大連理【：大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 隨著無(wú)線局域網(wǎng)應(yīng)用不斷擴(kuò)展，通信市場(chǎng)對(duì)無(wú)線收發(fā)芯片的需求急劇上升。通常， 射頻接收機(jī)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(jìn)行射頻收發(fā)模塊的設(shè) 計(jì)。這種方法最大的優(yōu)點(diǎn)是具有極好的選擇性和靈敏度，同時(shí)射頻模塊可完成高性能指 標(biāo)，但集成度及成本較高。近年來(lái)，隨著移動(dòng)通信的發(fā)展，成本和集成度成為無(wú)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(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線局域網(wǎng)射頻芯片，同時(shí)接收機(jī)結(jié)構(gòu)也越來(lái)越趨向于采用零中頻接收機(jī)結(jié) 構(gòu)。 基于w l a n 8 0 2 1 1 b 接收機(jī)射頻前端的c m o s 實(shí)現(xiàn)方案，本文采用二次變頻的零中 頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)，根據(jù)w l a n 8 0 2 1 1 b 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，推導(dǎo)出射頻前端各模塊基本指標(biāo)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(jì)低噪聲放大器及低噪聲混頻器模塊。接收機(jī)射頻前端采用了1 8 v 的電源電壓，在低 功耗下設(shè)計(jì)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(jì)都考慮到了低功耗 對(duì)直流工作點(diǎn)、增益和線性度的影響。各模塊通過(guò)改進(jìn)電路結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)合理的直流工作 點(diǎn)，在低功耗下依然保持了良好的性能。 通過(guò)分析m o s f e t 的各種噪聲，重點(diǎn)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(jì)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(jì)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(duì)j a z z0 1 8 v mb i c m o s 設(shè)計(jì)的差 分低噪聲放大器版圖進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)。最后給出了各個(gè)電路原理圖的仿真結(jié)果并進(jìn)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(dú)創(chuàng)性說(shuō)明 作者鄭重聲明：本碩士學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)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(biāo)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(guò)的材料與我一同工作的同志 對(duì)本研究所做的貢獻(xiàn)均已在論文中做了明確的說(shuō)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(guó)家有關(guān)部門或機(jī)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(kù)進(jìn)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(wú)線通信網(wǎng)的市場(chǎng)應(yīng)用很廣闊，極大地推動(dòng)了射頻集成電路的發(fā)展；針對(duì)不同的應(yīng) 用要求，無(wú)線通信網(wǎng)可以分為無(wú)線廣域網(wǎng)( w w a n ) ，無(wú)線局域網(wǎng)( w l a n ) 和無(wú)線個(gè)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(biāo)準(zhǔn)。從不同的方面實(shí)現(xiàn)了無(wú)線通信。 無(wú)線局域網(wǎng)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線通信技術(shù)有效結(jié)合的產(chǎn)物。為人類的無(wú)線通信，移動(dòng)個(gè) 性化，家庭多媒體提供了可能。 其中，無(wú)線局域網(wǎng)8 0 2 1 l b 仍然占領(lǐng)主要市場(chǎng)，隨著底層技術(shù)的發(fā)展，芯片價(jià)格不 斷降低，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將在今后一段時(shí)間內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。在我國(guó)無(wú)線局域網(wǎng)尚處于初 步階段，但是無(wú)論運(yùn)營(yíng)商還是設(shè)備制造商對(duì)無(wú)線局域網(wǎng)市場(chǎng)都有很大興趣。可見(jiàn)，對(duì)無(wú) 線傳輸?shù)膽?yīng)用研究是非常重要，也是非常必要的。近年來(lái)，無(wú)線局域網(wǎng)的應(yīng)用的不斷擴(kuò) 展，對(duì)無(wú)線收發(fā)芯片的需求急劇上升。目前推向市場(chǎng)的無(wú)線局域網(wǎng)收發(fā)機(jī)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(lái)實(shí)現(xiàn)。