大連理【：大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 隨著無線局域網(wǎng)應(yīng)用不斷擴展，通信市場對無線收發(fā)芯片的需求急劇上升。通常， 射頻接收機結(jié)構(gòu)以超外差為主，并采用s i g e 技術(shù)的b i c m o s 工藝進行射頻收發(fā)模塊的設(shè) 計。這種方法最大的優(yōu)點是具有極好的選擇性和靈敏度，同時射頻模塊可完成高性能指 標，但集成度及成本較高。近年來，隨著移動通信的發(fā)展，成本和集成度成為無線局域 網(wǎng)大規(guī)模推廣應(yīng)用的主要障礙，為了降低成本、提高集成度，需要采用s i 技術(shù)的c m o s 工藝來實現(xiàn)無線局域網(wǎng)射頻芯片，同時接收機結(jié)構(gòu)也越來越趨向于采用零中頻接收機結(jié) 構(gòu)。 基于w l a n 8 0 2 1 1 b 接收機射頻前端的c m o s 實現(xiàn)方案，本文采用二次變頻的零中 頻接收機結(jié)構(gòu)，根據(jù)w l a n 8 0 2 1 1 b 標準規(guī)定，推導(dǎo)出射頻前端各模塊基本指標參數(shù)， 并以提高集成度，降低功耗，降低成本以及保留適當(dāng)余量為原則，采用c m o s 工藝設(shè) 計低噪聲放大器及低噪聲混頻器模塊。接收機射頻前端采用了1 8 v 的電源電壓，在低 功耗下設(shè)計低噪聲放大器以及低噪聲混頻器，射頻前端各模塊的設(shè)計都考慮到了低功耗 對直流工作點、增益和線性度的影響。各模塊通過改進電路結(jié)構(gòu)和設(shè)計合理的直流工作 點，在低功耗下依然保持了良好的性能。 通過分析m o s f e t 的各種噪聲，重點研究特定功耗下輸入匹配方法，得出p c s i n m 匹配方法滿足模塊的低功耗要求。并將此方法應(yīng)用在基于c h a r t e r e do 1 8 i t mc m o s 工藝 設(shè)計的低噪聲放大器、低噪聲放大器及混頻器模塊融合中，得到了較好的性能。分別采 用c h a r t e r e d 0 1 8 t t r n c m o s 及j a z z 0 3 5 t t m b i c m o s 兩種工藝設(shè)計了同種匹配結(jié)構(gòu)的單 端及差分低噪聲放大器，分析了各自的仿真結(jié)果，并對j a z z0 1 8 v mb i c m o s 設(shè)計的差 分低噪聲放大器版圖進行了初步設(shè)計。最后給出了各個電路原理圖的仿真結(jié)果并進行分 析。 關(guān)鍵詞：低噪聲放大器；低噪聲混頻器；1 y l a n8 0 2 1 l b 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 d e s i g no f l o w n o i s ea m p l i f i e rb a s e do i lw l a n 8 0 2 1l b a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ew l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s ) i nr e c e n td e c m e s ， d e m a n do fs i n g l ec h i pr ft r a n s c e i v e rg o e su pi na n do u to fc h i n a s u p e r h e t e r o d y n er e c e i v e r w h i c hh a se x c e l l e n ts e n s i t i v i t ya n ds e l e c t i v i t yh a sb e e ni nc o m m u n i c a t i o nd o m a i n t h em a i n p r o c e s so fd e s i g n i n gr f i cb l o c k i ss i g e h o w e v e r , t h ep r o b l e m si na p p l i c a t i o no fw l a na l e c a u s e db yc o s ta n di n t e g r a t i o no fr f i cb l o c k t h eh i g h e ri n t e g r a t i o na n dl o wp o w e r d i s s i p a t i o nh a v em a d et h ec m o sp r o c e s sa n dd i r e c t - c o n v e r s i o nr e c e i v e r sa t t r a c tp e o p l e s a t t e n t i o n a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to ft h ew l a n 8 0 2 1l b ，t h i sp a p e ru s e dd i r e c t - c o n v e r s i o n a r c h i t e c t u r e1 小t l lt w oc o n v e r s i o n s p l a n n i n gf o rr e q i r e m e n t so ft h er fb l o c k s w i t ht h e p r i n c i p l eo fi m p r o v i n gi n t e g r a t i o n ，l o w e r i n gp o w e rd i s s i p a t i o n , l o w e r i n gc o s ta n dh a v i n gs o m e s t t r p l u s ，t h i sp a p e rh a sd e s i g n e dt h ec o m p o n e n t sl n a a n dl o wn o i s em i x e rb a s e do nc h a r t e