5GHz WLAN CMOS正交下变频电路设计

　　本文介绍了基于0.18μm CMOS工艺的802.11a无线局域网1GHz频段正交下变频电路的设计方法。该设计采用源级退化和电流注入的方法对传统的吉尔伯特混频单元进行改进，实现了高性能下变频器。模拟结果表明，下变频器的1dB压缩点为－6.6Bm，三阶截点（IIP3）为3.64dBm，50Ω负载输出增益为2.8dB，噪声系数为23dB。

　　随着手提电脑等便携式设备应用的日益增长，传统的有线局域网络已经不能满足人们对移动通信的要求，无线局域网（WLAN）以其移动性、灵活的组网方式和高速率的数据传输等特性，使我们原来必须在网络物理连接的前提下才可能使用网络的限制被打破。无线局域网正在成为人们无线接入互联网的主要方式，其低成本、高效率和易于部署等特点使它在近年得到了迅速增长。

　　无线局域网市场的增长促进了射频集成电路工艺技术的发展。CMOS工艺以其诸多优点正逐步成为射频集成电路设计的首选工艺，采用CMOS工艺设计运用于无线局域网络的单片集成收发机电路有着广阔的市场前景。本文介绍的1GHz频段正交下变频电路正是无线局域网接收电路中的关键电路之一。整个设计在台积电（TSMC）的0.18μm CMOS工艺的基础上进行，目前已经完成了电路的仿真。

　　接收机的系统结构

　　一般应用于无线局域网的收发机结构主要有二次变频结构、零中频结构、低中频结构和高中频结构四种。每种结构的收发机有其各自的优缺点，本文设计的下变频器应用于二次变频结构的接收机中，接收机的系统框图如图1所示。在接收机中，信号经过天线接收后通过选频网络，再经过低噪声放大器（LNA）放大，滤波后直接提供给第一级本振信号为4GHz的混频器，将频率为5GHz的接收信号下变频到1GHz。之后，信号分别通过两个输入本振同为1GHz但相位差为90o的正交下变频器解调，变为零中频信号，再通过低通滤波器滤波和自动增益控制放大器放大，最终信号提供给基带芯片完成基带部分的处理。

　　下变频器的设计特点分析

　　本文介绍的下变频器是系统中把1GHz信号转化为两个零中频信号的电路，它由两个结构相同的混频器构成，见图1虚框部分。从系统分析可知，由于混频器处在接收机的后端，因此需要很高的线性度，这是整个下变频器设计的重点。由于整个接收机要求很高的信噪比，所以我们希望下变频器的噪声系数尽量小。再者，由于后级电路的噪声系数和前级的增益有关，因此需要下变频器提供一定的增益来减小后续电路噪声对系统噪声的影响。在设计接收机系统时，还需要考虑下变频器和前级电路的阻抗匹配。因此，设计一个理想的下变频器具有很大的挑战，它需要对增益、线性度、噪声系数、供电电压、功耗等各个因数进行综合考虑才能得到一个最优化的结果。

　　根据电路设计及实现工艺的要求，我们可以应用的混频器结构有很多，如单平衡开关混频器、亚采样混频器、双平衡线性区混频器、双栅有源混频器等，每种电路结构都有其自身的特点。目前，在射频接收机中运用最多的还是吉尔伯特混频器结构单元，它具有很好的端口隔离度和较低的噪声系数，且能提供较大的混频增益。吉尔伯特结构混频器的基本结构如图2所示。本振信号从M1、M2、M3和M4的栅极输入，MOS管工作在开关状态。射频信号从M5和M6的栅极输入，MOS管工作在饱和区，将射频电压信号转化为电流信号，零中频信号从负载电阻的两端转化成电压信号差分输出。

　　优化的混频器结构

　　由接收机的系统结构可知，当射频信号经低噪声放大器再经一次变频增益后，输出的信号已经有较大的功率，再输入到下变频器，为了保证信号的不失真并使整机有较高的信噪比，就要使下变频器有很高的线性度，同时又要确保下变频器具有一定的增益。此时，传统的吉尔伯特混频器结构已经不能满足要求，为此我们需要采用优化的吉尔伯特混频器。

　　a. 源级退化

　　为了提高混频器的线性度，简单的方法是增大混频器的工作电源电压或增大工作电流。然而，当前的芯片设计特别是应用于便携式设备的芯片设计都是朝着低电压、低功耗的方向发展，简单依靠增大工作电压和工作电流的设计方法没有多大的实际意义。因而上述的两种方法在设计中都不宜采用，而现在最常用和最有效提高线性度的方法是采用源级退化（Source Degeneration）。如图3中标号为1所示，通过在M5和M6的源级增加阻抗Zs来达到增加线性度的目的。

在设计时一般会建议采用电感来形成阻抗Zs构成源级退化，因为理想的电感不存在热噪声，因而不会增加混频器的噪声系数，而且电感没有直流压降，这就增加了混频器的净空电压以及线性度。但采用电感也有它的不足之处：首先，电感的阻抗Zs和工作的频率有