采用兩種不同的工藝技術(shù)無(wú)疑提高了產(chǎn)品成本，并且無(wú)法實(shí)現(xiàn)單片 集成的收發(fā)機(jī)，而成本和集成度是無(wú)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(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)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(lái)實(shí)現(xiàn)射頻芯片是有 可能的。采用c m o s 工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)射頻芯片，不但可以降低產(chǎn)品成本，而且在解決了實(shí) 現(xiàn)中的難點(diǎn)問(wèn)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(shí)現(xiàn)單片集成 的收發(fā)機(jī)，這必將推進(jìn)整個(gè)無(wú)線局域網(wǎng)市場(chǎng)的發(fā)展。研究采用c m o s 工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線 收發(fā)機(jī)射頻前端芯片可以提高我國(guó)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(jì)效益。 在智能家具方面，在2 0 0 6 年3 月的國(guó)際集成電路研討會(huì)上展示了一個(gè)新的z i 出e e 網(wǎng)絡(luò)無(wú)線遙控娛樂(lè)平臺(tái)。在無(wú)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(bào)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(jiàn)的微型 監(jiān)控器也是各個(gè)國(guó)家所關(guān)注的研究熱點(diǎn)。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(bào)道，在2 0 0 4 年中國(guó)的手機(jī)普及率就已達(dá)到為3 2 ，還有 上升的空間?？梢?jiàn)c m o s 射頻技術(shù)擁有廣大的市場(chǎng)。 基于w l a n 8 0 2 il b 的低噪聲放大器設(shè)計(jì) 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(duì)噪聲要求比較高的時(shí)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(jìn)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(lái)?yè)Q 取高性能。 對(duì)于零中頻接收機(jī)的研究，為了克服這種接收機(jī)所帶來(lái)的缺點(diǎn)，一些研究將重點(diǎn)放 在了混頻器的設(shè)計(jì)上。比如有一種是多相混頻器。其本振信號(hào)頻率是射頻載波頻率的 l n ，2 n 個(gè)普通混頻器構(gòu)成一個(gè)多相混頻器。它克服了直流失調(diào)問(wèn)題和對(duì)鎖相環(huán)設(shè)計(jì)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(guò)兩次變頻，將噪聲信號(hào)分離 開(kāi)。也有采用諧波混頻器，使用本振信號(hào)的二次諧波和射頻信號(hào)混頻。這樣，當(dāng)射頻信 號(hào)被下變頻到基帶時(shí)，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(wú)源混 頻器有許多實(shí)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(duì)源反饋或負(fù)載端進(jìn)行改進(jìn)。這種改進(jìn)對(duì)于接收機(jī)整體系統(tǒng)來(lái)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(shí)增加設(shè)計(jì)難度。 另一種方法是通過(guò)對(duì)接收機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，可以減小直流失調(diào)和l f 噪聲。有人采 用兩級(jí)下變頻代替直接下變頻的方法，先將射頻信號(hào)下變頻到一個(gè)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(shí)使用的本振信號(hào)頻率低且固定，因而泄 漏較小，直流失調(diào)相對(duì)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(wèn)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(duì)于第一本振的鏡像信號(hào)抑制?？傊?。零中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(hào)，版圖的布局和布線 都將對(duì)電路性能產(chǎn)生很大的影響。不適當(dāng)?shù)男盘?hào)通路會(huì)使所設(shè)計(jì)電路產(chǎn)生振蕩或是引起 信號(hào)串?dāng)_；器件布局不適當(dāng)則會(huì)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(huì)大大的惡化電路的性能，另外，在版圖設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮各類寄生效應(yīng)。寄生 效應(yīng)除了會(huì)引入噪聲之外，還會(huì)造成信號(hào)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)^(guò)電路的本征噪聲。 目前，r f i c 設(shè)計(jì)中具有代表性的設(shè)計(jì)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(jì)軟件等。