（电路与系统专业论文）基于cmos工艺的低噪声放大器与混频器设计.pdf

硕上论文 基于c m o s 工艺的低噪声放大器与混频器设计 摘要 这篇论文以射频接收机前端关键器件中的低噪声放大器与混频器为研究对象，在系 统分析无线局域网中射频接收机几种典型结构及其性能指标的基础上，根据 i e e e 8 0 2 1 1 a 标准，应用a g i l e n t 公司的a d s 2 0 0 3 c 电路仿真软件进行电路设计。 首先，在分析、比较低噪声放大器的结构、工作原理与性能指标的基础上，综合多 种因素，选用电感源极负反馈以及共源共栅低噪声放大器的电路结构。应用m a t l a b 编 程计算出栅宽与噪声系数的关系曲线，供电路设计时参考。应用a d s 软件对此电路进 行设计、优化与仿真，仿真结果：输入回波反射系数s l l 和输出回波反射系数s 2 2 均小于 3 0 d b ；增益s 2 l 为1 3 9 d b ；反向增益s 1 2 为- 2 9 d b ；在5 2 g h z 处，噪声系数为1 3 d b ； l d b 压缩点为一1 l d b m ，输入三阶互调点大约为一2 d b m 。上述结果表明设计的低噪声放大 器能够实现很好的输入输出匹配，较高的f 向传输增益，反向隔离和线性度均满足设计 要求。 。 其次，在分析、比较几种典型混频器的基本原理和性能指标的基础上，选择g i l b e r t 单元结构混频器设计电路，并进行噪声分析，引入改进的电流注入结构。应用a d s 软 件对此电路进行设计、优化与仿真，仿真结果：变频增益为1 6 5 d b ；噪声系数为1 5 2 d b ； l d b 压缩点为1 5 d b m ；三阶交调截点为5 d b m ；静态工作电流为4 0 m a ，功耗为7 2 m w 。 上述结果表明：设计的混频器各项性能指标均达到设计要求。 最后，将设计仿真完毕的带电感源极负反馈的共源共栅低噪声放大器和g i l b e r t 单 元结构混频器电路，采用t s m c0 1 8l amc m o s 工艺元件库，应用c a d e n c e 软件画出 这两种电路的版图。上述工作对射频集成电路设计有一定的参考价值。 关键词：低噪声放大器，混频器，c m o s 工艺，版图设计，a d s 仿真 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ek e yd e v i c e s - - l o wn o i s ea m p l i f i e ra n dm i x e ri nt h ef r o n t - e n do fr f r e c e i v e rh a v eb e e ns t u d i e d ，o nt h eb a s i so ft h es y s t e m a t i ca n a l y s i ss e v e r a lt y p i c a ls t r u c t u r e so f w l a nr fr e c e i v e ra n dp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r s a c c o r d i n gt oi e e e 8 0 2 1las t a n d a r d s ， a d s 2 0 0 3 co f a g i l e n t sc i r c u i ts i m u l a t i o ns o f t w a r ei su s e df o rt h ec i r c u i td e s i g n f i r s t l y , o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no fl o wn o i s ea m p l i f i e r ss t r u c t u r e ， w o r kp r i n c i p l ea n dp e r f o r m a n c et a r g e t s ，i n t e g r a t i n gan u m b e ro ff a c t o r st h es t r u c t u r eo f i n d u c t o rs o u r c en e g a t i v ef e e d b a c ka n dc a s c a d eh a sb e e nc h o s e n t h ec u r v e so f g a t ew i d t ha n d n o i s ef a c t o ra r eo b t a i n e db yu s i n gt h em a t l a b ，w h i c ha r er e f e r e n c e sf o rt h ed e s i g n b yu s i n g t h es i m u l a t i o nt o o la d s ，t h el o wn o i s ea m p l i f i e rh a