（电路与系统专业论文）245ghz+cmos工艺低噪声放大器的设计.pdf

中文摘要 中文摘要 本论文采用c m o s 工艺实现了无线接收机射频前端的关键模块一低噪声放大 器( l n a ) 。首先，l n a 是一个典型的无线接收机的第一级，因此其噪声系数直接决 定了接收机的整体噪声系数。而且，l n a 必须提供一定的功率增益以抑制接收机 后级电路对整体噪声的贡献。其次，对于高集成度的s o c 而言，在保证相关性能的 情况下，必须尽可能地降低l n a 的功耗。同时，为了使在有大信号输入的情况下， l n a 引起的失真尽可能小，因此要求l n a 应具有足够高的线性度。此外，l n a 还 必须对于输入源表现一个特定的且常常为5 0 q 的输入阻抗以利于匹配。上述的这 些l n a 基本性能参数之间是紧密联系的，为了满足整体性能的要求，通常需要对 这些参数进行折衷考虑和整体优化处理，这也是l n a 设计的主要难点。 本论文是基于科研项目一2 4 5 g h z 接收机芯片设计，作者负责射频前端模块低 噪声放大器的设计。在c a d e n c ei c5 0c a d 软件下，依据r f i c 设计理论和所提供 的j a z z0 3 5 t mc m o s 工艺库模型，设计了一款工作在2 4 5 g h z 的全集成低噪声放 大器，并进行了带e s d 电路保护的版图设计，在对电路进行多参数优化分析设计 的基础上：各项指标接近在该设计条件下的国际先进水平。此外，作者在t s m c 提 供的0 3 鼽mc m o s 和b i p o l a r 两种工艺条件下实现的l n a 性能进行了对比分析， 得出了一系列结论。基于工程开发的需要，本文讨论了低噪声放大器的设计、仿 真及相关测试内容。论文主要内容： 。 1 针对项目的应用背景一2 4 5 g h z 无线局域网，分析对比各种系统结构的优缺 点，并最终采用超外差式结构的结构完成s o c 设计。 2 射频集成电路基本参数、元器件的工艺和模型分析，重点是对整个电路设 计至关重要晶体管的物理特性进行了分析。 3 在对2 4 5 g h z 低噪声放大器四种拓扑结构整体性能分析的基础上，采用具有 高隔离度的c a s c o d e 结构构建了电路架构，在对c a s c o d e 结构噪声模型分析的基础上， 对电路噪声进行了整体优化，最终完成了基于c m o s 工艺的全集成2 4 5 g l - i z 低噪声 放大器芯片的设计，并对其进行了温度和工艺偏差分析，提出了测试方案。此外， 对c m o s 和b i p o l a r t 艺下设计完成的相同结构的l n 幻差行了性能对比分析。 关键词：c m o s ，射频集成电路，接收芯片，低噪声放大器 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i st h e s i s 代a l i 猫t h el n a b a s e do rc m o st e c h n o l o g y , w h i c hi st h ek e yb l o c k i n r e c e i v e r sf r o n t - e n d f i r s t l y , l n ai st h ef i r s ts t a g ei nat i p i c a lw i r e l e s sr e c e i v e r s e c o n d l y , l n am u s tp r o v i d eb i ge n o u g hp o w e rg a i ni no r d e rt od e p r e s st h en o i s ef i g u r ef r o mb a c k s t a g e s t h i r d l y , a st o t h eh i 曲i m e g r a 脚s o c ，l n as h o u l dh a v e l o w e rp o w e r c o n s u m p t i o n f o u r t h l y , w h e nb i gs i g n a lc o m e s l n as h o u l dc a 哦s m a l ld i s t o 尊i o n , w h i c hm e a n sl n as h o u l dh a v eh i g he n o u g hl i n e a r i t y f i n a l l y , l n am u s tl o o k5 0i n p u t r e s i s t a n c e si nt ot h em p u t $ o u r e m g i ti si m p o r t a n tt ot