噪聲

，高功耗跨導(dǎo)增強(qiáng)（唐長文@復(fù)旦大學(xué)）—低噪聲

，低功耗發(fā)展趨勢低功耗的同時實現(xiàn)低噪聲，高線性度使用電流復(fù)用和跨導(dǎo)增強(qiáng)1819研究目標(biāo)研究目標(biāo)寬帶LNA實現(xiàn)低功耗優(yōu)化噪聲，線性度等指標(biāo)初步方案及問題描述電位不確定NMOS和PMOS漏端相連，導(dǎo)致電位不確定低頻增益和噪聲電流復(fù)用和跨導(dǎo)增強(qiáng)要求使用隔直電容隔直電容位于信號通

低頻增益和噪聲電壓余度低 線性度多級電路層疊，電壓余度低線性度低漏源電壓研究目標(biāo)減低功耗，解決低功耗帶來的其他問題Bias

pVDDVin+Vin-Vout+Vout-Bias

nBias

pVDDVin-Vin+Vin-Vin+CPCPCPCPCPCPCPCPNM1aBias

nNM2aPM1aPM2aNM1bNM2bPM1bPM2b20改進(jìn)方案Bias

nBias

pNM1NM2PM1PM2VDDVin+Vin-Vout+Vout-Bias

nBias

pNM1NM2PM1PM2VDDVin-Vin+Vin-Vin+CPCPCPCPRfRfBias

nBias

pNM1NM2PM1PM2VDDVin+Vin-Vout+Vout-Bias

nBias

pNM1NM2PM1PM2VDDVin-Vin+Vin-Vin+CPCPCPCPCPCPCPRfCPRf已有結(jié)構(gòu)[06’JSSC]

本文

結(jié)構(gòu)具體實現(xiàn)共模反饋：確定電位反饋電阻：提高線性度正反饋環(huán)路：優(yōu)化低頻增益和噪聲21增益分析VSVS已有結(jié)構(gòu)小信號模型本文結(jié)構(gòu)小信號模型?gain

=2????1????21

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S????2046812105增益/dB工作頻率/GHz沒有正反饋的電路有正反饋的電路頻率越低，增益改善越明顯22穩(wěn)定性分析??2????2?

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+????2????21

+

2????2????穩(wěn)定?輸入阻抗實部>01-30023-200-100010020030040005000100001500020000輸入阻抗實部/歐姆反饋電阻/歐姆正反饋環(huán)路?穩(wěn)定性問題反饋電阻取值有上限噪聲分析-1VSRSRfM2M1In1In2InRInS4.54.44.34.24.143.93.83.73.63.5357gm2/mS91113NF/dBF

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ε代表gm2Rs手算：當(dāng)ε等于0.35(gm2=7mS)時，F(xiàn)取得最小值仿真：當(dāng)gm2=6mS時，F(xiàn)取得最小值vns21=

4KTRs

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????242線性度分析25gsdgmvgsgm3v

3

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g

v

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gs d3

dsRL????????3

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????1????343.532.521.510.5054.50.350.550.750.951.15

1.35gd3/mSVds/V543210-1-2-330080013001800IIP3/dBmRf/ohmg

隨V

增大而降低d3

ds反饋電阻影響IIP3仿真結(jié)果-12-8.5-9-9.5-10-10.5-11-11.5-81215.51514.51413.51312.516012Freq/GHz34S11/dBGain/dBGain/dB

S11/dB3.73.53.33.12.92.72.52.32.11.933.544.555.5012Freq/GHz34IIP3/dBmNF/dBNF/dBIIP3/dBm????09’MTT11’MTT12’TCASI12’TCASI本文工作*Tech.(nm)180906513065Freqband(GHz)0.048-10.1-1.770.1-100.1-20.5-3.5Gain(dB)162310.516.615????NF(dB)3.41.852.73.84.0IIP3(dBm)-1-2.85-3.50.53.1Pdc(mW)30.62.813.730.83FOM0.58.820.572.816.30FOM

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1?報告提綱研究背景研究內(nèi)容整流電路低功耗低噪聲放大器低噪聲混頻器基于電流驅(qū)動無源混頻器的寬帶總結(jié)展望27研究目標(biāo)BPFLPFcoswLOt28sinwLOtLNAIQLPF研究目標(biāo)寬帶考慮鏈路線性度，需要實現(xiàn)低噪聲問題描述跨導(dǎo)管噪聲噪聲大小與跨導(dǎo)關(guān)系噪聲疊加原理開關(guān)管噪聲開關(guān)管噪聲與尺寸關(guān)系開關(guān)管噪聲與直流電流關(guān)系研究目標(biāo)降低混頻器的噪聲系數(shù)，同時提供足夠的增益和帶寬VRFinLO+