sb e e nd e s i g n e d ，o p t i m i z e da n ds i m u l a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r e t h ee n t e re c h or e f l e c t i o nc o e f f i c i e n ts lla n do u t p u te c h or e f l e c t i o n c o e f f i c i e n ts 2 2a r el e s st h a n - 3 0 d b ；t h eg a i ns 2 1i s1 3 9 d b ；t h er e v e r s eg a i ns 1 2i s - 2 9 d b ；a t 5 2 g h z ，t h en o i s ef a c t o ri s1 3 d b ；p i d bi s i l d b m , l i p 3i sa b o u t 2 d b m t h e s er e s u l t ss h o w t h a tt h ed e s i g n e dl o wn o i s ea m p l i f i e rh a sa c h i e v e dg o o di n p u ta n do u t p u tm a t c ha n dt h e h i g h e rp o s i t i v et r a n s m i s s i o ng a i n ，t h er e v e r s ei s o l a t i o na n dl i n e a r i t ya l lh a v em e tt h ed e s i g n r e q u i r e m e n t s 、 s e c o n d l y , o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no fs e v e r a lt y p i c a lm i x e rs t r u c t u r e s , f u n d a m e n t a la n dp e r f o r m a n c et a r g e t s ，t h eg i l b e r tu n i tm i x e rh a sb e e ns e l e c t e df o rt h ec i r c u i t d e s i g n ，t h e nt h en o i s ea n a l y s i sa n dt h ei m p r o v e dc u r r e n ti n j e c t i o ns t r u c t u r eh a sb e e ng i v e n b yu s i n gt h es i m u l a t i o nt o o la d s ，t h ec i r c u i th a sb e e nd e s i g n e d ，o p t i m i z e da n ds i m u l a t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r e f r e q u e n c yg a i ni s l6 5 d b ；n o i s ef a c t o ri s15 2 d b ；p i e si sa b o u t 15 d b m ；i i p 3i sa b o u t - 5 d b m ；q u i e s c e n to p e r a t i n gc u r r e n ti s4 0 m a ，t h ep o w e r c o n s u m p t i o ni s 7 2 m w t h e s er e s u l t ss h o wt h a t ：t h ep e r f o r m a n c ei n d i c a t o r so ft h ed e s i g no fm i x e rh a v em e t t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s f i n a l l y , a f t e rt h es i m u l a t i o n ，t h el a y o u t so ft h ei n d u c t o r ss o u r c en e g a t i v ef e e d b a c ka n d c a s c a d el o wn o i s ea m p l i f i e ra n dt h eg i l b e r tu n i tm i x e rh a v eb e e nd e s i g n e d ，u s i n gt s m c 0 18 1 m ac m o s t e c h n o l o g yl i b r a r ya n dt h ec a d e n c es o f t w a r e t h i sp a p e rh a sc e r t a i nv a l u ef o r t h er f i cd e s i g n k e yw o r d ：l o wn o i s ea m p l i f i e r , m i x e r , c m o st e c h n o l o g y , l a y o u td e s i g n , a d s s i m u l a t i o n i l 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：粒芝奎薹! 