（信号与信息处理专业论文）5ghz+wlan应用的cmos射频接收机前端的研究.pdf

上海大学硕士学位论文5 g h zw l a n 席用的c m o s 射频接收机前端的形f 究 摘要 无线通信的迅猛发展和c m o s 工艺的不断进步，使得c m o sr f i c ( r a d i o f r e q u e n c yi n t e g r a t e dc i r c u i t ，简称r f i c ) 成为当今无线通信系统研究开发的热 点。本论文采用t s m c0 2 5 p m1 p 5 mc m o s 工艺设计实现了应用于5 g h z w l a n 的c m o s 射频接收机前端及相应的r f 单元电路。 论文首先对射频接收机中的主要单元电路源极电感负反馈的共源共栅 低噪声放大器、g i l b e r t 有源双平衡混频器和互补交叉耦合对结构的l c 压控振荡器 进行了详细的探讨。研究了低噪声放大器的噪声优化方法；混频器的噪声机理、 增益和线性度的改进方法及压控振荡器的相位噪声问题。并给出了具体设计过 程。比较了各种无线射频接收机的结构，给出了适合5 g h z w l a n 应用的低中频 接收机结构，利用多相滤波器产生所需的正交信号，在压控振荡器和混频器间插 入了b u f f e r 放大器，以提高振荡器和混频器问的隔离。 采用c a d e n c es p e c t r e r f 完成了对5 2 g h zc m o s 低噪声放大器，混频器，压控振 荡器和接收机前端电路的仿真，采用c a d e n c ev i r t u o s ol a y o u te d i t o r 完成了各单元 电路和接收机前端版图的设计，采用d i v a d r a c u l a 验证工具完成了各单元电路的 d r c ，l v s 验证。仿真结果：低噪声放大器的噪声系数为4d b ，增益为1 1 0 2d b ， 输入三阶截止点( i i p 3 ) 为一5 1 4 5d b m ，输入1 d b 压缩点( p l d b ) 为一1 4 9 8 5d b m ，消耗 电流为1 0 7 m a ；混频器的变频增益为4 6 d b ，噪声系数为1 3 d b ，输入三阶截止点 ( i i p 3 ) 为1 d b m ，输人l d b 压缩点( p 1 d b ) 为8 7 3 b m ，消耗电流为5 4 m a ；压控振 荡器的调谐范围为4 9 6 g h z 5 9 3 g h z ，相位噪声为一l2 4 d b c h z lm h z ，电流消 耗为4 5 m a ：5 g h e 接收机前端的增益为1 4 5 d b ，噪声系数为1 0 1 2 d b ，输入三阶截 止点( i i p 3 ) 为一1 0 3 7 d b m ，输f i 1 d b 压, 缩点( p 1 d b ) 为一1 9 3 d b m ，总电流消耗 2 9 m a ，各项指标达到了5 g h zw l a n 系统要求。 关键词：c m o s ，射频集成电路，射频接收机前端，低噪声放大器，混频 器，压控振荡器，b u f f e r 放大器，多相滤波器 e 海大学硕士学位论文5 g h z w l a n 应用的c m o s 射频接收机前端的研究 a b s t r a c t t h ef a s tg r o w i n gd e m a n df o rb r o a d b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nh a sg e n e r a t e dg r e a t i n t r e s ti nt e c t m o l o g i e st h a tp r o v i d eh i g h e rd a t ar a t e sa n dg r e a t e rs y s t e mc a p a c i t i e s t h e o p e r m i o nf r e q u e n c yh a sb e e nm o v i n gt o w a r dt h e5 g h zu n i ib a n d d u et ot h e i n c r e a s i n g l yi m p r o v e m e n to f c m o sp r o c e s s ，r fc i r c u i tr e a l i z e di nt h ec m o s p r o c e s sh a sb e c o m ep o s s i b l e c m o sr f i c ( r a d i of r e q u e n c yi n t e g r a t e dc i r c u i t ) h a s b e e no n eo f t h em a i nr e s e a r c hd i r e c t i o n si nt h ew o r l d t h i st h e s i sp r e s e n t st h er e s e a