無線局域網(wǎng)(WLAN)連接技術(shù)是有線接入方式的補(bǔ)充和發(fā)展，它可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)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(diǎn)^[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(jià)格等各種挑戰(zhàn)。收發(fā)機(jī)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(jī)中模擬前端的集成度。在無線局域網(wǎng)整個(gè)接收系統(tǒng)中，低噪聲放大器(LNA)用來放大信號(hào)和抑制噪聲干擾，同時(shí)提高系統(tǒng)的靈敏度。因此，LNA的性能影響整個(gè)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(jī)射頻前端的技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了一個(gè)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(jìn)行了流片，芯片測(cè)試結(jié)果良好。
1 電路設(shè)計(jì)
1.1 射頻前端的結(jié)構(gòu)
    一般WLAN射頻系統(tǒng)模擬信號(hào)部分架構(gòu)如圖1所示，射頻收發(fā)機(jī)前端主要由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和收發(fā)開關(guān)組成。

    收發(fā)機(jī)射頻前端接收部分接收從天線傳來的信號(hào)，通過LNA放大信號(hào)，并將放大后的信號(hào)進(jìn)行下變頻，一般射頻前端部分采取模擬電路實(shí)現(xiàn)[1]。進(jìn)行射頻接收機(jī)設(shè)計(jì)時(shí),主要考慮系統(tǒng)噪聲系數(shù)、接收機(jī)靈敏度等，因此合理設(shè)計(jì)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(jìn)來的信號(hào)進(jìn)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(duì)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(dòng)通信的收發(fā)信機(jī)共用一根天線，天線與收發(fā)機(jī)之間必須有效地進(jìn)行收發(fā)轉(zhuǎn)換和隔離。天線共用器可以是一個(gè)開關(guān)[3]。
    本文完成的是LNA部分原理圖和版圖的設(shè)計(jì)，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(jì)
    在LNA的設(shè)計(jì)過程中，采用限定功耗的設(shè)計(jì)方法，在傳統(tǒng)源極電感負(fù)反饋電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上來設(shè)計(jì)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(fù)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(jí)級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)往往會(huì)增加噪聲[5]，若采用單級(jí)就能滿足指標(biāo)的電路，則不要采用兩級(jí)或者兩級(jí)以上的電路，以防止引入新的噪聲。本文使用一級(jí)cascode結(jié)構(gòu)完成設(shè)計(jì)，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(jì)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(jí)電感負(fù)反饋匹配網(wǎng)絡(luò)。對(duì)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(diǎn)與最佳噪聲匹配點(diǎn)相互之間非?？拷偻ㄟ^Lg、C1、C2進(jìn)行最佳噪聲匹配。負(fù)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(gè)電路對(duì)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(hào)通過偏置電路，避免LNA的信號(hào)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(duì)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(gè)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(diǎn)可以達(dá)到很高的輸出阻抗,保證信號(hào)的有效傳輸，有提高增益和選頻的作用。C8和L2構(gòu)成級(jí)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(shí)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(jì)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(shí)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(jī)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(jī)第一級(jí)，其噪聲系數(shù)很大程度上影響著整個(gè)接收機(jī)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(jì)過程中，在工作頻段內(nèi)，放大器應(yīng)處于絕對(duì)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(gè)電路無法正常工作，導(dǎo)致其后的設(shè)計(jì)都無法進(jìn)行。從圖5中可知，放大器電路在整個(gè)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(duì)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(shí)也增加了功耗，需要綜合考慮。
3 LNA版圖實(shí)現(xiàn)
    前面進(jìn)行了電路原理圖的設(shè)計(jì)，還需要進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)。版圖是聯(lián)系IC設(shè)計(jì)與IC制造的紐帶,通過版圖設(shè)計(jì),可將設(shè)計(jì)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(jì)使用SMIC的0.18 ?滋m CMOS工藝實(shí)現(xiàn),實(shí)現(xiàn)平臺(tái)為Cadence公司的Virtuoso版圖設(shè)計(jì)軟件。整個(gè)版圖達(dá)到了基本要求。
4 射頻前端版圖實(shí)現(xiàn)和芯片測(cè)試
    為了實(shí)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(jì)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(jì)中更明顯，所以要做折衷處理。
    在電路和版圖設(shè)計(jì)中，采用多種電路[4，7]和版圖設(shè)計(jì)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(shí)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(jìn)行測(cè)試，在頻率為2.412 GHz時(shí)接收部分S參數(shù)測(cè)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(diǎn)為-4.2 dBm。

    本設(shè)計(jì)采用了單端共源共柵結(jié)構(gòu)，利用SMIC 0.18 ?滋m CMOS工藝，實(shí)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(jì),同時(shí)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(diǎn)為-7.3 dBm，IIP3達(dá)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(jìn)行了流片。芯片測(cè)試結(jié)果良好，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)前無線局域網(wǎng)所需要的射頻功能。
參考文獻(xiàn)
[1] 池保勇，余志平，石秉學(xué).CMOS射頻集成電路分析與設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.
[2] LEE T H.The design of CMOS radio-frequency inegrated circuits[M].Seconde Edition，Cambridge University Press，2006.
[3] RAZAVI B.RF microelectronics[M].Second Edition，Prentice Hall，2011.
[4] Li Wenyuan，Tan Yulong.2.4 GHz power amplifier with adaptive Bias circuit[C].2012 International Conference on Systems and Informatics(ICSAI 2012)，2012：1402-1406.
[5] 王寧章，高雅，寧吉，等.3 GHz～5 GHz超寬帶噪聲系數(shù)穩(wěn)定的低噪聲放大器[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39(7)：31-34.
[6] SHAEFFER D K，LEE T H.A 1.5-V，1.5-GHz CMOS low noise amplifier[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，1997，32(5)：745-759.
[7] RAZAVI B.A 2.4 GHz CMOS receiver for IEEE 802.11 wireless LAN′s[J].IEEE J.Solid-State Circuit，1999，34(10)：1382-1385.