（通信与信息系统专业论文）cmos蓝牙接收机前端的研究与设计.pdf

海大学顸一l 一学位论文c m o s 蓝牙接收机前端的研究与漩计 摘要 随着无线通信的迅猛发展，无线终端的小型化、低功耗、低成本、高性能已 成为发展趋势，因此射频与基带系统集成在一起的无线通信收发器的单片实现成 为新的技术目标。近年来深亚微米c m o s 工艺不断进步和成熟，其沟道长度不 断减小，截止频率，i 不断增加，再加上c m o s 工艺与其他工艺相比具有价格低、 集成度高、功耗小等特点，用c m o s 工艺研制射频集成电路( r f i c ) 已成为国 际上的研究热点。本文对射频接收机前端进行了深入的研究，采用t s m co 2 5 t m c m o s 工艺完成了蓝牙应用的2 4 g h z 射频接收机前端的设计。 本文首先研究了无线接收机的各种结构，分析了它们在集成系统应用中的优 缺点，提出了适合蓝牙应用的低中频接收机结构。接着对蓝牙接收机前端模块低 噪声放大器、混频器和压控振荡器进行了详细探讨，采用t s m c0 2 5 9 mc m o s 工艺完成了差分c a s c o d e 结构低噪声放大器、g i l b e r t 有源双平衡混频器、互补交 叉耦合l c 振荡器和整个蓝牙接收机前端的设计。采用c a d e n c es p e c t r er f 仿真 器完成上述电路设计与仿真，采用v i r t u o s ol a y o u te d i t 完成电路版图设计，版图 通过了d r a c u l ad r c 和l v s 验证。 论文给出了设计仿真结果：低噪声放大器增益1 2 4 d b ，噪声系数2 8 4 d b ，三 阶输入截止点为一2 7 9 d b m ；混频器转换增益1 0 3 d b ，噪声系数为9 4 d b ，三阶输 入截止点为一3 7 2 d b m ；压控振荡器相位噪声一1 2 3 4 d b c h z 6 0 0 k h z ，调谐范围 2 3 3 2 5 7 g h z ；整个接收机前端增益2 2 7 d b ，噪声6 4 8 d b ，三阶输入截止点为 一93 7d b m 。各项指标达到了蓝牙标准要求。 关键词：c m o s ；蓝牙；低噪声放大器；混频器；压控振荡器；接收机前端 卜海大学顾十学位论文c m o s 蓝牙接收机前端的础f 究与设计 a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sl e a d st oan e w d i r e c t i o no fs m a l ls i z e ，l o w p o w e r ，l o wc o s t ，h i g hp e r f o r m a n c e w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e r m i n a t o r ss om o n o l i t h i ci n t e g r a t e dt r a n s c e i v e rc o n t a i n i n gr fa n d b a s e b a n dh a sb e c o m en e wt a r g e t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h em a t u r a t i o no f d e e p s u b m i c r o m e t e rc m o sp r o c e s s ，t h ec h a r a c t e r i s t i cs i z ei ss h r i n k i n ga n dc u t o f f f r e q u e n t c y 够) i si n c r e a s i n g a d d i t i o n a l l y , c m o sp r o c e s sh a st h ef e a t u r e so fl o wc o s t ， h i 曲l yi n t e g r a t e d ，l o wp o w e rc o m p a r e dt oo t h e rp r o c e s s e s ，s oi ti sp r e v a l e n tt ou s e c m o sp r o c e s st oi m p l e m e n tt h er ff r o n t - e n do ft r a n s c e i v e r t h i sp a p e ri n t e n d st o f o c u so nt h ei s s u e so fr fr e c e i v e rf r o n t - e n d ，m a i n l yt ot h ei m p l e m e n t a t i o no f2 4 g h z r e c e i v e rf r o n t - e n df o rb l u e t o o t ha p p l