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i 摘 要 随着无线通信事业和 cmos 工艺的迅速发展，基于 cmos 工艺的射频 ic 前端存 在广阔的市场，具有良好的应用前景，是目前无线通信研究中的热点。cmos 射频无 线前端电路由发射和接收模块组成，其中低噪声放大器是射频接收模块的关键部分。 另一方面，随着计算机技术与通信事业日新月异地发展，无线局域网由于其能弥补 有线网络的很多缺陷而在个人和商业领域大受欢迎。随着用户的要求不断提高，无线局 域网必定也向更高频率、更宽带宽的方向发展。而 ieee802.11a 是现在最有优势的无线 协议标准之一，工作于 5ghz频段。 本文基于这一频段，首先简单介绍了 cmos 射频集成电路研究的意义，概述了 cmos 低噪声放大器研究中仍存在的几大问题及国内外 cmos 低噪声放大器的研究进 展。 其次较系统地论述了射频电路应用之一的无线局域网的知识及射频电路中一些基本 概念。再次在深入研究了已有参考文献的基础上进行了如下工作： （1）提出了一个 5.7ghz 全集成 cmos 低噪声放大器结构，进行小信号分析之 后做了较详细的噪声性能分析，并用 ads 软件进行仿真验证。仿真结果表明，所提出 的电路具有较好的性能，整个电路只含一个无源电感，便于集成。 （2）提出了一个 5.7ghz级间匹配的 cmos 低噪声放大器结构，分析了级间匹配 结构对性能的影响，并用 ads 软件进行仿真验证。仿真结果表明，所提出的电路具有 较好的性能， 级间匹配结构可以改善共源共栅结构的由输入共源级的输出阻抗和其负载 级联共栅级的输入阻抗引起的不匹配。 （3）提出了一个高线性度的 5.7ghzcmos 低噪声放大器结构，该电路结构是在 深入研究两种非线性分析方法及近年来常见的提高线性度方法的基础上提出的， 结构简 单易于实现，用 ads 软件进行了仿真验证。结果表明，该电路具有良好的性能，与传 统的共源共栅结构低噪声放大器相比，在不增加功耗的情况下提高了线性度。 最后作了全文的总结和展望。 关键词：射频；无线局域网；低噪声放大器；线性度 ii abstract system on a chip (soc) has become the main focus in the area of wireless communication. with the development of radio frequency (rf) communication and the cmos technology, it has become a reasonable choice to implement the rf communication circuits and systems in cmos process. as the first block of the wireless receiver following antenna, the performance of low noise amplifier (lna) greatly determines the performance of the entire system. on the other hand, while computers and communications technology are exploding, wireless local area network (wlan) are enjoyed in personal and commercial computer field, due to that it can compensate the shortcomings of the wire network. to satisfy growing demands of users, wlan are developing towards to higher frequencies, wider bandwidth and more functionality. and ieee802.11a is one of the best wireless protocol standards, which works in the 5ghz band. based on this band, the main researches area of the paper are as follows: firstly, this paper introduces the research significance of cmos rfic, summarize the unsolved problems in cmos rfic designing and the researches of cmos lna in international papers. secondly, it systematically