射频接收装置的制作方法

本发明涉及一种应用于无线局域网物理层中的射频信号接收装置，用于在无线通信系统的射频信号接收。

背景技术：

WLAN技术可以在空中传输数据、语音和视频信号,使得原先的有线网络所遇到的难题迎刃而解，现今,无线局域网室内数据传输可以达到数十米到几百米范围,而在室外也可以传输几十公里的距离。从WLAN的应用价值和前景来看,应用于无线局域网物理层中的射频接收集成电路也具有巨大的应用前景。现今的无线通信射频接收机系统要求在保证极高灵敏度的前提下,尽可能提高接收机的线性度,以使系统的输出信号失真最小,误码率(BitErrorRate,BER)最低。那么实现低成本、高性能的无线射频接收机终端是一项具有挑战意义的工作。

以往通常使用GaAs工艺制作射频接收集成电路,主要原因是这种工艺具有工作频率高、噪声低等优点。然而GaAs工艺成本较高，且GaAs为半导体化合物，性质不够稳定，在温度较高时可能会发生分解。随着近年来CMOS工艺的不断进步，采用CMOS工艺设计射频前端接收电路已成为可能。

随着近年来CMOS工艺的不断进步,CMOS的频率特性和噪声特性逐步得到改善,CMOS工艺还具有成本低、面积小、性能高等优势同时CMOS工艺制作的射频电路易于和数字信号处理基带电路相兼容,符合片上系统(SystemonChip,SOC)的发展的趋势。本发明基于TSMC0.18um CMOS工艺设计了符合IEEE802.lla标准的射频前端接收机电路。

技术实现要素：

本发明针对IEEE802.lla标准提出了一套完整的射频接收机整体设计流程,确定了接收机所采用的结构,并在此基础上,设计了接收机中各个模块的电路。在无线通信设备中能够有效接收射频信号，同时能够降低设计成本，提高接收精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

采用有源CMOS结构设计了LNA（低噪声放大器），并对LNA中螺旋电感的版图设计提出了一种新颖的优化方法，与使用原有设计方法测出的电感的Q值相比,经过优化的5.7GHz电感的Q值可改进到5到8。采用以吉尔伯特单元为核心设计了混频器，大大提高了整个混频器的线性度。采用新颖的十二个差分对组合的方式设计了AGC（自动增益控制模块），设计的AGC动态范围达到了54dB,增益步长1.7dB,达到了系统的要求。传统的射频接收机通常采用流水线型ADC（数字转换器）,但是功耗和面积都较大,而且这种结构的ADC采用CMOS工艺设计尚不成熟。本发明采用Sigma-delta调制器结构设计了ADC。Sigma-delta结构的ADC在几十KHZ的带宽内可以达到很高的精度。

所述的LNA（低噪声放大器）采用共源共栅结构,电流源和M3为晶体管M1提供偏置电压,较大阻值的R隔离M3支路的噪声,其值为25K欧。电感L1和L2作为输入晶体管M1的栅、源电感实现输入阻抗匹配。电感 和电容组成的谐振网络作为LNA的输出负载,形成信号的谐振频率。而且将电感采用低电阻系数硅衬底和0.18um 互连工艺技术,得出一组工作在5到6GHz的电感,通过优化版图结构,改进电感的Q值。

所述的混频器电路包括输入缓冲级、开关级和吉尔伯特混频器级三部分,其中晶体管M6、M9工作在开关状态,因此称为开关级。其它两大部分组成分别是本振缓冲级和混频器核心模块。本振缓冲级采用了电流复用技术,包括共源级电路和共栅级电路复用偏置电流,以提高输出幅度。晶体管M10和Mll构成跨导级,其作用是将输入射频电压信号转换成电流信号；晶体管M6、M7、M8、M9、构成开关级,作用是实现频率的转换,即利用幅值较大的本振信号作为开关控制信号加在晶体管的栅极上,通过交替导通晶体管实现混频功能；电阻R3作为负载级,将电流信号转化为中频电压信号。另外,晶体管M12提供混频器偏置电流,电容C4滤除偏置电压的干扰信号,射频共模信号(RFcm)为跨导级晶体管提供偏置电压,电阻RS用来隔离噪声信号,并且防止射频输入信号(RFin)干扰偏置电路;共模电平Vcm为开关级晶体管提供偏置电压,电阻R4的作用类似于电阻R5,防止本振信号干扰偏置电路；电容C3主要起滤波作用,滤除混频器产生的“和”频信号及其谐波。