i c a t i o ni nt s m co 2 5 i _ t mc m o sp r o c e s s ， w i t ht h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i so fd i f f e r e n tr e c e i v e rt o p o l o g i e sa l o n gw i t ht h e i r m e r i t sa n dd r a w b a c k s ，w ep r e s e n tal o w i fr e c e i v e ra r c h i t e c t u r es u i t a b l ef o rb l u e t o o t h a p p l i c a t i o n w eh a v ec o m p l e t et h ed e s i g no f d i f f e r e n t i a lc a s c o d el o wn o i s ea m p l i f i e r , a c t i v e d o u b l y b a l a n c e dg i l b e r t m i x e r , c o m p l e m e n t a r yc r o s s c o u p l e dv o l t a g e c o n t r o l l e do s c i l l a t o ra n dt h eo v e r a l lr e c e i v e rf r o n t e n d ，a l lm o d u l e sa r ed e s i g n e di n t s m c0 2 5 9 mc m o sp r o c e s sa n ds i m u l a t e db yc a d e n c es p e c t r e r fs i m u l a t o r l a y o u ti sc o m p l e t e db yv i r t u o s ol a y o u te d i ta n dh a sp a s s e dd r a c u l ad r c a n dl v s v 甜f i c a t i o n s e v e r a lk e ys i m u l a t i o nr e s u l t sa r ea c h i e v e di nt h ew o r ko ft h et h e s i s ：t h el o w n o i s ea m p l i f i e rh a sg a i no f1 2 4 d b ，n o i s ef i g u r eo f2 8 4 d ba n di n p u tt h i r d o r d e r i n t e r c e p tp o i n to f 一2 7 9 d b m ；t h em i x e rh a sc o n v e r s i o na g a i no f1 0 3 d b ，n o i s ef i g u r e o f94 d ba n di n p u tt h i r d - o r d e ri n t e r c e p tp o i n to f 一3 7 2 d b m ；t h ev o l t a g ec o n t r o l l e d o s c i l l a t o rh a sa n o u t p u tf r e q u e n c yr a n g e f r o m2 ，3 3 g h zt o2 5 7 g h zw i t h 一12 34 d b c h z 6 0 0 k h zp h a s en o i s e ；t h eo v e r a l lr e c e i v e rf r o n t - e n dh a sg a i no f 2 2 7 d b ，n o i s ef i g u r eo f6 4 8 d ba n di n p u tt h i r d o r d e ri n t e r c e p tp o i n to f 一9 3 7d b m t h e s er e s u l t sr e a c ht h ed e s i g ng o a l so f b l u e t o o t hs p e c i f i c a t i o n i i 上海人学硕i 一学位论文c m o s 蓝牙接收帆前端的研究与嫂汁 k e y w o r d s ：c m o s ；b l u e t o o t h ；l o wn o i s ea m p l i f i e r ；m i x e r ；v o l t a g ec o n t r o l l e d o s c i l l i t o r ；r e c e i v e rf r o n t e n d 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：座錾耸日 本论文使用授权说明 期：印里! ! 