砌g 年月如日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：2 - o 譬年；r 知e t 硕 ：论文基于c m o s 工艺的低噪声放大器与混频器设计 1 概述 1 1 论文背景及其意义 近十年来，高速发展的射频无线通信技术被广泛地应用于社会的各个领域，如：移 动通信、无线局域网( w l a n ) 、全球卫星定位系统( g p s ) 和卫星直播电视等。无线通信所 具有的高度机动性、灵活性使它的应用日益广泛。作为无线通信的关键部件之一，射频 收发设备除功耗、速度、成品率等性能要求外，还要满足噪声、线性范围、增益等指标 要求。随着社会需求的发展和技术创新提高，片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 成为发展 趋势。片上系统的目标是要把接收或发射系统集成在一块芯片中，以提高可靠性、减小 体积、降低功耗和成本。 在众多的集成制造工艺中，c m o s 由于工艺成熟、成本最低、功耗最小等特点，应 用最为广泛，且随着技术水平的提高，c m o s 的频率特性和噪声特性也逐渐得到改善。 近年来，随着特征尺寸的不断缩小，深亚微米c m o s i 艺其m o s f e t 的特征频率已经达 到5 0 g h z 以上【lj ，使得利用c m o s 工艺实现g h z 频段的高频模拟电路成为可能，甚至是 整个片上系统。c m o s t 艺实现片上系统可分为两步：首先，把射频部分用c m o s 工艺 实现，即射频集成电路( r f i c ) 设计；其次，集成射频部分和数字部分于同一芯片，成为 片上系统。 低噪声放大器( l n a ) 和混频器( m i x e r ) 作为射频接收机的两个关键模块，它们c m o s 设计技术的研究是非常重要的课题。低噪声放大器的主要功能是将天线接收到的微弱信 号在引入较低噪声的情况下进行放大，并要求阻抗匹配和良好的线性度。作为接收通道 的射频前端电路，低噪声放大器的噪声性能决定着整个通路的噪声特性，进而决定接收 机的灵敏度和动态工作范围。混频器将低噪声放大器输出的射频信号与本振信号混频产 生需要的中频信号，要求噪声低、线性度高并能够提供合适的变换增益。 1 2 国内外研究现状 蓬勃发展的无线多媒体移动通信推动着无线射频设计的发展，也提出新的挑战。国 外在射频集成电路方面已经取得很大的突破，很多知名的公司、大学和研究所已经用 c m o s 工艺实现低噪声放大器、压控振荡器和混频器甚至是整个收发器【l3 1 。国内在这方 面起步晚，但也得到足够的重视，目前射频集成电路设计正成为一个技术研究热点。 无线射频应用的高速发展，使得射频前端的带宽越来越宽，工作频率越来越高，出 现多级【l 州和分布式【l6 】低噪声放大器。为适应无线通信宽带化、多标准融合趋势，在一些 特定应用场合，对低噪声放大器还有一些特殊的要求，如宽带放大【3 】【1 4 】【1 6 1 、镜频抑制18 1 、 多频带和多模式工作 1 。7 1 ，为使低噪声放大器能稳定可靠地工作，某些应用要求增益是可 l 1 概述硕小论文 控制的或可程控的 。5 1 1 2 ，有些要求低噪声放大器有自检功能 1 7 1 。 混频器是射频前端的另一个重要的器件，混频器的设计通常需要考虑转换增益、线 性度、噪声系数、端口间隔离度以及功耗等性能指标。提高混频器增益的方法有：提高 互导管的跨导【姗，采用有源负载技术提高负载 3 9 】，电流注入技术【3 8 】改善本振信号的幅 度；混频器噪声分析大多是关于g i l b e r t 单元混频电路，如衬底噪声分析，开关对噪声 分析，f l i c k e r 噪声分析模型，低压工作下混频器f l i c k e r 噪声分析【3 6 】；提高混频器隔离 度的方法有：共源共栅输入技术切断端口之问的寄生通路【帅】，传输门开关技术降低电路 不匹配对隔离度的影响【4 1 】；改进线性度可以采用欠采样混频器 4 2 】、电位混频器【4 3 等结 构。混频器可分为有源和无源混频器，但因为增益和噪声等原因无源混频器很少应用于 集成电路中，有源混频器多数是在g i l b e r t 结构的基础上对源反馈或负载端进行改进， 如面向低压应用的折叠级联电流复用方式等。另外，如何提高混频器的线性度和降低混 频器的噪声也是研究的热点口】。 