無線局域網(wǎng)(WLAN)連接技術(shù)是有線接入方式的補充和發(fā)展,，它可以實現(xiàn)移動上網(wǎng),。近年來，WLAN技術(shù)迅速發(fā)展,，在日常通信中發(fā)揮著舉足輕重的作用，迅速成為了研究熱點^[1],。
    射頻收發(fā)前端作為無線局域網(wǎng)通信系統(tǒng)的重要組成部分, 正面臨著高集成度,、低功耗、低價格等各種挑戰(zhàn),。收發(fā)機的主要性能主要由射頻前端決定,。要提高收發(fā)前端的集成度,關(guān)鍵是提高接收機中模擬前端的集成度。在無線局域網(wǎng)整個接收系統(tǒng)中,，低噪聲放大器(LNA)用來放大信號和抑制噪聲干擾,，同時提高系統(tǒng)的靈敏度。因此,，LNA的性能影響整個接收系統(tǒng)的性能,，有著至關(guān)重要的作用[2-3]。
    本文首先介紹無線局域網(wǎng)收發(fā)機射頻前端的技術(shù)要求,，設(shè)計了一個高性能的應(yīng)用于2.4 GHz無線局域網(wǎng)前端的LNA,，最終完成的芯片集成了LNA、PA和收發(fā)開關(guān)電路,，包含了現(xiàn)今無線通信所需要的射頻功能,，并最終進行了流片,，芯片測試結(jié)果良好。
1 電路設(shè)計
1.1 射頻前端的結(jié)構(gòu)
    一般WLAN射頻系統(tǒng)模擬信號部分架構(gòu)如圖1所示,，射頻收發(fā)機前端主要由發(fā)射機,、接收機和收發(fā)開關(guān)組成。

    收發(fā)機射頻前端接收部分接收從天線傳來的信號,，通過LNA放大信號,，并將放大后的信號進行下變頻，一般射頻前端部分采取模擬電路實現(xiàn)[1],。進行射頻接收機設(shè)計時,主要考慮系統(tǒng)噪聲系數(shù),、接收機靈敏度等，因此合理設(shè)計低噪聲放大器以獲得很好的噪聲性能,、增益和線性度非常重要,。
    射頻前端發(fā)射部分將從基帶進來的信號進行上變頻到適合的高頻頻段，再經(jīng)PA放大得到足夠的功率后發(fā)射出去,。PA是射頻發(fā)射部分的關(guān)鍵電路,對其性能要求很高,，而且要為射頻系統(tǒng)與外界通信提供足夠的發(fā)射功率,其功耗較大,因此功率放大器需具有很高的效率和功率增益。
    移動通信的收發(fā)信機共用一根天線,，天線與收發(fā)機之間必須有效地進行收發(fā)轉(zhuǎn)換和隔離,。天線共用器可以是一個開關(guān)[3]。
    本文完成的是LNA部分原理圖和版圖的設(shè)計,，并最終集成了LNA,、PA以及開關(guān)部分，構(gòu)成無線局域網(wǎng)的射頻前端,。
1.2 低噪聲放大器電路的設(shè)計
    在LNA的設(shè)計過程中,，采用限定功耗的設(shè)計方法，在傳統(tǒng)源極電感負反饋電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上來設(shè)計電路[1-2,，4],。采用鏡像電路偏置，L結(jié)構(gòu)做輸入/輸出匹配,，采用LC負載并通過優(yōu)化輸入/輸出匹配獲得更低的噪聲,、更好的增益和線性度。多級級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)往往會增加噪聲[5],，若采用單級就能滿足指標的電路,，則不要采用兩級或者兩級以上的電路，以防止引入新的噪聲,。本文使用一級cascode結(jié)構(gòu)完成設(shè)計,，結(jié)構(gòu)簡單，使用器件較少,，避免引入較多的噪聲,，而且便于集成,。本設(shè)計電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    M1為輸入管,，與Lg和LS共同構(gòu)成輸入端源級電感負反饋匹配網(wǎng)絡(luò),。對于低噪聲放大器來說，最佳噪聲匹配與最佳功率匹配往往是相互矛盾的,。通過調(diào)整LS使最佳功率增益匹配點與最佳噪聲匹配點相互之間非?？拷偻ㄟ^Lg,、C1,、C2進行最佳噪聲匹配。負反饋電路一方面可以改善電路的穩(wěn)定性和線性度,，另一方面可以降低整個電路對晶體管自身性能影響的敏感度,。M3和R1、R2,、C5構(gòu)成簡單鏡像偏置電路,，MOS管M3與輸入放大管M1構(gòu)成電流鏡結(jié)構(gòu), Ml和M3都要采用最小溝道長度的MOS管；電阻R2用來阻止交流信號通過偏置電路,，避免LNA的信號通路受到偏置電路的影響,；電容C5用來濾除偏置電路產(chǎn)生的噪聲，消除偏置電路的噪聲對LNA噪聲性能的影響,還可以穩(wěn)定流過MOS管Ml和M3的電流,提高抗干擾能力,。M2為輸出管,，優(yōu)化M2的寬度可以提升整個電路的線性度。Ld,、Cd,、C3和C4構(gòu)成輸出匹配電路,在工作頻率點可以達到很高的輸出阻抗,保證信號的有效傳輸，有提高增益和選頻的作用,。C8和L2構(gòu)成級間匹配并有濾波提高線性度的效果。C6,、C7是旁路電容,。LNA 的工作電流越大，其噪聲性能和線性度越好,，但同時也增加了功耗,，綜合考慮后電源電壓用1.8 V，偏置電流為10 mA,，工作頻率為2.4 GHz,。
2 低噪聲放大器的仿真
    本設(shè)計利用SMIC RF 18 μm CMOS工藝完成，所有的電感均使用片上集成螺旋電感實現(xiàn),，所有電容均為MIM電容,，仿真結(jié)果如下,。
2.1 噪聲
    接收機的靈敏度主要由低噪聲放大器的噪聲系數(shù)和功率增益決定，LNA 一般位于接收機第一級,，其噪聲系數(shù)很大程度上影響著整個接收機的噪聲性能[6],，因此其噪聲應(yīng)當(dāng)盡可能小。由圖3可見,，在2.4 GHz頻率處,，LNA的噪聲系數(shù)約為1.7 dB，具有相當(dāng)理想的性能,。

