摘 要：射频前端芯片集成了PA、LNA和收发开关电路，实现了无线局域网所需要的射频功能，设计了一个高性能的应用于2.4 GHz无线局域网的低噪声放大器。电路设计全部基于SMIC RF 0.18 umCMOS工艺完成，利用 Cadence进行了电路设计和模拟仿真验证，画出了LNA的版图，最终合成了一个整体版图并进行了流片，芯片测试结果良好。

关键词：无线局域网；射频前端；低噪声放大器；CMOS

无线局域网(WLAN)连接技术是有线接入方式的补充和发展，它可以实现移动上网。近年来，WLAN技术迅速发展，在日常通信中发挥着举足轻重的作用，迅速成为了研究热点[1]。

射频收发前端作为无线局域网通信系统的重要组成部分, 正面临着高集成度、低功耗、低价格等各种挑战。收发机的主要性能主要由射频前端决定。要提高收发前端的集成度,关键是提高接收机中模拟前端的集成度。在无线局域网整个接收系统中，低噪声放大器(LNA)用来放大信号和抑制噪声干扰，同时提高系统的灵敏度。因此，LNA的性能影响整个接收系统的性能，有着至关重要的作用[2-3]。

本文首先介绍无线局域网收发机射频前端的技术要求，设计了一个高性能的应用于2.4 GHz无线局域网前端的LNA，最终完成的芯片集成了LNA、PA和收发开关电路，包含了现今无线通信所需要的射频功能，并最终进行了流片，芯片测试结果良好。

1 电路设计

1.1 射频前端的结构

一般WLAN射频系统模拟信号部分架构如图1所示，射频收发机前端主要由发射机、接收机和收发开关组成。

收发机射频前端接收部分接收从天线传来的信号，通过LNA放大信号，并将放大后的信号进行下变频，一般射频前端部分采取模拟电路实现[1]。进行射频接收机设计时,主要考虑系统噪声系数、接收机灵敏度等，因此合理设计低噪声放大器以获得很好的噪声性能、增益和线性度非常重要。

射频前端发射部分将从基带进来的信号进行上变频到适合的高频频段，再经PA放大得到足够的功率后发射出去。PA是射频发射部分的关键电路,对其性能要求很高，而且要为射频系统与外界通信提供足够的发射功率,其功耗较大,因此功率放大器需具有很高的效率和功率增益。

移动通信的收发信机共用一根天线，天线与收发机之间必须有效地进行收发转换和隔离。天线共用器可以是一个开关[3]。

本文完成的是LNA部分原理图和版图的设计，并最终集成了LNA、PA以及开关部分，构成无线局域网的射频前端。

1.2 低噪声放大器电路的设计

在LNA的设计过程中，采用限定功耗的设计方法，在传统源极电感负反馈电路结构的基础上来设计电路[1-2，4]。采用镜像电路偏置，L结构做输入/输出匹配，采用LC负载并通过优化输入/输出匹配获得更低的噪声、更好的增益和线性度。多级级联网络往往会增加噪声[5]，若采用单级就能满足指标的电路，则不要采用两级或者两级以上的电路，以防止引入新的噪声。本文使用一级cascode结构完成设计，结构简单，使用器件较少，避免引入较多的噪声，而且便于集成。本设计电路结构如图2所示。