introduces wlan and the principle of the rf circuits. thirdly, based on analyzing deeply the literature: (1) a 5.7ghz cmos lna which could be fully integrated is presented, and then make it small signal analyzed and noise performance analyzed in detail. to verify the circuit performance, we simulate the circuit with the ads software. the simulation results indicates that the proposed circuit has good performance, and just includes one passive inductor, so it convenient to integrate. (2) a 5.7ghz cmos lna considering inter- stage matching network is presented, then analyze the inter- stage matching network s influence on the performance of the whole lna, simulate the circuit with the ads software. the simulation results indicates that the proposed circuit has good performance, the inter- stage matching can improve the non- matching of the common source (cs) common gate (cg) circuit due to the output impedance of cs and the input impedance of cg. (3) based on research deeply on two nonlinear analysis methods and some common linearity improvement methods, a 5.7ghz high linear cmos lna is presented. simulate the circuit with the ads software and the results indicate that the proposed circuit has good iii performance. comparing with the traditional cs- cg lna, the circuit configuration is simple and it can improve linearity without increasing power consumption. lastly a conclusion and prospect of this paper have been done. key words: rf; wlan; lna; linearity 湘潭大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 湘潭大学硕士毕业论文 cmos 低噪声放大器的研究 第 1 页共 67 页 第一章 绪 论 在近十年来，通信技术获得了惊人的发展，而无线通信技术是其中发展最为 迅速的一个分支，今天无线通信技术已经广泛应用到人们生活的各个领域，比如 高速语音、数据、图文与图像传输、蜂窝式个人通信与基地站、低轨道卫星移动 通信、无线局域网、无线接入系统（包括蓝牙） 、全球卫星定位系统、智能交通 系统、生物医学等等。 无线通信技术从他的诞生发展到今天，经历了一个漫长而曲折的过程，其间 很多科学技术对无线通信的发展起了重要的作用， 然而造就无线通信局数今天辉 煌局面的技术首先应该是射频技术和微电子技术。毫无疑问，射频微电子是当代 移动通信技术的基础。如何在微电子技术的基础上，有效地实现无线射频前端是 无线通信技术的关键，也是无线通信技术最大的挑战。 无线通信技术的总趋势是走向高速化、大带宽。移动通信在射频微电子技术 基础上与计算机技术密切结合，产生了革命性地飞跃，短短的十多年间，第一代 模拟通信系统已广泛应用，第二代数字通信正日益普及，第三代（3g）全球综 合移动通信系统也已面世，第四代（4g）通信系统也正在研究之中。而射频集 成电路（rfic）毫无疑问成为 3g、4g 无线终端中的核心技术，射频电路板模 块设计也在 3g、4g 基站中扮演重要角色。 