r e d o 18 岫r fc m o s p r o c e s s t h et r a n s c e i v e rr ff r o n t - e n du s e st h e1 8 vv l o t a g es u p p l y i nt h e d e s i g no f t h er ff r o n t e n d ，t h ee f f e c to f t h el o wd i s s i p a t i o nm u s tb ec o n s i d e r e ds i n c et h el o w p o w e rs u p p l yl i m i t st h ev o l t a g es w i n go f t h ec i r c u i tn o d e sa n dm a ya f f e c tt h ed co p e r a t i o n p o i n t ，p o w e rg a i na n dl i n e a r i t yo ft h er ff r o n t - e n d t h ei m p r o v e d ，s u i t a b l eb i a s e dr f c i r c u i t s a l ep r o p o s e dt ok e e pt h ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c eo ft h er ff r o n t - e n de v e nw i t hl o wp o w e r s u p p l y t h i sp a p e ri n t r o d u c e st w om a t c h i n gd e s i g nt e c i l l l i q u e sb ya n a l y z i n gt h en o i s eo f m o s f e t ，a n da p p l i e st h i sm a t c ht e c h n i q u ei nl n aa n dm i x e rw i t hl o wd i s s i p a t i o n ，a n dt h e t w ob l o c k sa l eb o t hb a s e do nc h a r t e r e do 1 s u mc m o sp r o c e s s a sar e s u l t v e r yl o wn o i s e f i g u r e sb e c o m ep o s s i b l ea tv e r yl o wp o w e rc o n s u m p t i o nl e v e l s m o r e o v e r ，t h el i n e a r i t yo f l n ah a db e e ni m p r o v e dw i t hc h a n g i n gt h ea r c h i t e c t u r eo ft h el n a , w h i l em i n i m i z i n gt h e d e g r a d a t i o no fg a i na n dn o i s ef i g u r e t h ed i f f e r e n t i a ll n a h a sb e e nd e s i g n e db a s e do nt h e j a z zo 3 5 u r nb i c m o sp r o c e s s s o t h ec h a r a c t e r i s t i ca n dl a y o u to ft h ed i f f e r e n t i a ll n ah a v e b e e ns u m m e du p t h em e r g e dl n aa n dm i x e rh a v eg o o dp e r f o r m a n c ei nl o wp o w e ru s i n gt h ep c s i n m t e c h n i q u e ，t h ed o u b l ed i r e c t - c o n v e r s i o nr e c e i v e rw h i c hu s i n gt h em e r g e dl n a a n dm i x e rc a n l o w e rc o s ta n dh a v ea b r o a da p p l i c a t i o ni nc o m m u n i c a t i o n k e yw o r d s ：l o wn o i s ea m p l i f i e r ；l o wn o i s em i x e r ；w l a n 8 0 2 1l b 獨創(chuàng)性說明 作者鄭重聲明：本碩士學(xué)位論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工 作及取得研究成果盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外， 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含為獲得大連理 工大學(xué)或者其他單位的學(xué)位或證書所使用過的材料與我一同工作的同志 對本研究所做的貢獻均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意 作者簽名：逡墨日期：出丑：i ：星， 大連理上人學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 大連理工大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者及指導(dǎo)教師完全了解“大連理工大學(xué)碩士、博士學(xué)位 論文版權(quán)使用規(guī)定”，同意大連理工大學(xué)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送 交學(xué)位論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大連理工 