0.18μm CMOS工艺5GHz WLAN低噪声放大器和下变频器的设计

论文摘要

随着科学技术的进步和人们生活工作方式的转变,人们对互联网络的依赖和要求越来越高,传统局域网络已经不能满足人们对网络灵活性的需求,无线局域网(WLAN)应运而生。无线局域网的可移动性、灵活组网等特点,使得我们原来必须在有固定网络基础设施的前提下才可能使用网络的限制被打破。无线局域网最直观的应用就是可以替代现有的有线以太网。无线局域网的诸多优点使其应用领域不断扩展。无线局域网正在逐渐成为人们最经常使用的互联网接入方式。本论文主要是基于0.18μm CMOS工艺设计用于IEEE802.11a标准的5GHz无线局域网接收机射频前端电路模块,包括低噪声放大器(LNA)和下变频混频器(Down Converte Mixer)电路设计。低噪声放大器是射频接收机前端的主要部分,将天线输入的微弱信号进行放大,其噪声系数非常小,并且具有一定的增益,可以大大降低系统后面各级的噪声对接收信号的影响。混频器是无线收发机的重要组成部分。接收机中的混频器一般为下变频器,它位于低噪声放大器之后,将接收到的射频信号搬移到中频上。本论文首先介绍了无线局域网发展状况和各种无线局域网标准,重点介绍了5GHz频段的IEEE 802.11a标准,分析了各种射频接收机的基本结构及性能参数,并介绍了它们的使用范围和优缺点,提出了本文设计的LNA和Mixer基于的接收机结构。本文设计的低噪声放大器采用差分共源共栅源极电感退化结构,通过功率约束的噪声优化确定各个器件的参数,输出端采用抽头电容谐振回路进行输出匹配,设计达到了线性度、增益和噪声等方面的要求,最后给出了电路的软件仿真结果及芯片版图。本文最后在分析了不同混频器的基本原理和电路结构的基础上,重点研究了有源双平衡Gilbert混频器,详细分析了Gilbert混频器的噪声来源。本文设计的Gilbert混频器通过使用源极反馈电感进行输入匹配和LC谐振回路作为尾流,并在中频和本振端口使用了L型网络进行阻抗匹配,使混频器达到了较好的性能。最后给出了所设计的混频器电路的仿真结果和芯片版图。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.1.1 无线局域网发展现状
• 1.1.2 射频集成电路研究现状
• 1.1.3 选题意义
• 1.2 无线局域网标准
• 1.2.1 各种无线局域网标准
• 1.2.2 IEEE 802.11a 标准介绍
• 1.2.3 IEEE 802.11a 标准的特点
• 1.3 无线局域网的相关概念
• 1.4 无线局域网的应用
• 1.5 本论文的主要工作
• 第2章 射频接收机
• 2.1 射频接收机结构
• 2.1.1 超外差结构
• 2.1.2 直接变频结构
• 2.1.3 宽中频结构
• 2.1.4 低中频结构
• 2.1.5 数字中频结构
• 2.1.6 亚采样体系结构
• 2.2 接收机性能参数
• 2.2.1 系统噪声
• 2.2.2 灵敏度
• 2.2.3 动态范围
• 2.2.4 选择性和线性度
• 2.2.5 中频抑制和镜像抑制
• 2.3 接收机前端模块设计
• 2.4 本章小结
• 第3章 低噪声放大器的设计
• 3.1 噪声分析理论
• 3.1.1 噪声分类
• 3.1.2 噪声系数和噪声温度
• 3.1.3 二端口网络噪声理论
• 3.2 MOSFET 的噪声模型
• 3.2.1 MOSFET 的热噪声
• 3.2.2 MOSFET 的闪烁噪声
• 3.2.3 MOSFET 的噪声模型
• 3.3 低噪声放大器的性能指标
• 3.3.1 功耗
• 3.3.2 工作频率
• 3.3.3 噪声系数
• 3.3.4 增益
• 3.3.5 LNA 输入阻抗匹配
• 3.3.6 线性范围
• 3.3.7 隔离度与稳定性
• 3.4 低噪声放大器电路结构选择
• 3.5 低噪声放大器优化设计
• 3.5.1 LNA 的设计步骤
• 3.5.2 工艺选择
• 3.5.3 功率约束的噪声优化
• 3.5.4 输入输出匹配
• 3.5.5 仿真结果
• 3.6 版图设计
• 3.6.1 版图设计考虑
• 3.6.2 无源器件的实现
• 3.6.3 LNA 版图
• 3.7 本章小结
• 第4章 混频器设计
• 4.1 混频器基础
• 4.1.1 混频器原理
• 4.1.2 混频器性能参数
• 4.2 混频器分类
• 4.2.1 无源混频器
• 4.2.2 有源混频器
• 4.3 提高有源混频器线性度
• 4.3.1 源极退化技术
• 4.3.2 分段近似线性技术
• 4.3.3 四管交叉正反馈技术
• 4.3.4 共栅补偿线性技术
• 4.3.5 负反馈技术
• 4.3.6 共栅放大技术
• 4.4 有源CMOS GILBERT 混频器分析
• 4.4.1 Gilbert 混频器工作原理
• 4.4.2 Gilbert 混频器噪声分析
• 4.5 混频器电路设计
• 4.5.1 设计考虑
• 4.5.2 模拟优化
• 4.6 版图设计
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录
• 致谢