r c h o f 5g h zc m o sr fr e c e i v e rf r o n t e n df o rw l a na p p l i c a t i o n si nt s m co 2 5 9 m c m o sp r o c e s s i no r d e rt om e e tw i t ht h ed e m a n d sb o t hf o r i n t e g r a t i o na n ds y s t e ms p e c i f i c a t i o n ，al o w i fr e c e i v e rs t r u c t u r ei sp r e s e n t e d t h ei fi s10 m h z t h e5 g h zc m o sr fr e c e i v e r f r o n t e n di n c l u d e sad i f f e r e n t i a ll n a ，t w og i l b e r td o u b l e - b a l a n c e dm i x e r s ，a nl ct a n k v c o ，ap o l y p h a s ef i l t e rw h i c hg e n e r a t e sq u a d r a t u r es i g n a l sa n dt w ov c ob u f f e r sf o r 血ei s o l a t i o nb e t w e e nt h em i x e r sa n dt h ev c o t h ec a s e a d el n aw i t hs o u r c e i n d u c t o rd e g e n e r a t i o ni sc h o s e nb a s e do nt h ec o n s i d e r a t i o n sf o rh i 曲g a i n ，i s o l a t i o n a n di n p u tm a t c h s o u r c ei n d u c t o rd e g e n e r a i o ni sa l s ou s e di nt h em i x e rf o ro b t a i n i n g ab e t t e rl i n e a f i t y v c oi si m p l e m e n t e db y u s i n gt h ec o m p l e m e n t a r yc r o s s c o u p l e d t r a n s i s t o rt o p o l o g y , w h o s ep h a s en o i s ei sl o w e ra n dt h eo u t p u ta m p l i t u d ei st w i c eo f t h a to f an m o so rp m o sc r o s s c o u p l e dp a i r t h er fr e c e i v e rf r o n t - e n da n dr e l a t e dr fb l o c k s a r es i m u l a t e db yc a d e n c e s p e c t r e r f t h el a y o u t sa r ec o m p l e t e db yc a d e n c ev i r t u o s ol a y o u te d i t o ra n dp a s s d r ca n dl v sv e r i f i c a t i o nb yd i v a d r a c u l a t h el n ae x h i b i t st h e g a i no f11 0 2 d b ， n o i s ef i g u r eo f4 d b ，p l d bo f 一1 4 9 8 5 d b m ，i i p 3o f - 5 1 4 5 d b m ；t h em i x e re x h i b i t s t h ec o n v e r s i o ng a i no f4 6d b ，n o i s ef i g u r eo f1 3 d b ，p l d bo f 一8 7 3 d b m ，l i p 3o f i d b m ；t h ec m o sv c oh a sa no u t p u tf r e q u e n c yf r o m4 9 6 g h zt o5 9 3 g h zw i t ha p h a s en o i s eo f - 1 2 4 d b c h z 1 m h z t h e5 g h zr fr e c e i v e rf r o n t e n de x h i b i t st h e c o n v e r s i o ng a i no f1 4 5 d b ，n o i s ef i g u r eo f1 0 1 