1.1 本论文研究的目的和意义 近几年来，随着第三代移动通信（3g） 、全球卫星定位系统（ gps） 、无线局 域网（wlan）和蓝牙（blue tooth）等技术迅速发展，无线通信正在不断开拓 新的应用领域，日益成为人们生活中不可或缺的一部分，对重量轻、体积小、功 耗低及成本低的发射及接收设备的需求迅猛增加。 由于 cmos 工艺的低成本优势， 因而用 cmos 工艺实现射频通信 soc 非常 具有吸引力。现今以 cmos 形式出现的数字电路部分已占到芯片面积的 75%以 上，根据集成度及功耗的要求，射频电路部分当然也应以 cmos 的电路形式出 现。随着射频集成电路设计技术的高速发展，以及 cmos 制造工艺水平的不断 提高， 在片上系统发展的驱动下， cmos 射频集成电路设计已成为一大研究热点。 我们知道，无线通信设备通常由发射模块和接收模块两部分组成，而接收模 块是收发器当中的主要部分。无线接收结构当中最常见的是超外差式接收机（如 图 1.1） ，从图中我们也可以看到，低噪声放大器（low noise amplifier, lna） 是射频接收前端的主要组成部分，它位于接收前端的第一级，直接与天线信号相 湘潭大学硕士毕业论文 cmos 低噪声放大器的研究 第 2 页共 67 页 连。由于其位于接收前端第一级，所以它的噪声特性将大大影响整个系统的噪声 性能，它的线性度也将大大影响整个接收机的线性度性能。 因此，对 cmos 射频电路当中的低噪声放大器的研究具有重大意义。在低 噪声放大器中，主要的性能参数有放大增益、噪声系数、线性度、功耗。近年来 基本上主要也就是围绕提高这些性能所做的研究1- 39，尽管已经取得了很大的进 展，但是在低噪声放大器的设计中仍然存在许多需要研究和解决的问题。 首先，降低 lna 的功耗是设计中的首要问题。在无线通信系统当中，电源 供电大多都是来自于电池，电池使用时间（或称待机时间）是最重要的性能指标 之一。要延长电池的使用时间，就必须降低电路的功耗。lna 的功耗在射频接 收机前端中占有大量的比重，降低其功耗对降低整个系统的功耗有着重要意义。 为了获得同样的增益，cmos 电路比 bjt 电路的功耗要大，如何在提高其他性 能的前提下要使 lna的功耗降低仍然是一个值得研究的问题。 其次，片上系统集成的问题。在 lna 设计中，电感是不可或缺的一种元器 件，但是大值无源电感须占用很大的面积，这就给片上集成带来很大的困难，并 且同时会带来很大的寄生电阻，从而增大功耗。因而如何处理电感从而使整个 lna乃至整个接收机易于集成的问题也值得研究。 再者，线性度的问题。在前面我们知道，低噪声放大器不单是噪声对整个接 收机的性能影响很大，它的线性度对整个接收机的性能影响也很大。因而如何在 提高其他性能的基础上又提高它的线性度而且整个电路结构简单也是一个我们 值得研究的问题，特别是对提高 5ghz以上的 lna的线性度的研究33- 36。 还有，镜像抑制的问题。有的特定场合，对镜像抑制要求比较高，那么此时 我们就必须考虑这一个性能指标，因而若采用的是超外差式接收机，就必须要采 用镜像抑制措施来抑制镜像信号。随着无线射频应用的发展，在很多特殊的场合 有这一要求也是一种趋势37- 39。 1.2 cmos 低噪声放大器的研究进展 射频低噪声放大器的设计过程是一个多个性能指标参数折中的过程， 它的性 bpf1 bpf2 bpf3 bpf4 rf 选择 滤波器 rf 选择 滤波器 rf 选择 滤波器 镜像抑制滤 波器 低噪声 放大器 混频器 混频器 1lo 2lo 图 1.1 超外差式接收机系统框图 湘潭大学硕士毕业论文 cmos 低噪声放大器的研究 第 3 页共 67 页 能参数包括工作频率、功率增益、噪声系数、输入输出匹配、线性度和直流功耗 以及稳定性等。随着 cmos 工艺水平的不断提高，设计方法的不断进步，cmos 射频低噪声放大器的性能越来越高。当然，现代无线通信系统对 lna 的要求也 越来越高，这必然也推动着人们不断去研究探索出新的性能更完善的 lna。下 面我们来简单介绍 cmos 射频低噪声放大器的研究进展。 1.2.1 cmos 放大器 在低噪声放大器的设计过程中，我们通常都有好几个目标，比如要使噪声尽 可能地小，提供足够增益的同时要有足够的线性度（特别是三阶互调 ip3） ，以 及要能提供一个稳定的 50输入阻抗，当然在便携设备中还有一个要求就是功 耗要尽可能地低。当低噪声放大器前面有一个预选滤波器时，有一个性能好的输 入匹配是非常重要的，因为这种滤波器对终端阻抗的质量是非常敏感的。在设计 者头脑中有一个这样的概念后， 我们首先考虑的就是能够提供一个稳定的输入阻 抗，因此出现了各种输入结构，归纳起来可以分为四种，如图 1.2 所示1- 2。这里 的每一种结构或者以单端形式出现，或者以差分形式出现。 图 1.2（a）所示电路，在栅极并联一个匹配电阻（在窄带应用中，为实现调 谐还可在 mosfet 栅极并联一个到地的电感） ，虽然可以实现共轭匹配，但是对 放大器的噪声系数影响很大，不适合于要求低噪声系数的场合。