LO-I129I2I3=IB+IsM1M2M3研究方案研究思路采用多種技術(shù)降低混頻器噪聲系數(shù)具體實現(xiàn)噪聲抵消：降低跨導(dǎo)管的噪聲系數(shù)電流抽?。航档烷_關(guān)管的噪聲系數(shù)M1RSRYXVSInVRFinLO+

LO-I1I2I3=IB+IsM1M2M3跨導(dǎo)管噪聲抵消技術(shù) 開關(guān)管噪聲降低技術(shù)30電路結(jié)構(gòu)M4M5M6Min5Ibias1BufferM1M2RSRfM3M7CbpCblkRSRfCbpCblkMM

MRloadMin4CfRIbias2Min1Min2Min3RCfMb2Mb3Mb5RCfMb4Ibias3s3

s4

VLO+

Min6VLO

s1+

Ms2

VLO-IFV

+IFV

-RloadM8采用噪聲抵消技術(shù)優(yōu)化跨導(dǎo)管采用電流抽取技術(shù)優(yōu)化開關(guān)管31NF=1+NFM1+NFR+NFM2,3NFM1=0RNF

=4

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????跨導(dǎo)管噪聲分析增大反饋電阻可優(yōu)化增益和噪聲跨導(dǎo)管噪聲分析噪聲抵消條件????2

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1

+

??33????????3更大的gm2和更小的gm3開關(guān)管電流抽取分析V

LOV

LOV

LOV

IFV

IFRF

INRF

IN051060開關(guān)管電流抽取比例/%80100增益/dB70008009001000110012002040

60開關(guān)管電流抽取比例/%80100帶寬/MHz2342.533.5402040

60開關(guān)管電流抽取比例/%80100噪聲/dB電流抽取比例影響增益帶寬噪聲系數(shù)ConSMIC

0.18um

工藝面積：0.6*0.45mm2帶寬：100~900MHz增益：13.7~19.5dB噪聲：4.6~7.2dBP1dB:-21dBm3536結(jié)果比較本文06’VLSI07’JSSC10’MTTTechnology(μm)0.180.180.090.13Frequencyband(GHz)0.1~0.90.90.1~3.851~5.5Voltage

gain(dB)13.7~19.5132011.5NFDSB(dB)4.6~7.289~123.9P1dB(dBm)-20-2312.83-10.5S11(dB)<-9.3-31<-10<-8.8Core

size(mm2)0.270.330.880.315Power(mA)146.78.1523報告提綱研究背景研究內(nèi)容整流電路低功耗低噪聲放大器低噪聲混頻器基于電流驅(qū)動無源混頻器的寬帶總結(jié)展望37研究現(xiàn)狀和趨勢基于無源混頻器設(shè)計多模多頻段的寬帶國內(nèi)外現(xiàn)狀Mixer-

（Nauta

@

Twente

）

-高線性度

高噪聲-高線性度

，低噪聲

，高功耗-中線性度，低噪聲Noise

cancel（Abidi@UCLA）基本架構(gòu)（

@復(fù)旦）研究趨勢寬帶、高線性度、低噪聲低噪聲放大器天線

無源混頻器電流緩沖器本振信號產(chǎn)生電路38問題描述ILNAmixerLO_ILO_QRfCfCfRfTIARfCfCfRfTIALOgenerator09’JSSCLNAmixerLO_ILO_QRfCfCfRfTIARfCfCfRfTIALOgenerator39Z(S)電感做負(fù)載????????

=

??????????無電感如何優(yōu)化電流分配比例LNA輸出電流分配比例研究方案I研究思路在LNA輸出端并聯(lián)負(fù)阻提高LNA輸出阻抗????

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???1R1-R2LNAmixerLO_ILO_QRfCfTIACfRfRfCfTIACfRfLOgenerator-R電路結(jié)構(gòu)IVDDVin+Vin-M1M2M3M4R1R2VDDVout+Vout-Vout+Vout-M5M6采用MOS互耦對實現(xiàn)負(fù)阻受PVT影響，設(shè)計保留2.5~3倍的余量I0.40.60.811.21.41.61.80.750.70.650.60.550.50.450.40.350.300.511.522.533.5增益電流分配比頻率/GHz加入負(fù)阻電流分配比無負(fù)阻電流分配比加入負(fù)阻沒有負(fù)阻4.34.13.93.73.53.33.12.92.72.50.511.5頻率/GHz22.53噪聲系數(shù)/dB增益改善不明顯減小設(shè)計余量沒有負(fù)阻F=1+??加入負(fù)阻F=1+1.065??負(fù)阻對于噪聲影響可忽略VDDVDDVin+