、堕 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：麟导师签名：三边日期：j 塑型 海人学钡f j 学位论文 c m o s 蓝牙接收帆前端的研究和设计 第一章绪论 1 1 研究目的 近十年来，通信技术以惊人的速度发展，而无线通信技术的发展尤为迅猛。 就无线通信领域而言，射频多指几百兆到几千兆的频率范围。射频技术在当今各 个领域己得到广泛应用，如：蜂窝式个人通信网( p c n ) 、无线局域网( w l a n ) 、 无线接入系统、无线互连( 包括b l u e t o o t h ) 、全球卫星定位系统( g p s ) 、低轨道 卫星移动通信和多媒体移动接入通信系统( m m a c ) 等等。此外还在智能交通 系统( i t s ) 、雷达等方面得到应用。 巨大的市场需求促使世界发达国家及相关大公司竞相研发适应社会需求的 无线通信系统。无线通信终端的小型化、低功耗、低成本、高性能是通信技术发 展的新趋势，而整个无线通信系统的单片集成( 片上系统s o c ) 是适应这一趋 势的必然选择，因此单片集成无线终端已成为当今无线通信系统研究和开发的热 点。 对于一个无线收发系统，大体可分为两个部分：基带部分( b a s eb a n d ) 并1 射频 部分( r f ) 。至今绝大多数收发机的基带处理部分都是用c m o s 工艺实现的，而 射频前端芯片一般采用砷化镓( g a a s ) 、双极型硅( s i l i c o n b i p o l a r ) 等工艺实现， 近年来也有用b i c m o s 工艺实现的，这些工艺制成的器件具有优异的r f 性能， 但价格昂贵，且不利于与c m o s 基带部分单片集成。射频部分和基带处理部分 采用相同的工艺才能集成在同一块芯片上。为了实现廉价、高性价比的单芯片无 线收发机，需采用c m o s 工艺来同时实现射频部分和基带处理部分。随着深亚 微米c m o s 工艺的不断进步和成熟，其沟道长度不断减小，截止频率矗不断增 加，再加上c m o s 工艺与其他工艺相比具有价格低、集成度高、功耗小等特点， 因而用c m o s 工艺设计射频集成电路( r f i c ) 己成为国内外研究的热点“。 当今世界各发达国家及相关大公司均投巨资竞相研制开发r f i c 以适应社会 需求，目前国内对射频前端芯片的研发尚处于起步阶段，研制采用c m o s 工艺 实现的无线收发机射频芯片，不仅可以提高我国在这一领域的核心竞争力，而且 对射频芯片的国产化和实用化具有实际意义。 ：海人学顺f 学位论文c m o s 蓝牙接收机前端的研究和设计 1 2 蓝牙技术介绍 蓝牙( b l u e t o o t h ) 是在1 9 9 8 年5 月由爱立信、l b m 、诺基亚、英特尔、东 芝五家公司联合推出的一项最新的无线技术协议。并由上述五家公司组建的 b l u e t o o t h 特殊利益小组( s p e e i a 1i n t e r e s tg r o u p ，s i g ) 来负责b l u e t o o t h 标准的 制订、产品的测试以及协调各国b l u e t o o t h 使用频段的一致。 作为一种短距离无线数据传输标准，b l u e t o o t h 的发送和接收设备运行在i s m 2 4 g h z 频段，采用跳频扩频技术( f h s s ：f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ) ， 其跳频速率1 6 0 0 次秒，分别在7 9 个信道中不断的跳转，最高数据传输速率 1 m b p s 。b l u e t o o t h 设备采用g f s k 调制，b t = 0 5 ，它可以在1 0 厘米到1 0 米的 范围内由最多8 个设备共享1 m b p s 的速度，如果提高传送设备的功率，距离还 可以扩展至1 0 0 米甚至更远。以同步方式传输时上下行可以各达到4 3 2 6 k b p s ， 在异步方式传输时，可以将上行或下行链路中的一条优化为7 2 1 k b p s ，另外一条 链路保持为5 7 ，6 k b p s ，有了这样的链路，笔记本电脑、p d a 等手持设备在与台 式机同步的时候就不必再有线路的连接，只需要一个小小的芯片就可以实现数据 收发的全部功能。另外加密、口令等保密手段也可以应用在b l u e t o o t h 中p 。 1 3 国内外研究现状 c m o s 射频集成电路设计始于1 9 9 6 年左右，由美国斯坦福大学t h o m a sh l e e 等教授倡导，在近几年得到飞速发展，成为一门新兴的研究方向。自2 0 0 1 年以来，国外的一些大学和研究机构相继报道了自己的研究成果【4 】- h d a r a b i 等用c m o s 工艺实现了蓝牙收发机：h k o m u r a s a k i 等用c m o s 工艺实现了1 8 v 低工作电压的蓝牙收发机；w e n j u ns h e n g 等用t s m c0 3 5 9 mc m o s 工艺实现了 低中频蓝牙接收机前端芯片。 