应用于WSN的2.4GHz低功耗低噪声放大器设计

摘要

无线传感网(WSN，Wireless Sensor Network)以其低成本的先期建设、灵活而广泛的应用范围和可观的应用前景而备受关注。随着微电子技术的不断发展，高集成度、低成本的CMOS无线射频收发机芯片已经越来越多的应用于工业以及人们日常生活的电子设备中，市场潜力巨大。本文对2.4GHz无线传感网低功耗射频接收系统中的关键模块低噪声放大器(LNA，Low Noise Amplifier)展开研究，并针对无线传感网应用需求，采用0.18μm RF CMOS工艺设计了一款低噪声放大器。
　　论文分析了不同结构低噪声放大器的设计方法，选取输入端宽带匹配的共栅结构应用于LNA设计，同时使用了低功耗LNA的设计技术，包括交叉耦合、负载正反馈等构成的增益增强技术，并采用亚阈值区技术以进一步降低功耗。本文详细描述了基于0.18μm RF CMOS工艺的LNA电路设计过程，包括LNA的主体电路结构、输入输出匹配、增益增强及噪声优化技术以及增益控制等。给出了电路前仿真结果与分析、版图设计关键点和后仿真结果与分析。后仿真结果表明，在典型工艺角及室温条件下，LNA具有15dB和0dB两档增益，在15dB增益下，噪声系数在4.65～4.85dB内变化，S11在-20～-18.85dB内变化，S22在-22～-11.3dB内变化;在0dB增益下，输入1dB压缩点为-15.7dBm，S11在-27.0～--26.1dB内变化，S22在-13.4～-13.28dB内变化;在1.8V电源电压下工作电流约为0.54mA。性能满足设计指标要求。
　　本文设计的LNA模块经过进一步优化和流片验证后，可以应用于WSN射频芯片中。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景

1．1．1 无线传感器网络应用背景

1．1．2 射频前端系统

1．1．3 低噪声放大器

1．1．4 工艺实现

1．1．5 芯片设计平台

1．2 设计指标

1．3 论文组织与内容安排

第二章 低噪声放大器设计的基础

2．1 MOS管工作原理及噪声模型

2．1．1 MOS管基本工作的原理及工作的范围

2．1．2 MOS管工作区域

2．1．3 MOS管噪声模型

2．2 低噪声放大器性能参数

2．2．1 S参数及其在低噪声放大器中应用

2．2．2 低噪声放大器的噪声

2．2．3 低噪声放大器的非线性

2．2．4 低噪声放大器的稳定性

2．3 本章小结

第三章 低功耗低噪声放大器设计

3．1 低噪声放大器结构分析

3．1．1 共栅放大结构

3．1．2 共源共栅结构

3．1．3 电流复用共源共栅结构

3．2 设计考虑

3．2．1 低噪声放大器结构选择

3．2．2 静电防护

3．3 低功耗低噪声放大器结构设计

3．3．1 级联共栅结构

3．3．2 交叉耦合结构

3．3．3 亚阈值区偏置技术

3．3．4 低功耗低噪声放大器结构设计

3．4 本章小结

第四章 低噪声放大器前仿真

4．1 低噪声放大器设计流程

4．2 低噪声放大器前仿真结果

4．2．1 常温TT工艺角下的前仿真结果

4．2．2 芯片工艺角及蒙特卡罗仿真简介

4．2．3 前仿真结果蒙特卡罗分析

4．3 本章小节

第五章 低噪声放大器版图设计及后仿真

5．1 低噪声放大器版图设计

5．1．1 版图设计的考虑因素

5．1．2 版图设计

5．2 低噪声放大器后仿真

5．2．1 常温TT工艺角下的后仿真结果

5．2．2 后仿真结果蒙特卡罗分析

5．3 低噪声放大器的优值

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文目录

致谢