2 d b ，p l d bo f 一1 9 3 d b ，i i p 3o f i i 上海大学硕士学位论文 5 g h zw l a n 应用的c m o s 射频接收机前端的研究 一10 3 7 d b m ，t h et o t a lc u r r e n to f2 9 m a t h es i m u l a t i o nr e s u l t sr e a c ht h ed e s i g ng o a l s a n ds h o wt h a tt h er fr e c e i v e rf r o n t e n da n dr e l a t e dr fb l o c k sc a nb ea p p l i e dt o w l a nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m k e y w o r d s ：c m o s ，r a d i of r e q u e n c yi n t e g r a t e dc i r c u i t ( r f i c ) ，r fr e c e i v e r f r o n t - e n d ，l n a ，m i x e r ，v c o ，b u f f e ra m p l i f i e r ，p o l y p h a s ef i l t e r i i 上海大学硕：l 学位论文 5 g h zw l a n 应用的c m o s 射频接收机前端的研究 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：签查日期：2 出口 本论文使用授权说明 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：签盘翩签名：缱日期：丛丛j 堑 上海大学硕士学位论文 5 g h zw l a n 应用的c m o s 射频接收机前端的研究 第一章绪论 1 1 研究目的 现今，对于无线通信不断增长的市场需求大大推动了通信行业进一步的技术 革新和产品变革。人们一直在寻求高速率的无线通信技术以弥补或取代有线通信 的不足，同时，人们对无线通信的质量也不断提高，未来无线通信除了要提供基 本的语音服务以外，对数据、视频等多媒体信息的服务也提出了更高的要求，更 希望能随时无线接入因特网，随时随地享受无线网络带来的便捷。因此，自1 9 9 9 以来，无线局域网市场获得了迅速增长，而目前无线局域网络多使用在2 4 g h z i s m 频带，主要包含i e e e8 0 2 11 b 及蓝芽( b l u e t o o t h ) 等，其中i e e e8 0 2 1 1 b 传输速 率最高可达1 1 m b p s ，但随着语音、数据、影像传输需求与日剧增，资料的传输 率必须更有效率地增加。为了满足未来高速无线局域网络的应用，i e e e 带t j 订了 新一一代的无线局域网络( w l a n ) 标准8 0 2 1l a 【1 o i e e e8 0 2 1 1 aw l a n 工作于5 g h z 的u - n i l 频段，可以分为低、中、高三个频 带，由低至高的频带分为5 1 5 5 ，2 5 g h z ，最大输出功率限制在1 6 d b m ( 4 0 m w ) ： 5 2 5 5 3 5 g h z ，最大输出功率限制在2 3 d b m ( 2 0 0 m w ) ；5 7 2 5 5 8 2 5 g h z ，最大输 出功率限制在2 9 d b m ( 8 0 0 m w ) 。频带内每一个信道带宽为2 0 m h z ，如图1 1 所示。 图1 ii e e e8 0 2 1 l a 标准信道分布示意图 i e e e8 0 2 1 1 a 标准使用o f d m 技术，以有效地应付各种衰减。o f d m 技术把 个载波分成5 2 个正交子载波，每个子载波信道带宽3 0 0 k h z ，如图1 ，1 ，其中4 8 j ：海大学硕十学位论文5 g h z w l a nj 城用的c m o s 射频接收机前端的研究 个子载波用于数据通信，其余4 个用于同步。其传输速率可以为6m b p s 、9m b p s 、 1 2m b p s 、1 8m b p s 、2 4m b p s 、3 6m b p s 、4 8m b p s 、5 4m b p s ：可以采用b p s k 、 q p s k 、1 6 q a m 或6 4 q a m 调制方式。采用o f d m 技术可以提高数据速率，减少 多径衰弱的影响，克服频率的选择性衰弱。 以往应用在射频电路的设计以g a a s i 艺为主，主要是因为其具有工作频率 高、噪声低等优点。但随着近年来c m o s q - 艺技术的不断进步，c m o s 的频率特 性和噪声特性也逐渐得到改善，采用c m o s i 艺设计射频电路已成为可能，而且 c m o s 成本较低、技术成熟、易于和基带数字电路相兼容，可集成为片上系统 f s y s t e mo nc h i p ：s o c ) ， 因此，c m o sr f i c 己成为当今无线通信系统研究开发的 热点。 