1 3 论文结构 这篇论文的主要任务是基于8 0 2 1 1 a 标准研究设计用于无线局域网射频接收机中的 低噪声放大器( l n a ，l o w n o i s ea m p l i f i o r ) 和混频器( m i x e r ) 。 论文的组织结构如下： 第二章将介绍无线局域网以及相关标准，重点介绍i e e e8 0 2 “a 标准；还将介绍射 频接收机几种主要结构、工作原理和主要性能指标，并提出低噪声放大器和混频器的设 计指标。 第三章主要是低噪声放大器的噪声优化和电路设计及模拟。先介绍低噪声放大器的 性能指标及结构选择，通过噪声优化确定m o s 管的栅宽，对设计的电路进行优化，得出 电路的仿真结果并对结果分析。 第四章在介绍混频器基本原理的基础上，分析几种不同的电路结构，重点研究以 g i l b e r t 单元为基础的混频器结构，并进行噪声分析和结构改进。对设计的电路进行优化 仿真并对仿真结果进行分析。 第五章是电路的芯片版图设计，首先介绍深亚微米c m o s 工艺特点，并指出版图 设计需要考虑的几个因素，最终分别画出低噪声放大器和混频器的电路版图。 第六章是对整个论文工作的总结和对后续工作的展望。 2 硕士论文 基于c m o s t 艺的低噪声放大器1 j 混频器设计 2 无线局域网及射频接收机 2 1 无线局域网 有线网络的迅猛发展使个人计算机得到普及。各种信息，包括文字、图片、声音和 视频，广泛地通过网络传输到作为信息终端的个人电脑。目前网络的各种业务，如电子 邮件、远程数据交换以及网页浏览等已渗透到社会的各个方面，这些都极大地改变着人 类的生产和生活方式。 有线网络迅速发展的同时，人们一直也没放弃实现随时随地通信的梦想，这就导致 各种无线通信技术的出现，如无线传呼、移动通信蜂窝技术等。这些技术使人们摆脱通 信场所的限制。另外，各种智能终端，如个人数字助理( p d a ) 、笔记本电脑( l a p t o p ) 和手 机( m o b i l ep h o n e ) ，体积越来越小，功能越来越全面，正逐渐成为人们生活、工作和学 习不可缺少的工具，这些智能终端的应用也进一步地促进无线通信技术的发展。 有线网络的巨大成功，无线通信技术的迅猛发展，以及智能终端的日益微型化为无 线局域v 习( w l a n ，w i r e l e s sl a n ) 的发展提供必备的技术条件。所谓无线局域网，是一种 利用无线方式，提供无线对等和点到点连接的数据通信系统。无线局域网是利用全球通 用且无须申请许可的i s m 频段( 2 4g h z 频段、5 0g h z 频段) ，在无线通信环境中实现便携 式移动通信。无线局域网既可以作为有线网络的延伸和补充，又适合某些难以布线的场 合。它综合有线网络和无线网络的优点，与传统的有线网络相比，它可以在保存原有的 有线网络的情况下实现信息的共享和传播，与无线广域网相比，它可以根据需要实时地 建立或撤销一个临时网络。由于满足大容量、高速率的多媒体数据业务的传播要求，无 线局域网已迅速成为通讯领域的热点应用之一。 无线局域网是实现移动网络的关键技术之一。它在以下几个方面有非常实际的意 义： 1 在不能使用传统布线或者是使用传统布线困难很大的地方。 2 租用专线耗资高的地方。 3 需要重复建立临时的网络环境，使用有线网络不方便、成本高、耗时长的地方。 4 局域网用户需要在一定范围内进行移动通信的环境。 2 2i e e e8 0 2 1 l a 标准 、 任何一项技术的发展和普及都需要相关标准的制定，无线局域网也不例外。随着 i e e e 等国际机构对无线局域网标准进行制定，市场上无线局域网相关产品的兼容性大 大提高，这极大促进无线局域网产品和市场的发展。众多相关产品的出现，使得更多的 用户可以使用无线局域网产品柬满足应用上的需求。 。 3 2 无线局域网及射频接收机 硕士论文 从无线局域网标准的支持者及被采用的地域范围来看，无线局域网可以说有三个阵 营：i e e e8 0 2 1 1 系列标准、欧洲的h i p e r l a n i h i p e r l a n 2 和日本的m m a c 系列标准。 其中影响最大、应用最为广泛的是8 0 2 1 1 系列标准。 2 2 1i e e e8 0 2 。l l a 标准介绍1 驯 本次设计的低噪声放大器和混频器符合i e e e 8 0 2 1 l a 标准。该标准对无线局域网的 物理层、工作频段、调制方式和数据速率等作了详细规定，具体如下： 物理层：物理层定义了数据传输的信号特征和调制。i e e e 8 0 2 1la 物理层规定采用 正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 系统： 工作频段：5 1 5 g h z 一5 2 5 g h z ；5 2 5 g h z - - 5 3 5 g h z 和5 7 2 5 g h z 一5 8 2 5 g h z ； 信道间隔：2 0 m h z 。 