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，也可 采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編學(xué)位論文 作者簽名；焚旌 導(dǎo)師簽名：疆盎圭 避年叢月監(jiān)日 人連理 大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 緒論 1 1 課題背景以及意義 無線通信網(wǎng)的市場應(yīng)用很廣闊，極大地推動了射頻集成電路的發(fā)展；針對不同的應(yīng) 用要求，無線通信網(wǎng)可以分為無線廣域網(wǎng)( w w a n ) ，無線局域網(wǎng)( w l a n ) 和無線個人 網(wǎng)( w p a n ) ，現(xiàn)在已基本形成在相應(yīng)領(lǐng)域中的通信標準。從不同的方面實現(xiàn)了無線通信。 無線局域網(wǎng)是計算機網(wǎng)絡(luò)和無線通信技術(shù)有效結(jié)合的產(chǎn)物。為人類的無線通信，移動個 性化，家庭多媒體提供了可能。 其中，無線局域網(wǎng)8 0 2 1 l b 仍然占領(lǐng)主要市場，隨著底層技術(shù)的發(fā)展，芯片價格不 斷降低，無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將在今后一段時間內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。在我國無線局域網(wǎng)尚處于初 步階段，但是無論運營商還是設(shè)備制造商對無線局域網(wǎng)市場都有很大興趣?？梢?，對無 線傳輸?shù)膽?yīng)用研究是非常重要，也是非常必要的。近年來，無線局域網(wǎng)的應(yīng)用的不斷擴 展，對無線收發(fā)芯片的需求急劇上升。目前推向市場的無線局域網(wǎng)收發(fā)機芯片主要壟斷 在i n t e r s i l ，t i ，m a x i m u m 等幾家大公司手中，而且基于性能和成本的考慮，這些產(chǎn)品 都分為射頻前端和基帶處理部分，分別采用s i g - e 技術(shù)的b i c m o s 工藝和s i 技術(shù)的 c m o s 工藝來實現(xiàn)。采用兩種不同的工藝技術(shù)無疑提高了產(chǎn)品成本，并且無法實現(xiàn)單片 集成的收發(fā)機，而成本和集成度是無線局域網(wǎng)大規(guī)模推廣應(yīng)用的主要障礙，為了降低成 本和提高集成度，必須研究用c m o s 工藝來實現(xiàn)無線局域網(wǎng)射頻芯片。隨著c m o s 工 藝最小線寬的不斷縮小和特征頻率的不斷提高，采用c m o s 工藝來實現(xiàn)射頻芯片是有 可能的。采用c m o s 工藝來實現(xiàn)射頻芯片，不但可以降低產(chǎn)品成本，而且在解決了實 現(xiàn)中的難點問題后，可以將射頻前端和基帶處理部分集成在一塊芯片上，實現(xiàn)單片集成 的收發(fā)機，這必將推進整個無線局域網(wǎng)市場的發(fā)展。研究采用c m o s 工藝來實現(xiàn)無線 收發(fā)機射頻前端芯片可以提高我國在這一方面的研究水平，其研制成功將產(chǎn)生可觀的經(jīng) 濟效益。 在智能家具方面，在2 0 0 6 年3 月的國際集成電路研討會上展示了一個新的z i 出e e 網(wǎng)絡(luò)無線遙控娛樂平臺。在無線數(shù)據(jù)通信方面，c m o s 射頻電路更是用途廣泛，如報警 裝置、音頻和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。在軍事方面，利用c m o s 射頻集成電路構(gòu)筑不可見的微型 監(jiān)控器也是各個國家所關(guān)注的研究熱點。在目前備受關(guān)注的3 g 便攜端類，c m o s 射頻 集成電路也是前景良好。據(jù)報道，在2 0 0 4 年中國的手機普及率就已達到為3 2 ，還有 上升的空間?？梢奵 m o s 射頻技術(shù)擁有廣大的市場。 基于w l a n 8 0 2 il b 的低噪聲放大器設(shè)計 目前在l n a 方面，根據(jù)不同應(yīng)用分別采用不同的電路結(jié)構(gòu)。從工作形式分，有共 柵l n a 、電流復(fù)用反相器式l n a 、共源l n a 等。但在對噪聲要求比較高的時候。通常 采用共源結(jié)構(gòu)。在共源結(jié)構(gòu)中，又有多種不同的改進形式，如共源共柵l n a 、折疊共 源共柵l n a 、利用噪聲關(guān)聯(lián)使噪聲互消的共源l n a 等。大部分情況都是以高功耗來換 取高性能。 對于零中頻接收機的研究，為了克服這種接收機所帶來的缺點，一些研究將重點放 在了混頻器的設(shè)計上。比如有一種是多相混頻器。其本振信號頻率是射頻載波頻率的 l n ，2 n 個普通混頻器構(gòu)成一個多相混頻器。它克服了直流失調(diào)問題和對鎖相環(huán)設(shè)計的 苛刻要求。還有的是將c h o p p e r 技術(shù)應(yīng)用于混頻器上，通過兩次變頻，將噪聲信號分離 開。也有采用諧波混頻器，使用本振信號的二次諧波和射頻信號混頻。這樣，當(dāng)射頻信 號被下變頻到基帶時，自混頻的失調(diào)產(chǎn)物則被變換到本振頻率。在混頻器方面，無源混 頻器有許多實現(xiàn)方式，如環(huán)形二極管電路、雙柵結(jié)構(gòu)等許多的電路形式，但多數(shù)是在 g i l b e r t 結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對源反饋或負載端進行改進。這種改進對于接收機整體系統(tǒng)來講， 增加了一定的串?dāng)_，而且這樣的混頻器往往要消耗多余的功耗，同時增加設(shè)計難度。 另一種方法是通過對接收機結(jié)構(gòu)進行改進，可以減小直流失調(diào)和l f 噪聲。有人采 用兩級下變頻代替直接下變頻的方法，先將射頻信號下變頻到一個較高的中頻，再直接 下變頻到基帶。