1 2 研究目标 本文主要针对5 g h z 无线局域网( w l a n ) 应用的接收部分射频接收机前 端进行研究和设计，采用t s m co 2 5 i t mc m o s 3 2 艺设计实现5 g h z 低噪声放大器、 g i l b e r t 有源双平衡混频器、互补式交叉耦合对l c 压控振荡器和射频接收机前端电 路，并进行相应的性能分析和讨论。采用c a d e n c ev i r t u o s o 设计工具完成电路仿 真，版图设计和d r c ，l v s 验证。 1 3 论文结构 本论文共分为七章，各章节具体内容如下： 第一章介绍了无线局域网( w l a n ) 和c m o sr f i c 的发展现状，本论文的研究 目的，研究目标以及论文结构。 第二、三、四章分别详细讨论了5 2 g h zc m o s 低噪声放大器、c m o s 有源双平衡 混频器、c m o s 压控振荡器的设计过程，并给出了相应的仿真优化结果和分析。 第五章简要介绍了常用射频接收机的种类以及他们的优缺点，并给出了5 g h z c m o s 射频接收机前端的设计过程，包括了b u f f e r 放大器，正交信号的产生，给 出了仿真优化结果，并对结果做了分析讨论。 第六章给出了在仿真和版图设计过程中一些需要注意的事项。 第七章为本论文结论，指出本文所完成的工作以及进一步的工作和研究方向。 2 k 海大学硕士学位论文5 g h zw l a n 应用的c m o s 射频接收机前端的研究 第二章5 2 g h zc m o s 低噪声放大器的设计 低噪声放大器( l o wn o i s e a m p l i f i e r ：l n a ) 通常会放置在射频接收机的前 端，以减少接收机电路本身的噪声对信噪声比的影响。因此低噪声放大器必须提 供一定的增益和尽可能低的噪声系数，也必须拥有一定的线性度，避免接收频带 附近未被射频滤波器滤除的强干扰信号对接收信号造成的影响。此外，低噪声放 大器必须进行输入端及输出端的阻抗匹配，以降低信号的反射效应。 2 1m o s 晶体管的内部噪声源： 2 1 1 沟道电流噪声 此噪声来源是电子的热运动，所以可知其值与绝对温度t 有关，一般等效成 输出并联噪声电流源，如图2 1 所示，其功率频谱密度为： = 4 k t t g d o a f 2 1 幽2 1m o s 管的沟道热噪声 其中踟。是在v d s = o 时的漏源电导。t 是沟道热噪声系数，对于长沟道器件来说 7 = 2 3 、g d o = g m 6 1 ，对于亚微米m o s 晶体管，y 可能需要一个更大值的值来代替， 例如，y 在一些0 2 5 r t mm o s 器件中大约为2 5 ，它也将随着漏极源极电压而变化 6 1 ok = 1 3 8 1 0 。2 3j k 为波尔兹曼常数。a f 是强n 4 k t 3 , g d o 为每单位频带的噪声功 率，t 是绝对温度。 j ：海大学硕上学位论文5 g h zw l a nj * 用的c m o s 射频接收机前端的研究 2 1 2 栅极电阻噪声 在m o s 晶体管的栅极布局时，必须使用多晶硅层( p o l y ) ，因此存在有栅极多晶 硅电阻，如图2 2 所示，其所产生的噪声可视为一般的电阻性热噪声，其功率谱 密度为： 嘻= 4 k t 6 r g a f 2 2 电阻值毽= 轰差，其中r 。为多晶硅方块电阻，w 是晶体管栅宽，l 是晶体管栅长， n 为多于匕( m u l t i f i n g e r s ) 结构的指数目，所以在设计电路时可用布局技巧降低r g ， 如图2 3 ，即可降低栅极的噪声贡献。 0 o 。寸、卜，n 、h 拟h 卜广、! 、 、，、兮t 广 寸v 八；寸、，、冷卜一岭乒一h n 。广4 厂 一v t ，。v 一，7 0 t r 一 一一 以，一一 g s 幽2 2m o s 管的栅极电阻 d 图2 3 多指结构的m o s 管 由于射频m o s 管的栅宽一般都很宽，其栅极寄生的分布电阻通常都很大， 这会增大m o s 管的噪声，减小m o s 管的增益。因此射频m o s 管通常采用多 指结构来实现，这种结构可以大大减小m o s 管栅极寄生分布电阻。另外，射 频m o s 晶体管的周围通常用保护环围起来实现器件之间的隔离。 4 海大学硕：学位论文5 g h zw l a n 心用的c m o s 射频接收机前端的研究 本设计采用的t s m c0 2 5 u m1 p 5 mc m o s 工艺提供了多达1 8 种的射频m o s 管， 均采用图2 3 所示的多指结构，设计者可以改变指的数量和有源区的长度以优 化栅极电流和栅极电阻。 2 1 3 栅极感应电流噪声 图2 4 是m o s 器件的横切面及栅极感应等效噪声电流源，当晶体管受偏压而使 沟道反型时，沟道内扰动的电荷会经由电容耦合至栅极而产生感应噪声电流，其 噪声功率频谱密度为： i ；= 4 k t g , g g a f 2 3 在短沟道效应下：其中6 2 y ，6 是栅极噪声系数( c o e f ! i c i c i l to fg a t en o i s e ) ， p 。