调制方式：b p s k ( b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g ，二进制相移键控) ，q p s k ( q u a d r a t u r e p h a s es h i f tk e y i n g ，正交相移键控) ，16 一q a m ( q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ，正交幅 度调制1 ，6 4 - q a m ； 数据编码率：1 2 ，2 3 和3 4 ； 数据速率：采用不同的调制方式和数据编码率，实现不同的数据速率，如袭2 1 所 不： 表2 1调制方式和数据编码率决定麴据速率 一 潞菡 m o d u l a t i o n c 嘴曲 6b p s k 1 2 9b p s k3 4 1 2 q p s k t 2 1 8 q p s k 3 4 2 4 1 6 - o a m 1 2 3 6 1 6 - q a m 3 4 4 8 6 4 - q a m 2 3 5 4 6 4 - q a m 3 4 8 0 2 1 l a 是应用于无线局域网的8 0 2 i i 规范族中的一个规范。这个规范使用正交频 分复用技术，这种技术尤其适合应用于办公室局域网。在8 0 2 1 1 a 规范中，数据速率可 以达到5 4 m b s ，在干扰方面，它要优于8 0 2 + 1 1 b 规范，这是因为8 0 2 1l a 可提供更多的 可用信道并且8 0 2 n b 的使用频率和各种各样的家用器具及医疗设备的使用频率是共 享的。8 0 2 1 l a 标准具有数据传输速率高、信号质量好、干扰小、安全性更高等优点， 但也存在设备成本高、功耗大等缺点。尽管目前8 0 2 1 l a 的设备的市场占有率还不是很 高，但研究和发展该技术是有很大意义的，毕竟在5 g h z 的频段内，干扰较少，有利于 更高质量的传输数据。 2 2 28 0 2 1 l a 射频接收机性能指标i 加t 。 工作频率：8 0 2 1 1a 工作在5 15 g h z - - 5 8 2 5 g h z ； 4 硕上论文基于c m o st 艺的低噪声放大 ； 与混频器设计 信道干扰：信道干扰包括邻近信道干扰和非邻近信道干扰，对不同传输速率它们值 也不相同，具体见表2 _ 2 。 灵敏度：最低灵敏度详见表2 2 。 表2 28 0 2 1 l a 射频性能指标 2 3 射频接收机的结构和原理 射频收发机由发射机和接收机组成。发射机的任务是完成基带信号对载波的调制， 将其变为通带信号并搬移到所需的频带上且有足够的功率发射，其结构如图2 1 所示。 基带倍号本振信号 图2 1 发射机的组成框幽 接收机的射频部分和发射机相反，如图2 - 2 所示，它要从众多的电波中选出有用信 号，并放大到解调器所要求的电平值后再由解调器解调，将频带信号变为基带信号。 基带信号 图2 2 接收机的组成框幽 这一节主要介绍射频接收机的几种主要结构方案。实际中究竟采用哪种方案取决于 系统的性能指标、复杂程度、功耗和成本。 2 3 1 超外差式接收机 1 基本结构 早期的射频接收机都采用超外差结构。天线接收到的射频信号首先通过带通滤波器 ( b a n d p a s sf i l t e r ，b p f ) 将频段以外的信号滤除。低噪声放大器( l o wn o i s ea m p l i f i e r ，l n a ) 将接收到的微弱信号在引入较少噪声的条件下进行放大。混频器通过本振信号l o ( l o c a l o s c i l l a t o r ) 将射频信号变换到中频信号i f ( i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y ) ，输出经中频滤波器、 2 无线局域嗍及射频接收机硕1 ：论文 中频放大器进入解调器( d e m o d u l a t o r ) ，变换到基带( b a s e - b a n d ) 信号。如图2 3 所示。 2 3 超外差式接收机射频部分的结构框图 采用此方案主要基于以下三个方面的考虑【3 】：首先，中频比射频低很多，在中频段 实现对有用信道的选择要比在射频段实现选择对滤波器的q 值要求低很多。第二，接收 机从天线上接收到的信号电平一般为1 2 0 - - 一1 0 0 d b m ，如此微弱的信号要放大到解调器 可以解调或a d 变换器可以工作的电平，一般要放大1 0 0 d b 以上，但考虑到放大器的 稳定性和避免振荡，一个频带内的放大器增益一般不超过5 0 - 6 0 d b 。超外差式接收方 案后将总增益分散到高频、中频和基带三个频段上，而且，载频降为中频后，在较低的 固定中频上做高增益放大器要比在载波频段做高增益的放大器容易和稳定得多。第三， 在较低的固定中频上解调或a d 变换也相对容易。 超外差式接收机的最大缺点是组合干扰频率点多，这是因为混频器往往不是一个理 想乘法器，而是一个能完成相乘功能的非线性器件，它将进入的有用信号彩足p 和本振信 号m ，以及混入的干扰信号( 如频率为劬和缈：的干扰信号) 通过变频器的非线性特性中 的某高次项组合产生组合频率，如i p c o o - i - q c o 灯l 或l p o j d + ( m c o , ，z 国2 ) l ，若它们落在中 频频带内，就会形成对有用信号的干扰。