它們都具有不同的特色， 一般具有友好的設(shè)計(jì)界面，靈活、開(kāi)放的架構(gòu)，具有從綜合到版圖設(shè)計(jì)等不同層次的設(shè) 計(jì)模塊，支持第3 方設(shè)計(jì)、測(cè)試軟件，帶有使用方便的物理設(shè)計(jì)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(jí)的設(shè)計(jì)和分析。但r f i c 設(shè)計(jì)工具中仍然存在很多問(wèn)題， 需要深入研究和解決，特別是對(duì)電路的很多潛在影響因素尚缺乏深刻認(rèn)識(shí)。射頻電路中 許多比較關(guān)鍵的元件，如電感、電容等，缺乏實(shí)用的準(zhǔn)確等效電路或集總模型。在r f i c 設(shè)計(jì)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(huì)對(duì)電路性能帶來(lái)極大的差異。總之，目前r f i c 的設(shè)計(jì)精度和 自動(dòng)化程度仍然落后于數(shù)字電路設(shè)計(jì)，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(jī)系統(tǒng)及其部分射頻模塊的解決方案，并主 要針對(duì)核心電路低噪聲放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了接收機(jī)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定信號(hào)工 作頻率在2 4 g i - i z ，該標(biāo)準(zhǔn)提供1 1m b p s 的數(shù)據(jù)速率。 1 2 無(wú)線局域網(wǎng)8 0 2 1 1 b 系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn) ( 1 ) 無(wú)線局域網(wǎng)的發(fā)展 無(wú)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(duì)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(wú)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(huì)議中心、展覽中心、機(jī)場(chǎng)和酒店等。但隨著無(wú)線局域 網(wǎng)硬件設(shè)備價(jià)格的下降以及傳輸速率的提高，無(wú)線局域網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域也迅速擴(kuò)展到企業(yè) 內(nèi)部局域網(wǎng)、校園網(wǎng)、家庭、醫(yī)療、銷售、倉(cāng)庫(kù)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應(yīng)商提供了無(wú)需申請(qǐng)就能直接使用的產(chǎn)品頻 段，極大地推動(dòng)了無(wú)線產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。表1 1 對(duì)目前國(guó)際上應(yīng)用比較廣泛的無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo) 準(zhǔn)進(jìn)行了比較i l “。 表1 1 無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn) 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(jì) 在無(wú)線局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)制定后，許多研究機(jī)構(gòu)和公司加快了研制無(wú)線局域網(wǎng)產(chǎn)品的步 伐，各種無(wú)線局域網(wǎng)產(chǎn)品大量出現(xiàn)，無(wú)線局域網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)展。中國(guó)四大電信 運(yùn)營(yíng)商也開(kāi)始進(jìn)入這一領(lǐng)域：中國(guó)網(wǎng)通推出了“無(wú)限伴侶”，中國(guó)電信提出了“天翼通”， 中國(guó)移動(dòng)和中國(guó)聯(lián)通則大力發(fā)展“g p r s + 無(wú)線局域網(wǎng)”和“c d m al x + 無(wú)線局域網(wǎng)”。 ( 2 ) i e e e8 0 2 1 1 b 標(biāo)準(zhǔn) 4 1 i e e e8 0 2 1 l b 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定無(wú)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(guó)、加拿 大、除法國(guó)和西班牙之外的歐洲國(guó)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(guó)) 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(wú)線局域網(wǎng)采用直接序列擴(kuò)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(wú)線局域網(wǎng)的二次變頻零頻率接收機(jī)指標(biāo)分配，要 求低噪聲放大器在低功耗下，達(dá)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(jìn)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(jī)射頻前端的c m o s 實(shí)現(xiàn)方案，本文采用二次變頻的零中 頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)，根據(jù)w l a n 8 0 2 1 1 b 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，推導(dǎo)出射頻前端各模塊基本指標(biāo)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(jì)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(jī)射頻前端設(shè)計(jì)以及射頻基礎(chǔ)知識(shí)。 