所述的中频滤波器采用有源偏置拓扑结构,这种结构的电源电压比较低。负跨导作为高输出阻抗的负载。差分对M3、M4、M5、M6作为电流源提供电流而不是采用通过控制Mb的栅极来产生电流。两对晶体管都使用相同的偏置电流源。当信号幅值较小时,晶体管M3和M4在饱和区,而M5和M6在三极管区。M3、M4、M5、M6也分取偏置电流。当输入信号为正且幅值较大时,M6进入饱和区,M5截止。M3、M4、M5、M6流过的电流降低,这也就是说流过Ml和M2的电流较大进而补偿跨导gm的下降。至此,有源偏置完成了线性化跨导的过程。

所述的AGC(自动增益控制)设计采用简单而高性能的差分对级联结构,由12个差分对组成,分为3个部分,每个差分对实现特定的增益,由数字基带提供控制位,从而使得增益组合达到接收机所需的增益。AGC的第一级记作AGCS,由控制位中的最高位MSB,即B5来决定。其后两级分别记作AGC4/3和AGC2/1,分别由B4,B3和B2,B1来决定。每级都由4个差分对组成,每个差分以电阻做负载,而作为第一级,需要实现稍微较大的增益,因此只有一个控制位。开关管M9、M10、M11分别受B5和控制来决定其对应差分对是否工作。

本发明的有益效果是：系统级地设计了射频接收机的各个模块，电路结构较为简单，降低成本的同时保证信号接收精度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是发明LNA低噪声放大器的结构示意图。

图2是发明中螺旋电感结构示意图。

图3是发明中低通滤波器中跨导单元结构示意图。

图4是发明中AGC模块结构示意图。

图5是本发明中AGC第一级结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，偏置电流源与电感，电容,MOS管栅极同时接到电源VDD，其中电感和电容并联之后引出输出电压，MOS管M2、M1与电感L2串联后接地，其中M2栅极接VDD，M3漏极、源极接偏置电流源的输出端，其源极接地，输入信号Vin接电感L1后，输出到M1的栅极，M1与M3的栅极之间接入电阻R3。

如图2所示，螺旋电感位于六个互连金属层的最顶层,采用0.18um铜互连工艺制造。线圈的厚度为2.5um。线圈和硅之间是层,作为金属第一层到金属第五层和的互连层,除了金属第六层,其他金属层的厚度为0.5um,通孔的厚度0.18um。线圈下的层的厚度为6.5um。在螺旋电感上的钝化层是一层0.3um厚的。

如图4所示，差分对M3、M4、M5、M6作为电流源提供电流。两对晶体管都使用相同的偏置电流源。当信号幅值较小时,晶体管M3和M4在饱和区,而M5和M6在三极管区。跨导单元采用对称结构，其中M8与M9呈对称反接并联，M8的漏极与M9的源极相连，M9栅极与M11栅极相连，M8的源极与M9漏极相连后输出给M10的栅极，M10、M11对称反接并联，同时引出输出电压Vout。M3、M5相互串联，M3与M1共栅极，M5与M2共栅极，M1漏极接M8的源极，M2漏极接M10的源极，M1源极接M5源极然后接M7漏极，M2、M4、M6连接关系同M1、M3、M5，M7源极接地。

如图5所示，AGC的第一级记作AGC5,由控制位中的最高位MSB,即B5来决定。其后两级分别记作AGC4/3和AGC2/1,分别由B4、B3和B2、B1来决定，每级都由4个差分对组成,每个差分以电阻做负载，其中每一级的电路结构相同，也呈对称结构。

两个R1接入ADD，然后输出到M1、M2、M3、M4的漏极和电容C2，M1、M2共源极输出给M9，M9与M13串联，M9的源极接入M13的漏极，M13源极接地，M9与M11共栅极，M10与M12共栅极，M13、M14、M15、M16共栅极、源极且源极接地。两个R2接入ADD，然后输出到M5、M6、M7、M8的漏极，M5、M6共源极输出给M11，M11与M15串联。