WSN射频收发芯片中低电压低功耗射频前端电路设计

论文总字数：21847字

摘 要

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，简称WSN)是一种由传感器节点组成的无线网络，广泛应用于工业、农业、军事国防等领域。研究应用于WSN的射频收发机芯片具有重要意义。

本文采用TSMC 0.18µm RF CMOS工艺设计了应用于WSN收发芯片的射频前端模块。该模块主要由噪声放大器（LNA）和正交下变频混频器（Mixer）组成，采用了交叉耦合和电流服用等低功耗技术。仿真结果表明，该电路可以达到最大电压增益20dB，噪声系数（高档增益）小于13dB，输入1dB压缩点（低档增益）大于-20dBm等各项指标，经测试，均满足本课题设计指标的要求。

由各项指标的仿真结果可以得到，该射频前端电路可以应用于WSN射频收发芯片当中。

关键词：WSN，射频前端，低电压，低功耗，低噪声放大器，混频器，交叉耦合，电流复用

A Design of Low Voltage And Low Power RF Front-end Circuit For WSN RF Transceiver Chip

Abstract

Wireless Senor Network (WSN) is a wireless network composed of senor nodes with a wide application used in industry, agriculture, military affairs and so on. There is a great significance to research and design transceiver chip in WSN system.

A design of RF receiver front-end module based on TSMC 0.18µm RF CMOS process for WSN transceiver chip is presented. It is comprised of a LNA and a quadrature down-conversion mixer, low-power techniques such as cross coupling and stacking have been adopted. The simulation results indicate that the circuit achieve the maximum voltage gain of 20dB, noise figure less than 13dB, compression point of 1dB more than -20dBm.Meanwhile, through the test, all the design index can reach the requirements.

From the simulation results of the indicators, the RF front-end circuit can be used in the WSN RF transceiver chip.

KEY WORDS: WSN, RF front-end receiver, low-power, low-voltage, LNA, Mixer, cross coupling, current reuse.

目录

摘要 1

Abstract 2

第1章 绪论 4

1.1 无线传感器网络简介 4

1.2 WSN射频收发芯片的研究现状 4

1.3 研究内容及设计指标 5

1.4 论文组织 6

第2章 接收射频前端理论基础 7

2.1 接收机结构 7

2.1.1 超外差结构 7

2.1.2 零中频结构 8

2.1.3 二次变频宽或低中频结构 8

2.2 低噪声放大器(LNA) 8

2.2.1 低噪声放大器的主要性能指标 9

2.2.2 常用低噪声放大器结构 11

2.2.3 低功耗技术 14

2.3 混频器 17

2.3.1 混频器的性能指标 18

2.3.2 常用混频器结构 20

2.4 本章小结 23

第3章 低电压低功耗射频前端设计 25

3.1 低噪声放大器的设计 25

3.2 混频器设计 27

3.3 系统增益调节功能设计 30

3.4 电路设计 32

3.5 射频前端仿真结果分析 33

3.5.1 电压增益仿真 33

3.5.2 噪声系数仿真 34

3.5.3 输入匹配仿真 35

3.5.4 输入1dB压缩点仿真 36

3.5.5 瞬态仿真 36

3.5.6 工艺角及温度仿真 37

3.6 本章小结 39

第4章 总结与展望 40

4.1 工作总结 40

4.2 工作展望 40

参考文献 41

致 谢 42

1. 绪论
2. 无线传感器网络简介

无线传感网络是一种由传感器节点构成的网络，通过集成传感器、微机电系统(MEMS)和网络等三大技术，形成新的信息获取和处理技术。无线传感器网络可应用于广泛的领域内，从而实现了复杂的检测以及追踪任务。随着无线通讯技术的飞速发展与广泛应用,传感测试技术迈向了多功能化、微型化、智能化和无线化的方向。

无线传感器网络节点由传感器模块，处理器模块，无线通讯模块和电源模块组成。一般来说，处理器模块和通讯模块中的电源消耗会做深入的研究，因此，在节点传感器模块的电源消耗需要被设计的非常低。在一些典型的节点中，电池输出的稳定性需要低压差稳压器来保持，但很多国家都用电池来直接供电。虽然相同的节点使用的处理器和通讯模块具有很广电源电压范围，但是电源电压对处理性能却有巨大影响，人们很少考虑到在无线传感器网络节点的电源设计。

随着无线移动终端小型化、轻便化，低电压低功耗应用已变得越来越重要。无线传感器网络的特点之一就是能量受限。因为传感器网络大多都是在户外使用，一般情况下，安装完毕后就不再干预，节点不容易再去更换电池，只能依靠电池来供电。因此，实现超低功耗是维持工作时间的重要措施。

1. WSN射频收发芯片的研究现状

无线传感器网络在国际上受到的关注越来越多，它包括了传感器技术、分布式信息处理技术、现代网络及无线通信技术等。它通过集成化的微型传感器之间的相互协作，从而，实现了实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息的功能。同时，这些信息将会被发送，通过无线的方式，并通过自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而将物理世界、计算世界以及人类社会相互连接。同时，传感器网络也具有十分广阔的应用前景，在军事、国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐等许多重要领域都会逐渐体现吃它的实用价值。这项技术已被许多发达国家高度重视，同时，这项技术将会对21世纪产生巨大的影响力。