第三章，根據(jù)射頻前端設(shè)計(jì)理論指導(dǎo)，對(duì)射頻前端關(guān)鍵模塊( l n a 、m i x e r ) 進(jìn)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(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并對(duì)第一中頻的選擇進(jìn) 行了分析，給出了針對(duì)w l a n s 0 2 1 l b 的低噪聲放大器的設(shè)計(jì)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(jì)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(duì)j a z zo 1 8 t t mb i c m o s 設(shè)計(jì)的差分 低噪聲放大器版圖進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)。 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(jì)，即低噪聲 混頻器。 第六章，結(jié)束語(yǔ)，總結(jié)論文的研究工作與不足之處，提出將來(lái)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(jì) 2 射頻接收機(jī)及工藝概述 射頻接收機(jī)的主要作用是接受一定頻段的信號(hào)，從很多信號(hào)中選出期望的信號(hào)，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(hào)變成可以進(jìn)行處理的基帶信 號(hào)。整個(gè)過(guò)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(jī)接受的信號(hào)微 弱并且多變，有用信號(hào)周圍往往有很多干擾信號(hào)，并且強(qiáng)度很大，這樣就要求接收機(jī)有 良好的靈敏度。由于干擾信號(hào)可能導(dǎo)致惡化輸出信噪比，所以要求接收機(jī)有較大的線性 動(dòng)態(tài)范圍。 圖2 1 信號(hào)接收過(guò)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(jī)結(jié)構(gòu) 射頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)主要有三類：超外差接收機(jī)、零中頻接收機(jī)和低中頻接收機(jī)。接收 機(jī)部分完成射頻信號(hào)的接收、濾波、放大、混頻器下變頻，然后將信號(hào)傳送到基帶；發(fā) 射機(jī)部分將信號(hào)上變頻到載頻，經(jīng)過(guò)功率放大器放大后由天線發(fā)射出去。在超外差接收 機(jī)中，射頻信號(hào)先通過(guò)第一級(jí)混頻器變到中頻，然后在中頻經(jīng)過(guò)帶通濾波、增益控制等 處理后進(jìn)行下變頻。超外差接收機(jī)的主要缺點(diǎn)是要采用大量的片外高品質(zhì)因子的無(wú)源元 件，從而使整個(gè)接收機(jī)的面積、功耗和電路成本都大大增加。同時(shí)，超外差接收機(jī)還存 在鏡像頻率干擾問(wèn)題，使有用的射頻信號(hào)及與本振信號(hào)對(duì)稱的鏡像頻率信號(hào)同時(shí)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(jī)所固有的缺點(diǎn)，人們提出了目 前備受青睞的零中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)。零中頻接收機(jī)使用一個(gè)混頻器，直接將帶內(nèi)的射頻信 號(hào)變到基帶，從而消除了鏡像信號(hào)的干擾。零中頻接收機(jī)另一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)是省去了大 量的片外無(wú)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(jī)存在 另外一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題直流失調(diào)，即在零中頻接收機(jī)中，由于本振信號(hào)和接收端的 載波信號(hào)的頻率相同，會(huì)造成本振信號(hào)泄漏到接收機(jī)的輸入端，從而形成本振信號(hào)的自 混，產(chǎn)生較大的直流失調(diào)。零中頻接收機(jī)可以實(shí)現(xiàn)極高的集成度。零中頻接收機(jī)對(duì)通 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 往基帶的信號(hào)進(jìn)行了直接、正交的下變頻轉(zhuǎn)換。期望信號(hào)將自身作為鏡像信號(hào)，因此可 以實(shí)現(xiàn)充分的鏡像信號(hào)抑制。在理論上，零中頻接收機(jī)中根本不需要分立的高頻帶通濾 波器，是可以實(shí)現(xiàn)完全集成的接收器。低中頻接收機(jī)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(hào)的幅度及相位誤差使得只靠正交下變頻來(lái)完成對(duì)鏡 像信號(hào)的抑制是不夠的，必須加進(jìn)其它的元件來(lái)增強(qiáng)抑制度。綜合以上各種因素，本課 題采用零中頻接收機(jī)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(jī) 超外差接收機(jī)結(jié)構(gòu)方框圖( 如圖2 2 ) ，此接收機(jī)結(jié)果具有成熟的理論以及廣泛的應(yīng) 用。首先，接收機(jī)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(jī)方案后，將接收機(jī) 的增益分配到各個(gè)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(jìn)行解調(diào)比較容易。 實(shí)現(xiàn)超外差式接收機(jī)遇到的一個(gè)主要問(wèn)題是鏡像抑制問(wèn)題【，j ，該問(wèn)題是由下變頻器 引起的，在下變頻時(shí)除了有用信號(hào)被轉(zhuǎn)換到中頻外，鏡像信號(hào)也被轉(zhuǎn)換到中頻，從而對(duì) 有用信號(hào)造成干擾。