r a d eo f ft h e s ep a r a m e t e 幅a n d o p t i m i z et h ee n t i r ep e r f o r m a n c e t h a t sa l s oi st h ek e yp o i mt o t h el n ad e s i g n t h i st h e s i si sb a s e do nt h ep r o j e c t - - - r e c e i v e rc h i po n2 4 5 g i - i z , t h ea u t h o rw a s r e s p o n s i b l ef o rt h el n a b l o c k af u l l yi n t e g r a t e dn a r r o w - b a n dl n aa t2 4 5 g h zf o r w l a na p p l i c a t i o nw a si m p l e m e n t e di nj a z zo 3 5 i _ t mt e c h n o l o g yw i t hc a d e n c ei c5 0 d e s i g nk i t s 1 1 托l a y o u to fu q a w i t he s d - p r o t e e t e di sa l s od e s i g n e d t h er e s u l ti sn e a r i n t e r n a t i o n a ll e v e l b e s i d e s ac o m p a r i s o nb e t w e e nc m o sl n aa n db j tl n ai n t s m co 3 5 i u nt e c h n o l o g yw i t hc a s c o d ei n d u c t i v ed e g e n e r a t i o nw a sm a d e c o n c l u s i o n s a r em a d eo nt h a t f o rt h ee n g i n e e rd e v e l o p m e n tn e e d s ，t h i sp a p e rd i s c u s s e dl n a s d e s i g n a t i o n , s i m u l a t i o na n dt e s t m a i n l yi ti n c l u d e s ： 1 a n a l y s i sa n dc o m p a r a t i o ni sm a d eb e t w e e nt h ed i f f e r e n ts y s t e mt o p o l o t i e si n o r d e rt of u l f i l lt h e 研a na p p l i c a t i o ni ns o cd e s i g n 2 r f i cb a s i c a l l yi n d e x e sa n dc o m p o n e t sm o d e l sa r ea m l y s e d , e s p e c i a l l yt h e m o s f e t , b e c a u s eo f i t sk e yr o l et ot h ew h o l ec i r c u i td e s i g n 3 b a s e do nt h ef o u rt o p o l o g i e s se n t r ep e r f o r m a n c ef o r2 4 5 g i - i zl n aa n l y s e d , t h ec a s c o d ct o p o l o g yi sa d o p t e df o rt h ec i r c u i td e s i g nf i n a l l y 1 1 圯c a s c o d en o i s em o d e l n o i s ea n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o na 砖d o n e af u l l yi n t e g r a t e d2 4 5 g i zl n ac i r c u i ti s d e s i g n e d t h et e m p e r a t u r ea n dt e c h n i c a lw a r pa n a l y s e sa r ed o n e ，a n dt e s tp r e c e p ti s b r o u g h tf o r w a r d b e s i d e s l n a si nc m o sa n db i p o l a rt e c h n o l o g ya r ea n a l y s i s e d k e y w o r d s ：c m o s ，r f i c ，r e c e i v e rc h i p ，l n a i i 图目录 图目录 图1 - 1 超外差接收机5 图1 2 零中频接收机6 图1 3 低中频接收机7 图1 - 4 本次设计采用的接收机结构超外差式。