：竺2 生2 2 4 6 8 5 9 一 且f 比於( i ) 2 ，所以此感应电流噪声并非白噪声源( 白噪声源的功率潜密度对所 有频率来说都相同) 。 2 ，1 ，4 闪烁噪声 图2 4 栅极感应噪声电流示意图及其等效噪声电流源 晶体管在低频时，主要呈现的噪声为闪烁噪声，由于其噪声频谱密度与1 f 成正比，所以又称为l f 噪声。其产生原因在于m o s 管栅极氧化层与衬底基板 界面之间，由于硅晶体末端与此界面产生共价键，当载流子经过时，会随机的 被此共价键捕获，而后再随机的释放，因而导致晶体管栅极的闪烁，其可以表 示为一个晶体管栅极串联的电压噪声。 f ：海大学硕士学位论文5 g h zw l a n 应用的c m o s 射频接收机前端的研究 万：j l 一1 2 5 ” c o x w lf 其中k 为与工艺相关的常数。一般而言闪烁噪声的频率大于1 m h z ，其对晶体 管噪声的贡献远小于沟道热噪声。 2 2c m o s 低噪声放大器噪声模型推导 经研究发现，栅极感应噪声= 4 k t c i g , 。a f 与沟道热噪声= 4 k t t g d 。a f 有关 7 1 ，令 。；三垒 2 6 以艺 对于长沟道器件，c 的值大约髑o 3 9 5 。因此可把毛分成与硼关的部份囊和与豇不 相关的部份妇。 因此栅极感应噪声电流可表示为： 吾“豫。h 1 2 + 4 k t 6 9 耵 z ， 这样，加上共源放大器的其他主要噪声源： m o s 管沟道热噪= 4 k t y , g d o v 2 8 电感l g 的串联寄生电阻r i 的热噪声订= 4 k t r i 厂 2 9 m o s 管栅极电阻r g 的热噪2 = 4 k t d r g a f 2 1 0 信号源内阻热噪v ；= 4 k t r ，a f 2 1 1 共源级放大器m o s 管的噪声模型可表示为图2 5 所示 幽2 5m o s 晶体管噪声模犁 l ：海大学硕士学位论文5 g h z w l a n 心用的c m o s 射频接收机前端的研究 经过计算所列各噪声源功率谱后，按照噪声系数定义 f ：翼塑喜 2 1 2 1 由信号源引起的输出噪声功率 。 可得 ，：1 + 堕+ r _ l g + 上上f 堕1 2 1 3 月。 r sd 绕l 吩 靴= 嚣值= 掣 z ，4 川刊她等+ 等2 ) ：，s q l 为l g ，l s ，c g s 和r s 所组成的串联谐振电路的q 值，q l 的大小表示c g s ，或者 说m o s 管尺寸的大小，q l 越大表示管子越小。 由式( 2 1 3 ) 礅f l ，f 与q l 有关系，因此必存在一个q l 可使f 有最小值。 上面给出了整个噪声系数f 与q l 的关系式( 2 1 3 ) ，接下来再把功率损耗一并考 虑进去，再经过计算可得功耗p 。= v d 。i 。与o ，的关系式： 骁= i p o 而9 2 其中只= 吾警 e 。m ：2 v s n , i l 。 口：鱼 。l e 。 1 - 旦 一而r 2 1 6 2 1 7 由此，噪声系数可以用p 和昂的函数p ( p ，弓) 来表示。即， f = 1 + = y o 一) o l r n l p ，p d ) 2 1 8 3 v s m 其中忽略了栅极电阻( r g ) 与电感l g 寄生电阻( r 1 ) 所造成的噪声，p ( p ，p d ) 表示如下： i ：海人学硕士学位论文 5 g h zw l a n 臆用的c m o s 射频接收机前端的研究 以b 昂，。釜! ：型：21 k ! 1 ，l ! - - 主p ! + - - 曼- - 主p ： 尸 2 1 9 尽管该表函数非常复杂，但是我们就可以在固定的弓的情况下，通过 型鼍! 型：o 得到噪声系数最小时的p 值，再推知q 俐及f o p t 。求得， 0 0 小争i 厣可，+ 周 2 2 0 带入式( 2 1 6 ) 得到使噪声系数f 有最小值的轨： 既，斗辟库罔卜 z 倒 一旦确定q l 删，就可推导出最优器件宽度即匆r 的表达式： 彬户竺坐：三1 _ 一。上一 2 2 2 7 ” 2 c o 。l2 砚c 。x r 。q f3 t a l c 。r s 对于给定最优器件宽度w o p ，的器件，可求得在给定功耗条件下的最小噪声系数 f 。m 为 小：4 甜刮 ：粥 实际设计要比推导过程简单的多。首先利用( 2 2 2 ) 式确定必要的器件宽度， 然后由功耗约束允许的电流大小来偏置晶体管，下一步根据相应于这个偏置条 件的c o t 值选择源极负反馈电感的值以达到所希望的输入匹配，所期望的噪声系 数可由( 2 2 3 ) 式得出，最后加入足够的电感与栅极相串联使输入回路在所希望的 工作频率下谐振，完成输入回路的设计。 2 3c m o s 低噪声放大器电路结构 由于低噪声放大器的前级通常还会置放一个带通滤波器，而滤波器的输出阻 抗通常y 9 s o t a 阻抗，为了避免不必要的反射造成信号衰减与信噪比降低，所以设 计5 0 f 2 为低噪声放大器的输入阻抗。