外差式接收機(jī)的最大缺點(diǎn)是組合干擾頻率點(diǎn)多。這是因?yàn)樽冾l器往 往并不是一個(gè)理想的乘法器，而是一個(gè)能完成相乘功能的非線性器件，會(huì)形成對(duì)有用信 號(hào)的干擾，通常就是所說(shuō)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(jìn)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(jī)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(lái)說(shuō)，超外差離不開(kāi)具有良好選頻特性的濾波器。這樣的濾波器只能在片外實(shí) 現(xiàn)，使得超外差接收機(jī)不能集成，如圖2 2 所示，濾波器都是放在片外的電路實(shí)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(jì) 因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)通過(guò)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(rèn)為是最可靠的接收機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 2 1 2 零中頻接收機(jī) 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(méi)有鏡像頻率干擾外，直接下變頻的方案還有以下優(yōu)點(diǎn)：接收機(jī)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(dòng)態(tài)范圍的要求，而且由 于沒(méi)有抑制鏡頻濾波器，也就不必考慮放大器和它的匹配問(wèn)題；由于下變頻器后面是基 帶信號(hào)，因此不必采用專用的中頻濾波器來(lái)選擇信道，而只須用低通濾波器來(lái)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(jī)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(shí)，有很多缺點(diǎn) 7 - 1 0 l ：l 、本振泄漏：零中頻方案的本振頻率和信號(hào)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(hào)就很容易從變頻器的 射頻端口輸出，再通過(guò)高頻放大器泄漏到天線，輻射到空間，形成對(duì)鄰道的干擾。這在 外差式接收機(jī)中就不容易發(fā)生，因?yàn)橥獠钍浇邮諜C(jī)的本振頻率和信號(hào)頻率相差很大，一 般本振頻率都落在前級(jí)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(hào)又從天線回 到高頻放大器，進(jìn)入下變頻器的射頻端口，它和本振端口進(jìn)入的本振信號(hào)經(jīng)混頻，差頻 為零頻率，即為直流。同樣，進(jìn)入高頻放大器的強(qiáng)干擾信號(hào)也會(huì)由于變頻器的各口隔離 性能不好而漏入本振口，反過(guò)來(lái)它又和射頻端口來(lái)的強(qiáng)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(jī)中是不可能干擾有用信號(hào)的，因?yàn)槟菚r(shí)中頻不等于零。而 在零中頻方案中，將r f 信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橹蓄l為零的基帶信號(hào)，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(hào)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(jí)放大器飽和，無(wú)法放大有用信號(hào)。但是， 這些零偏差干擾可以通過(guò)后面的數(shù)字信號(hào)處理的方法減弱。也可以將下變頻后的基帶信 號(hào)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(duì)于在直流 附近集中了比較大的能量的基帶信號(hào)是不合適的，這種方法會(huì)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(hào)經(jīng)過(guò)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(guò)下變頻率后的基帶信號(hào)在直流附近的能量減少，這時(shí)就可以用交流 耦合的方法來(lái)消除直流偏差而不損失信號(hào)能量。 2 1 3 低中頻接收機(jī) 低中頻接收機(jī)是從零中頻接收機(jī)發(fā)展而來(lái)的，它也通過(guò)正交下變頻來(lái)完成鏡像信號(hào) 壓縮，但與零中頻接收機(jī)不同的是，下變頻后信號(hào)處于一個(gè)比較低的中頻( 一到兩倍的 信號(hào)帶寬) ，如圖2 4 所示。由于鏡像信號(hào)不再與有用信號(hào)互為鏡像，它的能量與有用信 號(hào)相比是不可預(yù)知的( 在最壞情況下，可能高達(dá)5 0 d b ) ，這樣對(duì)鏡像信號(hào)抑制度的要求 就非常的嚴(yán)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(jī) 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(jī)有較好的集成度，并克服了零中頻接收機(jī)中的低頻干擾問(wèn)題，對(duì)鏡像 信號(hào)的抑制要求不高的場(chǎng)合。有很多藍(lán)牙接收機(jī)都用這個(gè)結(jié)構(gòu)。 2 2 射頻接收機(jī)指標(biāo)及射頻集成電路基本概念 ( 1 ) 射頻接收機(jī)靈敏度 無(wú)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(duì)于接收機(jī)的設(shè)計(jì)來(lái)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(jì) 響，提高接收機(jī)的靈敏度。