9 图2 - 1 噪声源驱动的含噪声的二端口网络1 0 图2 2 等效噪声模型1 0 图2 - 3 单级放大器：。1 2 图2 - 4 级联放大器1 2 图2 5 系统的非线性：l d b 压缩点和三阶交调点1 4 图2 6 射频l c 设计六边形1 5 图2 - 7 方块电阻：1 6 图2 8 平板电容：一1 7 图2 - 9 方形片上螺旋电感2 0 图2 - 1 0 片上螺旋电感模型2 1 图2 1 1n m o s 简化结构2 3 图2 1 2 漏极电压v s 漏源电压( 线性区) 2 4 图2 1 3 漏极电流v s 漏源电压( 饱和区) 2 5 图2 1 4m o s f i 汀高频小信号图2 6 图2 1 7m o s 肿y 参数一2 8 图2 1 8m o s f e t s 参数：一2 8 图2 1 9c d 的m i l l e r 效应3 2 图3 1 常用l n a 拓扑结构图3 6 图3 - 2m o s 管简单模型3 8 图3 3 共源共栅源极去耦结构3 9 图3 4 共源共栅结构小信号模型4 0 图3 5l n a 结构比较4 1 图3 - 6 共源共栅源极负反馈结构的噪声模型。4 2 图3 72 4 5 g h zl n a 原理图5 2 v 图目录 图3 8s 参数图5 3 图3 9n f n f m i n 5 3 图3 1 0 输入p l d b 5 4 图3 1 1 输入i p 3 5 4 图3 。1 2u 妊版图。5 4 图3 1 3c m o s 工艺原理图5 6 图3 1 4s 参数图5 7 图3 1 5n f n f l l l i i i 5 7 图3 1 6 输入p l d b 一5 7 图3 1 7 输入i p 3 5 7 图3 1 8b i p o l a r i 原理图：5 8 图3 1 9s 参数5 8 图3 2 0n f & n f m i n ( 片外栅极电感) 5 8 图3 2 1 输入p l d b 一5 9 图3 2 2 输入i p 3 5 9 图3 2 3 n f & n f m i n ( 片内栅极电感) 5 9 图3 2 4s 参数测试原理分析6 0 图3 2 5 噪声系数测试原理6 1 图3 2 6l n a 测试的p c b 6 2 表目录 表目录 表1 - 1 无线局域网标准3 表3 - 1l n a 的基本特性3 4 表3 2c m o s 工艺下l n a 研究近况3 5 表3 3 忽略栅极噪声电流后四种匹配结构的噪声性能对比3 8 表3 4 各元件的取值5 2 表3 52 4 5 g h z l n a 性能总结5 4 表3 - 6 不同温度下l n a 的性能变化5 5 表3 7 在2 7 ，由工艺偏差引起的l n a 性能变化5 5 表3 8l n a 性能对比。5 9 v 缩略词表 英文缩写英文全称 缩略词表 a d c a n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e r c m o s c o m p l e m e n t a r ym e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r i s m i n d u s t r i a l s c i e n t i f i c , a n dm e d i c a l s o c s y s t e m0 1 1c h i p b bb a s e b a n d l 心r a d i of r e q u e n c y r f i c r a d i of r e q u e n c yi n t e g r a t mc i r c u i t i e e ei n s t i t u t eo f e l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s f c cf e d e r a lc o m m u n i c a t i o nc o m m i s s i o n l ol o c a lo s c i l l a t o r w l a nw i r e l e $ sl o c a la r e an e t