一方面，由于在第二次下變頻時使用的本振信號頻率低且固定，因而泄 漏較小，直流失調(diào)相對穩(wěn)定，可以容易地去除。另一方面，混頻器的l f 噪聲也隨之降 低。這種結(jié)構(gòu)的問題在于需要選擇合適的中頻頻率，使最前端的帶通濾波器可以提供足 夠的相對于第一本振的鏡像信號抑制。總之。零中頻接收機結(jié)構(gòu)簡單，具有很高的集成 度。 最后，射頻電路的版圖也是很重要的。由于處理的是數(shù)字信號，版圖的布局和布線 都將對電路性能產(chǎn)生很大的影響。不適當(dāng)?shù)男盘柾窌顾O(shè)計電路產(chǎn)生振蕩或是引起 信號串?dāng)_；器件布局不適當(dāng)則會引入額外的噪聲，甚至使電路不能工作；器件的不匹配 等因素也會大大的惡化電路的性能，另外，在版圖設(shè)計時還應(yīng)考慮各類寄生效應(yīng)。寄生 效應(yīng)除了會引入噪聲之外，還會造成信號功率損失、降低增益。如果不盡可能的降低各 類寄生效應(yīng)，那么版圖引入的噪聲甚至?xí)^電路的本征噪聲。 目前，r f i c 設(shè)計中具有代表性的設(shè)計軟件工具有安捷倫( a g i l e n t ) 公司的a d s ， a p p l i e d w a v e r e s e a r c h 公司的m i c r o w a v e o f f i c e 和a n a l o g o f ! f i c e ，a n s o f t 公司的h f s s ， c s t 及a n s o f td e s i g n e r ，c a d e n c e 公司的r f i c 設(shè)計軟件等。它們都具有不同的特色， 一般具有友好的設(shè)計界面，靈活、開放的架構(gòu)，具有從綜合到版圖設(shè)計等不同層次的設(shè) 計模塊，支持第3 方設(shè)計、測試軟件，帶有使用方便的物理設(shè)計工具和模型提取工具； 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 涵蓋了小至元器件，大到系統(tǒng)級的設(shè)計和分析。但r f i c 設(shè)計工具中仍然存在很多問題， 需要深入研究和解決，特別是對電路的很多潛在影響因素尚缺乏深刻認識。射頻電路中 許多比較關(guān)鍵的元件，如電感、電容等，缺乏實用的準確等效電路或集總模型。在r f i c 設(shè)計中，即使擁有比較精確的元器件模型，但使用這些元器件模型構(gòu)成電路之后，因采 用布局方法的不同，將會對電路性能帶來極大的差異?？傊壳皉 f i c 的設(shè)計精度和 自動化程度仍然落后于數(shù)字電路設(shè)計，有待繼續(xù)提高。 本文闡述了基于w l a n8 0 2 1 1 b 的接收機系統(tǒng)及其部分射頻模塊的解決方案，并主 要針對核心電路低噪聲放大器進行設(shè)計，在此基礎(chǔ)上進一步研究了接收機前端的噪聲放 大器以及混頻器，從而將低噪聲放大器與混頻器融合。w l a n8 0 2 1 l b 標準規(guī)定信號工 作頻率在2 4 g i - i z ，該標準提供1 1m b p s 的數(shù)據(jù)速率。 1 2 無線局域網(wǎng)8 0 2 1 1 b 系統(tǒng)標準 ( 1 ) 無線局域網(wǎng)的發(fā)展 無線局域網(wǎng)利用電磁波在空氣中發(fā)送和接受數(shù)據(jù)，減少了對固定線路的依賴。作為 一種靈活的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，它的應(yīng)用范圍同現(xiàn)在的有線局域網(wǎng)一樣廣泛，但其內(nèi)在的靈 活性是有線網(wǎng)絡(luò)所不能相比的。目前無線局域網(wǎng)主要應(yīng)用于某些需要得到數(shù)據(jù)服務(wù)但缺 乏有線數(shù)據(jù)接入條件的環(huán)境，如會議中心、展覽中心、機場和酒店等。但隨著無線局域 網(wǎng)硬件設(shè)備價格的下降以及傳輸速率的提高，無線局域網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域也迅速擴展到企業(yè) 內(nèi)部局域網(wǎng)、校園網(wǎng)、家庭、醫(yī)療、銷售、倉庫管理、公共事業(yè)管理等許多領(lǐng)域。 1 9 8 5 年，i s m 頻段為無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應(yīng)商提供了無需申請就能直接使用的產(chǎn)品頻 段，極大地推動了無線產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。表1 1 對目前國際上應(yīng)用比較廣泛的無線局域網(wǎng)標 準進行了比較i l “。 表1 1 無線局域網(wǎng)標準 t a b 1 1 、v l a ns t a n d a r d s 基于w l a n s 0 2 1l b 的低噪聲放大器設(shè)計 在無線局域網(wǎng)的標準制定后，許多研究機構(gòu)和公司加快了研制無線局域網(wǎng)產(chǎn)品的步 伐，各種無線局域網(wǎng)產(chǎn)品大量出現(xiàn)，無線局域網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴展。中國四大電信 運營商也開始進入這一領(lǐng)域：中國網(wǎng)通推出了“無限伴侶”，中國電信提出了“天翼通”， 中國移動和中國聯(lián)通則大力發(fā)展“g p r s + 無線局域網(wǎng)”和“c d m al x + 無線局域網(wǎng)”。 ( 2 ) i e e e8 0 2 1 1 b 標準 4 1 i e e e8 0 2 1 l b 標準規(guī)定無線局域網(wǎng)應(yīng)該工作在2 ，4 0 0 0 - 2 4 8 3 5 g h z 頻段( 美國、加拿 大、除法國和西班牙之外的歐洲國家) 或者2 4 7 1 2 。4 9 7 g h z 頻段( 日本) 或者 2 4 4 6 5 2 4 8 3 5 g h z 頻段( 法國) 或者2 4 4 5 2 4 7 5 g h z 頻段( 西班牙) ，屬于窄帶范圍。 