这种干扰通常称为寄生通道干扰。 超外差式接收机的另一个问题是存在镜像频率干扰j 即在变频过程中，与有用信号 关于本振信号国，o 对称的镜像频率信号国钿将被变换到相同的频带内，形成干扰，即 f l ，, n 麓国工d + 珊，消除镜频干扰的办法是不让它进入变频器，这需要变频器的前置滤波 器来消除。 2 二次变频结构 在超外差式接收方案中，为减小寄生通道干扰和镜像频率干扰，可以采用二次混频 方案，如图2 4 所示。 - r 7 低噪放 i 混频 i i 混频 中频放大 月 bc 覃d e事f(7h l o l l 0 2 图2 4 二次变频方案 i 中频采用高中频值，可以提高接收机抑制镜像频率干扰的能力。1 i 中频采用低中 频值或直接变为基带信号，它完成提取有用信道和抑制邻道干扰的任务。图2 4 中的放 大器，第一个是高频前端低噪声放大器，后面是相应的中频放大器，采用二次变频方案， 6 硕j = 论文 基于c m o s - 1 2 艺的低噪声放大器j 混频器设计 将接收机的总增益分配在三个频段中，比较稳定，一般i i 中频放大器的增益最高。放大 器、变频器和滤波器之间应有很好的阻抗匹配，才能保证发挥滤波器的滤波性能。 2 3 2 直接变频方案 直接变频结构中，低噪声放大器输出的射频信号直接进入混频器被变换到基带，经 自动增益控制放大器后再通过低通滤波器将干扰信号滤除。 图2 5 为直接下变频方案的结构图，由于零中频信号就是基带信号，而在数字通信 里基带信号往往都是分成同相和正交两路，所以图中通过两个正交的本振信号，射频信 号直接下变频为i q 两路正交基带信号。 i 号 q 图2 5 直接f 变频方案结构图 与超外差结构相比，直接变频结构有许多优点：由于射频信号直接变频为基带信号， 就不存在镜像干扰，中频电路被省去，无须片外镜频抑制滤波器，系统具有较高的集成 度。此外，低噪声放大器不需要驱动5 0q 负载，无需输出匹配，而且电路功耗降低。 直接变频结构也存在以下的一些问题： 直流偏移：由于模块之间的隔离度降低，信号泄漏使混频器的射频端出现射频信号、 本振信号和强干扰信号，它们相混频会产生直流分量，直接干扰基带信号，如图2 6 所 示。 图2 6 本振信号和强干扰信号的自混频 本振泄漏：由于本振信号和射频信号同频段，本振信号泄漏到天线端会千扰其它使 用同一频段的接收机。但如果本振信号是差分的，则泄漏到天线端时会相互抵消。 正交失配：混频器端的正交本振信号，其相位和幅度的失配会严重影响基带信号的 数据判决，从而提高系统误码率，高频时影响更为严重。 7 2 无线扁域网发射频接收机硕= 】：论文 另外低频闪烁噪声也会破坏有用的基带信号。 2 3 3 镜频抑制接收方案 前面介绍的外差式接收机是外接镜频抑制滤波器来滤除镜像频率的干扰，而镜像抑 制接收方案是采用改变电路结构来抑制镜像频率干扰。考虑到镜像频率，和信号频率 国斤p 分别位于本振信号国，疗的两边，采用某些处理会对它们产生不同的影响。基本方案 如图2 7 所示，这种结构也被称为h a r t l e y 结构。方案中，用相互正交的两个本振信号去 与来自低噪声放大器的射频信号混频，再将其中一路相移9 0 0 ，然后叠加，就可以得到 抑制镜像频率的中频信号。 射频输入中频输出 圈2 7h a r t l e y 镜频抑制接收机结构图 首先考虑相移9 0 0 的作用。从时域上看，对于周期为t 的正弦信号，相移9 0 0 就是 延时t 4 ，对于正频率信号s i n c o t 延时t 4 后变成一c o $ o ) t ，c o s o ) t 延时t 4 变成s i n r a t 。 相移9 0 0 的过程可以理解为相移后信号的频谱是相移前的信号频谱乘以函数的结 果。对于实数信号，相移的过程对正频率和负频率产生不同的相位变化。 在图2 7 所示的镜频抑制接收机中，假设射频输入信号为( f ) 拳c o s f o g r f ，镜 像干扰信号为v f m ( t ) = v , mc o s e g t u t ，这些输入信号与两个正交的本振信号c o s ( o t o t 和 s i n c a w t 相乘( 即混频) 并通过低通滤波器后t 滤除高频分璧，则图2 7 中( f ) 和1 ，矗( r ) 分别为 t ， t ， 心( f ) ； s i n ( a 加一舻v + 半s i n ( c a 阳一埘删) t ( r ) # 年c o s ( o ) z o - - a 肚) h 华盎s ( 一弦 二 其中( a ) l o 一) 0 ，因此h ( f ) * i i u , 9 0 0 后变为 v f ( ，) = 半c o s ( c o 工口一) f _ 半e o s ( a ) d 一) r 将v c ( f ) 和v 声( f ) 相加后的输出为 o ) = v c ( t ) + 0 ) = e o s ( 国w 一国肚v 可以看出，镜像抑制混频的原理在于有用射频信号和镜像干扰信号位于本振信号的 两边，它们和本振信号混频后取出的差拍信号频率，一个为正，一个为负。