w o r k l n al o wn o i s ea m p l i f i e r d cd i r e c tc u r r e n t i q i np h a s ea n dq u a d r a t u r e s f d r s p u r i o u s f r e ed y n a m i cr a n g e t c t e m p e r a t u r ec o e 伍c i e n t v l s i v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n m o sm e t a l0 x i d es e m i c o n d u c t o r m 口mm e t a l i n s u l a t o r - m e t a l m o s f e t竺e t 寸o x l d e s e n l l c o d u c o rf 1 d de 妇f e c t l r a n s l s t o r d i b ld r a i ni n d u c e db a r r i e rl o w t s m ct 拥肌 s e m i c o n d u 咖r m 删f h 咖i n g c o r p o r a t i o n b i c m o sb i p o l a ra n dc m o s d u td e v i c eu n d e rt e s t p c b p r i n t e dc i r c u i tb o a r d s m as u b m i n i a t t i r e a 中文释义 模数变换器 互补金属氧化物半导体 工业、科技、医学 片上系统 基带 射频 射频集成电路 电气电子工程师协会 联邦通信委员会 本振 无线局域网 低噪声放大器 直流 同相正交 无杂散动态范围 温度系数 超大规模集成电路 金属氧化物半导体 金属绝缘体金属 金属氧化物半导体场效 应晶体管 漏感应势垒降低 台湾半导体制造公司 ( 台积电) 双极型和互补金属氧化 物半导体 被测设备 印刷电路板 超小型a 缩略词表 n f i c i 肿 v c o c d m a n o i s ef i g u r e i n t e g r a t e dc i r c u i t 1 3 1 t r a w i d e b a n d v o l t a g ec o n t r o l l e do s c i l l a t o r c o d ed i v i s i o nm u l f i p l ea c e e s s 噪声系数 集成电路 超宽带 压控振荡器 码分多址 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，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经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：型日期：唧年c 月缈日 关于论文使用授权的说明 ， 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：超导师签名：选 日期：叼年牛月膳日 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 现代信息社会的高速发展，要求人们能快速、方便地交换所需要的信息，而 不受时空的限制。通信发展的最终目标是希望做到“任何人( w h o e v e r ) 在候 ( w h e n e v e r ) 任何地点( w h e r e v e r ) 都能和另一个任何人( w h o m e v e r ) 按任何方式 ( w h a t e v e r ) 进行通信”，也即五个“w ”通信，过去这曾被认为是一种美好的愿望， 然而依靠网络技术和无线通信技术的发展，人们的这种美好愿望正在变成现实。 无线局域网就是建立在无线通信技术和计算机网络技术基础上的高新技术， 被誉为移动通信领域最具有发展前景的方向之一。但目前无线局域网技术应用尚 处于初级阶段，其巨大的发展潜力和广阔的市场空间虽然引起了业界的广泛关注， 但高昂的硬件价格阻碍了它的大规模应用。由于目前无线局域网利用的频段主要 分布在2 4 g h z 和5 8 g h zi s m 频段，在这么高的频率下，无线局域网最主要的硬 件无线收发机一的实现变得相当困难。采用离散元件来实现射频无线收发机使 得价格居高不下，系统体积也非常庞大，这些都阻碍了无线局域网的应用。随着 工艺技术，特别是超大规模集成电路技术的发展，实现集成化的片上射频无线收 发机系统已经有了可能，也即片上系统( s y s t e mo nc h i p 。