目前射频集成电路的核心技术为极少数的欧美企业所控制，我国在该领域的 起步较晚，即使是集成电路设计水平进入世界前列的我国台湾省，射频集成电路 的丌发能力也相对薄弱。国内对c m o s 射频集成电路研究起步较早的是清华大 学、东南大学、复旦大学和上海大学，相继用c m o s 工艺实现了数g h z 频率范 围的射频集成电路模块，如低噪声放大器、混频器、压控振荡器等 8 1 。总体 来说，在无线通信的射频集成电路设计方面，我国与国外还有较大的差距。因此， 我国必须加强在该领域的研究以尽快拥有自主知识产权的产品，以免在激烈的竞 ：海大学硕卜学位论文 c m o s 蓝牙接收机前端的研究和鹾计 争中处于不利地位。 1 4 论文组织结构 本论文主要工作是研究符合蓝牙标准的c m o s 射频接收机前端的实现。蓝 牙( b l u e t o o t h ) 作为一种短距离无线互连标准受到广泛关注，它用于p c 、移动 电话和其他便携式设备间的低成本通信。蓝牙器件应当满足低成本、低功耗的要 求，才能集成到其他便携式设备中去，c m o s 工艺由于本身的特点可以满足蓝牙 对低成本、低功耗、高集成度的要求。 第一章介绍了本论文的研究目的、蓝牙技术、国内外研究现状等。 第二章研究了无线接收机的各种结构，分析了它们在集成系统应用中的优缺 点，提出了适合蓝牙应用的低中频接收机结构。对接收机的性能指标进行了深入 分析和研究。 第三章到第五章分别是对蓝牙接收机前端主要功能模块一低噪声放大器、混 频器和压控振荡器的研究，采用t s m co 2 5 岫c m o s 工艺完成了差分c a s c o d e 结构低噪声放大器、改进的g i l b e r t 双平衡混频器和互补交叉耦合l c 压控振荡 器的设计。 第六章是蓝牙接收机前端的整体设计，并完成了接收机前端的版图设计和验 证。 最后总结了全文，指出了本文完成的工作和尚待解决的问题及进一步的研究 方向。 卜海人学顺卜学位论文 c m o s 蓝牙接收机前端的剐f 究和设计 第二章无线接收机前端概述 2 1 接收机结构 当前无线通信的应用越来越广泛，接收机作为通信系统的重要组成部分，正 面临着高工作频率、高集成度、低电压、低功耗、低价格的挑战。目前常见的接 收机结构有超外差式、零中频、低中频等。 211 超外差式接收机 传统的超外差式接收机结构如图2 1 所示。射频信号由天线接收经过滤波器 滤波后通过低噪声放大器进行放大，然后利用镜像抑制滤波器对镜频信号进行抑 制，随后将信号送入混频器和本地振荡器( l 0 ) 产生的本振信号混频到较高的“中 频”，然后再对中频信号进行中频滤波、中频放大等进一步的处理。 图2 1 超外差接收机 i fs t a g e 超外差式结构的优点在于具有较高的选择性和灵敏度，但它也存在缺点。首 先主要问题涉及到镜像抑制和邻近频道抑制之间的折衷。对一定的滤波器而言， 如果中频频率较高，则镜像信号得到很好的抑制，但邻道干扰信号却保持较高的 能量。反之，中频频率较低，则镜像信号会严重干扰所需的信号，而邻道信号却 得到很好的抑制。因此镜像抑制滤波器和中频滤波器都需要高选择性的传输函 数，但是在目前的集成电路工艺条件下，制作高q 值的集成高、中频滤波器是很 困难的，所以超外差式结构一般都采用外接的声表面滤波器( s a w ) 等无源滤 波器。 其次，由于外接滤波器的使用，信号要从片外引进片内引出，所以片上晶体 管必须偏置在很大的电流下以驱动无源滤波器的低阻抗和引脚及封装引起的大 的容性负载，从而能量损耗增大，而且滤波器工作频率越高，能耗越大。此外， 海人学坝l 学位论文c m o s 蓝牙接收机前端的研究和设计 外接元件之间的信号还存在辐射干扰等问题，从而进一步降低了接收机的可靠 性。 总体来说，超外差式接收机离不开具有良好选频特性的滤波器。这样的滤波 器只能在片外实现，超外差式接收机无法集成，不适合单片接收机系统的应用。 2 1 2 零中频接收机 零中频接收机，也称为直接变频接收机，如图2 2 所示。它使用一级混频器 直接将带内信号从射频变换到i f = 0 的基带，然后使用低通滤波器抑制干扰、 选择信道。对于频率和相位调制信号，由于信号频谱的两个边带包含不同的信息， 必须提供两路相互正交的i 和q 信号通路，以避免信息的丢失。 阳 i l + 图2 , 2 零中频接收机 q 0 零中频结构由于去除了中频级，相对外差式结构具有以下优点。首先，因为 不存在镜像问题，因而不需要镜像抑制滤波器，这就大大简化了接收机的结构。 其次，由于i f = 0 ，所以仅需要低通滤波器，而低通滤波器与带通滤波器相比， 更容易集成而且能耗和所需芯片面积都很小。这些优点使得零中频接收机成为一 种易于集成的接收机结构。 零中频接收机在提高集成度的同时也带来了一一些新的问题。