i e e e8 0 2 1 1 b 無線局域網(wǎng)采用直接序列擴譜技術(shù)( d s s s ) ，依調(diào)制方式的不同，可 以提供四種數(shù)據(jù)傳輸率供用戶選擇，如表1 2 所示。 表1 2 i e e e8 0 2 1 l b 規(guī)定的數(shù)據(jù)率和調(diào)制方式 t a b 1 2i e e e8 0 2 1 i bd a t ar o t ea n dm o d u l a t i o n 1 2 5 5 1 1 d b p s k d q p s k c k k c k k 1 3 本論文主要工作 本文討論了基于w l a n8 0 2 1l b 無線局域網(wǎng)的二次變頻零頻率接收機指標分配，要 求低噪聲放大器在低功耗下，達到噪聲最小。采用c h a r t e r e do 1 9 j a nc m o s 工藝進行低 噪聲放大器、低噪聲放大器及混頻器的融合技術(shù)。 基于w l a n 8 0 2 1l b 接收機射頻前端的c m o s 實現(xiàn)方案，本文采用二次變頻的零中 頻接收機結(jié)構(gòu)，根據(jù)w l a n 8 0 2 1 1 b 標準規(guī)定，推導(dǎo)出射頻前端各模塊基本指標參數(shù)， 并以提高集成度，降低功耗，降低成本以及保留適當(dāng)余量為原則，采用c m o s 工藝設(shè) 計低噪聲放大器及低噪聲混頻器模塊。 第一章，緒論，主要介紹選題背景以及意義，論文的主要工作及內(nèi)容。 第二章，介紹了接收機射頻前端設(shè)計以及射頻基礎(chǔ)知識。 第三章，根據(jù)射頻前端設(shè)計理論指導(dǎo)，對射頻前端關(guān)鍵模塊( l n a 、m i x e r ) 進行噪 聲與線性度分析。 第四章，綜合分析采用二次變頻零中頻接收機結(jié)構(gòu)的設(shè)計，并對第一中頻的選擇進 行了分析，給出了針對w l a n s 0 2 1 l b 的低噪聲放大器的設(shè)計方案以及仿真結(jié)果。采用 大連理i = 大學(xué)碩士學(xué)位論文 c h a r t e r e d0 1 8 t t mc m o s 及j a z z0 3 5 t t mb i c m o s 兩種工藝設(shè)計了同種匹配結(jié)構(gòu)的單端 及差分低噪聲放大器，分析了各自的仿真結(jié)果，并對j a z zo 1 8 t t mb i c m o s 設(shè)計的差分 低噪聲放大器版圖進行了初步設(shè)計。 第五章，將p c s i n m 匹配技術(shù)應(yīng)用于低噪聲放大器與混頻器的融合設(shè)計，即低噪聲 混頻器。 第六章，結(jié)束語，總結(jié)論文的研究工作與不足之處，提出將來的研究方向。 基于w l a n s 0 2 1l b 的低噪聲放大器設(shè)計 2 射頻接收機及工藝概述 射頻接收機的主要作用是接受一定頻段的信號，從很多信號中選出期望的信號，并 放大到解調(diào)器所要求的電平值由解調(diào)器解調(diào)，將射頻信號變成可以進行處理的基帶信 號。整個過程如圖2 1 所示。由于傳輸路徑上的損耗和多徑效應(yīng)，接收機接受的信號微 弱并且多變，有用信號周圍往往有很多干擾信號，并且強度很大，這樣就要求接收機有 良好的靈敏度。由于干擾信號可能導(dǎo)致惡化輸出信噪比，所以要求接收機有較大的線性 動態(tài)范圍。 圖2 1 信號接收過程 f i g 2 1 s i g n a lp r o c e s s i n g 2 1 射頻接收機結(jié)構(gòu) 射頻接收機結(jié)構(gòu)主要有三類：超外差接收機、零中頻接收機和低中頻接收機。接收 機部分完成射頻信號的接收、濾波、放大、混頻器下變頻，然后將信號傳送到基帶；發(fā) 射機部分將信號上變頻到載頻，經(jīng)過功率放大器放大后由天線發(fā)射出去。在超外差接收 機中，射頻信號先通過第一級混頻器變到中頻，然后在中頻經(jīng)過帶通濾波、增益控制等 處理后進行下變頻。超外差接收機的主要缺點是要采用大量的片外高品質(zhì)因子的無源元 件，從而使整個接收機的面積、功耗和電路成本都大大增加。同時，超外差接收機還存 在鏡像頻率干擾問題，使有用的射頻信號及與本振信號對稱的鏡像頻率信號同時被變換 到相同的中頻頻帶內(nèi)，形成干擾。為了克服超外差接收機所固有的缺點，人們提出了目 前備受青睞的零中頻接收機結(jié)構(gòu)。零中頻接收機使用一個混頻器，直接將帶內(nèi)的射頻信 號變到基帶，從而消除了鏡像信號的干擾。零中頻接收機另一個明顯的優(yōu)點是省去了大 量的片外無源元件，從而極大地節(jié)省了電路的面積和功耗。但是，零中頻接收機存在 另外一個嚴重的問題直流失調(diào)，即在零中頻接收機中，由于本振信號和接收端的 載波信號的頻率相同，會造成本振信號泄漏到接收機的輸入端，從而形成本振信號的自 混，產(chǎn)生較大的直流失調(diào)。零中頻接收機可以實現(xiàn)極高的集成度。零中頻接收機對通 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 往基帶的信號進行了直接、正交的下變頻轉(zhuǎn)換。期望信號將自身作為鏡像信號，因此可 以實現(xiàn)充分的鏡像信號抑制。在理論上，零中頻接收機中根本不需要分立的高頻帶通濾 波器，是可以實現(xiàn)完全集成的接收器。低中頻接收機將天線頻率直接下變頻為較低的中 頻，即在若干1 0 0 k h z 的頻率范圍內(nèi)。下變頻采用正交方式，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，混 頻器之間的不匹配和正交振蕩信號的幅度及相位誤差使得只靠正交下變頻來完成對鏡 像信號的抑制是不夠的，必須加進其它的元件來增強抑制度。綜合以上各種因素，本課 題采用零中頻接收機結(jié)構(gòu)。其中r f 前端主要包括：低噪聲放大( l n a ) 、混頻器( m i x e r ) 。 2 1 1 超外差接收機 超外差接收機結(jié)構(gòu)方框圖( 如圖2 2 ) ，此接收機結(jié)果具有成熟的理論以及廣泛的應(yīng) 用。