s o c ) 。而对于整个无线收 发系统，大体可分为两个部分：基带部分( b a s e b a n d , b b ) 和射频部分( r a d i o f r e q u e n c y , r f ) 。片上系统得最终目标就是要把基带部分和射频部分集成在一起。 对于基带部分，其处理的信号为数字信号，工作频率较低，成熟工艺为c m o st 艺。对于射频部分，其处理信号为模拟信号，工作频率在g h z 附近，成熟工艺为 g a a s t l l 。但是采用g a a s 工艺的射频部分不能和采用c m o s 工艺的基带部分集成， 也即是做不到片上系统，所以基带部分和射频部分必须选择一个相同的工艺。由 于基带部分的c m o s 工艺相对来讲已经比较成熟，改变基带部分工艺的可能性和 可行性不大。同时，随着c m o st 艺的发展，其截止斥可到1 2 0 g i - i z l 2 】以上，从而 使得c m o s 工艺用于射频部分成为可能，所以c m o s 射频集成电路( 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 , r f i c ) 设计成为近年来国内外学术界的热点。本论文正 是在这样的背景下完成的，它采用c m o s 工艺实现了符合i e e e8 0 2 1 1 9 无线局域 网标准的射频收发机前端，并对射频电路c m o s 实现中的一些关键问题进行了研 电子科技大学硕士学位论文 究。 本章首先阐述了无线局域网的基本概念、发展历史和现状，并对i e e e 8 0 2 1 l x 标准进行了描述；然后介绍了射频接收机的拓扑结构，并对各种拓扑结构的优缺 点进行了简单评述；最后一部分介绍了本论文内容安排。 1 2 无线局域网概述 无线局域网利用电磁波在空气中发送和接收数据，减少了对固定线路的依赖。 作为一种灵活的数据通信系统，它的应用范围同现在的有线局域网一样广泛，但 其内在的灵活性是有线网络所不能相比的。目前无线局域网主要应用于某些需要 得到数据服务但缺乏有线数据接入条件的环境，如会议中心、展览中心、机场和 酒店等。但随着无线局域网硬件设备价格的下降以及传输速率的提高，无线局域 网的应用领域也迅速扩展到企业内部局域网、校园网、家庭、医疗、销售、仓库 管理、公共事业管理等许多领域。 1 2 1 无线局域网的发展 早在上个世纪8 0 年代，人们就开始了无线网的实验。直到在二十世纪8 0 年 代，伴随着以太局域网的迅猛发展，以具有不用架线、灵活性强等优点的无线网 以己之长补“有线”所短，才赢得了特定市场的认可，但也正是因为当时的无线 网是作为有线以太网的一种补充，遵循了i e e e8 0 2 3 标准，使直接架构于i e e e 8 0 2 3 标准上的无线网络产品存在着易受其他微波噪声干扰、性能不稳定、传输速 率低且不易升级等弱点。1 9 8 5 年，美国联邦通信委员会f f c c ) 授权普通用户可以使 用9 0 2 m h z 、2 4 g h z 及5 8 g h z 三个“工业、科技、医学”( i n d u s t r i a l 。s c i e n t i f i c 。a n d m e d i c a l ，i s m ) 频段。i s m 频段为无线网络设备供应商提供了无需申请就能直接使用 的产品频段，极大地推动了无线通信产业的发展。但当时不同厂商的产品相互不 兼容，这限制了无线局域网的进一步应用。这样，制定无线局域网的统一标准就 提上了议事日程。由于制定标准的组织不同，国际上出现了多个无线局域网的标 准，它们所使用的频段、数据率和调制方式都不同，所面对的应用领域也各有差 别。表1 1 对目前国际上应用比较广泛的无线局域网标准进行了比较1 3 - q 7 。 2 第一章绪论 表l - 1 无线局域网标准 频段 调制方式数据率 h o n l e r f 2 4 g i - i z f h1 2 m b s b l u e t o o t h 2 4 g h z f hl m b s 8 0 2 1 1 2 4 g h z f 1 ，d s1 - 2 m b s 8 0 2 1 l b 2 4 g h z d s 可达l l m b s 8 0 2 1 l g 2 4 g h z o f d m可达5 4 m e o s 8 0 2 1 l a 5 ( m zd m t 0 鼢i 6 5 4 m b s h i p e r l a n5 g h z g m s k可达2 4 m b ，s 在无线局域网的标准制定后，许多研究机构和公司加快了研制无线局域网产 品的步伐，各种无线局域网产品大量出现，无线局域网的应用领域也不断扩展。 在国内，无线局域网也开始应用。