、因为本地振 荡信号和射频信号频率相同，如果本地振荡器与混频器的射频输入端之间的隔离 度有限，本振信号很容易泄漏到混频器射频输入端，通过l n a 泄漏到天线，辐 射到空间，形成对邻道的干扰；、泄漏的本振信号从天线回到l n a ，进入混 频器射频口，和本振信号自混频，在混频器输出端产生d c 偏移，这种偏移可以 高达1 0 m v ，而信号可能只有几十微伏，造成对基带信号的破坏：、由于i f = 0 ， 所以c m o s 器件闪烁噪声( 1 f 噪声) 对信号的影响变大；、为实现镜像信号 和有用信号的分离，零中频接收机采用双路正交f 变频的结构，如果两条支路的 委 叭陟 l 海火学硕l 。学位论文c m o s 蓝牙接收机前端的研究和计 幅度和相位不匹配就会引起误码率的上升。 由于以上问题，尤其是两支路不匹配和直流偏移，导致了零中频接收机的性 能不如传统的超外差式，但由于这类接收机具有很高的集成度，在对性能要求不 是很高的领域，这类接收机得到了广泛的应用。 21 3 低中频接收机 零中频接收机的直流偏移和闪烁噪声都位于直流附近，为避免它们的干扰， 低中频接收机将信号变频到一个较低的中频，如图2 3 所示。由于中频较低，信 道选择滤波器可以在片内以更低q 的元件实现。它与超外差式接收机相比，不需 要高频镜像抑制滤波器，集成度好；与零中频接收机相比，克服了直流失调、闪 烁噪声等低频干扰，因此成为集成接收机设计的选择之一。 图2 3 低中频接收机 214 蓝牙接收机结构的设计 蓝牙( b l u e t o o t h ) 是一种短距离无线通信技术，蓝牙器件应当满足低成本、 低功耗的要求，才能集成到其它便携式设备中去。跟据上文对接收机结构的分析， 我们从集成度、价格和功耗三方面的考虑来选择适合蓝牙应用的接收机结构。 传统的超外差接收机中频值比较高，典型值在5 0 2 0 0 m h z ，不易受直流偏 移和闪烁噪声的影响。但是超外差接收机需要片外滤波器进行信道选择和镜像抑 制，这与我们单片集成的目标相违背。另外，片外滤波器的使用增加了接收机的 功耗和成本。 零中频接收机避免了镜像抑制滤波器，易于集成，但易受直流偏移和闪烁噪 声的影响。图2 4 是蓝牙基带信号的功率谱密度，蓝牙基带信号9 9 的功率分布 在0 4 3 0 k h z 的频段内，直流偏移和闪烁噪声会大大降低接收机的信噪比【6 】，因 海人学硕f 学位论文 c m o s 蔽牙接收机前端的研究和没计 此不适合采用零中频结构。 二 kc 6 t p k x 苎州e3 辨 o ( 辨0 s 拈i - 。3 嚣 k 谚h v +” h 。o k o0 5 lts i 25 f f 0 m f ：ti l ，1 h z i 图24 蓝牙基带信号的功率谱密度 本文提出的蓝牙接收机采用如图2 ，5 所示的低中频结构。低中频结构无需外 部滤波器，支持高集成度。针对蓝牙信道带宽1 m h z ，选择中频频率为1 0 m h z 。 这样既可避免中频过低给直流偏移和镜像信号的消除带来困难，又可防止中频过 高而增加后续r f 频处理模块的功耗卜钉。虚线框内为本文完成的接收机前端的设计 工作。 死心w o r k ：一一 。 图2 5 低中频蓝牙接收机结构 d e n 幽l a t o 。 2 2 接收机性能指标 接收机作为通信系统的重要组成部分，必须能选择合适的频段，把射频信号 合理放大，将信号频率降低至中频，然后对信号进行解调并在足够的信噪比条件 谈淡 l ；耄| | 卜 i ，啪p 删删抄 ， 驯 卜海人学倾i 学位论文 c m o s 蓝牙接收机前端的研究和设计 下将解调信号送至基带信号处理器，实现数字检测。用来衡量接收机性能的主要 指标有灵敏度、噪声系数、线性度、动态范围等。 2 2 1 灵敏度 灵敏度用来衡量接收机从噪声中检测微弱信号的能力，定义为在一定信噪比 条件下，接收机所能检测到的最小信号电平。 对整个接收机系统，其噪声因子可由下式表示： f s n r , 曼! 坐! ( 2 1 ) s n r 。s n r 。， 。、只。分别是单位带宽的输入信号功率和输入噪声功率。由式( 2 1 ) 得到分布在信道带宽b w 中的输入信号功率表达式： p ，m 2 p f - s n r 。b w ( 2 2 ) 以d b 数表示，得： p ，- d b m = p d b m h z + n f e d b + s n r 。 d b + 1 0 1 0 9 ( b w ) ( 2 _ 3 ) 在室温( t = 2 9 0 k ) 的情况下，单位带宽的输入噪声功率为： p n o i s e 。一4 k t r , 土：世，：一1 7 4 d b m h z ( 2 4 ) 4 r 。 用最小可检测信号( m d s ) 来表示满足一定信噪比条件下，接收机所能检 测到的最小输入信号电平，得到接收机的灵敏度( m d s ) ： m d s = 一1 7 4 d b m 爿j + n f ( d b l + s n r o = + 0 1 0 9 ( b w ) ( 2 5 ) 根据b l u e t o o t h 标准，其灵敏度要求小于一7 0 d b m 。 2 22 噪声系数 噪声系数( n f ) 表征了信号通过系统后，系统内部噪声造成信噪比恶化的 程度。