首先，接收機從天線上接收到的電平一般為一1 2 0 d b m 左右。要放大到解調(diào)器可以 工作的電平，一般要放大很多，比如5 0 d b 左右。采用超外差接收機方案后，將接收機 的增益分配到各個模塊，在中頻和基帶上作高增益的放大器更便捷和更穩(wěn)定，所以我們 將更多的放大放在基帶。其次，如果在較低的固定中頻上進行解調(diào)比較容易。 實現(xiàn)超外差式接收機遇到的一個主要問題是鏡像抑制問題【，j ，該問題是由下變頻器 引起的，在下變頻時除了有用信號被轉(zhuǎn)換到中頻外，鏡像信號也被轉(zhuǎn)換到中頻，從而對 有用信號造成干擾。外差式接收機的最大缺點是組合干擾頻率點多。這是因為變頻器往 往并不是一個理想的乘法器，而是一個能完成相乘功能的非線性器件，會形成對有用信 號的干擾，通常就是所說的寄生通道干擾。而消除這些干擾的唯一辦法就是不讓它進入 變頻器，這就需要在變頻器前面加濾波器濾除。 天線r f 燈嗓 瑰疆 圖2 2 超外差接收機結(jié)構(gòu) f i g 2 2s u p e r h e t e r o d y n er e c e i v e r 總體來說，超外差離不開具有良好選頻特性的濾波器。這樣的濾波器只能在片外實 現(xiàn)，使得超外差接收機不能集成，如圖2 2 所示，濾波器都是放在片外的電路實現(xiàn)但是 基于w l a n s 0 2 il b 的低噪聲放大器設(shè)計 因為這種結(jié)構(gòu)通過適當(dāng)?shù)倪x擇中頻和濾波器可以獲得極好的選擇性和靈敏度。所以這種 結(jié)構(gòu)認為是最可靠的接收機拓撲結(jié)構(gòu)。 2 1 2 零中頻接收機 把載頻直接變頻( d i r e c tc o n v e r s i o n ) 為基帶的方案也稱為零中頻方案。如圖2 3 所 示。除了沒有鏡像頻率干擾外，直接下變頻的方案還有以下優(yōu)點：接收機的射頻部分只 包含了高頻低噪聲放大器和混頻器，增益不高，易于滿足線性動態(tài)范圍的要求，而且由 于沒有抑制鏡頻濾波器，也就不必考慮放大器和它的匹配問題；由于下變頻器后面是基 帶信號，因此不必采用專用的中頻濾波器來選擇信道，而只須用低通濾波器來選擇有用 信道，并用基帶放大器放大即可，而這些電路都是很容易集成的阿。 圖2 3 零中頻接收機結(jié)構(gòu) f i g 2 3 d i r e c t - c o n v e r s i o nr e c 癌v c l 同時，有很多缺點 7 - 1 0 l ：l 、本振泄漏：零中頻方案的本振頻率和信號頻率相同，如 果交頻器的本振端口與射頻端口之間的隔離性能不夠好，本振信號就很容易從變頻器的 射頻端口輸出，再通過高頻放大器泄漏到天線，輻射到空間，形成對鄰道的干擾。這在 外差式接收機中就不容易發(fā)生，因為外差式接收機的本振頻率和信號頻率相差很大，一 般本振頻率都落在前級濾波器的頻帶以外。2 、直流偏差：直流偏差是零中頻方案特有 的一種干擾，它是由自混頻引起的。如上所述，如果由本振泄漏的本振信號又從天線回 到高頻放大器，進入下變頻器的射頻端口，它和本振端口進入的本振信號經(jīng)混頻，差頻 為零頻率，即為直流。同樣，進入高頻放大器的強干擾信號也會由于變頻器的各口隔離 性能不好而漏入本振口，反過來它又和射頻端口來的強干擾經(jīng)混頻，從而形成直流。這 些直流偏差在超外差式接收機中是不可能干擾有用信號的，因為那時中頻不等于零。而 在零中頻方案中，將r f 信號轉(zhuǎn)變?yōu)橹蓄l為零的基帶信號，這些直流偏差就疊加在基帶 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 信號上，而且這些直流偏差往往比射頻前端的噪聲還要大，一方面使信噪比變差，而且 這些大的直流偏差往往還可能使混頻器后的各級放大器飽和，無法放大有用信號。但是， 這些零偏差干擾可以通過后面的數(shù)字信號處理的方法減弱。也可以將下變頻后的基帶信 號用電容隔直的方法耦合到基帶放大器，以此消除直流偏差的干擾，但此法對于在直流 附近集中了比較大的能量的基帶信號是不合適的，這種方法會增加誤碼率。因此，減弱 直流偏差干擾的有效方法是將要發(fā)射的基帶信號經(jīng)過適當(dāng)?shù)木幋a并選擇合適的調(diào)制方 式，使得接受并經(jīng)過下變頻率后的基帶信號在直流附近的能量減少，這時就可以用交流 耦合的方法來消除直流偏差而不損失信號能量。 2 1 3 低中頻接收機 低中頻接收機是從零中頻接收機發(fā)展而來的，它也通過正交下變頻來完成鏡像信號 壓縮，但與零中頻接收機不同的是，下變頻后信號處于一個比較低的中頻( 一到兩倍的 信號帶寬) ，如圖2 4 所示。由于鏡像信號不再與有用信號互為鏡像，它的能量與有用信 號相比是不可預(yù)知的( 在最壞情況下，可能高達5 0 d b ) ，這樣對鏡像信號抑制度的要求 就非常的嚴格( 在高質(zhì)量的應(yīng)用中，要求有8 0 d b 抑制度) 【i i 】。 m i x e r 圖2 4 低中頻接收機 f i g 2 4 l o w - 1 fc o n v e r s i o nf e c c i v h 低中頻接收機有較好的集成度，并克服了零中頻接收機中的低頻干擾問題，對鏡像 信號的抑制要求不高的場合。有很多藍牙接收機都用這個結(jié)構(gòu)。 2 2 射頻接收機指標及射頻集成電路基本概念 ( 1 ) 射頻接收機靈敏度 無線通信系統(tǒng)中的噪聲包括各種干擾和射頻電路元件本身的各種噪聲，如m o s 晶 體管所產(chǎn)生的各種噪聲對于接收機的設(shè)計來講，為了提高性能，就必須降低噪聲的影 一9 一 基于w l a n s 0 2 1l b 的低噪聲放大器設(shè)計 響，提高接收機的靈敏度。它表征了系統(tǒng)的接收微弱信號的能力。影響接收機靈敏度的 只有兩方面：接收機的內(nèi)部噪聲和接收機等效寬帶噪聲功率，以及終端解調(diào)所需的信噪 比要求。接收機的靈敏度公式( 2 1 ) 如下： m d $ = 一1 7 4 d b m h z + n f + 1 0 l o g 曰+ s n r u ( 2 1 ) 上式是在假定天線的絕對溫度為2 9 0 k ，系統(tǒng)帶寬為b ，解調(diào)門限為s n 由的情況 下的推導(dǎo)結(jié)果。