本發(fā)明涉及一種應用于無線局域網(wǎng)物理層中的射頻信號接收裝置，用于在無線通信系統(tǒng)的射頻信號接收。

背景技術：

WLAN技術可以在空中傳輸數(shù)據(jù)、語音和視頻信號,使得原先的有線網(wǎng)絡所遇到的難題迎刃而解，現(xiàn)今,無線局域網(wǎng)室內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸可以達到數(shù)十米到幾百米范圍,而在室外也可以傳輸幾十公里的距離。從WLAN的應用價值和前景來看,應用于無線局域網(wǎng)物理層中的射頻接收集成電路也具有巨大的應用前景?，F(xiàn)今的無線通信射頻接收機系統(tǒng)要求在保證極高靈敏度的前提下,盡可能提高接收機的線性度,以使系統(tǒng)的輸出信號失真最小,誤碼率(BitErrorRate,BER)最低。那么實現(xiàn)低成本、高性能的無線射頻接收機終端是一項具有挑戰(zhàn)意義的工作。

以往通常使用GaAs工藝制作射頻接收集成電路,主要原因是這種工藝具有工作頻率高、噪聲低等優(yōu)點。然而GaAs工藝成本較高，且GaAs為半導體化合物，性質(zhì)不夠穩(wěn)定，在溫度較高時可能會發(fā)生分解。隨著近年來CMOS工藝的不斷進步，采用CMOS工藝設計射頻前端接收電路已成為可能。

隨著近年來CMOS工藝的不斷進步,CMOS的頻率特性和噪聲特性逐步得到改善,CMOS工藝還具有成本低、面積小、性能高等優(yōu)勢同時CMOS工藝制作的射頻電路易于和數(shù)字信號處理基帶電路相兼容,符合片上系統(tǒng)(SystemonChip,SOC)的發(fā)展的趨勢。本發(fā)明基于TSMC0.18um CMOS工藝設計了符合IEEE802.lla標準的射頻前端接收機電路。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對IEEE802.lla標準提出了一套完整的射頻接收機整體設計流程,確定了接收機所采用的結(jié)構(gòu),并在此基礎上,設計了接收機中各個模塊的電路。在無線通信設備中能夠有效接收射頻信號，同時能夠降低設計成本，提高接收精度。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：

采用有源CMOS結(jié)構(gòu)設計了LNA（低噪聲放大器），并對LNA中螺旋電感的版圖設計提出了一種新穎的優(yōu)化方法，與使用原有設計方法測出的電感的Q值相比,經(jīng)過優(yōu)化的5.7GHz電感的Q值可改進到5到8。采用以吉爾伯特單元為核心設計了混頻器，大大提高了整個混頻器的線性度。采用新穎的十二個差分對組合的方式設計了AGC（自動增益控制模塊），設計的AGC動態(tài)范圍達到了54dB,增益步長1.7dB,達到了系統(tǒng)的要求。傳統(tǒng)的射頻接收機通常采用流水線型ADC（數(shù)字轉(zhuǎn)換器）,但是功耗和面積都較大,而且這種結(jié)構(gòu)的ADC采用CMOS工藝設計尚不成熟。本發(fā)明采用Sigma-delta調(diào)制器結(jié)構(gòu)設計了ADC。Sigma-delta結(jié)構(gòu)的ADC在幾十KHZ的帶寬內(nèi)可以達到很高的精度。

所述的LNA（低噪聲放大器）采用共源共柵結(jié)構(gòu),電流源和M3為晶體管M1提供偏置電壓,較大阻值的R隔離M3支路的噪聲,其值為25K歐。電感L1和L2作為輸入晶體管M1的柵、源電感實現(xiàn)輸入阻抗匹配。電感 和電容組成的諧振網(wǎng)絡作為LNA的輸出負載,形成信號的諧振頻率。而且將電感采用低電阻系數(shù)硅襯底和0.18um 互連工藝技術,得出一組工作在5到6GHz的電感,通過優(yōu)化版圖結(jié)構(gòu),改進電感的Q值。

所述的混頻器電路包括輸入緩沖級、開關級和吉爾伯特混頻器級三部分,其中晶體管M6、M9工作在開關狀態(tài),因此稱為開關級。其它兩大部分組成分別是本振緩沖級和混頻器核心模塊。本振緩沖級采用了電流復用技術,包括共源級電路和共柵級電路復用偏置電流,以提高輸出幅度。晶體管M10和Mll構(gòu)成跨導級,其作用是將輸入射頻電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號；晶體管M6、M7、M8、M9、構(gòu)成開關級,作用是實現(xiàn)頻率的轉(zhuǎn)換,即利用幅值較大的本振信號作為開關控制信號加在晶體管的柵極上,通過交替導通晶體管實現(xiàn)混頻功能；電阻R3作為負載級,將電流信號轉(zhuǎn)化為中頻電壓信號。另外,晶體管M12提供混頻器偏置電流,電容C4濾除偏置電壓的干擾信號,射頻共模信號(RFcm)為跨導級晶體管提供偏置電壓,電阻RS用來隔離噪聲信號,并且防止射頻輸入信號(RFin)干擾偏置電路;共模電平Vcm為開關級晶體管提供偏置電壓,電阻R4的作用類似于電阻R5,防止本振信號干擾偏置電路；電容C3主要起濾波作用,濾除混頻器產(chǎn)生的“和”頻信號及其諧波。