图 1.2（b）所 示共栅电路，它可以在低电压下工作，其输入电阻就是其跨导的倒数，我们可以 选择合适的器件尺寸和改变其偏置实现阻抗匹配，它不必外接元件也能够达到 50的输入阻抗，但是它的噪声性能不好，其理论最小噪声系数为 2.2db，不适 b) zin c) zin a) zi d) zin 图 1.2 几种常见的 lna结构 湘潭大学硕士毕业论文 cmos 低噪声放大器的研究 第 4 页共 67 页 合用在对噪声系数要求高的场合。图 1.2（c）所示电路，它是一个跨阻放大器， 在宽带放大器中用得比较多。图 1.2（d）所示是源极电感负反馈电路，是目前 低噪声放大器当中用得最为广泛的一种结构， 它通过源极电感来产生输入阻抗的 实部，由于它产生的这个实部不是实电阻，因而这种结构的噪声系数比较小。 1.2.2 源极电感负反馈低噪声放大器 源极电感负反馈结构是射频 lna 中最常见的结构2，使用电感源极负反馈， 可以在不引入噪声的前提下实现与输入信号源的 50匹配，通过优化负反馈电 感的大小以及 mosfet 的尺寸和偏置可以达到低噪声和低功耗的目的。 在低噪声设计方面，最重要的问题是在深刻认识 mosfet 的噪声机理的基 础上寻求合理的电路结构和设计方法。从上个世纪六七十年代，人们就对 mosfet 的噪声机理有了比较全面的了解，也出现了大量关于这方面的文章。 随着半导体器件及工艺水平的提高，lna 的设计方法和性能都有了很大的进展。 shaeffer 等1提出了一套低功耗射频 lna 的设计方法， 并在文中考虑了栅极感应 热噪声的影响，分析了栅感应噪声电流对 lna 噪声性能的影响，解析分析了亚 微米工艺下功耗与噪声之间的约束关系。尽管引入了栅极感应热噪声的影响，但 是它没有注意到栅极分布电阻和沟道电阻的影响，文献3分析了这一点。 另外一方面，仿照 bjt lna 电路中的做法，文献4提出了在 mosfet 的栅 极和源极之间并联电容的方法，解除了 lna 的功耗与噪声之间的相互约束的关 系。 还有一点值得提出的是，源极电感负反馈结构由于源极采用电感反馈，这有 助于提高线性度，而采用电阻电容反馈则不能，这一点在第五章将有详细谈到。 在源极电感负反馈结构中，栅极电感的值一般比较大，需要片外实现，而且 源极电感的引进使得 lna 的功率增益恶化，需要更多的直流电流对增益进行补 偿，为此在这种结构上出现了多种改进结构4- 6。 1.2.3 高线性低噪声放大器 随着无线通信事业的不断发展，人们对无线通信系统的要求越来越高，比如 低电压低功耗、低噪声、大动态范围、高灵敏度和高线性度等，而处于接收机前 端的低噪声放大器对于提高整个系统的线性度起着关键作用。 这就意味着我们在 设计低噪声放大器中必须在增益、噪声、线性度及功耗等性能指标中要合理的折 衷。 近年来出现了大量关于提高线性度的文献7- 16，文献7采用直接补偿法，这 种方法为了降低三阶交调，需要付出较大的功耗，而且增益和噪声性能还有所损 失。文献8采用中等反型区偏置的方法，利用 mosfet 的转移特性及高阶跨导 特性， 将其偏置在强反型与亚阈区之间的一个最佳栅源偏置电压， 此处 mosfet 湘潭大学硕士毕业论文 cmos 低噪声放大器的研究 第 5 页共 67 页 的三阶跨导为零，理论上电路的三阶非线性为零。但是，这个最佳偏置点对工作 频率、负载阻抗、源极电感大小、工艺参数特别是阈值电压涨落等的变化非常敏 感。因而实际中一般都是采用线性化技术来提高线性度。文献9采用前馈补偿 方法，这种方法实现的前馈补偿电路，电路的增益性能不会损失，但是也仍然需 要付出较大的功耗代价。文献10采用亚阈区 mosfet 补偿法，利用亚阈区器 件的三阶跨导与强反型器件的三阶跨导相抵消来提高 lna 的线性度，但是亚阈 区 mosfet 的截止频率 ft很低，当信号频率较高时，补偿效果有可能下降，不 适合频率比较高的情况。文献11改进文献10中的方法，在主支路和补偿支路 使用了不同的负反馈电感，文献12把文献10中的亚阈区 mosfet 换成 bjt， 但是，因为标准 cmos 工艺中很难获得高性能的 bjt，所以这样的改进有较大 的局限性。文献13采用线性区 mosfet 补偿，这种方法与亚阈区 mosfet 补 偿类似，只是用不同的方法去实现三阶跨导的“峰”。文献14- 15根据 volterra 级数分析对双极型晶体管 bjt 放大器利用不同的带内和带外阻抗特性来提高电 路的线性度。前面所提到的文献中只有文献16是针对 5ghzcmoslna 的线性 度 而 做 的 研 究 ， 提 出 采 用 前 馈 失 真 补 偿 方 法 （ feedforward distortion cancellation） ，文献中的这种方法虽然对噪声影响不大，但是结构比较复杂，功 耗增加许多。其它的文献基本上都是针对 5ghz 以下的电路而提出的线性化技 术。 