而9 0 0 相移 频率为( o j 工d - - o ) e a , ) 0 的信号有不同的作用结果，叠加后即可抑制镜 r 硕士论文基于c m o s 工艺的低噪声放大器与混频器设计 像干扰。 要做到抑制镜像干扰，关键有两点：一是两条支路必须完全一致，其中包括本振信 号的幅度、混频器的增益、低通滤波器的特性都必须一致。二是正交要精确，即两路的 本振信号要精确地相位差为9 0 0 ，否则镜像频率不可能完全抑制。 2 3 4 数字中频接收机 在二次混频方案中，可以将第二次混频和滤波数字化。如图2 8 所示，第一次混频 后的信号经放大器放大直接进行a d 变换，然后采用两个正交的数字正弦信号做本振， 采用数字相乘和滤波后得到的基带信号。 图2 8 数字中频接收机结构图 采用数字混频的优点是，数字处理方法可以避免i q 两路的不一致。数字中频方案 的难点在于对a d 变换器的要求较高，主要体现在以下几个方面： 1 由于i 中频相对比较高，因此要求a d 变换器的速率也很高。 2 i 中频的信号虽然经过放大，但幅度仍较小，这就要求a d 变换器有较高的分 辨率和较小的噪声。 3 如果i 中频的滤波器不厶匕e , 徊1 1 父好的滤除镜像干扰和其他频率的干扰信号，为防止 由互调失真等原因引起的对有用信号的影响，要求a d 变换器的线性度很高。 4 要求a d 变换器有较大的动态范围，这是因为接收到的有用信号电平可能因为 传输路径的衰弱和多径效应而变化。 5 a d 变换器的带宽应和i 中频信号一样。 2 4 接收机的性能指标 组成接收机的电路模块的功能与指标是由接收机的性能指标决定。除必须考虑功耗 要求以外，灵敏度( s e n s i t i v i t y ) 和动态范 习( d y n a m i cr a n g e ) 是衡量接收机性能的主要指 标。 2 4 1 灵敏度 射频接收机的灵敏度定义为解调输出达到最低信噪l l ( s i g n a l n o i s er a t i o ，s n r ) 时接 收机可检测的功率。为推导接收端灵敏度和解调输出端最小信噪比的关系，可从接收机 9 2 无线局域网及射频接收机 硕上论文 的噪声系数( n o i s ef i g u r e ，n f ) 公式入手。 接收机噪声系数定义为输入信噪比和输出信噪比的比值 胛：s n r i ：鱼盟 ( 2 1 ) s n r o w 田哝州 、7 其中b 为接收机的输入功率，只，为信号源的噪声功率，因此输入功率可以表示为 b = 章n f 章s n r o , 。 ( 2 ，2 ) 由灵敏度的定义，可以计算接收机所能检测的最低信号功率，用d b m 表示为 只晌= 岛+ n f + s n r 。, 。r n l n ( 2 3 ) 常温下信号源噪声功率又可表示为式( 2 4 ) ，将它代入式( 2 3 ) g 得灵敏度的通用表达 式( 2 5 ) ，其中b 代表接收机的带宽 。 只j = - 1 7 4 d b m t h z + 1 0 1 0 9 b( 2 4 ) s e n s i t i v i t y = 一1 7 4 d b m h z + 1 0 1 0 9 b + f + s n r 。廊 ( 2 5 ) 式( 2 5 ) 中的前三项又称为系统的基底噪声( n o i s ef l o o r ) 。从这个式子可以看出，要 获得较高的灵敏度，就要降低接收机的噪声系数。 2 4 2 动态范围 动态范围定义为接收机正常工作时所能承受的最大信号强度和所能检测的最小信 号强度之比。 在射频接收机中，最低信号强度表现为灵敏度，最大信号强度则表现为线性度 ( l i n e a r i t y ) 通常有两种性能指标衡量线性度：+ 1 1d b 增益压缩点( p l 棚) 接收机的输入信号在某一范围变化时，输出信号的幅度与输入信号的幅度呈线性关 系，即增益保持恒定，但这种线性关系会随着输入信号的不断增加而恶化，l d b 增益压 缩点( 卫，地) 是指实际输出与理想的线性输出相比衰减1d b 时的输入功率，如图2 9 所示。 i n p u tp o w e r 图2 9i d b 增益压缩 2 三阶互调0 p 3 ) 三阶互调是衡量线性度的另一个重要指标。输入端的信号和干扰在非线性的作用下 出现谐波分量，在差分电路中主要是奇次谐波。这种奇次谐波会使输入的两个邻道干扰 ( 国。、吨) 产生三阶互调分量( 2 脚。一魄、2 饥一曲。) ，当干扰和有用信号处在同一频段， 】0 硕士论立： 基于c m o s 工岂的低噪声放人器与混频器设计 将会严重破环有用信号，如图2 1 0 。 干扰信号 图2 1 0 三阶互调对有用信号的影响 在输入信号比较微弱时，三阶互调干扰主要由三次次谐波产生，随着输入信号的不 断提高，高次谐波的影响也会越来越严重。通常三阶截止点( r e 3 ) 仅指三次谐波所产生的 三阶互调。图2 1 1 为有用信号与三阶互调干扰的幅度响应曲线示意图。 o u t p u t 圈2 1l 三阶交调幅度响应币惹圈 实线为信号的实际| 日| 匈应。在小信号输入条件下，有用信号与三阶交调功率都随输入 信号的功率线性增长。