WLAN射頻接收機集成電路設(shè)計與研究.pdf

1、無線本地局域網(wǎng)(WLAN)是計算機網(wǎng)絡(luò)與無線通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,通過利用射頻(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,而且可以使用無線信道來接入網(wǎng)絡(luò),為通信的移動化,個人化和多媒體應(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)、語音和視頻信號,使得原先的有線網(wǎng)絡(luò)所遇到的難題迎刃而解。現(xiàn)今,無線局域網(wǎng)室內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸可以達到數(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)用價值和前景來看,應(yīng)用于無線局域網(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。如何實現(xiàn)低成本、高性能的無線射頻接收機終端是一項具有挑戰(zhàn)意義的工作?，F(xiàn)今的無線通信射頻接收機系統(tǒng)要求在保證極高靈敏度的前提下,盡可能提高接收機的線性度,以使系統(tǒng)的輸出信號失真最小,誤碼率(BER)最低。另外,接收機系統(tǒng)還要求盡可能的展寬射頻輸入、輸出動態(tài)范圍,使接收機的適應(yīng)性更強,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。隨著近年來CMOS工藝的不斷進步,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。CMOS工藝制作的射頻電路易于和數(shù)字信號處理基帶電路相兼容,符合片上系統(tǒng)(SOC),的發(fā)展的趨勢。
　　 本文基于TSMC0.18μm CMOS工藝設(shè)計了符合IEEE802.11a標(biāo)準(zhǔn)的射頻前端接收機電路,并設(shè)

4、計了版圖。論文從系統(tǒng)級設(shè)計出發(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,文章都進行了系統(tǒng)地分析。同時,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、3階交調(diào)點以及輸入輸出阻抗匹配等。文章針對IEEE802.11a標(biāo)準(zhǔn),對

5、系統(tǒng)參數(shù)進行了認(rèn)真分析后,確定了射頻接收機的整體框架。隨后,論文進行了各個電路模塊的設(shè)計,包括低噪聲放大器(LNA),混頻器(Mixer),自動增益控制(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,其噪聲性能、增益和線性度是整個鏈路中影響最大的。因此,合理的設(shè)計LNA是至關(guān)重要的。文章還對LNA中的螺旋電感進行了優(yōu)化設(shè)計,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)計了適于WLAN的電感版圖結(jié)構(gòu)?；祛l器作為第二級電路,線性度、增益和噪聲對整體電路的影響也是研究的重點。采用吉爾伯特單元為核心的混頻器,前級增加輸入緩沖級對本振信號進行放大,使得工作在開關(guān)狀態(tài)的晶體管具有更好的開關(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。自動增益控制模塊AGC又稱為可變增益放大器(VGA),實現(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)字信號處理基帶反饋的

7、數(shù)字信號。VGA的主要參數(shù)是增益變化動態(tài)范圍和增益步長。本文采用級聯(lián)差分放大對的方式,根據(jù)數(shù)字基帶的反饋信號實現(xiàn)各級增益的組合,從而達到54dB的動態(tài)范圍和1.7dB的增益步長。最后一級模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用MASH21b-24b級聯(lián)結(jié)構(gòu)sigma-delta ADC。對于WLAN要求,ADC需要有10MHz的信號帶寬。對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)換器以其獨特的工作機理放松了對模擬電路設(shè)計的要求,通過過采樣,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進行了整體電路的版圖設(shè)計,并使用Diva/Dracula驗證工具完成了各單元和整體鏈路的DRC(Design Rule Check)和LVS(Layout Versus