1.3 本文的主要研究内容 1.3.1 射频中一些基本概念的介绍 在参阅了大量射频书籍及文献的基础上， 首先对射频电路应用之一 无线 局域网做了较详细的论述，分别从无线局域网的标准、特点及优势等方面进行了 较详尽的说明，提供了一个较系统的学习无线局域网的机会。然后对射频电路中 的一些基本知识做了详细介绍，比如噪声理论及噪声计算噪声分析方法、非线性 的来源及其度量方法等，为后面工作的展开打好了基础。 1.3.2 5.7ghz 全集成低噪声放大器的设计 在对一些一般的低噪声放大器结构进行分析之后，提出了一个工作于 5.7ghz 的可全集成的低噪声放大器结构。进行小信号分析之后进行了较详细的 噪声性能分析，并用 ads 软件进行仿真验证。 1.3.3 级间匹配低噪声放大器 在阅读分析大量关于低噪声放大器的文献基础上，提出了一种 5.7ghz级间 匹配低噪声放大器结构，分析了级间匹配结构对性能的影响，并用 ads 软件进 行仿真验证。 湘潭大学硕士毕业论文 cmos 低噪声放大器的研究 第 6 页共 67 页 1.3.4 高线性度的低噪声放大器设计 在深入研究了大量关于射频电路中线性非线性的文献的基础上， 介绍了射频 电路中两种较常用的非线性分析方法， 并对近年来一些较常见的线性度提高方法 做了较详尽的分析，随后在根据对单端 cmos 共源共栅结构进行 volterra 级数 分析的结果的基础上提出了一个高线性度的工作于 5.7ghz 的低噪声放大器结 构，并用 ads 软件进行仿真验证。 1.4 本文的结构安排 本论文内容总体上分为四章： 第一章绪论，本章分为四节。简要地介绍了本课题研究的现状及本论文 研究的目的和意义，及本论文研究的主要工作等。 第二章无线局域网与射频电路中的基本概念，本章分为五节。简要地概 述了无线局域网及射频电路中的一些基本知识，为后续章节的研究提供了理 论基础。 第三章 5.7ghz全集成 cmos lna的设计， 本章分为六节。 提出了 5.7ghz 全集成的低噪声放大器结构，进行了小信号分析及噪声分析，并对其进行了 仿真试验验证。 第四章级间匹配低噪声放大器，本章分为五节。提出了一个引进级间匹 配的低噪声放大器结构，分析了级间匹配结构对性能的影响，并对其进行了 仿真试验验证。 第五章高线性度低噪声放大器的设计，本章分为五节。首先介绍了非线 性分析方法及常用的线性度提高方法，在对单端共源共栅结构 volterra 级数 分析的结果的基础上提出了一个 5.7ghz高线性的低噪声放大器结构， 并进行 了仿真试验验证。 最后给出全文的总结，并做了研究展望。 湘潭大学硕士毕业论文 cmos 低噪声放大器的研究 第 7 页共 67 页 第二章 无线局域网与射频电路的基本概念 2.1 引言 近些年来，随着局域网的应用领域不断拓宽和现代通信方式的不断变化，尤 其是移动和便携式通信的发展，无线局域网（wireless local area network， wlan） 便应运而生。 无线局域网的问世为网络基础建设开创出一个全新的定义， 使得上网可以不用连接网络线， 而且网络管理者可以更容易因需要而架设无线网 络，不必受遍布于天花板上的网络布线所约束，总之，无线局域网可以弥补很多 有线网络的缺陷，因而应用将日益广泛。 另外，在射频电路中，有一些非理想的特性，例如存在于任何环境中的噪 声， 都会对电路造成干扰， 影响到所要的信号； 再者就是电路本身的非线性效应， 无法避免信号间的相互干扰，或是因为组件本身的限制，也影响了电路的性能。 因此作为接收机最前端的低噪声放大器对噪声和线性度的要求也就更加严格。 本章首先将从概述、标准以及特点和优势等几个方面对无线局域网进行介 绍，然后再将对噪声和非线性特性进行较为详尽的说明。 2.2 无线局域网 2.2.1 无线局域网概述 无线局域网是一种能支持较高数据速率、采用微蜂窝结构的、自主管理的计 算机局部网络40,41。 它可采用无线电、 红外线作为传输媒质或采用扩展频谱技术， 移动的终端可通过无线接入点来实现对 internet 的访问。在无线局域网这个领域 中有这样两个主要标准：ieee802.11 和 hiperlan （high performance radio local area network） 。ieee 对 802.11 的标准进行了高速扩展。高速扩展有两个 版本：一是 ieee802.11a，工作在 5ghz 频段，采用正交频分复用（ofdm）调 制，传输速率为 6- 54mbit/s 或 11 mbit/s 。wlan 利用常规的局域网（如 10/100/1000mbit/s 以太网）及其互连设备（路由器）构成骨干支撑网，利用无线 接入点（ap）和无线接入服务器（was）来支持移动终端（mt）的移动和漫游。 无线接入服务器的作用是提供无线终端的接入管理和移动性管理。 在无线接入服 务器管辖的范围内（称为服务区）可支持多个小区，无线接入点的作用是完成 wlan 和 lan 之间的桥接，实现无线空中接口协议到 lan 协议的转换，并实 现小区的移动用户管理。