噪声因子f 定义为系统输入信噪比与输出信噪比的比值，如式r 2 ，1 ) 所 示，噪声系数n f = f 【d b - 1 0 l o g ( f ) 。 如果系统是无噪的，不管系统的增益多大，输入信号和噪声同样被放大，而 没有添加任何噪声，因此输入输出信噪比相等，相应的噪声系数为0 。由多个模 块级联而成的系统，在不考虑级间阻抗匹配的情况下，级联噪声因子为： 爵人学硕【j 学位论文c m o s 蓝牙接收机前端的刊f 究和设计 f ：f + 蔓兰+ 型+ ( 2 6 ) g 1g l g 2 其中，f ，、凡、f 3 为系统各级的噪声因子，g ，g - 为各级的增益。 从公式( 2 6 ) 可以看到系统前面几级的噪声系数对系统噪声影向较大，为降低 级联系统的噪声系数，可减小第一、二级的噪声系数并适当提高它们的增益以降 低后面各级的噪声对系统的影响。 蓝牙标准要求：灵敏度m d s = - 7 0 d b m ，s n r o = = 2 1 d b ( b e r o 0 0 1 ) ，b w = 1 m h z 。由此根据式( 2 5 ) 可以得到符合b h e t o o t h 标准的接收机要求达到的噪 声系数： 一。= 1 7 4 d b m h z s n r 2 7 一1 0 l o g ( b w ) + m d s = 1 7 4 - 2 1 - 1 0 l o g ( 1 0 6 、一7 0 = 2 3 d b 2 2 3 线性度 线性度也是射频接收机的重要指标，决定了接收机能够处理的最大输入信号 电平。在射频系统中，一般用1 d b 压缩点( 1 - d bc o m p r e s s i o np o i n t ) 和三阶交 调点( t h i r di n t e r c e p tp o i n t ) 来描述系统的线性度。 由于射频电路所使用的晶体管都是非线性的，射频系统不可避免的存在非线 性。一个非线性系统可以简单地描述成： y ( t ) = 口l z ( t ) + c t 2 z2 0 ) + 口3 2 3 ( f ) + ( 2 7 ) ( 1 ) 、当输入信号为z ( t ) = a c o s ( o ) ) 时，输出为： y 0 ) = 口l a c o s ( c o t ) + 口2 a 2c o s 2 ( m f ) + 口3 a 3c o s 3 ( 耐) + z 口一c 。s ( 删) + i 1 口： 1 + c o s ( 2 0 x ) + i 1 口，爿3 3 c 。s ( 酬) + c 。s ( 3 耐) 】 = 警m ，爿+ 警) c o s ( 晰等c o s ( 2 0 9 ) + 等c o s ( s a t ) 眩s ) 如果输入信号的幅度很小，那么式( 2 7 ) 中的2 次及以上的项可以忽略， 因而小信号增益为1 2 。如果输入信号幅度增大，则系统的增益就不是q 而是 口，+ 地。彳。如果3 0 ，系统的增益随输入信号幅度a 的增加而减小。1 一d b 压 海人学硕二卜学位论义c m o s 蓝牙接收机前端的研究和设计 缩点( p - l d b ) 定义为输出增益比理想小信号增益低ld b 时输入信号的电平大小， 如图2 6 所示。p 刊b 越大，说明系统的线性度越好。l d b 压缩点对应的输入信号 幅度为： a l 图2 6l d b 压缩点 ( 2 9 ) 图2 7 三阶截止点 ( 2 ) 、如果系统的输入为两个幅度相近、频率间隔很小的正弦波， x ( t ) = a c o s c o l t + a c o s c o ：t ，在系统的输出信号中，除了基波分量l 、c 0 2 外，还 包含了它们的组合频率( 不仅仅是谐波) ，即输出信号的的频率分量为： = 1 m o o 。+ n 甜2 l ，m ，”= - o o ，- 1 ，0 ，1 ，o o ，m 和n 不为0 时的频率分量相当于通过q 和，相互调制而产生，因此称为互调分量，由3 次失真引起的互调分量称为3 阶互调分量( i m 3 ) 。其中需要重点考虑的是2 0 ，一：和2 ( o ：一，这两项，因为它 们就在基波附近。当3 阶互调分量的幅度等于基波信号的幅度时，对应的输入信 号的幅度或功率称为输入三阶截止点l i p s ，而输出点则称为输出三阶截止点 d ，尸，如图2 7 所示。三阶截止点所对应的输入信号幅度为： 协阚 ( 2 1 0 ) 比较式( 2 9 ) 和( 2 1 0 ) ，a p ，a 。一a 3 m 9 6 d b ，所以输入三阶截止点会比l d b 压缩点高1 0 d b 左右。 对于多级级联系统，整个系统的卿j 可表示为： 卜海人学顺1 ：学位论文c m o s 蓝牙接收机前端的研究和设计 i g 7 ( g 1 g ：) 2 ( 鸠) 。( 峭) ：。( 1 l p ，) 3 。 其中( t i p 3 j 。是第 级电路模块的t i p 3 ，g 。是第n 级电路的增益。 ( 2 1 1 ) 2 2 4 动态范围 接收机所接收的信号强弱是变化的，通信系统的有效性取决于它的动态范 围，即高性能地工作所能承受的信号变化范围。