它表征了系統(tǒng)的接收微弱信號(hào)的能力。影響接收機(jī)靈敏度的 只有兩方面：接收機(jī)的內(nèi)部噪聲和接收機(jī)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(jī)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(duì)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(hào)調(diào)制解調(diào)方式推導(dǎo)出來(lái)的。n f 的討 論針對(duì)的都是單級(jí)系統(tǒng)，對(duì)于由多個(gè)子系統(tǒng)級(jí)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(jí)問(wèn)相互匹配1 6 。則整個(gè)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(duì)整個(gè)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(lái)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(jí)子系統(tǒng)帶來(lái)的噪聲，由于前級(jí)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(jì)。而且可以看出，由于接收機(jī)第一級(jí)為濾波器，這個(gè)模塊沒(méi) 有增益，反而有損耗，這種無(wú)源有耗的濾波器，對(duì)降低系統(tǒng)的噪聲系數(shù)不利。 ( 2 ) 接收機(jī)選擇性與線性度 接收機(jī)的選擇性定義為：在鄰近頻率強(qiáng)干擾和信道堵塞的情況下，接收機(jī)選擇有用 信號(hào)的能力。同時(shí)接收機(jī)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(hào)。如果 接收機(jī)在選擇性和線性度方面不好，那么就會(huì)產(chǎn)生互調(diào)分量而降低信號(hào)質(zhì)量。一般來(lái)講， 噪聲確定了最小檢測(cè)信號(hào)，而失真度確定了接收機(jī)可處理的輸入信號(hào)的最大功率。為了 描述這種非線性，引入了l d b 壓縮點(diǎn)( p 1 曲) 和三階交調(diào)點(diǎn)( i i p 3 ) 兩個(gè)參數(shù)。前者定義為 系統(tǒng)的功率增益下降l d b 時(shí)輸入信號(hào)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(dá)到相等時(shí)的輸入或輸出功率，分別被稱為輸入三階交調(diào)點(diǎn)( i 口3 ) 和輸出三階 交調(diào)點(diǎn)( o i p 3 ) 。系統(tǒng)的三階交調(diào)指標(biāo)用下式( 2 3 ) 來(lái)表示。 上。上+ 旦+ 盟+ j ( 2 3 ) 皿p , l 瑪2 p , 3 ( 3 ) 接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍 動(dòng)態(tài)范圍定義了接收機(jī)在檢測(cè)噪聲基值上的弱信號(hào)和處理無(wú)失真的最大信號(hào)的能 力。用接收機(jī)輸入端的最大信號(hào)和最小信號(hào)的比定義接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。無(wú)寄生動(dòng)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(dòng)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(hào)p m i n 之間的比為基礎(chǔ)的。s f d r 的表達(dá)式( 2 4 ) 如下： f s f d r = 詈【皚一乃卜詈 ( 2 4 ) j j 0 阻塞動(dòng)態(tài)范圍b d r 定義為上限信號(hào)p 枷與最小可辨別信號(hào)p 曲的差。計(jì)算前端接 收鏈的最大增益時(shí)，需要考慮最大可能的帶內(nèi)阻塞。 ( 4 ) 接收機(jī)中頻抑制與鏡像抑制 中頻抑制是指對(duì)中頻干擾和噪聲的削弱和抑制。可以通過(guò)將混頻器設(shè)計(jì)成雙平衡或 環(huán)路，電路盡量對(duì)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(gè)隔離度在一個(gè)程度上反映了接收機(jī)的中頻抑制能力，此外 通過(guò)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(duì)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(yuǎn)離有用信號(hào)，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(hào)很小時(shí)，輸入信號(hào)功率與輸出信號(hào)功率成線性關(guān)系。但是隨著信號(hào)的變 大，輸出增益下降。如圖2 5 所示。也就是說(shuō)對(duì)于處理信號(hào)有一個(gè)上限。這個(gè)指標(biāo)反映了 最大可以處理的信號(hào) 輸 出 功 室 圖2 5l d b 壓縮點(diǎn) 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(diǎn) 在射頻系統(tǒng)中，三階交調(diào)點(diǎn)i i p 3 是一個(gè)衡量器件線性度和失真性能的重要指標(biāo)。當(dāng) 多個(gè)鄰道信號(hào)傳輸時(shí)，鄰道信號(hào)會(huì)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(xiàng) 基于w i a n s 0 2 1 i b 的低噪聲放大器設(shè)計(jì) 三階交調(diào)就是非線性電路輸出端的三階交調(diào)信號(hào)功率與輸出信號(hào)功率相同時(shí)的輸入信 號(hào)功率點(diǎn)，即三階交調(diào)點(diǎn)。