英国、日本、意大利等国家的一些大学和研究机构也纷纷开展了该领域的研究工作。学术界将注意力集中在了传感器网络技术和通信协议上，与此同时，也在进行感知数据查询处理技术的研究，并取得了一定的成果。我国的中科院、清华大学、国防科技大学、电子科技大学、哈尔滨工业大学以及浙江大学等学术团体也开始跟踪研究传感器网络技术。中国计算机学会青年计算机科技论坛于2004年11月在北京召开了中国第一次关于WSN的专题报告会，强调了我国需要在今后大力研究WSN技术。

1. 研究内容及设计指标

本课题来源于国家自然科学基金项目“低功耗射频收发技术研究”。本次毕业设计的任务是采用TSMC 0.18µm RF CMOS工艺设计WSN收发芯片接收射频前端模块，包括低噪声放大器和正交下变频混频器。

图1.1 本课题射频前端整体架构

整个系统由LNA、正交下混频器组成，其中LNA为差分信号输入，差分信号输出，通过正交下变频混频器得到2M中频，所消耗的电流在1V的电源电压下不能超过2mA。

具体的设计指标如表1.1所示。

表1.1 技术指标与指标要求

1. 论文组织

本文分为了4个章节来详细介绍WSN射频收发芯片中低电压低功耗射频前端设计。第一章介绍了WSN的研究背景以及意义，同时引出了本课题所研究的各项指标。在第二章中，主要介绍了在学习过程中，所参阅到的资料以及文献，并且对可能用到的各项技术进行了详细的介绍。第三章详细的介绍了本次课题当中，所要用到的各种器件，以及技术，并且对各项指标的仿真结果进行了比较，得出了论文的结论。第四章是总结与展望，针对该课题，引发了对于WSN技术的一些思考，并对该技术今后的发展有了自己的想法。

1. 接收射频前端理论基础
2. 接收机结构

无线接收机的结构选择与系统设计息息相关^[1-2]，会影响到系统模块的电路设计，其中涉及到的各项指标包括电路的工作频率、复杂度、各级电路增益分配、噪声系数、线性度和功耗等。无线接收机由超外差式接收机、零中频接收机、二次变频宽中频接收机、二次变频低中频接收机和镜像抑制接收机组成。无线接收机的结构如图2.1所示，它由射频滤波器1、低噪声放大器(LNA)、射频滤波器2、混频器(mixer)、中频滤波器、中频放大器(IF Amp)等功能模块组成。

图2.1 无线接收机框图

• • 1. 超外差结构

1917年，Armstrong研究出了超外差体系结构。如图2.2所示。由天线接收的射频信号的第一次变频是通过RF BPF（射频带通滤波器）、LNA（低噪声放大器）和IR Filter（镜像干扰抑制滤波器）来进行的，之后会产生固定频率的中频信号（IF）。之后，中频信号的信道选择由中频带通滤波器(IF BPF)来进行。最后所需要的基带信号只需对中频信号进行第二次下变频就可以得到。

图2.2 超外差接收机结构框图

凭借高品质的滤波器，超外差结构可以拥有很高的灵敏度、选择性和动态范围。并且超外差结构有多个变频级，接收机的性能不会被直流偏差和本振泄漏所影响。但是，由于镜像干扰抑制滤波器和信道选择滤波器只能在片外实现，因此，单片的话难以的集成。

• • 1. 零中频结构

超外差式的接收机拥有良好的系统性能，但是，由于高Q 值镜像滤波器的使用，导致集成度降低。零中频接收机结构的出现大大简化了电路的结构，它的作用是将射频信号直接下变频到基带，跳过了高Q 值的镜像抑制滤波器，从而提高了系统的集成度，同时也大大降低了系统设计的成本。如图2.3 所示是零中频接收机示意图。但是，直流偏差、本振泄露以及闪烁噪声等问题仍然是零中频结构的问题。

图2.3 零中频接收机结构框图

• • 1. 二次变频宽或低中频结构

二次变频宽或低中频结构是在零中频接收机的基础上做了很多的改进，主要有闪烁噪声和直流偏差。该结构采用了复混频结构，消除了镜像干扰，跳过了射频镜像抑制滤波器，大大降低设计成本的同时，提高了集成度。图2.4为二次变频宽中频接收机的结构。

图2.4 二次变频宽中频接收机结构

1. 低噪声放大器(LNA)

LNA处在系统的前端，是系统中的第一级有源电路，它的特点是具有很低的噪声，同时能够通过提供一定的增益来有效的抑制后续电路产生的噪声。由于接收机输入信号变化的范围可以高于80dB，LNA不仅需要放大小信号，同时也要接收大信号。LNA的良好线性度可以保证接收的大信号不产生失真。LNA内部结构的前级是一个无源滤波器，为了得到良好的滤波性能，要求滤波器的负载为一特定阻抗，因此LNA的输入阻抗与前级滤波器所要求的负载阻抗应该相等。LNA还要与本振信号有隔离度，来减小后级电路对前级电路产生的影响。

因此，LNA具有以下几个性能指标：噪声系数、增益、输入输出匹配、反向隔离、线性度等。然而，LNA的设计需要包含各个指标，并且要在多个指标内(包括功耗)进行折中，因此，LNA的设计尤为关键。

• • 1. 低噪声放大器的主要性能指标

1. 噪声^[1-3]

噪声系数F 的定义为：

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