动态范围的下限是灵敏度，受到 系统噪声的限制，但当输入信号太大时，由于系统的非线性而产生了失真，输出 信噪比反而会下降，因此动态范围的上限由最大可接受的信号失真决定。 关于接收机，有两种定义的动态范围：无杂散动态范围( s f d r ) 和阻塞动 态范围( b d r ) 。从图2 - 8 可以看出，接收机的噪声底限( n o i s ef l o o r ) 决定了它 们的下限，s f d r 的上限是由一个输入信号功率决定的，该输入信号功率产生的 三阶交调失真大小等于噪声底限功率。而b d r 的上限由l d b 压缩点决定。p 胁 为接收机的噪声底限，值为s n r 。为0 时的m d s ，如式( 2 1 2 ) 所示。s f d r 、 b d r 的表达式如式( 2 1 3 ) 、( 2 1 4 ) 所示。 p n m = 一1 7 4 d b m fh z + n f + 1 0 1 0 9 ( b w 、 ( 2 1 2 1 s f d r = 三( 皿一p n f i ，) j b d r = p 、一p r l _ p w t _ n o l s t 2 斗 f ；( k 图2 8 动态接收范围相关参数定义 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 卜海大学顺 二学位论文 c m o s 蓝牙二接收机前端的研究干n 诖 计 2 3 小结 本章研究了无线接收机的各种结构( 外差式、零中频和低中频) ，分析了它 们在集成系统应用中的优缺点，从集成度、功耗和价格三方而考虑，提出了适合 蓝牙应用的低中频接收机结构。对接收机的主要性能指标进行了深入分析和研 究。 f ：海大学硕士学位睑文c m o s 蓝牙接收机前端的研究和设“ 第三章低噪声放大器的设计 在无线通信终端中，低噪声放大器( l n a ) 是射频接收机系统中的第一级有 源电路，对系统性能有重要影响。其主要性能指标有增益、噪声、功耗、线性度、 输入阻抗匹配等。针对无线通信对低功耗的要求，它必须在一定的功耗条件下， 提供足够的增益、优异的噪声性能、良好的线性度和输入阻抗匹配。足够的增益 可以抑制后续级模块的噪声，优异的噪声性能几乎决定整个接收机噪声性能的优 越程度，良好的线性度可以使其在较大的信号动态范围内正常工作。 3 1l n a 结构的选择 l n a 的前一级为天线或预选择滤波器，输出阻抗一般为5 0 q 。根据最大功 率传输条件，l n a 的输入端要提供对5 0q 信号源阻抗的良好匹配。m o s 管的输 入阻抗是电容性的，为实现阻抗匹配，可采用如图3 1 所示的四种常用的l n a 输入结构3 】。 i r l i l + l 。l 图3 1l n a 的四种常用输入结构 0 ) j m l a i e l ， 图31 ( a ) 是并联电阻结构，把一个5 0q 的电阻跨接在一个共源放大器的输 入端上，这种结构能提供宽带的5 0q 阻抗匹配。但电阻会附加上自己的噪声， 并且使进入晶体管的信号衰减( 衰减因子为2 ) ，这两种效应合在一起般会产 生不可接受的高噪声系数。 了 之覃 刷一 。匕 海大学倾。b 学位论文 c m o s 监牙接收机前端的研究和设计 图31 ( b ) 是共栅结构，共栅结构的输入阻抗为l g , 。舫为m o s 管跨导。因 此合适地选择m o s 管的尺寸和偏置电流可以提供所希望的5 0 q 输入阻抗。该结 构在阻抗匹配时，噪声系数的表达式为f 1 + y a 。y 是m o s 管沟道热噪声系 数，d = g 。g 。，昌是漏源电压为o 时的漏源电导。对于长沟道器件而言， 在饱和时y = 2 3 ，d = 1 ，噪声系数下界约为2 2 d b 。对于短沟道m o s 器件来 说，y 要明显的大于l ，典型值为2 3 ，而d 要小于1 ，噪声系数下界约为4 8 d b ( y 屈= 2 ) ，甚至更高。由此可以看到虽然共栅结构输入阻抗设计简单，但噪声 系数还是偏高。 图3 1 ( c ) 是并联一串联结构，它使用旁路电阻并串联反馈来提供l n a 的输 入阻抗匹配。该结构能提供5 0 q 输入阻抗，z 。= r ，( 1 + a ) ，a 为放大器增益。 该结构不会对放大器的输入信号产生衰减，因此它的噪声系数要比图31 ( a ) 并联 电阻结构好的多，但是也有一些缺点。首先，阻抗反馈网络( 廊) 本身会产生热 噪声，使得整个放大器的噪声系数仍然超过了器件r 。相当大的数量( 典型值有 几个分贝) 。而且该结构不能在任意一个频率上使晶体管呈现出一个等于z 0 。的 阻抗。尽管如此由于并一串联反馈电路的宽带性能还是足够作为一种补偿，因此 即使它的噪声系数可能不是最小的，但在许多l n a 的应用中还是可以看得到。 由于l n a 位于无线接收机的第一级，根据级联系统噪声公式( 2 6 ) ，l n a 噪声系数决定了整个接收机的噪声性能，因此其噪声应当尽可能小。虽然图3 1 的( a ) 、( b ) 、( c ) 三种输入结构都能提供对5 0q 信号源阻抗的匹配，但由于在信号 路径中存在有噪声的电阻( 包括共栅结构的沟道电阻) 而使噪声系数变差。