無線局域網(wǎng)(WLAN)連接技術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)機射頻前端的技術要求，設計了一個高性能的應用于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，芯片測試結果良好。
1 電路設計
1.1 射頻前端的結構
    一般WLAN射頻系統(tǒng)模擬信號部分架構如圖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)轉換和隔離。天線共用器可以是一個開關[3]。
    本文完成的是LNA部分原理圖和版圖的設計，并最終集成了LNA、PA以及開關部分，構成無線局域網(wǎng)的射頻前端。
1.2 低噪聲放大器電路的設計
    在LNA的設計過程中，采用限定功耗的設計方法，在傳統(tǒng)源極電感負反饋電路結構的基礎上來設計電路[1-2，4]。采用鏡像電路偏置，L結構做輸入/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結構完成設計，結構簡單，使用器件較少，避免引入較多的噪聲，而且便于集成。本設計電路結構如圖2所示。

    M1為輸入管，與Lg和LS共同構成輸入端源級電感負反饋匹配網(wǎng)絡。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?，再通過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構成簡單鏡像偏置電路，MOS管M3與輸入放大管M1構成電流鏡結構, 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]，因此其噪聲應當盡可能小。由圖3可見，在2.4 GHz頻率處，LNA的噪聲系數(shù)約為1.7 dB，具有相當理想的性能。

2.3 穩(wěn)定性
    射頻電路的設計過程中，在工作頻段內(nèi)，放大器應處于絕對穩(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，導致其后的設計都無法進行。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。

    本電路結構在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計，還需要進行版圖設計。版圖是聯(lián)系IC設計與IC制造的紐帶,通過版圖設計,可將設計好的電路系統(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，形成一種立體結構,此結構即為芯片。本次低噪聲放大器版圖設計使用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，重新調整了版圖。版圖設計中要盡量緊湊,但是過分緊湊容易引起很多不必要的寄生效應,這在射頻集成電路設計中更明顯，所以要做折衷處理。
    在電路和版圖設計中，采用多種電路[4，7]和版圖設計技巧優(yōu)化了電路的結構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)開關電路，實現(xiàn)了無線局域網(wǎng)所需要的射頻功能。
    用網(wǎng)絡分析儀進行測試，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。

    本設計采用了單端共源共柵結構，利用SMIC 0.18 ?滋m CMOS工藝，實現(xiàn)了應用于無線局域網(wǎng)的2.4 GHz CMOS低噪聲放大器的設計,同時調整LNA的輸入/輸出匹配等電路結構。從仿真的結果看，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以及控制開關組成射頻前端并進行了流片。芯片測試結果良好，實現(xiàn)了當前無線局域網(wǎng)所需要的射頻功能。
參考文獻
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