上海的a p e c 会议、北京的2 0 0 1 大运会、博鳌 亚洲论坛、北京大学校园无线局域网、复旦大学管理学院校园无线局域网等都采 用了无线局域网技术。但是，我国的无线局域网产品大都是直接从国外引进的， 没有自己的核心产品，面对如此广阔的市场和巨大的应用前景，必须加快在核心 技术上的研发能力。 1 2 2 无线局域网标准i e e e8 0 2 1 1 x 目前常见的无线网络标准以i e e e8 0 2 1 l x 系列为主。它是i e e e 国际电气和电 子工程师协会制定的一个通用无线局域网标准。最初的i e e e8 0 2 1 1 标准只是用于 数据存取，传输速率最高只能达到2 m l , p s 。由于速度慢不能满足数据应用发展的 需求，所以后来该协会又推出了i e e e8 0 2 1 l b 、8 0 2 1 1 a 、8 0 2 1 l g 这三个新的标准。 这三个标准都是经i e e e 批准的无线局域网规范，标准的确立也就意味着厂商们的 认可和支持，他们之间技术差别很大，所走的发展道路也不一样。 ( 1 ) 8 0 2 1 l b 网络是目前一般用户最常使用的规格，i e e e8 0 2 1 l b 标准是1 9 9 7 年i e e e8 0 2 1 1 标准的扩展，在网络结构上，它与i e e e8 0 2 1 1 是一样的，但对物 理层进行了扩展，使它具有更高的数据率和传输距离，它工作于2 4 g h z 频段，数 据传输率最高可达11 m b p s ，在室外最大传输距离可达3 0 0 m ，室内最大传输距离 为1 0 0 m 。虽然l l m b p s ( 实际值为5 5 0 6 0 0 k b s ) 的传输速率对大多数宽带用户的 接入速度来说已经足够，但该性能指标却不能满足日益增长的宽带网络的需求。 ( 2 ) 作为8 0 2 1 l b 的继承者，8 0 2 1 l a 具备很多优势，其主要表现：第一其安全 性较佳，很多企业就看中了这一点，有1 2 个频道可以利用，能减少干扰问题；第 3 电子科技大学硕士学位论文 二8 0 2 1 l a 传输速度比8 0 2 1 l b 快五倍，能同时提供更多用户同时使用，最高理论 速度可以达到5 4 m b p s 。此外，8 0 2 1 1 a 独特的5 g h z 工作频段也在抗干扰性上优于 8 0 2 1 l b g ，因为在日常生活中，许多电子设备都是基于2 4 g h z 频段工作的，这正 好与8 0 2 1 1 b 幢的工作频段相同并产生冲突。5 g h z 工作频段具有2 4 g h z 无法比拟 的抗干扰优势，但同时也预示了8 0 2 1 l a 的灭亡。由于频段较高，使得8 0 2 1 l a 的 传输距离大打折扣，5 g h z 频段的电磁波在遭遇墙壁、地板、家具等障碍物时的反 射与衍射效果均不如2 4 g h z 频段的电磁波好，因而造成8 0 2 1 1 a 覆盖范围偏小的 缺陷；其次，由于设计复杂，基于8 0 2 1 l a 标准的无线产品的成本要比8 0 2 1 i b 高 的多。还有一致命的弱点8 0 2 1 1 a 设备与8 0 2 1 1 b 网络并不兼容。 ( 3 ) 由于8 0 2 1 i b 和8 0 2 1 l a 都不能令人满意，i e e e 制定了新的8 0 2 1 l g 标准。 目前还有最新的8 0 2 1 l g 技术已经投入应用，和8 0 2 1 l a 相比，8 0 2 1 l g 在提供了同 样5 4 m b p s 的高速下，采用了与8 0 2 1 l b 相同的2 4 g h z 频段，因而解决了升级后 的兼容性问题。同时8 0 2 1 l g 也继承了8 0 2 1 l b 覆盖范围广的优点，其价格也相对 较低。8 0 2 1 l g 的优势可以概括为：拥有8 0 2 1 l a 的速度，同时安全性又优于8 0 2 1 l b ， 而且还能与后者兼容。 13 收发机射频前端概述 现有实际的a d c 因为采样速率与动态范围的限制，无法直接处理由天线接收 到的微弱高频电波信号，必须利用射频接收机将信号降至低频并放大至a d c 能处 理的范围。所以一个通信射频接收机的功能必须至少包括下列功能： ( 1 ) 频率选择性：从空间中众多不同频率的电波信号攫取所需要的频率信号和 抑制干扰信号。 ( 2 ) 放大信号：接收到的信号因为无线传输时的衰减，几乎皆为弱信号，此弱 信号必须被放大至a d c 能处理的范围。此外，微弱的信号会受到接收机电路本身 产生的噪声影响而降低其信噪比，必须在接收级的前级加上一级低噪声放大器， 减少后级电路噪声对信号的影响。 ( 3 ) 信号降频：因为无线通讯的频率，一般都高于a d c 最高的采样频率。所以 必须先将信号降频，让a d c 能顺利取样不会造成混叠的效果。 以上的三个需求目前可分别利用滤波器、放大器、混频器来完成。