s n r 曲通常是由誤碼率并結(jié)合信號調(diào)制解調(diào)方式推導(dǎo)出來的。n f 的討 論針對的都是單級系統(tǒng)，對于由多個子系統(tǒng)級聯(lián)而組成的系統(tǒng)，其中各子系統(tǒng)的噪聲系 數(shù)為f n ，可獲得功率增益為g n ，并且各級問相互匹配1 6 。則整個系統(tǒng)的噪聲系數(shù)( 式 2 2 ) 為： f = f t + 型+ 型+ ( 2 2 ) g ig 2g i 系統(tǒng)前端的低噪聲放大器( l n a ) 的噪聲性能對整個系統(tǒng)的噪聲性能有著極大的影 響。從提高系統(tǒng)靈敏度的角度來講，要求其具有盡量低的噪聲系數(shù)，盡量高的功率增益。 后面各級子系統(tǒng)帶來的噪聲，由于前級的功率增益乘積很大，所以它們的影響可以被減 至很小，甚至可以忽略不計。而且可以看出，由于接收機第一級為濾波器，這個模塊沒 有增益，反而有損耗，這種無源有耗的濾波器，對降低系統(tǒng)的噪聲系數(shù)不利。 ( 2 ) 接收機選擇性與線性度 接收機的選擇性定義為：在鄰近頻率強干擾和信道堵塞的情況下，接收機選擇有用 信號的能力。同時接收機還應(yīng)當(dāng)具備足夠的線性性能去處理可以接受的失真信號。如果 接收機在選擇性和線性度方面不好，那么就會產(chǎn)生互調(diào)分量而降低信號質(zhì)量。一般來講， 噪聲確定了最小檢測信號，而失真度確定了接收機可處理的輸入信號的最大功率。為了 描述這種非線性，引入了l d b 壓縮點( p 1 曲) 和三階交調(diào)點( i i p 3 ) 兩個參數(shù)。前者定義為 系統(tǒng)的功率增益下降l d b 時輸入信號的功率；后者定義為系統(tǒng)的三階非線性輸出與一階 線性輸出達到相等時的輸入或輸出功率，分別被稱為輸入三階交調(diào)點( i 口3 ) 和輸出三階 交調(diào)點( o i p 3 ) 。系統(tǒng)的三階交調(diào)指標用下式( 2 3 ) 來表示。 上。上+ 旦+ 盟+ j ( 2 3 ) 皿p , l 瑪2 p , 3 ( 3 ) 接收機動態(tài)范圍 動態(tài)范圍定義了接收機在檢測噪聲基值上的弱信號和處理無失真的最大信號的能 力。用接收機輸入端的最大信號和最小信號的比定義接收機的動態(tài)范圍。無寄生動態(tài)范 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 圍s f d r ( s p u r i o u sf r e e d y n a m i cr a n g e ) 和阻塞動態(tài)范圍b d r ( b l o c k i n gd y a d i cr a n g e ) 是特別重要的。s f d r 是以最大輸入電平( 三階互調(diào)分量低于噪聲基值) 和最小可辨別信 號p m i n 之間的比為基礎(chǔ)的。s f d r 的表達式( 2 4 ) 如下： f s f d r = 詈【皚一乃卜詈 ( 2 4 ) j j 0 阻塞動態(tài)范圍b d r 定義為上限信號p 枷與最小可辨別信號p 曲的差。計算前端接 收鏈的最大增益時，需要考慮最大可能的帶內(nèi)阻塞。 ( 4 ) 接收機中頻抑制與鏡像抑制 中頻抑制是指對中頻干擾和噪聲的削弱和抑制?？梢酝ㄟ^將混頻器設(shè)計成雙平衡或 環(huán)路，電路盡量對稱，這樣使中頻干擾盡量和中頻端口隔離，一般的混頻器均給出了 r f 和l f 端口的隔離度，這個隔離度在一個程度上反映了接收機的中頻抑制能力，此外 通過選擇合適的頻率的中頻可以大幅度的提高中頻抑制能力。頻率2 0 一厶，稱為鏡像 頻率，在本振功率較大的情況下，必須考慮鏡頻對中頻的影響。抑制鏡像干擾的有效方 法有：采用高中頻使得鏡頻干擾盡量遠離有用信號，然后采用二次變頻得到所規(guī)定的中 頻。 ( 5 ) 增益壓縮 當(dāng)輸入信號很小時，輸入信號功率與輸出信號功率成線性關(guān)系。但是隨著信號的變 大，輸出增益下降。如圖2 5 所示。也就是說對于處理信號有一個上限。這個指標反映了 最大可以處理的信號 輸 出 功 室 圖2 5l d b 壓縮點 f i g 2 5 i d b c o m p r e s s i o np o i n t ( 6 ) 三階交調(diào)點 在射頻系統(tǒng)中，三階交調(diào)點i i p 3 是一個衡量器件線性度和失真性能的重要指標。當(dāng) 多個鄰道信號傳輸時，鄰道信號會由于電路的非線性，在輸出端產(chǎn)生交調(diào)互調(diào)的干擾項 基于w i a n s 0 2 1 i b 的低噪聲放大器設(shè)計 三階交調(diào)就是非線性電路輸出端的三階交調(diào)信號功率與輸出信號功率相同時的輸入信 號功率點，即三階交調(diào)點。圖2 6 說明了三階互調(diào)信號的干擾信號，經(jīng)過非線性電路， 落于頻帶內(nèi)而造成干擾現(xiàn)象f 6 j d e s i r e d w lw 2w 02 m w 2w jw 2w e 圖2 6 等幅雙音信號及三階分量關(guān)系圖 f i g 2 6d u a l * t o n ew i t ht h es a m ea m p l i t u d es i g n a la n d t h e3 do r d e ri m ( 7 ) 噪聲系數(shù) 信噪比( s n r ) 是同一個端口的功率p i 。與噪聲功率p 。之比。噪聲系數(shù)與信噪比的關(guān) 系是：噪聲系數(shù)等于輸入輸出的信噪比之比，用d b 來表示。其中，需要說明是的，混 頻器中分為單邊帶噪聲與雙邊帶噪聲1 4 1 。這是由于下變頻后產(chǎn)生的中頻信號的頻率僅與 射頻信號、本振信號頻率之差的幅度有關(guān)，因此射頻信號和它的鏡像信號都會被變換到 相同的中頻頻帶上。如果鏡像信號頻帶位置不存在有用信號，這時測量出的噪聲系數(shù)稱 為單邊帶噪聲系數(shù)；如果有用信號同時出現(xiàn)在射頻信號頻帶和鏡像信號頻帶上，這時測 量出的噪聲系數(shù)稱為雙邊帶噪聲系數(shù)。