在无线接入服务器中运行移动 ip 服务器软件和在移动 终端上运行移动 ip，客户机便可支持移动 ip 功能。 湘潭大学硕士毕业论文 cmos 低噪声放大器的研究 第 8 页共 67 页 为了加速无线网络的基础建设，ieee802 标准制定委员会陆续制定三类标 准，分别为无线局域网、无线个人网络和无线都会网络。另外，在欧洲方面，欧 洲电信标准协会的宽带射频接入网络设计室所制定高效能无线局域网（ high performance lan, hiperlan/2 ） ，其应用技术实体与 ieee802.11a 相似。 2.2.2 无线局域网标准 ieee802 标准制定委员会在 1997 年提出了 ieee802.11，接着在 1999 年又 提出了 ieee802.11b 和 ieee802.11a，上述标准都采用载波侦听多重存取与碰撞 避免（carrier sense multiple access with collision detection, csma/cd）技术作 为传输信道的协议。csma/cd 技术提供可靠的资料传输模式，避免数据在传输 过程中丢失，而且可以和局域网的应用模式、操作系统或通信协议相容，包括最 为普及的网际通信协议、tcp/ip 等。1999 年制定的 ieee802.11b 标准，以直接 序列扩频（dsss: direct sequence spread spectrum）作为调制技术，传输速率最 高可达到 11 mbps，频段则采用 2.4ghz 免执照频段。虽然传输速度仅限于 11 mbps，但是传输速度仍然比 56kbps 调制解调器、dsl 快得多。虽然传输速率可 满足电子邮件和网络浏览的应用，但是，在数字动态图像的应用（如 hdtv）必 须要有更高的传输速率才够。因此，ieee802.11a 或 hiperlan/2 被看作是下一 代无线局域网的发展方向。 ieee802.11a，hiperlan/2 的传输速度最高可达 54mpbs，它的速度超过任 何其它 wlan 的解决方案。ieee802.11a，hiperlan/2 频段则采用 5ghz免执照 频段，由于所使用的 5ghz 频带不经常使用，因此相对来说不易遇到干扰或信号 抢占频道的现象。因 ieee802.11a 和 hiperlan/2 的标准相似，目前工业界正寻 求这两个标准的共存性，甚至取各个优点融合成单一标准。 （1）ieee802.11a 1990 年，ieee802 标准化委员会成立了 ieee802.11 wlan 标准工作组，其 主要任务是研究工作在工业、科技、医疗（industry, science and medicine, ism ） 2.4ghz频段、传输速率为 1mbit/s 和 2mbit/s 的无线设备和网络发展的标准，并 于 1997 年 7 月公布了该标准。 （2）ieee802.11b ieee802.11 标准的制定推动了无线网络的发展，但由于传输速率只有 1- 2mbit/s，该标准未能得到广泛的应用。1999 年，ieee 通过 802.1la 和 802.11b 标准。ieee802.11a 定义了采用 ofdm 调制技术在 5ghz 频段实现 54 mbit/s 传 输速率的无线传输。ieee802.11b 定义了使用 dsss 调制技术在 2.4ghz 频带实 现 11 mbit/s 速率的无线传输。 由于 dsss 技术实现比 ofdm 容易， ieee802.11 b 标准的发展比 ieee802.11a 快得多，在 1999 年末首先出现了支持 ieee802.11b 标准的产品，随后得到广泛商用，并通过互通性测试。 湘潭大学硕士毕业论文 cmos 低噪声放大器的研究 第 9 页共 67 页 ieee802.11b 己成为当今 wlan 的主流标准。ieee802.11b 的最大特点是可 以根据无线信道状况的变化，在 11mbit/s、22mbit/s、2mbitls、1 mbit/s 之间进 行速率的动态调整。 （3）ieee802.11a 工作在 5ghz频段、 最大速率可达 54mbit/s、 采用 ofdm 调制技术的 802.11a 标准与 802.11b 相比， 具有两个明显的优点： 提高了每个信道的最大传输速率 （11 54mbit/s ）增加了非重叠的信道数。因此，采用 802.11a 便使得 wlan 可以 同时支持多个互相不干扰的高速 wlan 用户。不过这些优点是以兼容性和传输 距离为代价的。ieee802.11a 和 ieee802.11b 工作在不同的频段，两个标准的产 品不能兼容。由于传输距离减小，要覆盖相同的范围，就需要更多 ieee802.11a 接入点 ap。2002 年初，首次出现支持 802.11a 标准的产品。 （4）ieee802.11g 2001 年 11 月，ieee 802.11g 标准以草案的形式面世，2003 年 5 月成为正式 标准。