而根据上 述的接收机基本模块，接收机仍有多种架构，彼此各有优缺点，本章将讨论超外 差接收机、零中频接收机和低中频接收机的优缺剧8 】。 4 第一章绪论 1 3 1 超外差接收机 “超外差”接收是指将射频输入信号与本地振荡器相乘或差拍，由混频器后 的中频滤波器选出射频信号与本振信号频率的和频或差频。其主要优点是在低、 中频容易实现相对带宽较窄，矩形系数较高的中频滤波器，以提高接收机的选择 性，而且增益可以从中频级获得，降低了射频级实现高增益的难度。当射频信号 频率上升到微波甚至毫米波时，可以采用二次变频方法，以降低滤波器实现的难 度，保证接收机的选择性，即使在射频频率较低时，也可以采用二次变频，第一 中频设计为高中频的方法可以获得较好的镜像频率抑制。实际上，现代接收机射 频前端绝大多数设计为超外差结构，基本概念如图1 - 1 所示。该接收机包含镜像抑 制滤波器、高频放大器、混频器、中频放大器、本地振荡器、中频带通滤波器、 高频放大器、混频器、中频放大器、本地振荡器、中频带通滤波器、解调器等。 信号首先通过选频网络选频并使干扰减弱，特别是镜像干扰；然后，经低噪声高 频放大后送到混频器进行下混频，得到中频传号正一，j l ( 或，lz ，一艿) ；中 频信号经过中频放大后送到解调器解出基带信号。 图1 - 1 超外差接收机 超外差接收机的规划首先是考虑降频的次数与中频的频率。频率较高的中频 会有较佳的镜像噪声与较差的频率选择性。对中频的频率选择而言，镜像噪声抑 制与频率选择性为一权衡关系，此外亦必须考虑杂散响应与是否有适当的中频滤 波器。中频决定后，需要决定l o 频率高于或低于r f ，若选择l o 频率高于r f ， l o 有较大的可调范围，但较差的相位噪声；若l o 频率低于r f 频率，则相反。 i e e e8 0 2 1 1w l a n 对相位噪声的要求较为严格，所以选择l o 频率低于r f 频率。 接收机信号经过一个带通滤波器后降频至中频，由选择性较佳的中频滤波器滤波。 因为在频率较高的频段，要滤出一个窄带信号，需要一个品质因数极高的带通滤 波器，难以实现。所以先将信号降至较低的中频，中频滤波器品质因素的需求相 对较低，可提供较佳的频率选择性。整体接收机增益可分布在不同频率，增加放 大器的稳定性。若为数字通信时，信号分正交，若需要较高的灵敏度可在混频器 5 电子科技大学硕士学位论文 前加入低噪声放大器，借此放大接收信号，降低接收机电路自身的噪声对信号的 影响。但是超外差接收机有镜像频率的干扰与架构复杂的缺点，在设计上需要特 别注意。 1 3 2 零中频接收机 在集成射频接收机中，消除片外元件的设想促使零中频接收机体系结构的出 现。由于零中频接收机不需要片外高q 值带通滤波器，可以实现单片集成，而受 到广泛的重视。图1 2 为零中频接收机结构框图。接收到的射频信号经滤波器和低 噪声放大器放大后，与正交两路本振信号混频，分别产生同相和正交两路基带信 号。由于本振信号频率与射频信号频率相同，因此混频后直接产生基带信号，而 信道选择和增益调整在基带上进行，由片上的低通滤波器和可变增益放大器完成。 零中频接收机在下变频过程中不需经过中频，且不存在镜像频率干扰，原超外差 结构中的镜像抑制滤波器及中频滤波器均可省略。这不仅取消了外部元件，有利 于系统的单片集成，降低成本；还使系统所需的电路模块及外部节点数减少，降 低了接收机所需的功耗并减少射频信号受外部干扰的机会。不过零中频结构存在 着直流偏差、本振泄漏和闪烁噪声等问题。因此有效地解决这些问题是保证零中 频结构正确实现的前提。 图1 - 2 零中频接收机 不同于超外差架构中先将信号降至中频的方式，零中频接收机将信号直接降 至基频然后解调。如果信号为频率或相位调制，降频时必须将信号分为正交与同 相信号避免信息的丢失。因为没有中频，所以不存在镜像干扰，超外差结构中l n a 与混频器中间的片外滤波器可以去除，易于将整个接收机整合为单一芯片。虽然 直接降频接收机有以上优点而且结构简单，但过去仍未被普遍利用，理由如下： ( 1 ) 直流偏移：因为混频器r f l o 有限的隔离度，较强的l o 信号会耦合至r f 端，被l n a 反射回来后，与同频段的l o 混频会产生d c 信号，过大的d c 信号 将会饱和下一级的电路。 6 第一章绪论 ( 2 ) 1 f 噪声：晶体管的1 f 噪声属于低频噪声，其功率谱密度为l f 的曲线。此 1 f 噪声会使直接降频至基频的信号的信噪比降低。所以l n a 与混频器必须提供较 高的增益，以减少1 f 噪声的影响，但混频器后级的滤波器线性度要求也因此相对 提高。超外差接收机因为接收信号经过射频及中频放大器的放大，导致信号降至 低频时，1 ，f 噪声的影响可被忽略。 ( 3 ) 偶次谐波干扰：若干扰信号经过非线性电路产生的二次非线性项干扰，会 有部分位于基频，而对直接降频至基频的接收机信号产生干扰。