输出端的阻抗匹配一般也设计匹配为5 0 q 。 首先介绍常见的四种放大器电路结构。 上海大学硕士学位论文5 g h zw l a n 应用的c m o s 射频接收机前端的研究 图2 6 ( a ) 为输入端并联电阻的放大器电路结构，由电路中可看出，电阻r 会产生热噪声且衰减输入信号，这两种效应会产生较高的噪声系数。 图2 6 ( b ) 为共栅极电路结构，输入阻抗为1 g m ，若适当选择晶体管器件尺 寸与偏置电流则可得到5 0 q 的阻抗，但该结构最小噪声系数为2 2 d b ，大于图 2 6 ( d ) 结构能够给出的最小噪声系数。 图2 6 ( c ) 为电阻反馈电路结构，反馈电阻会产生热噪声，但不至于影响晶 体管的输入阻抗，虽然如此，该电路的噪声系数仍然超过原始晶体管的最小噪 声系数( n f m i n ) ，因此该结构本文不讨论。 ( a )( b ) ( c )( d ) ( a ) 输入端并联电阻的电路结构( b ) 共栅极电路结构( c ) 电阻反馈电路结构( d ) 源极电感负 反馈电路结构 图2 6 常见的放大器结构 前面所描述的三种放大器结构，都利用外部电阻达到输入端阻抗匹配的方 法，这使得电路的噪声系数增大。因此，必须提供一个实电阻输入阻抗的电路结 构而非利用外部电阻，以解决信号衰减与信噪比降低的问题。 现在提供一个较理想的阻抗匹配电路结构源极电感负反馈电路结构，这 种方法一个重要优点就是输入阻抗的实部是由电感值决定的，如图2 6 ( d ) 所示。 等效电路如图2 7 所示，其输入阻抗为 9 上海大学硕士学位论文5 g h zw l a n 应用的c m o s 射频接收机前端的研究 z m s ( l ，心) + 去专t y m l 7 2 2 4 图2 7 源极电感负反馈结构等效电路 由上式和图2 7 可知，输入端为一个串联的r l c 网络，其输入阻值与电感值有一 比例关系。m o s 管寄生电容c g s 对输入阻抗贡献一个负的电阻，此效应促使输入端 不易匹配至5 0 q ，为解决该问题可加入电感l g 增加正的电阻值，由2 2 4 式可知， 当发生谐振时，输入阻抗z i n 呈现一个实电阻的特性，这样我们就可以设计输入阻 抗取实部等于5 0 q 。 此外，低噪声放大器的电路结构还可利用共源共栅( c a s c o d e ) 结构，如图2 8 所示。将一个共源极和一个共栅极叠加即为一共源共栅结构。共源极晶体管m i 主要提供较大的增益；共栅极晶体管m 2 增加了电路的输出阻抗，由于电压增益 可被写为g 。r o “7 ，因此高输出阻抗特性可以增加电压增益。除此之外，共源 共栅结构还可以改善隔离度、抑制密勒效应以及降低功率消耗，源极负反馈电感 使输入端较易匹配至5 0 f 2 ，增加电路的稳定性。综合以上优点，源极电感负反馈 共源共栅结构是目前最常见的c m o s 低噪声放大器电路结构5 】【8 】 9 ，本文决定采 用此种结构。 图2 8 源极电感负反馈共源共栅结构 0 r 海大学硕士学位论文5 g h z w l a n 应用的c m o s 射频接收机前端的研究 2 4c m o s 低噪声放大器的设计步骤 低噪声放大器是射频接收机的关键模块，其性能优劣直接影响接收机的整 体性能。噪声系数、线性度和增益是衡量低噪声放大器性能的几个主要指标。 在设计低噪声放大器的过程中，这些性能指标通常需要折衷考虑。 根据上一节对各种c m o sl n a 结构的比较分析，源极电感负反馈的共源共栅 结构是最合适的选择。 差动结构的放大器，能消除集成电路内因耦合效应或电源端所产生的共模 噪声，并降低偶次非线性效应，但差动放大器在同样的增益、噪声与线性度下， 其电流消耗和所占用芯片面积是单端的两倍【1 0 】。 本文采用t s m c0 2 5 u mc m o s x 艺设计5 2 g h z 差分低噪声放大器，如图2 ，9 。 采用源极电感负反馈的结构来实现5 0q 输入匹配。输入级晶体管m i ( m 3 ) 工作在 饱和区，是低噪声放大器的关键器件。共栅级晶体管m 2 ( m 4 ) 与输入级晶体管 m i ( m 3 ) 组成共源共栅结构，可以减小输入级晶体管m i ( m 3 ) 的密勒效应，改善了 输入级和输出级的隔离度，提高输出增益。输入级晶体管源极电感l 。- ，l 。2 和栅 极电感k l ，l 吐用于进行输入匹配，l d l ，l d 2 ，c f l ，c 1 2 和c d l ，c d 2 用于进行输出 匹配。晶体管m 5 用于偏置输入端口，电阻r h ，要取足够的阻值以减小偏置电路的 噪声电流，电阻r b 2 用来调节偏置条件。 图2 95 g h zc m o s 差分低噪声放大器原理图 上海人学硕士学位论文5 g h z w l a n 府用的c m o s 射频接收机前端的研究 其殴计的具体步骤如下： 1 根据固定的功耗p d 和电源电压v d d 要求，来设定漏极工作电流i d 。 屹= ，d 2 2 5 这里我们预定功耗为2 5 m w ，工作电压v d d 为2 5 v ，因此m 1 ( m 2 ) 漏极工作 电流i d 约为5 m a 。 