Vin-VbiasVout+Vout-VcmfbbiasVoutcmVoutcmVrefVcmfbNM1NM2PM1PM2NM3NM4PM3PM4傳統(tǒng)跨阻放大器采用兩級反向放大器，帶來的問題：輸入輸出信號相位相同，帶來了共模穩(wěn)定性問題加入共模反饋環(huán)路增加功耗、 噪聲、增大設(shè)計難度Vin+Vin-Vout+Vout-Rf問題描述IIVin+Vin-Vout+Vout-RfRfRf差模信號共模信號研究方案II改進(jìn)方案：只用一級反向放大-環(huán)路增益小，線性度LG

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??????????? +

??????第二級改成源隨-使用native

MOS管Bias

nBias

pPM2RfNM1NM2PM1VDDVinVoutZgmVin+VinVoutVout+VDDVDDVDDVDDBiasBiasBiasNativeNativecm

ref09’JSSC研究方案II研究思路第二級設(shè)計成易于實現(xiàn)的同相放大器具體實現(xiàn)采用單位增益緩沖器作為第二級電路RfVinVoutVin+Vin

Vout

Vout+VDDVDDVDDVDDBiasBiasBiasNativeNativecm

ref電路結(jié)構(gòu)IIBias

nNM1NM2PM1Bias

pPM2VDDVinVoutZgmVDDBiasPM3PM4NM3NM4RfCf2LG

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+??????Rf對環(huán)路增益的影響避免native

MOS管的使用避免共模反饋電路的使用II輸入阻抗<10ohm功耗0.48mW*2傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)功耗2.4mW02040601001201601400.0010.010.11101001000100001000001000000輸入阻抗/ohm頻率/KHzcap=1pcap=2pcap=3p80cap=4pcap=5pcap=6pcap=7p原理圖共柵復(fù)用LNA+負(fù)阻改進(jìn)型TIA25%占空比 電路NM1Bias_n

NM2PM1Bias_p

PM2sVDDVinVouZgmVDDBiasPM3PM4NM3NM4RfVDDVin+VinM1M2M3M4R1R2VDDVout+VoutVout+VoutM5M6LOI+LOI+LOI-LOQ+LOQ+LOQ-IFI+IFI-IFQ+IFQ-CC

RFin+

RFin-LOI+LOQ+LOI-LOQ-

2LO+2LO-PM1PM2PM3PM4NM1

NM2NM3

NM4NM5

NM6NM7

NM8LOI+LOI-LOQ+LOQ-00.5122.53-261.5頻率/GHz-24-22-20-18-16-14-12-10-8S11/dB0.5122.532501.5頻率/GHz262728293031323334增益/dB00.5122.5341.5頻率/GHz4.555.566.577.5NF/dBP1dB=-14dBmSMIC

65nm

工藝電源電壓：1.2V功耗：7.3mW面積：0.36*0.17mm250結(jié)果比較本文12’MTT10’MTT09’ISSCC07’JSSC工藝/nm65頻帶/GHz0.5-30.9-31.5-2.30.6-30.2-2中頻帶寬/MHz50.25--1225增益/dB33.434.5-35.522.54219噪聲系數(shù)/dB4.49.57.736.5IIP3/dBm-4*4>7-1411面積/mm20.060.8--1.50.13功耗/mW7.330103067*

由P1dB估算報告提綱研究背景研究內(nèi)容整流電路低功耗低噪聲放大器低噪聲混頻器基于電流驅(qū)動無源混頻器的寬帶總結(jié)展望5152低功耗LNA總結(jié)各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)采用多種低功耗技術(shù)→

降低LNA的功耗提出一種正反饋環(huán)路→

改善低頻時的增益和噪聲分析反饋電阻對于增益、噪聲、線性度、輸入匹配的影響基于電流驅(qū)動無源混頻器的寬帶分析已有結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)提出一種提高電流分配比例的方法→

改善增益和噪聲提出一種改進(jìn)型跨阻放大器→

降低了噪聲和功耗以及設(shè)計難度53展望針對低功耗LNA噪聲進(jìn)行優(yōu)化采用跨導(dǎo)增強(qiáng)技術(shù)降低低噪聲混頻器的功耗優(yōu)化基于無源混頻器的 的線性度54項目經(jīng)歷企業(yè)合作項目“無線傳感射頻工信部重大專項（2011.5

-

2012.4）設(shè)計”（2010.

2

-

2010.

12）“脈沖體制超寬帶高速無線通信 研發(fā)與應(yīng)用示范”3.

國家863重大課題

（2009.

9

-

2010.

1）“超寬帶SoC

設(shè)計及組網(wǎng)實驗”55研究成果[1]

Jingye

Sun,

Lu

Huang

and

Fujiang

Lin,“A

0.18

um

Mixer

Merged

with

LNAExploiting

Noise

Cancellation,“

in

Radio-Frequency

Integration

Technology

(RFIT),2011

IEEE

International

Symposium

on,

Nov.