在超外差结构中 因为干扰信号已被中频滤波器抑制，故其降至基频时产生的二次谐波可被忽略。 ( 4 ) i e 交与同相信号的不平衡：零中频接收机，接收信号在射频频率时既区分 为同相与正交信号。因为频率较高，相对的杂散效应也会增加，导致同相与正交 信号路径的增益衰减不完全相同，产生振幅的不平衡。除此之外，高频的振荡器 难以产生完美的9 0 度相位差的信号，有相位误差。 1 3 3 低一中频接收机体系结构 低中频接收机普遍采用了正交的镜频抑制混频器和多相滤波器，这两者都是 利用信号和镜像干扰经过混频之后存在的相位差异来区分信号和干扰的。镜频的 抑制度对两条正交通路的幅度和相位匹配情况非常敏感，这在一定程度上影响了 接收机的性能；多相滤波器对于正频率充当全通滤波器，对于负频率充当带阻滤 波器，该滤波器常用i k 网络实现，对镜频抑制有显著帮助，但对信号有衰减，幸 而在这之前信号已经被初步放大，r c 网络造成的影响并不严重。图1 3 为低中频 接收机的体系结构框图。 图l - 3 低中频接收机 7 电子科技大学硕士学位论文 在模拟接收机中还经常采取使用多个中频，例如双中频、三中频等方法来实 现更好的镜像抑制，并且利于集成和本振的实现。在这里就不再一一讲述了。 1 3 4 总结 由于集成的无线收发机具有极大的市场前景，各个国家的研究机构对采用 集成电路工艺来实现无线收发机进行了大量的研究工作。由于集成无线收发机 的难点集中于射频前端，本论文也仅仅关注射频前端的实现。集成无线接收机 对以上述所提供的几种接收机架构相比较而言； ( 1 ) 超外差式拓扑结构的接收机具有最好的性能，也是目前被广泛采用的 一类接收机，但其要求片外的镜像抑制滤波器和信道选择中频滤波器，集成度 受到影响。这类接收机最典型的是e o r s a t t i 等人实现的应用于g s m 环境的接 收机，它采用0 2 5 a nc m o si 艺，完整的接收机的增益可以达到1 0 1 d b ，噪 声系数为8 1 d b ，功耗仅为1 9 5 m a 2 5 v 9 1 。 ( 2 ) 零中频接收机由于具有最高的集成度而受到人们广泛的关注。但会遭 遇d co f f s e t ，1 f 噪声，i qi m b a l a n c e 与高线性度的频道选择滤波器等问题， 使其性能受到一定的限制。这类接收机以b r a z a v i 实现的2 4 g h z 无线局域网 接收机为代表，它采用0 6s a n 的c m o s 工艺，电压增益可以达到3 4 d b ，噪声系 数约为8 3 d b ，二阶交调点约为2 2 d b m ，信道内的三阶交调点为9 d b m ，信道 外的三阶交调点位4 d b m ，功耗约为8 0 m w 3 v 1 埘。另外e z h a n g 等人实现的 5 g h z 无线局域网接收机，它采用0 1 8 a nc m o si 艺，电压增益可以达到 5 8 d b ，噪声系数仅为6 8 d b ，信道内三阶交调点为2 5 d b m ，信道外三阶交调点 约为，1 8 d b m ，功耗仅为1 7 1 加1 8 v t ”j 。 ( 3 ) 低中频拓扑结构的接收机具有零中频接收机易于集成的特点，而又避 免了直流失调的影响，使得这种结构的接收机成为一种比较好的选择，但由于 支路不匹配引起的镜像信号抑制不足的问题使褥该类接收机的性能受到一定 的限制。这类接收机以w s h e n g 等人实现的2 4 g h z 蓝牙接收机为代表，它采 用0 3 5 a n 的c m o s 工艺，当位错误率小于1 e 3 时，灵敏度达到8 2 d b m ，i i p 3 为1 0 d b m ，噪声系数为1 5 d b ，电源电压为3 v ，消耗的电流约为6 5 m a 1 2 1 。 本次设计的工作在2 4 5 g h z 的接收机芯片采用的是超外差结构，系统框图 设计如图1 5 所示，虚线框中就是本次设计要完成的s o c 。 8 第一章绪论 图l - 4 本次设计采用的接收机结构一超外差式 1 4 论文结构及内容安排 第一章绪论是对本课题研究的项目分析，提出了无线局域网接收芯片设计的 系统结构。第二章分析讨论了r f i c 设计时需要考虑的问题，如系统指标和射频集 成电路中的元器件模型。第三章进行了2 4 5 g h zl n a 设计，依据r f i c 设计理论 及分析方法，采用j a z z0 3 5 1 m ac m o s 工艺实现了无线局域网接收机芯片中低噪 声放大器模块，并提出了l n a 芯片测试方案。第四章为研究得出的结论和对前景 的展望。 9 - 电子科技大学硕士学位论文 第二章射频集成电路的元器件模型分析 2 1 射频电路的基本概念 噪声和非线性是射频电路必须要考虑的两个因素。在本节里，介绍了与噪声、 非