WLAN射頻接收機(jī)集成電路設(shè)計(jì)與研究.pdf

1、無(wú)線本地局域網(wǎng)(WLAN)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,通過(guò)利用射頻(RF)技術(shù)構(gòu)成局域網(wǎng)絡(luò),不僅能夠提供傳統(tǒng)有線局域網(wǎng)的所有功能,而且可以使用無(wú)線信道來(lái)接入網(wǎng)絡(luò),為通信的移動(dòng)化,個(gè)人化和多媒體應(yīng)用提供了方便快捷的渠道,并成為寬帶接入的有效手段之一。WLAN技術(shù)可以在空中傳輸數(shù)據(jù)、語(yǔ)音和視頻信號(hào),使得原先的有線網(wǎng)絡(luò)所遇到的難題迎刃而解。現(xiàn)今,無(wú)線局域網(wǎng)室內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸可以達(dá)到數(shù)十米到幾百米范圍,而在室外也可以傳輸幾十公里的距離。從

2、WLAN的應(yīng)用價(jià)值和前景來(lái)看,應(yīng)用于無(wú)線局域網(wǎng)物理層中的射頻接收集成電路也具有巨大的應(yīng)用前景。如何實(shí)現(xiàn)低成本、高性能的無(wú)線射頻接收機(jī)終端是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)意義的工作。現(xiàn)今的無(wú)線通信射頻接收機(jī)系統(tǒng)要求在保證極高靈敏度的前提下,盡可能提高接收機(jī)的線性度,以使系統(tǒng)的輸出信號(hào)失真最小,誤碼率(BER)最低。另外,接收機(jī)系統(tǒng)還要求盡可能的展寬射頻輸入、輸出動(dòng)態(tài)范圍,使接收機(jī)的適應(yīng)性更強(qiáng),抗干擾能力更出色。以往,通常使用GaAs工藝制作射頻接收集成電路

3、,主要原因是這種工藝具有工作頻率高、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。隨著近年來(lái)CMOS工藝的不斷進(jìn)步,CMOS的頻率特性和噪聲特性逐步得到改善,采用CMOS工藝設(shè)計(jì)射頻前端接收電路已成為可能。CMOS工藝還具有成本低、面積小、性能高等優(yōu)勢(shì)。CMOS工藝制作的射頻電路易于和數(shù)字信號(hào)處理基帶電路相兼容,符合片上系統(tǒng)(SOC),的發(fā)展的趨勢(shì)。
　　 本文基于TSMC0.18μm CMOS工藝設(shè)計(jì)了符合IEEE802.11a標(biāo)準(zhǔn)的射頻前端接收機(jī)電路,并設(shè)

4、計(jì)了版圖。論文從系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)出發(fā),首先討論了零中頻(直接變頻)結(jié)構(gòu)、超外差式結(jié)構(gòu)和兩次變頻結(jié)構(gòu)的工作原理以及各種結(jié)構(gòu)對(duì)于結(jié)構(gòu)中各電路模塊性能要求的高低。在以上結(jié)構(gòu)中,存在著各種各樣的非理想特性,例如噪聲,鏡像頻率(直接變頻不存在鏡像頻率),非線性,失真,阻抗失配等,文章都進(jìn)行了系統(tǒng)地分析。同時(shí),列出了系統(tǒng)架構(gòu)的重要參數(shù)指標(biāo),諸如噪聲系數(shù)、鏡頻抑制比、增益、增益壓縮點(diǎn)、3階交調(diào)點(diǎn)以及輸入輸出阻抗匹配等。文章針對(duì)IEEE802.11a標(biāo)準(zhǔn),對(duì)

5、系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了認(rèn)真分析后,確定了射頻接收機(jī)的整體框架。隨后,論文進(jìn)行了各個(gè)電路模塊的設(shè)計(jì),包括低噪聲放大器(LNA),混頻器(Mixer),自動(dòng)增益控制(AGC),跨導(dǎo)-電容中頻濾波器(Gm-C filter)和sigma-delta ADC。有源CMOS LNA作為第一級(jí),其噪聲性能、增益和線性度是整個(gè)鏈路中影響最大的。因此,合理的設(shè)計(jì)LNA是至關(guān)重要的。文章還對(duì)LNA中的螺旋電感進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),采用低電阻系數(shù)的Si襯底、Cu/SiO

6、2互連工藝技術(shù),并設(shè)計(jì)了適于WLAN的電感版圖結(jié)構(gòu)?；祛l器作為第二級(jí)電路,線性度、增益和噪聲對(duì)整體電路的影響也是研究的重點(diǎn)。采用吉爾伯特單元為核心的混頻器,前級(jí)增加輸入緩沖級(jí)對(duì)本振信號(hào)進(jìn)行放大,使得工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)的晶體管具有更好的開(kāi)關(guān)特性,優(yōu)化了混頻器的線性度。中頻濾波器采用跨導(dǎo)一電容濾波器,以滿足系統(tǒng)大帶寬的需求。自動(dòng)增益控制模塊AGC又稱為可變?cè)鲆娣糯笃?VGA),實(shí)現(xiàn)整體鏈路總增益的調(diào)節(jié)功能,調(diào)節(jié)的主要依據(jù)是數(shù)字信號(hào)處理基帶反饋的

7、數(shù)字信號(hào)。VGA的主要參數(shù)是增益變化動(dòng)態(tài)范圍和增益步長(zhǎng)。本文采用級(jí)聯(lián)差分放大對(duì)的方式,根據(jù)數(shù)字基帶的反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)各級(jí)增益的組合,從而達(dá)到54dB的動(dòng)態(tài)范圍和1.7dB的增益步長(zhǎng)。最后一級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用MASH21b-24b級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)sigma-delta ADC。對(duì)于WLAN要求,ADC需要有10MHz的信號(hào)帶寬。對(duì)于如此大的帶寬要求,如果采用傳統(tǒng)ADC,如流水線ADC,也可以實(shí)現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換,但是功耗、面積都非常大。Sigma-delta

8、模數(shù)轉(zhuǎn)換器以其獨(dú)特的工作機(jī)理放松了對(duì)模擬電路設(shè)計(jì)的要求,通過(guò)過(guò)采樣,噪聲整型及多位量化器技術(shù)降低帶寬內(nèi)的噪聲,提高信噪比,從而提高ADC的精度。對(duì)多位DAC引入的非線性采用DWA數(shù)字校正方法。
　　 采用Cadence Virtuoso layout Editor進(jìn)行了整體電路的版圖設(shè)計(jì),并使用Diva/Dracula驗(yàn)證工具完成了各單元和整體鏈路的DRC(Design Rule Check)和LVS(Layout Versus