無線局域網(wǎng)射頻接收關鍵技術研究與芯片設計.pdf

1、隨著微電子技術和無線通信技術的不斷發(fā)展，高集成度、低成本的CMOS無線射頻收發(fā)機芯片已經(jīng)越來越多的應用于工業(yè)以及人們?nèi)粘Ｉ畹碾娮釉O備中，市場潛力巨大。國外發(fā)達國家對CMOS系統(tǒng)集成方面的研究較早，在10GHz以下頻率的研究已經(jīng)較為成熟，而國內(nèi)在這方面還停留在單個模塊的研究與設計階段，尤其是在幾GHz頻率研究更少。因此，本文對射頻接收中的一些關鍵技術進行了深入研究與分析，基于IEEE802．11a標準，采用中芯國際集成電路制造有限公司(

2、SMIC)O．18μmRF CMOS工藝設計了應用于5GHz無線局域網(wǎng)的射頻接收芯片。
　　 本文在介紹射頻的基本概念后給出了射頻集成電路與系統(tǒng)芯片設計的整個流程，從系統(tǒng)的角度對無線局域網(wǎng)IEEE802．11a標準進行了分析，詳細給出了接收端鏈路指標的預算方法和具體步驟，為模塊電路的設計做好鋪墊。
　　 本文對無線射頻接收系統(tǒng)中的關鍵模塊進行了研究與設計，包括可變增益低噪聲放大器(VG-LNA)、射頻下變頻器(RF-mi

3、xer)、正交下變頻器(I/Q-mixer)、有源低通濾波器(LPF)和可編程增益放大器(PGA)。
　　 在可變增益低噪聲放大器部分，對輸入端靜電放電(ESD)保護電路寄生電容對源極電感負反饋低噪聲放大器的輸入阻抗影響進行了詳細的理論分析，提出了一種新的輸入匹配方法，可以在低功耗的條件下，將較低的輸入阻抗匹配到50歐姆，同時不增加片外元件的數(shù)量。在該部分還提出了一種新的噪聲優(yōu)化方法，該方法在含有ESD保護電路的情況下，可以使源

4、極電感負反饋低噪聲放大器同時實現(xiàn)輸入端的功率匹配和噪聲匹配。另外，通過在低噪聲放大器的第二級增加一個簡單的反饋環(huán)路，在不嚴重惡化噪聲性能的同時實現(xiàn)了較大的增益變化范圍。測試結(jié)果表明，該低噪聲放大器在高增益時增益達21．7 dB，噪聲系數(shù)為2．8 dB，在低增益時輸入1dB壓縮點和輸入三階節(jié)點分別為-9 dBm和1 dBm，增益變化范圍達到25 dB。
　　 在射頻下變頻器部分，詳細分析了提高混頻器性能的一些技術，主要有源極負反饋

5、技術和電流源注入技術，在此基礎上，提出了一種射頻混頻器設計的優(yōu)化方法。基于該方法，采用SMIC0．18μmRF CMOS工藝設計了5GHz下變頻器。測試結(jié)果表明，RF-mixer增益為10．1 dB，噪聲系數(shù)為8．6 dB，輸入1dB壓縮點和輸入三階節(jié)點分別為-3．5 dBm和5．3 dBm。
　　 在I/Q正交下變頻器部分，首先詳細分析了提高混頻器線性度的IM3抵消技術，給出了基于IM3抵消技術的具體設計步驟。然后詳細分析了I

6、/Q通路共用跨導單元對I/Q失配的影響?；贗M3抵消技術和I/Q通路共用跨導技術，采用SMIC0．18μm RF CMOS工藝設計了零中頻正交下變頻器，測試結(jié)果表明，I/Q-mixer增益為6．2 dB，噪聲系數(shù)為13．9 dB，輸入1dB壓縮點和輸入三階節(jié)點分別為-1．5 dBm和9．5 dBm，I/Q幅度和相位失配分別小于0．2 dB和1 deg。試驗表明，采用IM3抵消技術的混頻器能夠在不犧牲增益、噪聲和功耗等其他性能的條件下，

7、大大改善混頻器的線性度。
　　 在低通濾波器部分，為了提高系統(tǒng)的集成度，采用了片內(nèi)全集成的有源低通濾波器來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的RLC無源濾波器。為了避免工藝偏差帶來的帶寬變化，有源低通濾波器的跨導單元設計為可調(diào)跨導，通過調(diào)節(jié)控制電壓，跨導值可以從28 mS變化到82 mS。測試表明，該濾波器帶內(nèi)增益為5．8 dB，在20 MHz和40 MHz頻率處的帶外衰減分別為43．5 dB和74．8 dB，遠遠優(yōu)于設計指標的要求。
　　 在可

8、編程增益放大器部分，本文采用了一種全差分閉環(huán)反饋結(jié)構的可變增益放大器。通過開關控制的電阻網(wǎng)絡實現(xiàn)電路的增益可變。由于具有反饋系統(tǒng)的優(yōu)點，這種結(jié)構的可編程增益放大器可以實現(xiàn)準確的增益值和較好的線性度。本文通過可變增益級和固定增益級級聯(lián)的方式來獲得較寬的可變增益范圍。為了減小直流偏移造成后級電路的飽和，在各級中都增加了直流偏移消除電路。該直流偏移電路采用一種直流負反饋技術來消除系統(tǒng)的直流偏移，文章詳細闡述了該直流偏移消除電路的設計要點。測試

9、結(jié)果表明，PGA增益變化范圍為2-45 dB，增益步長平均值為0．972 dB，精度小于±1．3 dB。
　　 在完成各個模塊電路的設計之后，進行了系統(tǒng)版圖設計和流片，整個射頻接收通路芯片面積為1．8mm×2．8mm。其中，詳細地介紹了集成電路系統(tǒng)設計的一些注意事項，包括靜電放電保護電路，各個模塊電路之間的互聯(lián)和隔離，系統(tǒng)版圖的布局布線和芯片測試的監(jiān)測點等。最后，給出了射頻接收芯片的測試方法和測試結(jié)果。特別是噪聲系數(shù)的測試方法，

10、給出了二次變頻系統(tǒng)噪聲的測試方法。測試結(jié)果表明，該射頻接收芯片增益為20-83 dB，噪聲系數(shù)為7．5 dB，輸入1dB壓縮點和輸入三階節(jié)點分別為-21．5 dBm和-15 dBm，在1．8V電源電壓下，功耗為66．5mW，滿足無線局域網(wǎng)IEEE802．11a標準的要求。
　　 論文對應用于無線局域網(wǎng)IEEE802．11a標準的射頻接收的關鍵技術進行了深入的研究，包括系統(tǒng)結(jié)構、系統(tǒng)指標預算、具體電路模塊、測試和系統(tǒng)版圖集成等方面