2.3 穩(wěn)定性
    射頻電路的設(shè)計過程中,，在工作頻段內(nèi)，放大器應(yīng)處于絕對穩(wěn)定狀態(tài),。一旦放大器處于非穩(wěn)定狀態(tài),，則有可能使得整個電路無法正常工作，導(dǎo)致其后的設(shè)計都無法進行,。從圖5中可知,，放大器電路在整個工作頻率范圍內(nèi)十分穩(wěn)定。

    本電路結(jié)構(gòu)在1.5 V～3.3 V之間都能保持相對較好的性能,。在一定范圍內(nèi)電流越大其噪聲性能和線性度越好,，但同時也增加了功耗，需要綜合考慮,。
3 LNA版圖實現(xiàn)
    前面進行了電路原理圖的設(shè)計,，還需要進行版圖設(shè)計。版圖是聯(lián)系IC設(shè)計與IC制造的紐帶,通過版圖設(shè)計,可將設(shè)計好的電路系統(tǒng)變?yōu)橐环N平面圖形,然后根據(jù)這種平面圖形,經(jīng)過一定的工藝加工,，形成一種立體結(jié)構(gòu),此結(jié)構(gòu)即為芯片,。本次低噪聲放大器版圖設(shè)計使用SMIC的0.18 ?滋m CMOS工藝實現(xiàn),實現(xiàn)平臺為Cadence公司的Virtuoso版圖設(shè)計軟件。整個版圖達到了基本要求,。
4 射頻前端版圖實現(xiàn)和芯片測試
    為了實現(xiàn)如圖1所示的射頻前端,，把LNA、PA,、swtich集成為一塊芯片,，重新調(diào)整了版圖。版圖設(shè)計中要盡量緊湊,但是過分緊湊容易引起很多不必要的寄生效應(yīng),這在射頻集成電路設(shè)計中更明顯,，所以要做折衷處理,。
    在電路和版圖設(shè)計中，采用多種電路[4,，7]和版圖設(shè)計技巧優(yōu)化了電路的結(jié)構(gòu)和版圖的面積以及器件之間的影響,，取得的很好的效果，版圖面積只有1.5 mm×1 mm,。最終完成的芯片集成了PA,、LNA和收發(fā)開關(guān)電路,，實現(xiàn)了無線局域網(wǎng)所需要的射頻功能。
    用網(wǎng)絡(luò)分析儀進行測試,，在頻率為2.412 GHz時接收部分S參數(shù)測試結(jié)果如圖7所示,。由圖7可知S21=10.5 dB，S11=-6.8 dB,，S22=-12.3 dB,，P1dB點為-4.2 dBm。

    本設(shè)計采用了單端共源共柵結(jié)構(gòu),，利用SMIC 0.18 ?滋m CMOS工藝,，實現(xiàn)了應(yīng)用于無線局域網(wǎng)的2.4 GHz CMOS低噪聲放大器的設(shè)計,同時調(diào)整LNA的輸入/輸出匹配等電路結(jié)構(gòu)。從仿真的結(jié)果看,，經(jīng)過優(yōu)化后放大器的性能有了明顯的提高,，在電源電壓為1.8 V的條件下，LNA在工作頻帶內(nèi)的增益為14 dB,，噪聲系數(shù)為1.7 dB,，輸入/輸出匹配良好，1 dB壓縮點為-7.3 dBm,，IIP3達到了4.58 dBm,。最后集成了LNA和PA以及控制開關(guān)組成射頻前端并進行了流片。芯片測試結(jié)果良好,，實現(xiàn)了當(dāng)前無線局域網(wǎng)所需要的射頻功能,。
參考文獻
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