图3 1 的( a ) 和( c ) 结构都能提供宽带输入匹配，但本文设计的l n a 是针对无线蓝牙的应 用，并不要求一个宽带的前端，反而是希望利用窄带技术来降低功耗和抑制带外 的干扰信号和噪声。 我们采用如图3 1 ( d ) 所示的源极电感负反馈共源输入结构，在输入m o s 管 的源极和栅极引入两个电感。忽略栅漏电容c 0 ，源极负反馈共源结构的小信号 等效电路如图3 2 所示： 上海人学硕j 二学位论文 c m o s 蓝牙接收机前端的研究和设计 尺s 图3 2 源极电感负反馈共源结构小信号等效电路 根据小信号等效电路，输入阻抗为： 弘”( p 州l , + l g ) + 两1 。d 谐振时：0 2 , 。( 上。+ l g ) 一= 0 ( 3 2 ) 6 0 0 l 口f 因此： z 。= r g + ( 晏) l ， ( 3 3 ) o g s r 。是共源晶体管m 的栅极寄生电阻，踟是跨导，c g s 是栅源寄生电容。通过选 择适当的偏置条件和源极电感厶，使输入阻抗得到一个5 0q 的实部；再通过选 择适当的栅极电感k 使得输入回路在工作频率上产生谐振，从而抵消输入阻抗 的虚部。从式( 3 1 ) ( 3 3 ) 可以看出这种结构实现的是窄带匹配，符合无线 通信对窄带信号处理的要求，抑制了带外干扰。 源极电感负反馈共源结构最大的优点是采用电感来得到5 0q 的输入阻抗， 而不必引入一个真正的电阻( 否则，电路的噪声性能会恶化) 。理想电感不会引 入噪声，这种结构即实现了阻抗匹配，又满足了低噪声的要求。 3 2 共源共栅l n a 3 21 密勒效应 在许多模拟电路和数字电路中存在一种重要现象，与“密勒效应”有关，由 密勒以定理的形式作了叙述【1 4 】。 ，￥冰 ? 图3 3 密勒转换 l 海人学顺l 学位论义c m o s 蓝牙接收机前端的研究和设计 密勒定理：如果图33 ( a ) 可以转化成图3 3 ( b ) 的电路，则z ，= z ( 1 一a ，) ， z 2 = z o 一爿：1 ) ，其中a 、= v x 。 3 2 2 共源共栅结构 根据上一小节对密勒效应的分析，共源放大器场效应管极问电容c g d 会产生 密勒效应，如图3 4 ，在m o s 管源极和漏极各增加一个电容c 、g 。 根据密勒定理可得： 矿 c 1 = c 。d ( 1 一) = c 。a ( 1 4 ，) ( 3 4 ) c ：m 一。( 一毒 s ， a v 是共源级的增益，c ：。，而c 1 则随着i 一，l 增大而增大。密勒效应使得 工作于射频频段的共源放大器的性能受到很大的影响。方面会恶化共源低噪放 的噪声性能，另一方面会使放大器不稳定。 为减少极间电容c g d 的密勒效应，我们采用图3 5 所示的共源共栅( c a s c o d e ) 结构”】- ” 。由于共栅级的输入阻抗很小，抑制了共源级的增益a 。因此，和共 源级相比，在共源共栅放大器中的密勒效应要小得多。共源共栅( c a s c o d e ) 结构 提高了反向隔离度，使得后接m i x e r 的本振泄漏减小，输出到输入的反馈减小， 电路稳定性增强。 幽3 4 共源放大器的密勒效应 厶 k _ | 矗m z 卜 “ 峨一| 一一叫g m f 厶 占 f 二海大学颁1 。学位论文c m o s 蓝牙接收机前端的研究和设计 3 3 共源共栅l n a 噪声分析与优化 噪声系数是l n a 最重要的指标，决定了接收机前端的噪声性能。本节从 m o s 管的噪声模型入手，详细分析了源极负反馈共源共栅结构l n a 的噪声性能， 提出了噪声优化的方法。 331m o s 管噪声模型 在射频频段内，m o s 管的主要噪声源为漏电流噪声、栅感应噪声和栅分布 电阻噪声。 ( 1 ) 、漏电流噪声漏电流噪声是由沟道载流子的不规则热运动形成的，是 c m o s 器件的主要噪声源。可以用一个连接在漏源两端的电流源来表示，如图 3 6 所示，漏电流均方值为： i ；= 4 k t t g d 。厂 其中g d o 是漏源电压为0 时的漏源电导。y 是与偏置相关的漏电流噪声系数，对于长沟道器件 = 2 y 1 ，在为o 时，为1 ，在长沟道器件的饱 j 和区y 逐渐减小到2 3 。对于短沟道器件，y 的典型 ( 3 6 ) 值为2 3 。 图3 6m o s 管漏极电流噪声 ( 2 ) 、栅感应噪声 由于m o s 管的栅极是容性的，沟道载流子电荷的扰动 会耦合到栅上，在栅上产生一个噪声电流即栅感应噪声，如图3 7 。在低频时可 以忽略，但是在射频它可能是主要的噪声源，也可以用一个连接在栅和源之间的 电导并联上一个噪声电流源来表示( 见图3 8 ) ： 图37m o s 器件栅感应噪声图38 栅感应噪声等效电路 海人学顾1 学位论文 c m o s 蓝牙接收机前端的研究和设计 i ；= 4 k t s g g a f ( 3 7 ) p ：! 监 ( 3 8 ) 。5 5 9d o 栅感应噪声和漏电流噪声是相关的，可分成与漏电流噪声完全不相关和完全相关 的两项，表示为： 号训r 引叫c 1 2 t 丁酬c 1 2 ( 3 ，)