2011,pp.25-28.(EI

：20120814793853

)[2]

Jingye

Sun,

Lu

Huang，Haiquan

Yuan

and

Fujiang

Lin，“A

0.18

μm

CMOSGilbert

low

noise

mixer

with

noise

cancellation,”Journal

of

Semiconductors,

vol.

33,no.

2,

February

2012.(EI：20121014836543)

[3]

Jingye

Sun,

Shengxi

Diao，Guangtao

Feng

and

Fujiang

Lin，“A

0.5-2.5GHz910uW

common-ga

NA

employing

positive-negative

feedback,”

og

integratedcircuits

and

signal

processing.

(

：10.1007/s10470-014-0317-x)[4]

，

，”一種增益可調(diào)的射頻接收前端電路“，國家發(fā)明專利，專利號201110240869.X56審稿意見11的意見：多模多頻帶的寬帶射頻 是研究的熱點(diǎn)， 對基于電流驅(qū)動無源混頻器的寬帶

開展研究，選題具有一定的理論意義和重要的應(yīng)用價值。的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)有：1、針對寬帶低噪聲放大器，采用NMOS和PMOS互補(bǔ)以及多次電容交叉耦合技術(shù)，降低了電路的功耗；通過增加了一個正反饋環(huán)路，改善了隔直電容對于低頻增增益和噪聲系數(shù)的影響，綜合性能得到了較大改善。2、利用電流驅(qū)動無源混頻器設(shè)計多模多頻段的寬帶 ，在不使用電感的情況下，增大低噪聲放大器和混頻器之間的電流分配比例；同時，提出了一種新型的跨阻放大器，這種放大器具有功耗低、易于設(shè)計、穩(wěn)定性好、噪聲低的優(yōu)點(diǎn)。內(nèi)容充實、邏輯嚴(yán)密、行為流暢，表明作者掌握了本學(xué)科堅實寬廣的基礎(chǔ)理論和系統(tǒng)深入的專門知識，具備了獨(dú)立從事科學(xué)研究的能力，達(dá)到博士要求，同意進(jìn)行該博士 答辯工作。57審稿意見2就寬帶

集成電路進(jìn)行研究，有重要價值。2的意見：針對未來多模、寬帶通信系統(tǒng)的需求，的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下：比較了射頻整流電路的多種方案，采用了NMOS管連接電荷泵結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)了2.4GHz的整流電路，最大轉(zhuǎn)換效率可達(dá)22%。針對寬帶低噪聲放大器，通過采用NMOS和PMOS互補(bǔ)以及多次電容交叉耦合技術(shù)明顯降低了電路的功耗；提出了增加一個正反饋環(huán)路的方案?？筛纳聘糁彪娙輰Φ皖l增益和噪聲系數(shù)的影響；經(jīng)綜合優(yōu)化設(shè)計了0.5～3.5GHz低噪聲放大器，仿真證明在功耗低于1mW的情況下可得到滿意的綜合性能。針對寬帶混頻器，采用噪聲抵消技術(shù)降低跨導(dǎo)管的噪聲影響，并采用電流抽取技術(shù)降低開關(guān)管的噪聲影響。設(shè)計實現(xiàn)了0.1～0.9GHz混頻器，實測結(jié)果與相同工藝條件下的混頻器性能相當(dāng)。提出了在不使用電感的情況下如何增大低噪聲放大器和混頻器之間的電流分配比例的方案。還對系統(tǒng)中的跨阻放大器進(jìn)行了有效的低功耗改進(jìn)。利用上述混頻器，結(jié)合常規(guī)的NMOS與PMOS互補(bǔ)以及電容交叉方案實現(xiàn)的小功耗低噪聲放大器，設(shè)計實現(xiàn)了0.5～3.0GHz寬帶。若能就整體

進(jìn)行雙音測試IIP3等特性，將更加完整。注意英

要中部分用詞的準(zhǔn)確性。注意各個研究點(diǎn)和相應(yīng)章節(jié)的呼應(yīng)。綜上所述，

結(jié)構(gòu)合理，表述清晰。體現(xiàn)了作者扎實的理論基礎(chǔ)和較強(qiáng)的科研能力。同意進(jìn)行答辯，建議授予工學(xué)博士

。58審稿意見33的意見：對多模多頻帶的寬帶

的模塊進(jìn)行了研究，分析和優(yōu)化了寬帶接收電路。 具有一定的學(xué)術(shù)價值機(jī)的模塊電路，并在此基礎(chǔ)上研究完整的和實際應(yīng)用價值做了如下有特色的工作：1、設(shè)計了低功耗、低噪聲放大器。提出了多種降低功耗的方法，將功耗減低到830uW。提出了一種正反饋環(huán)路，補(bǔ)償了低頻增益并降低了噪聲。2、設(shè)計了低噪音系數(shù)的混頻器。 采用了電流抽取技術(shù)來降低開關(guān)管