所述的中頻濾波器采用有源偏置拓撲結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)的電源電壓比較低。負跨導作為高輸出阻抗的負載。差分對M3、M4、M5、M6作為電流源提供電流而不是采用通過控制Mb的柵極來產(chǎn)生電流。兩對晶體管都使用相同的偏置電流源。當信號幅值較小時,晶體管M3和M4在飽和區(qū),而M5和M6在三極管區(qū)。M3、M4、M5、M6也分取偏置電流。當輸入信號為正且幅值較大時,M6進入飽和區(qū),M5截止。M3、M4、M5、M6流過的電流降低,這也就是說流過Ml和M2的電流較大進而補償跨導gm的下降。至此,有源偏置完成了線性化跨導的過程。

所述的AGC(自動增益控制)設計采用簡單而高性能的差分對級聯(lián)結(jié)構(gòu),由12個差分對組成,分為3個部分,每個差分對實現(xiàn)特定的增益,由數(shù)字基帶提供控制位,從而使得增益組合達到接收機所需的增益。AGC的第一級記作AGCS,由控制位中的最高位MSB,即B5來決定。其后兩級分別記作AGC4/3和AGC2/1,分別由B4,B3和B2,B1來決定。每級都由4個差分對組成,每個差分以電阻做負載,而作為第一級,需要實現(xiàn)稍微較大的增益,因此只有一個控制位。開關管M9、M10、M11分別受B5和控制來決定其對應差分對是否工作。

本發(fā)明的有益效果是：系統(tǒng)級地設計了射頻接收機的各個模塊，電路結(jié)構(gòu)較為簡單，降低成本的同時保證信號接收精度。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。

圖1是發(fā)明LNA低噪聲放大器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是發(fā)明中螺旋電感結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是發(fā)明中低通濾波器中跨導單元結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是發(fā)明中AGC模塊結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是本發(fā)明中AGC第一級結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

如圖1所示，偏置電流源與電感，電容,MOS管柵極同時接到電源VDD，其中電感和電容并聯(lián)之后引出輸出電壓，MOS管M2、M1與電感L2串聯(lián)后接地，其中M2柵極接VDD，M3漏極、源極接偏置電流源的輸出端，其源極接地，輸入信號Vin接電感L1后，輸出到M1的柵極，M1與M3的柵極之間接入電阻R3。

如圖2所示，螺旋電感位于六個互連金屬層的最頂層,采用0.18um銅互連工藝制造。線圈的厚度為2.5um。線圈和硅之間是層,作為金屬第一層到金屬第五層和的互連層,除了金屬第六層,其他金屬層的厚度為0.5um,通孔的厚度0.18um。線圈下的層的厚度為6.5um。在螺旋電感上的鈍化層是一層0.3um厚的。

如圖4所示，差分對M3、M4、M5、M6作為電流源提供電流。兩對晶體管都使用相同的偏置電流源。當信號幅值較小時,晶體管M3和M4在飽和區(qū),而M5和M6在三極管區(qū)。跨導單元采用對稱結(jié)構(gòu)，其中M8與M9呈對稱反接并聯(lián)，M8的漏極與M9的源極相連，M9柵極與M11柵極相連，M8的源極與M9漏極相連后輸出給M10的柵極，M10、M11對稱反接并聯(lián)，同時引出輸出電壓Vout。M3、M5相互串聯(lián)，M3與M1共柵極，M5與M2共柵極，M1漏極接M8的源極，M2漏極接M10的源極，M1源極接M5源極然后接M7漏極，M2、M4、M6連接關系同M1、M3、M5，M7源極接地。

如圖5所示，AGC的第一級記作AGC5,由控制位中的最高位MSB,即B5來決定。其后兩級分別記作AGC4/3和AGC2/1,分別由B4、B3和B2、B1來決定，每級都由4個差分對組成,每個差分以電阻做負載，其中每一級的電路結(jié)構(gòu)相同，也呈對稱結(jié)構(gòu)。

兩個R1接入ADD，然后輸出到M1、M2、M3、M4的漏極和電容C2，M1、M2共源極輸出給M9，M9與M13串聯(lián)，M9的源極接入M13的漏極，M13源極接地，M9與M11共柵極，M10與M12共柵極，M13、M14、M15、M16共柵極、源極且源極接地。兩個R2接入ADD，然后輸出到M5、M6、M7、M8的漏極，M5、M6共源極輸出給M11，M11與M15串聯(lián)。