2 在限定功耗的条件下，从噪声优化角度确定最优m i ( m 2 ) 器件栅宽。 根据功耗约束噪声优化理论和( 2 2 2 ) 式 ，=塾3瓦1“面1覆，其中cox=2co，l 2c o l c r s詈 j ”t 。q s 。f3 国l c 。r s jt 。 由t s m c0 2 5 p , mc m o sr fm o d e l 知t 0 。= 5 4 n m 、l e f 0 2 4 1 x m ，推算得 c o x - 6 3 9 m f m 2 ，c g s 8 5 3 9 5 f f w o p t 9 1 3 3 i _ t m 。 3 偏置电路设计。 偏置电路设计主要考虑其能提供稳定的偏置条件，并消耗最小的直流功率。 偏置电阻飚l 要取足够大的阻值以减小偏置电路的直流电流，电阻r b 2 用来调节 偏置条件使输入级晶体管工作在一定的直流工作点上，r b l ，r b 2 均取值为3 4 5 k q 。 p m o s 晶体管m 8 ，n m o s 晶体管m 7 与m 6 构成电流镜，以提供所需的1 0 m a 的尾电流，经仿真优化，决定m 6 、m 7 、m 8 的尺寸分别为3 2 0um 0 2 4u1 3 1 ， 0 3 u m 0 2 4 l a m ，3 0 0 1 1 m 0 2 4 u m 。 4 设计输入端匹配电路 输入阻抗的匹配主要是为了减少射频信号进入内部电路时产生的反射效应， 让输入的射频信号功率不至耗损太多。通常，设计低噪声放大器的输入，输出阻 抗为5 0 q 。 源极电感负反馈电路结构的重要优点就是输入阻抗的实部是由电感值决定 的，如图2 1 0 所示，输入端阻抗匹配的小信号等效电路如图2 1 l 所示。 其输入阻抗为： z m2 等2 s 仁，心) + 去+ 毒也+ l g ) + 去+ 吼 z 舶 上海大学硕士学位论文5 g h zw l a n 戍用的c m o s 射频接收机前端的研究 峙 z i 图2 1 0 源极电感负反馈电路结构图2 1 1 输入端阻抗匹配的小信号等效电路 其中g m 为晶体管m 1 的跨导，c g s 则是m i 栅源寄生电容，j 1 c m o s 的截止频率可 近似表示为0 ) t = 2 咖g m c g s 。为了得到5 0 q 的阻抗匹配，即z i n = 5 0 q ，令( 2 2 6 ) 式中的实部项等于5 0 ( 2 ，则可以表示如下式 z 。= ( 去2 ) l ；= 珊r l ，= r ，= 5 0 2 2 7 l ，舻 1 谐振时o ( 三，+ 上。) 一= 0 ( o o l 口 在输入电路给定的5 2 g h z 谐振时，很容易得到最后的输入阻抗为纯电阻r s = 5 0 q ，从而计算出k 。o 1 6 n h 和k 。l n h 。 但是，t s m co 2 5umc m o s 工艺库提供的螺旋电感的最小值为2 1 8 n h ( n 一2 5 ) ，这给实际设计带来了较大的困难。若l 。和l g 的实际值为2 1 8 n h ，为使 输入端口匹配到5 0 q ，m o s 管的栅宽w 就会偏离最优器件宽度。根据2 2 节l n a 噪声模型的分析可知，k ，岛，酬等参数的变化会大大影响最小噪声 系数，使噪声性能恶化，因此在设计时，要在输入匹配，噪声系数间折衷 考虑，要取得较好的噪声系数，就会使输入端无法匹配至5 2 g h z 的频率要求， 因此要牺牲一定的噪声性能来达到匹配要求，对于三；，岛，p f 的取值，要优 先考虑矿的取值，使其尽可能接近最优器件宽度仲匆r ，厶和三。的取值要使输入 匹配和噪声系数获得较好的折衷，基于这个想法，经过仿真优化，最后确定 m 1 ( m 3 ) 的栅宽w 为8 5 u m ，l s = 2 1 8 n h ，l g = 3 7 1 n h ，此时的噪声系数为4 d b ， 输入匹配为- - 2 4 2 4 d b ，获得了比较好的结果。 4 确定输出回路参数 同输入端相似，电感l d l 2 被用来与m 2 ( m 4 ) 的漏端总电容谐振。由l d t - 2 、 上海大学硕士学位论文5 g h zw l a n 应用的c m o s 射频接收机前端的聊f 究 c d l 2 和c l l 2 构成的网络被用来调整输出匹配。 5 根据估算值进行仿真优化 根据以上器件参数估算值进行电路仿真，根据性能要求不断调节器件参数。 最终经优化后电路中器件的参数如表2 1 所示。 表2 1 低噪声放火器元件参数 m 1 ，3 8 5p - m 0 2 4 l a i l l m 2 ，4 3 2 0 um 0 2 4 um m 55u m 0 - 2 4 u m m 63 2 0 um 0 2 4 um m 7o _ 3 1 t m 0 2 4 u m m 83 0 0 l am 0 - 2 4 um l g 3 7 1 n h l s l ，l s 2 2 1 8 n h l d l ，k 2 1 8 n h c a l ，c , e 1 6 0 f f c 1 1 ，c 1 2 3 2 0 4 l 伍 c b l ，c b z 5 p f r b l 3 4 5 k q r b 2 3 4 5 k q 2 5 仿真结果与结果讨论 仿真是采用c a d e n c es p e c t r e r f 仿真器进行的，所有器件采用t s m c0 2 5 9 m c m o s 工艺，在5 2 g h z 工作频率上的各性能如图2 1 2 所示。