近阈值电源电压射频接收电路设计方法及电路实现研究

As one of the most power hungry modules within such a wireless device, the power optimization of the RF transceiver module is the key to achieve low system-power consumption. Driven by the low power demand and the size decreasing of the CMOS foundry process, the research toward low voltage RF circuit design has attracted more and more attention. However, when the supply voltage is close to the threshold voltage, the RF and analog circuit design will face the challenges such as voltage margin, signal swing, transition frequency. The present academic solutions include: 1.the use of depletion devices, 2 the substrate positive bias technology, 3 the usage of transistors biased in the linear region. However, the first two methods rely on the special manufacturing process and may face the problems such as the excess cost and excessive leakage current. And the method which biases the transistors in the linear region is usually at the expense of performance. To solve the above problems, the project proposes a series of solutions by the innovation of circuit structure, which includes the master-slave structure OTA, the low voltage mixers and CMOS reference circuit. The proposed OTA is used to be the basic module as the RF transceiver system, which helps to improve the CMRR and reliability performance under near-threshold-voltage conditions. Based on the above-mentioned theories and methods, the project will verify the theory and design methods of the near-threshold-voltage RF transceiver system by circuit design and fabrication.

射频模块作为通信系统中的高功耗模块之一，降低其功耗是实现整个通信系统低功耗的关键，而降低电源电压是实现射频电路低功耗的一种直接有效的途径。近些年，低电压射频电路的设计研究受到了越来越多的关注。然而当工作电压接近晶体管阈值电压时，射频及模拟电路设计面临着诸如电压裕度、信号摆幅、特征频率等一系列挑战。对此，学术界的主要解决方式有：使用耗尽型器件、使用衬底正偏技术以及使用偏置在线性区的晶体管等；然而这些方法或者依赖于特殊的制造工艺，或者以电路性能和可靠性为代价。本课题通过研究近阈值电压对电路的影响，在标准CMOS工艺平台上提出了基于主从结构的OTA设计方法、基于无源混频的近阈值电压射频前端电路设计方法以及CMOS基准电路等一系列设计方法和电路结构，并以此构建整个射频接收系统，旨在改善近阈值电压电路的性能和可靠性。基于以上理论和方法，本课题将以流片的方式验证完善近阈值电压射频电路的设计方法和理论。

本项目对近阈值电压射频接收电路结构和设计方法进行研究和创新，以克服近阈值电压条件下所面临的如电压裕度、信号摆幅、特征频率等一系列挑战。项目期间开展的研究工作和取得的成果如下：1、对申报书提出的方案和创新点进行了设计研究和测试验证；其中半无源射频接收前端结构和用于中频电路的主从OTA电路结构被证明工作可靠，性能优良，可有效解决低电压下电压裕度及共模抑制等问题。2、对申报书方案进行了深度改良，提出了信号正交分离的低电压射频接收前端结构，以及跨导恒定轨到轨OTA电路结构。新型射频前端电路结构利用共栅管栅源跨接电容的方式实现正交信号的产生和分立，减少了一组本振信号产生电路及其缓冲电路，有效降低了系统功耗。跨导恒定轨到轨OTA结构是在申报书原有方案基础上，通过充分挖掘该结构的潜力，将其升级为跨导恒定并实现轨到轨输入输出的新型OTA。该OTA有助于充分利用有限的电压摆幅，提升了低电压电路的动态范围。为低电压条件下的功能电路设计提供了有力的支持。3、通过研究过程中的技术积累，提出了若干新型电路结构，将低电压射频电路的研究对象从接收电路进一步扩展至发射电路。如：①提出了基于本振/中频信号融合的近阈值上变频器，该结构将跨导管和本振管进行了融合，用中频输入信号调制AC耦合信号的包络，用本振信号实现晶体管的交替工作。从而减少了电源地之间的晶体管数目，有效缓解了电压裕度和线性度的矛盾。②提出了电流自匹配栅极开关电荷泵，使用前述轨到轨OTA跟踪电荷泵的输出电压并对充放电晶体管进行实时调整，从而在整个输出电压范围内保持充放电电流恒定。该电荷泵结构克服了低电压锁相环的设计瓶颈，对低电压射频接收系统的实现具有重要意义。4、基于以上研究工作和创新成果，本项目期间发表了SCI论文7篇，其中IEEE期刊论文2篇，申请相关发明专利10项，授权发明专利6项，项目期间培养了博士生1名，硕士生十余名。