应用于ECG检测系统的2.4GHz零中频接收机前端的设计

摘要

随着无线通信技术的不断创新与发展，各类通信产品随之层出不穷的出现，比如卫星导航、无线局域网、蓝牙传输系统正如雨后春笋般的出现。之所以无线产品能发展到如此的成果，正是因为这些设备里面的各类芯片起着不可或缺的作用，其中最主要的就是无线传输芯片。其中传输系统和接收系统是两个互补的功能，也是所有无线设备的核心。信号通过发射系统传输，经过媒介传播之后接收系统将其收纳，再经过后续处理。看似一个很简单的过程里面却包含了许多的关键技术，在此主要讨论接收机系统。
　　本文通过介绍各类接收机，比较各自的优缺点，分析其适用范围，然后基于ECG（electrocardiogram）检测系统需求的标准，设计了2.4GHz零中频接收机前端，结构包括了低噪声放大器、混频器以及低通滤波器。主要工作有以下几点：
　　1.分析传统低噪声放大器的结构，根据栅极并联电容技术，对电路的噪声匹配、阻抗匹配进行分析，同时根据零中频接收机的需求，设计了一全差分结构的低噪声放大器，该低噪放具有较低的噪声系数以及良好的线性度，由于它处于整个接收系统的最前端，具有一定的增益。所用的方法是基于电容电感串并联共振，属于窄带特性放大。
　　2.混频器的设计是基于经典吉尔伯特单元，在其基础上结合“电流注入”结构，然后对晶体管进行优化，使得各个性能都能满足零中频接收机的需求。特别是在闪烁噪声对混频器的影响降到了很低，同时隔离度也达到所需要求，进一步弥补了零中频接收机的不足。
　　3.最后设计了一个高线性度、低噪声、低跨导的跨导运算放大器，在此基础上实现Gm-C滤波器，由于零中频接收机中，中频信号频率是“0”，混频器输出的信号则是基带信号。在 ECG检测系统领域，信号的频率很低，所以滤波器具有很低的截止频率，能够有效的滤除干扰信号，同时满足足够的动态范围和较小总谐波失真（THD）的要求，具有良好的选频特性。
　　整个系统方案方案采用CMOS0.18μm工艺，通过ADS和Cadence IC软件仿真，最终的结果满足期望的指标，整个系统具有良好的噪声特性和灵敏度。并使用Virtuoso Layout工具进行版图绘制，且Gm-C滤波器完成流片和测试，最后结果满足ECG检测系统中的零中频接收机需求。

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第一章 绪论

§1.1 选题研究背景和意义

§1.2零中频接收机的国内外发展现状

§1.3 本文内容安排

第二章 接收机前端的基本理论

§2.1射频接收机前端结构概述

§2.2射频电路设计中的基础理论

§2.3 本章小结

第三章 零中频接收机中的低噪声放大器的设计

§3.1 放大器的基础知识

§3.2 低噪声放大器的结构

§3.3 本文采用的低噪声放大器实现方案

§3.4 零中频接收机中低噪声放大器的相关指标

§3.5 ADS仿真结果

§3.6 LNA版图设计及后仿真

§3.7 本章小结

第四章 混频器与Gm-C低通滤波器的设计

§4.1 混频器的设计

§4.2 Gm-C滤波器的设计

§4.3 本章小结

第五章 总结与展望

§5.1 总结

§5.2 展望

参考文献

致谢

附录

作者在攻读硕士期间的主要研究成果