圖2 6 說(shuō)明了三階互調(diào)信號(hào)的干擾信號(hào)，經(jīng)過(guò)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(hào)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(gè)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(lái)表示。其中，需要說(shuō)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(hào)的頻率僅與 射頻信號(hào)、本振信號(hào)頻率之差的幅度有關(guān)，因此射頻信號(hào)和它的鏡像信號(hào)都會(huì)被變換到 相同的中頻頻帶上。如果鏡像信號(hào)頻帶位置不存在有用信號(hào)，這時(shí)測(cè)量出的噪聲系數(shù)稱 為單邊帶噪聲系數(shù)；如果有用信號(hào)同時(shí)出現(xiàn)在射頻信號(hào)頻帶和鏡像信號(hào)頻帶上，這時(shí)測(cè) 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(jī)系統(tǒng)中( 如超外差、低中頻接收 機(jī)等) ，鏡像信號(hào)頻帶位置是不存在有用信號(hào)的，因此單邊帶噪聲系數(shù)反應(yīng)了混頻器真 實(shí)的噪聲性能；而在零中頻接收機(jī)中，有用信號(hào)同時(shí)出現(xiàn)在射頻信號(hào)頻帶和鏡像信號(hào)頻 帶上，因此雙邊帶噪聲系數(shù)反應(yīng)了混頻器真實(shí)的噪聲性能。由于在雙邊帶噪聲系數(shù)測(cè)量 中，射頻信號(hào)頻帶和鏡像信號(hào)頻帶都存在有用信號(hào)，而在單邊帶噪聲系數(shù)測(cè)量中，僅射 頻信號(hào)頻帶存在有用信號(hào)，因此前者的信號(hào)功率是后者信號(hào)功率的兩倍。對(duì)同一個(gè)頻率 來(lái)說(shuō)，前者的輸入信噪比比后者高3 d b ，因此通常來(lái)說(shuō)，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(jìn)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(zhǎng)的歷史了，隨著技術(shù)應(yīng)用改進(jìn)，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(lái)越小，特征頻 率越來(lái)越高，功耗也大大下降，成為r f i c 一個(gè)非常好的技術(shù)發(fā)展平劊4 】。對(duì)于數(shù)字電 路，主流工藝是c m o s 工藝，而對(duì)于模擬設(shè)計(jì)師來(lái)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(jìn)行折衷。 g a a sm e s f e t 和異質(zhì)結(jié)器件被認(rèn)為是低產(chǎn)品率，高功耗和高價(jià)格，但它們?nèi)栽趓 f 市場(chǎng)占有重要地位，尤其是在功放和前端開(kāi)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(jìn)入到深亞微米領(lǐng)域時(shí)代，s i 工藝的特征 頻率可以和g a a s 相比擬。不過(guò)，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(chǎng)遷移率，而這一點(diǎn)對(duì)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(shì)。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(diǎn)幾分貝的改進(jìn)對(duì)無(wú)線通信是至關(guān)重要的， 在r f 前端中，除開(kāi)關(guān)和前端功放主要i 掃g a a s 實(shí)現(xiàn)之外，其余基本上由高級(jí)b j t i 藝實(shí)現(xiàn)， 在目前，高級(jí)b j t i 藝是r f 前端的主流工藝。因?yàn)殡p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(diǎn)尤其是用在l o 電路 對(duì)噪聲要求很嚴(yán)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(shì)，展現(xiàn)了其在無(wú)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(wú)線通信等現(xiàn)代無(wú)線電通信系統(tǒng)的要求己在 現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)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(shí)，作到硅所具有的高產(chǎn)量和低成 本?？梢?jiàn)，s i g e 具有無(wú)線通信所需要的各種優(yōu)點(diǎn)：低功耗和低成本，可以傳送和接受 高頻信號(hào)，同時(shí)也延長(zhǎng)了移動(dòng)設(shè)備的電池壽命。目前，這種技術(shù)引起了越來(lái)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(jì) 3 低噪聲放大器及混頻器理論分析 3 1低噪聲放大器拓?fù)浣Y(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?cè)谠肼曄禂?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(shí)，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(huì)經(jīng)過(guò)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(jì)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(shí)現(xiàn)的，但是它的噪聲指數(shù)還不低，目前 用的較少。 ( 3 ) 并