随着输入信号不断增大，有用信号出现增益压缩，而高次失真也 会产生增益压缩。三阶交调截点实际上是小信号输入条件下的有用信号与三阶互调沿固 定斜率延伸的交点，所以三阶交调截点在物理上是不存在的，但它可以很好地衡量电路 的线性度。通常接收机的线性度用输入三阶截点( i i p 3 ) 衡量，而发射机的线性度用输出 三阶截点( o i p 3 ) 衡量。 线性度的两种衡量指标决定动态范围的两种衡量方式，如图2 1 2 所示。 2 无线局域阿及射频接收机 酾上论文 d i s e i n p u tp o w e r 图2 1 2 接收机动态范围 1 ) b d r ( b l o c k i n gd y n a m i cr a n g e ) 指接收机i d b 增益压缩输入功率与接收机灵敏度 的比值，用d b m 表示为 b d r ；只1 胡一名岫( 2 6 ) 2 ) s f d r ( s p u r i o u sf r e ed y n a m i cr a n g e ) 指接收机三阶互调输出功率和接收机最低 噪声功率相同时的输入功率与接收机灵敏度的比值，用d b m 表示为 s f d r ：2 p i i p 3 - n _ o i s e f l o o r 一岛，嘲 ( 2 7 ) 其中 n o i s e f l o o r 盘一1 7 4 d b m ，船+ 矿+ 1 0 1 0 9 b ( 2 8 、 从动态范围的两个公式来看，要提高接收机的动态范围，就要提高接收机的线性度， 降低接收机的噪声系数。 2 4 3 低噪声放大器和混频器的指标要求- 低噪声放大器和混频器是接收机最前端的两个模块。其中低噪声放大器的主要功能 是将天线接收到的微弱信号进行放大，从而有效的抑制后续电路的噪声，自身只引入较 低的噪声。混频器将低噪声放大器输出的射频信号与本振信号相混频产生低中频信号。 可以通过分析图2 13 所示的级联模块来理解低噪声放大器和变频器对整个接收机指 标的影响，这里以一个三阶级联系统为例。 1 2 s t a g e ls t a g e 2s t a g e 3 g a i n = a v , g a i n = a v 2g a i n = a v 3 n f 2 ! i p 3 2n f , ，1 1 p 3 3 n f l ，i i p 3 l 图2 1 33 阶级联系统 顶： 论文 基于c m o s 工艺的低噪声放大器与混频器设计 系统的噪声系数和三阶输入截点分别为 胛：旭+ n f 2 - 1 一i - n f 3 - 1( 2 9 ) 1 彳订4 ，1 彳，2 、 一皓i i p 3 士鑫i i p 3 + 雠 - l ，仁柳 i，卿3 ，i 、 从这两个式子不难看出： 1 要降低模块的噪声系数，主要是降低前级电路的噪声系数： 2 为降低后续电路的噪声对系统的噪声影响，前级模块需要提供适当的增益； 3 要提高模块的线性度，除提高各级电路的线性度之外，各级的增益不能太高。 表2 3 和表2 4 分别为低噪声放大器和混频器的设计指标要求，供设计时参考对比。 表2 3 低噪声放大器性能指标要求 参数名称指标 2 5 相关设计软件介绍 频段 噪声系数 增益 反向隔离度 l d b 压缩点 三阶交调截点 输入输出阻抗 电源电压 功率消耗 5 15 g h z 一5 2 5 g h z 2 d b 1 0 2 0 d b 2 5 d b 1 2 d b m 1 0 d b m 5 0q 1 8 v 5 0 m w 表2 4 混频器性能指标要求 参数名称指标 电源电压 射频频率 本振频率 中频频率 变换增益 i i p 3 噪声系数 功率消耗 1 8 v 5 2 g h z 5 1 9 5 g h z 5 m h z 1 0 2 0 d b 1 0 d b m 2 0 d b 1 0 0 m w 射频集成电路的设计越来越复杂，对电路的指标要求越来越高，电路的功能越来越 多，电路的尺寸越来越小，而设计周期却越来越短。传统的设计方法已经不能满足设计 的需要，使用相关e d a 软件进行设计已经成为射频电路设计的必然趋势。这里介绍论 文中使用到的a d s 和c a d e n c ev i r t u o s o 两款软件。 a d s 是a g i l c n t 公司推出的一种功能强大的射频仿真软件，设计中采用的是 2 无线局域网发射频接收机 硕 ：论文 a d s 2 0 0 3 c 版本。a d s 将面向不同应用的( 数字信号处理和射频) 的两类仿真软件集成在 一起，可以进行整个收发系统的仿真。同时它还支持系统的行为仿真，通过调用各个子 模块的行为模型可以快速模拟整个无线收发系统的性能。在射频电路方面，主要采用谐 波平衡方法，通过快速、有效的矩阵算法来求解电路的准周期稳态响应。它还可以进行 混频器噪声分析、大信号s 参数分析和振荡器分析。此外，a d s 还可以用包络方法来 分析锁相环的瞬态分析、振荡器的起振特性、放大器谐波随时间变化等特性。 c a d e n c e 是一套功能强大的e d a 软件，其中c a d e r l e ev u t u o s