無(wú)線局域網(wǎng)射頻接收關(guān)鍵技術(shù)研究與芯片設(shè)計(jì).pdf

1、隨著微電子技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，高集成度、低成本的CMOS無(wú)線射頻收發(fā)機(jī)芯片已經(jīng)越來(lái)越多的應(yīng)用于工業(yè)以及人們?nèi)粘Ｉ畹碾娮釉O(shè)備中，市場(chǎng)潛力巨大。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)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(guó)內(nèi)在這方面還停留在單個(gè)模塊的研究與設(shè)計(jì)階段，尤其是在幾GHz頻率研究更少。因此，本文對(duì)射頻接收中的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究與分析，基于IEEE802．11a標(biāo)準(zhǔn)，采用中芯國(guó)際集成電路制造有限公司(

2、SMIC)O．18μmRF CMOS工藝設(shè)計(jì)了應(yīng)用于5GHz無(wú)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(shè)計(jì)的整個(gè)流程，從系統(tǒng)的角度對(duì)無(wú)線局域網(wǎng)IEEE802．11a標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了分析，詳細(xì)給出了接收端鏈路指標(biāo)的預(yù)算方法和具體步驟，為模塊電路的設(shè)計(jì)做好鋪墊。
　　 本文對(duì)無(wú)線射頻接收系統(tǒng)中的關(guān)鍵模塊進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)，包括可變?cè)鲆娴驮肼暦糯笃?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?cè)鲆娴驮肼暦糯笃鞑糠?，?duì)輸入端靜電放電(ESD)保護(hù)電路寄生電容對(duì)源極電感負(fù)反饋低噪聲放大器的輸入阻抗影響進(jìn)行了詳細(xì)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(shí)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(hù)電路的情況下，可以使源

4、極電感負(fù)反饋低噪聲放大器同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸入端的功率匹配和噪聲匹配。另外，通過(guò)在低噪聲放大器的第二級(jí)增加一個(gè)簡(jiǎn)單的反饋環(huán)路，在不嚴(yán)重惡化噪聲性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了較大的增益變化范圍。測(cè)試結(jié)果表明，該低噪聲放大器在高增益時(shí)增益達(dá)21．7 dB，噪聲系數(shù)為2．8 dB，在低增益時(shí)輸入1dB壓縮點(diǎn)和輸入三階節(jié)點(diǎn)分別為-9 dBm和1 dBm，增益變化范圍達(dá)到25 dB。
　　 在射頻下變頻器部分，詳細(xì)分析了提高混頻器性能的一些技術(shù)，主要有源極負(fù)反饋

5、技術(shù)和電流源注入技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，提出了一種射頻混頻器設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法?；谠摲椒ǎ捎肧MIC0．18μmRF CMOS工藝設(shè)計(jì)了5GHz下變頻器。測(cè)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(diǎn)和輸入三階節(jié)點(diǎn)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(xì)分析了提高混頻器線性度的IM3抵消技術(shù)，給出了基于IM3抵消技術(shù)的具體設(shè)計(jì)步驟。然后詳細(xì)分析了I

6、/Q通路共用跨導(dǎo)單元對(duì)I/Q失配的影響?；贗M3抵消技術(shù)和I/Q通路共用跨導(dǎo)技術(shù)，采用SMIC0．18μm RF CMOS工藝設(shè)計(jì)了零中頻正交下變頻器，測(cè)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(diǎn)和輸入三階節(jié)點(diǎn)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(yàn)表明，采用IM3抵消技術(shù)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(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的RLC無(wú)源濾波器。為了避免工藝偏差帶來(lái)的帶寬變化，有源低通濾波器的跨導(dǎo)單元設(shè)計(jì)為可調(diào)跨導(dǎo)，通過(guò)調(diào)節(jié)控制電壓，跨導(dǎo)值可以從28 mS變化到82 mS。測(cè)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(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)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(gòu)的可變?cè)鲆娣糯笃?。通過(guò)開(kāi)關(guān)控制的電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)電路的增益可變。由于具有反饋系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，這種結(jié)構(gòu)的可編程增益放大器可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的增益值和較好的線性度。本文通過(guò)可變?cè)鲆婕?jí)和固定增益級(jí)級(jí)聯(lián)的方式來(lái)獲得較寬的可變?cè)鲆娣秶?。為了減小直流偏移造成后級(jí)電路的飽和，在各級(jí)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(fù)反饋技術(shù)來(lái)消除系統(tǒng)的直流偏移，文章詳細(xì)闡述了該直流偏移消除電路的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。測(cè)試

9、結(jié)果表明，PGA增益變化范圍為2-45 dB，增益步長(zhǎng)平均值為0．972 dB，精度小于±1．3 dB。
　　 在完成各個(gè)模塊電路的設(shè)計(jì)之后，進(jìn)行了系統(tǒng)版圖設(shè)計(jì)和流片，整個(gè)射頻接收通路芯片面積為1．8mm×2．8mm。其中，詳細(xì)地介紹了集成電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一些注意事項(xiàng)，包括靜電放電保護(hù)電路，各個(gè)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(cè)試的監(jiān)測(cè)點(diǎn)等。最后，給出了射頻接收芯片的測(cè)試方法和測(cè)試結(jié)果。特別是噪聲系數(shù)的測(cè)試方法，

10、給出了二次變頻系統(tǒng)噪聲的測(cè)試方法。測(cè)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(diǎn)和輸入三階節(jié)點(diǎn)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(wú)線局域網(wǎng)IEEE802．11a標(biāo)準(zhǔn)的要求。
　　 論文對(duì)應(yīng)用于無(wú)線局域網(wǎng)IEEE802．11a標(biāo)準(zhǔn)的射頻接收的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)指標(biāo)預(yù)算、具體電路模塊、測(cè)試和系統(tǒng)版圖集成等方面