ieee802.11g 标准既能提供与 ieee802.11a 相同的传输速率，又能与己有 的 ieee802.11b 设备后向兼容。ieee802.11g 工作在 ism2.4ghz频段，在速率高 于 11 mbit/s 时，则采用调制效率更高的 ofdm 调制技术。与 ieee802.11a 相比， ieee802.11g 的优点是以性能的降低为代价的。 虽然 ofdm 调制技术能达到更高 的速率，但 2.4ghz 频段的可用带宽是固定的，ieee802.11g 只能使用 2.4ghz 频段的三个信道，而 802.11a 在 5ghz频段室内室外可用的信道各有八个。由于 ieee802.11a 的可用信道数比 ieee802.11g 多，在相同传输率下，频道重叠少， 干扰就小。所以 ieee802.11a 与 ieee802.11g相比，具有较强的抗干扰能力。 （5）关于标准的选择问题 为了满足用户对高速业务的需要， 未来的设备必然需要支持 ieee802.11a 或 ieee802.11g 这两种高速 wlan 标准。对于这两种标准，很难说出谁是未来的 发展方向，有时甚至需要两者混合使用，尤其是当设备商能提供支持两种标准的 双模式解决方案时。从今后的发展来看，受欢迎的设备是能支持 ieee802.11a , ieee802.11b 和 ieee802.11g这三种标准的多模式设备。 对高速 wlan 标准的选择应遵循以下原则： 对容量的需求：如果高速 wlan 用户的分布很密集，ieee802.11a 是较好的 选择；如果目前使用 ieee802.11b 的一些用户想升级到更高速 wlan 网络， ieee802.11g是很好的选择。 干扰问题：如果干扰是主要问题的话，最好采用 ieee802.11a 标准。 2.2.3 无线局域网的特点与优势 以其移动性和灵活性，无线局域网具有极大的发展前景，无线局域网能为运 营商优化现有的宽带接入网络、 提供更多更好的增值服务从而为获得新的赢利提 湘潭大学硕士毕业论文 cmos 低噪声放大器的研究 第 10 页共 67 页 供了新的手段。无线局域网与其它接入技术相比，其特点和优势主要体现在： （1）移动性 在有线接入网络时，用户只能在具有信息点的位置上网，限制了终端用户的 活动范围。而无线局域网建成后，在无线网信号覆盖区域内任何位置都可以接入 网络，使用户真正实现随时、随地、随意地接入宽带网络。 （2）安装简单、建设周期短 无线局域网的优势之一免去了网络布线等工作。一般只需安装一个或多个 ap 设备，就可以解决一个区域的上网问题。对于那些宽带接入业务需求急迫的 情况，使用无线局域网具有明显的优势。 （3）易扩展、易管理 有线网络的固有缺点就是缺乏灵活性。在有线接入网规划中，考虑到未来的 发展，大量的超前投资往往会出现线路利用率低的情况，而无线局域网的规划就 可以随着用户的增加而逐步扩展，在初期根据用户的需要布置少量的点。当用户 数量增加时，只需再增加几个 ap，而不需要重新布线，这也使得在网络运营初 期的投资较少。 （4）能集成到已有的宽带网络 由于无线局域网技术在二层上与以太网完全一致， 所以能够将无线局域网集 成到已有的宽带网络中，也能将已有的宽带业务应用到无线局域网中。这样，就 可以利用己有的宽带有线接入资源， 迅速地部署无线局域网网络， 形成无缝覆盖。 （5）容易将移动业务扩展到无线局域网平台 2.2.4 无线局域网射频电路设计面临的挑战 要实现无线局域网就必须形成硬件电路， 而在移动通信的硬件实现的难点是 射频电路的设计。 射频电路设计就是对发射电磁信号的电路进行设计。 当设计信号的频率达到 ghz 以上时，所设计频率的波长可以和电路的元件及连接线的尺寸相比拟，信 号在传输的过程中的相位滞后、趋肤、辐射效应就不能忽略。这时就不能用传统 低频集中参数的方法去设计电路，应该使用分布参数的理论来设计电路。同时高 频谐波能很容易的从电路板或芯片辐射出去， 从而在设计的其它部位造成噪声和 干扰问题。“高频”效应在其设计中造成不希望有的后果，即信号污染、串扰、 衬底祸合和寄生效应等。 随 着 无 线 移 动 通 信 技 术 的 迅 猛 发 展 ， 需 要 传 输 的 数 据 量 越 来 越 大 ， ieee802.11a 的最高速率是 54mbit/s，因此移动通信系统对通信设备提出了新的 要求，在加大带宽和提高最终产品功能的市场需求推动下，设计正在进入更高的 频率范围，并不断提高复杂性。需要传送的数据量越来越大，无线移动通信的信 道情况极为恶劣，它对射频级设计提出了非常苛刻的性能指标要求，要通过复杂 湘潭大学硕士毕业论文 cmos 低噪声放大器的研究 第 11 页共 67 页 的电路设计来达到对信号的选择性好、低噪声、高动态范围以及射频的低功耗等 要求。 随着频率的提高，射频电路的设计的困难也越来越大。同时无线局域网移动 通信工具的小型化， 使用在射频级的集成电路和晶体管远远没有使用在基带上的 多，因此使得射频电路的设计成为移动通信机的难点之一。