在大多數(shù)接收機系統(tǒng)中( 如超外差、低中頻接收 機等) ，鏡像信號頻帶位置是不存在有用信號的，因此單邊帶噪聲系數(shù)反應(yīng)了混頻器真 實的噪聲性能；而在零中頻接收機中，有用信號同時出現(xiàn)在射頻信號頻帶和鏡像信號頻 帶上，因此雙邊帶噪聲系數(shù)反應(yīng)了混頻器真實的噪聲性能。由于在雙邊帶噪聲系數(shù)測量 中，射頻信號頻帶和鏡像信號頻帶都存在有用信號，而在單邊帶噪聲系數(shù)測量中，僅射 頻信號頻帶存在有用信號，因此前者的信號功率是后者信號功率的兩倍。對同一個頻率 來說，前者的輸入信噪比比后者高3 d b ，因此通常來說，單邊帶噪聲系數(shù)比雙邊帶噪聲 系數(shù)大3 d b 。 2 3 射頻集成電路工藝 在射頻以及模擬電路中，常常在c m o s ，g a a s ，s i g e ，b i c m o s 等工藝中選擇。 具體方案需要在產(chǎn)品要求上進行折衷。 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 硅作為半導(dǎo)體材料應(yīng)用已經(jīng)有很長的歷史了，隨著技術(shù)應(yīng)用改進，其應(yīng)用程度已經(jīng) 非常成熟。隨著半導(dǎo)體工藝以摩爾定律飛速發(fā)展，m o s 管溝道尺寸越來越小，特征頻 率越來越高，功耗也大大下降，成為r f i c 一個非常好的技術(shù)發(fā)展平劊4 】。對于數(shù)字電 路，主流工藝是c m o s 工藝，而對于模擬設(shè)計師來講，常常在c m o s ，g a a s ，s i g e ， b i c m o s 等選擇。具體方案需要在產(chǎn)品要求上進行折衷。 g a a sm e s f e t 和異質(zhì)結(jié)器件被認為是低產(chǎn)品率，高功耗和高價格，但它們?nèi)栽趓 f 市場占有重要地位，尤其是在功放和前端開關(guān)中。c r a a s 器件具有優(yōu)越的電子遷移率和 飽和遷移速度，所以g a a s 的工作速度高，這使得它在目前的r f 領(lǐng)域占據(jù)舉足輕重的地 位。然而，隨著c m o s 技術(shù)的發(fā)展，c m o s 管進入到深亞微米領(lǐng)域時代，s i 工藝的特征 頻率可以和g a a s 相比擬。不過，基于s i 的器件工作電壓較高一些。g a a s 由于本身具有 的更高的低場遷移率，而這一點對器件的噪聲指數(shù)至關(guān)重要，所以g a a s 仍將保持著一 些很重要的性能優(yōu)勢。連接器件的歐姆電阻在影響噪聲指數(shù)方面起重要作用。典型的 g a a sm e s f e t 或p h e m t 由金屬柵組成，和基于硅柵的m o s 器件相比，它大大減小了 串聯(lián)柵電阻。在許多情形下，噪聲指數(shù)中零點幾分貝的改進對無線通信是至關(guān)重要的， 在r f 前端中，除開關(guān)和前端功放主要i 掃g a a s 實現(xiàn)之外，其余基本上由高級b j t i 藝實現(xiàn)， 在目前，高級b j t i 藝是r f 前端的主流工藝。因為雙極型器件的截止頻率f i 很高，工作 電流小，所以功耗也小，此外，雙極型器件的噪聲也很小，這一點尤其是用在l o 電路 對噪聲要求很嚴格的應(yīng)用中。g a a s 是一種性能優(yōu)越的高頻器件材料，但是工藝與傳統(tǒng)的 工藝不兼容，其集成規(guī)模很難與發(fā)展成熟的集成工藝相比，而且電路的制造成本非常昂 貴。s i g eb i c m o s 技術(shù)憑借其頻率特性好，噪聲系數(shù)低，集成度高，成本低以及與傳 統(tǒng)工藝相兼容的優(yōu)勢，展現(xiàn)了其在無線通信領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿?。s i g e 技術(shù)具有優(yōu)于s i b i c o m s 技術(shù)和g a a s 技術(shù)的性能，可滿足無線通信等現(xiàn)代無線電通信系統(tǒng)的要求己在 現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)芯片設(shè)計制造中獲得廣泛應(yīng)用，成為領(lǐng)域的主流技術(shù)。 s i g e 技術(shù)在加入適量鍺獲得新的半導(dǎo)體性質(zhì)的同時，作到硅所具有的高產(chǎn)量和低成 本?？梢?，s i g e 具有無線通信所需要的各種優(yōu)點：低功耗和低成本，可以傳送和接受 高頻信號，同時也延長了移動設(shè)備的電池壽命。目前，這種技術(shù)引起了越來越多公司的 注意。 一1 3 一 基于w l a n s 0 2 1l b 的低噪聲放大器設(shè)計 3 低噪聲放大器及混頻器理論分析 3 1低噪聲放大器拓撲結(jié)構(gòu) 一般的c m o s 低噪聲放大器有四種結(jié)構(gòu)【】，這些結(jié)構(gòu)都可以提供適合的功率和增 益，但它們在噪聲系數(shù)，輸入匹配以及應(yīng)用方面有所不同。 ( 1 ) 電阻匹配共源結(jié)構(gòu) 如圖3 1 所示，當(dāng)要把低噪聲放大器在很大的寬帶內(nèi)穩(wěn)定在5 0 q 時，可以采用此結(jié) 構(gòu)。由于使用電阻作為輸入端終端，將使得低噪聲放大器的噪聲指數(shù)很高，該電阻噪聲 又會經(jīng)過放大器放大，增加了總的輸出噪聲。這種結(jié)構(gòu)電路的噪聲指數(shù)很高，更不適合 設(shè)計低功耗l n a 。 豐r 釬 下 t e n n i n a l i o n 1 g ，所以如果輸入阻抗要 即可。 圖3 2 跨導(dǎo)共柵結(jié)構(gòu) p i g 3 2 c o m m o ng a t ew i t h 缸a n 竄?？ h m = t i n m a t c h 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 跨導(dǎo)匹配共柵結(jié)構(gòu)在輸入匹配上是很容易實現(xiàn)的，但是它的噪聲指數(shù)還不低，目前 用的較少。 ( 3 ) 并