低噪声放大器的 仿真性能指标见表2 2 。 由于电感器件的局限，给输入端匹配和噪声设计带来一定困难，输入m o s 管m 1 ，m 2 无法取得最优栅宽尺寸矾。致使电路无法达到理论计算的最优性能， 表2 2 中，噪声系数和输入匹配s 1 1 是经仿真优化，相互折衷后获得的，达到 了一定的要求。输入匹配s 1 1 为2 4 2 4d b ，获得了较好的匹配度，c a s c o d e 结 构改善了电路的隔离，隔离度( s 1 2 ) 达到一2 3d b 。其他性能指标，如增益，线性 i 二海大学硕士学位论文 5 g h zw l a n 应用的c m o s 射频接收机前端的研究 度，输出匹配等也获得了较好的结果。 表2 2 低噪声放大器的仿真性能指标 工作频率 5 2 g h z 噪声系数n f4 d b 增益 1 1 0 2d b l d b 压缩点 1 4 9 8 5d b m 三阶输入截止点i i p 3 5 1 4 5d b m 输入反射系数( s 1 1 ) 2 4 2 4d b 输出反射系数( s 2 2 ) 1 9 3 ld b 9 2 1 1 0 6 9 d b 隔离度( 8 1 2 ) 一2 3d b 消耗电流 1 0 7 m a 最终实现版图如图2 1 3 所示，版图面积为1 9 2 m m 2 3 m m 。 ( a ) 电压增益 ( c ) 输入l d b 压缩点p l d b 1 5 ( b ) 噪声系数 ( d ) 输入三阶截止点l i p 3 上海大学硕士学位论文 5 g h zw l a n 应用的c m o s 射频接收机前端的研究 、r 1 自 一 口 v ( e ) s 1 1 s - p a r a m e t e rr e s p o n s e 一 一4 0 、一 s p a r a m e t e rr e s p 。n z e s 1 2d b 2 9 i ( f ) s 1 2 ( g ) $ 2 1 ( h ) $ 2 2 图2 1 25 2 g h zc m o sl n a 仿真结果 1 6 上海大学硕+ 学位论文 5 g h zw l a n 应用的c m o s 射频接收机前端的研究 图2 ，1 35 2 g h zc m o sl n a 版图 7 上海大学硕士学位论文5 g h zw l a n 应用的c m o s 射频接收机前端的研究 第三章5 2 g h zc m o s 混频器的设计 混频器( m i x e r ) 是射频前端接着低噪声放大器的又一个关键电路模块，它的 目的是将信号从一种频率变换到另一种频率上。在接收机中，这一变换过程是 从射频( r f ) 变换到中频( i f ) “ 。混频器的设计主要是综合考虑线性度、变频增 益、端口到端口的隔离度等指标。 3 1 混频器的相关理论 3 1 1 混频的基本原理 混频器的目的是将信号从一个频率变换到另一个频率。理沦上任何非线性器 件都具有混频的功能。在收发机中，混频器是一个频率转换电路，该电路有三个 端口，输入端口( i n p u t ) 、本振( l 0 ) 输入端口和输出端口( o u t p u t ) ，如图3 1 所示。 图3 1 洮频的基本原理 混频的过程就是将两个输入端口的信号在时域相乘。乘法的作用可以从( 3 1 ) 式 表示的三角恒等式来理解： ( 一s i n f ) ( 曰s i n 吼。f ) = _ a b c 。s ( 一吼。) t - c o s ( 0 3 w + ) 明 3 1 图3 2 频域中的混频过程 乘法产生了两输入信号频率之和与频率之差的输出信号，见图3 2 ，它们的 幅值正比于r f 和l o 信号幅值的乘积。因此，若l o 幅值不变，则在r f 信号 中任何幅值调制都传递给了i f 信号，完成混频的过程。 上海大学硕士学位论文 5 g h zw l a n 应用的c m o s 射频接收机前端的研究 3 1 2 混频器的主要特性 在了解了混频的基本原理之后，本节列举并定义混频器的一些主要特性。 1 变频增益( c o n v e r s i o ng a i n ) 变频增益是混频器的一个重要特性，他定义为所希望的i f 输出值与r f 输入值 之比，适当的增益有助于抑制后续电路的噪声。对于( 3 1 ) 式描述的乘法器，变频 增益就是i f 的输出a b 2 除以r f 输入的幅值a ，因此这一例子中的变频增益为b 2 ， 即l o 幅值的一半。 2 噪声系数：单边带( s s b ) 与双边带( d s b ) 噪声系数一般可以定义为输入( r f ) 端的信噪比除以输出( i f ) 端的信噪比，即 n f ：s n r r y 。对于一个普通的混频器，有用信号( r f