可以说，射频设计成 了移动通信机和无线局域网设计的“瓶颈”，主要有下面几点： （1）由于现有的射频芯片的设计问题，使得设计的射频系统无论在系统水 平还是在电路水平总是冗余、效率不高； （2）与基带级几乎可以完全采用成熟的数字集成电路相比，射频级的集成 电路还处于发展阶段，有些器件需要外接。如电感还不能完全集成，模块之间存 在着匹配问题，这些都给设计造成困难； （3）对射频电路来说，计算机辅助分析和综合的工具还处于起步阶段，利 用这些工具进行的分析和综合结果只能起到参考的作用。因为目前在电路 cad 工具软件中，对射频部分器件的非线性、时变特性、电路的分布参数和不稳定性 以及一些外部器件都缺乏精确的模型， 因此射频电路的设计问题在很大程度上还 取决于设计师的试验调试和经验。 2.3 噪声 噪声（noise）是一种随机信号，存在于连续且无限时段中，并非周期性， 所以一般噪声是以平均功率的形式来表示。其主要来源有两个，一是外界接收进 来的，或夹杂在信号源中的噪声，另外一个则是电路本身所产生的噪声。噪声的 种类有许多，可归纳为热噪声（thermal noise） 、闪烁噪声（flicker noise） 、扩散 噪声（diffusion noise） 、分流噪声（partition noise） 、散弹噪声（shot noise）及 产生- 复合噪声（generated- recombined noise） ，在此主要针对热噪声、闪烁噪声 与晶体管噪声来探讨17。 2.3.1 mosfet 噪声源 2.3.1.1 热噪声 电阻为最常见的噪声源，在热平衡时，电阻中用来传导的电子随热运动所产 生的微量电流，称之为热噪声。而热噪声的功率大小跟它的电阻大小及绝对温度 成正比。根据 nyquist 定理，有效噪声功率为： av pkt f= （2.1） 其中，k 为波尔兹曼常数（ 23 1.38 10/kj k =） ，t 为绝对温度，f是单位 频率的噪声频宽。由式（2.1） ，可知热噪声与频率大小无关，所以又称之为白噪 声（white noise） 。电阻的热噪声模型可利用噪声电压源串联一个电阻来表示， 湘潭大学硕士毕业论文 cmos 低噪声放大器的研究 第 12 页共 67 页 或者是利用一个噪声电流源并联一个电阻，如图 2.1 所示。 现在考虑一噪声电压源串联一电阻，如图 2.2 所示，我们定义有效噪声功率 为： 2 4 n av v pkt f r = = （2.2） 2 4 n vktr f= （2.3） 2 2 2 4 4 n n vkt f iktg f rr = （2.4） 式（2.2）中， 2 n v 为电阻 r 在f频宽下电路的均方根（rms）噪声电压，因 此电路的平方根噪声电压为 2 4 n vktr f= 。所以在设计放大器时，热噪声是由电 路中电阻的损耗、晶体管走线电阻或衬底电阻等所产生。为了减少这种噪声，应 尽量避免使用电阻，让电阻趋近于零。 2.3.1.2 闪烁噪声（flicker noise） 在晶体管栅氧化层与硅衬底界面存在一个有趣的现象，由于这个界面处是 硅单晶的边界，因而出现许多“悬挂”键，产生额外的能态。 当电荷载子运动到这个界面时，一些载流子将被随机俘获，随后又被这些能 态释放，使得漏电流中产生“闪烁”噪声。但这并不能像热噪声一样轻易地预测 出来，这与氧化层与硅界面的清洁度有关，并且随 cmos 工艺的不同而改变。 闪烁噪声可以很容易地用一个与栅极串联的电压源来模拟， 近似地由下式给 r 2 n v + _ r 2 n i 图 2.1 电阻的热噪声模型 a） b) r 2 n v + _ r 图 2.2 热噪声电阻的计算 湘潭大学硕士毕业论文 cmos 低噪声放大器的研究 第 13 页共 67 页 出： 2 1 n ox k v c wlf = （2.5） 其中 k 是一个与工艺有关的常量，数量级为 252 10v f 。由 wl 的反比关系可 以得知减小闪烁噪声的方法，就是必须增加器件面积。所以，在低噪声应用中看 到面积为几千平方微米的器件是不足为奇的。另外，噪声谱密度与频率成反比， 也就是说，在栅氧化层与硅衬底处与悬挂键相关的俘获- 释放现象在低频时更常 发生，正因如此，闪烁噪声也叫 1/f噪声。 对于一个给定的器件，为了以热噪声作为参考而对 1/f 噪声进行量化，我们 在图 2.3 同一坐标系中画出两个频谱图，把图中的交叉点对应的频率称为 1/f 噪 声的“转角频率”，对于被闪烁噪声干扰得最厉害的频带部分，这个交叉点可以 作为一种度量单位。所以，输出电流的 1/f噪声转角频率由下式决定： 2 21 4() 3 mm oxc k ktgg c wl f = （2.6） 则 3 8 cm ox k fg c wlkt = （2.7） 这个结果说明：fc一般由器件面积和偏置电流决定。尽管如此，因为对于给 定的 l，这种关系相对较弱，所以 1/f 噪声转角频率就相对恒定，对于亚微米晶 体管其值落在 500