M1为输入管，与Lg和LS共同构成输入端源级电感负反馈匹配网络。对于低噪声放大器来说，最佳噪声匹配与最佳功率匹配往往是相互矛盾的。通过调整LS使最佳功率增益匹配点与最佳噪声匹配点相互之间非常靠近，再通过Lg、C1、C2进行最佳噪声匹配。负反馈电路一方面可以改善电路的稳定性和线性度，另一方面可以降低整个电路对晶体管自身性能影响的敏感度。M3和R1、R2、C5构成简单镜像偏置电路，MOS管M3与输入放大管M1构成电流镜结构, Ml和M3都要采用最小沟道长度的MOS管；电阻R2用来阻止交流信号通过偏置电路，避免LNA的信号通路受到偏置电路的影响；电容C5用来滤除偏置电路产生的噪声，消除偏置电路的噪声对LNA噪声性能的影响,还可以稳定流过MOS管Ml和M3的电流,提高抗干扰能力。M2为输出管，优化M2的宽度可以提升整个电路的线性度。Ld、Cd、C3和C4构成输出匹配电路,在工作频率点可以达到很高的输出阻抗,保证信号的有效传输，有提高增益和选频的作用。C8和L2构成级间匹配并有滤波提高线性度的效果。C6、C7是旁路电容。LNA 的工作电流越大，其噪声性能和线性度越好，但同时也增加了功耗，综合考虑后电源电压用1.8 V，偏置电流为10 mA，工作频率为2.4 GHz。

2 低噪声放大器的仿真

本设计利用SMIC RF 18 μm CMOS工艺完成，所有的电感均使用片上集成螺旋电感实现，所有电容均为MIM电容，仿真结果如下。

2.1 噪声

接收机的灵敏度主要由低噪声放大器的噪声系数和功率增益决定，LNA 一般位于接收机第一级，其噪声系数很大程度上影响着整个接收机的噪声性能[6]，因此其噪声应当尽可能小。由图3可见，在2.4 GHz频率处，LNA的噪声系数约为1.7 dB，具有相当理想的性能。

2.3 稳定性

射频电路的设计过程中，在工作频段内，放大器应处于绝对稳定状态。一旦放大器处于非稳定状态，则有可能使得整个电路无法正常工作，导致其后的设计都无法进行。从图5中可知，放大器电路在整个工作频率范围内十分稳定。

本电路结构在1.5 V～3.3 V之间都能保持相对较好的性能。在一定范围内电流越大其噪声性能和线性度越好，但同时也增加了功耗，需要综合考虑。

3 LNA版图实现

前面进行了电路原理图的设计，还需要进行版图设计。版图是联系IC设计与IC制造的纽带,通过版图设计,可将设计好的电路系统变为一种平面图形,然后根据这种平面图形,经过一定的工艺加工，形成一种立体结构,此结构即为芯片。本次低噪声放大器版图设计使用SMIC的0.18 ?滋m CMOS工艺实现,实现平台为Cadence公司的Virtuoso版图设计软件。整个版图达到了基本要求。

4 射频前端版图实现和芯片测试

为了实现如图1所示的射频前端，把LNA、PA、swtich集成为一块芯片，重新调整了版图。版图设计中要尽量紧凑,但是过分紧凑容易引起很多不必要的寄生效应,这在射频集成电路设计中更明显，所以要做折衷处理。

在电路和版图设计中，采用多种电路[4，7]和版图设计技巧优化了电路的结构和版图的面积以及器件之间的影响，取得的很好的效果，版图面积只有1.5 mm×1 mm。最终完成的芯片集成了PA、LNA和收发开关电路，实现了无线局域网所需要的射频功能。

用网络分析仪进行测试，在频率为2.412 GHz时接收部分S参数测试结果如图7所示。由图7可知S21=10.5 dB，S11=-6.8 dB，S22=-12.3 dB，P1dB点为-4.2 dBm。

本设计采用了单端共源共栅结构，利用SMIC 0.18 ?滋m CMOS工艺，实现了应用于无线局域网的2.4 GHz CMOS低噪声放大器的设计,同时调整LNA的输入/输出匹配等电路结构。从仿真的结果看，经过优化后放大器的性能有了明显的提高，在电源电压为1.8 V的条件下，LNA在工作频带内的增益为14 dB，噪声系数为1.7 dB，输入/输出匹配良好，1 dB压缩点为-7.3 dBm，IIP3达到了4.58 dBm。最后集成了LNA和PA以及控制开关组成射频前端并进行了流片。芯片测试结果良好，实现了当前无线局域网所需要的射频功能。

参考文献

[1] 池保勇，余志平，石秉学.CMOS射频集成电路分析与设计[M].北京：清华大学出版社，2006.

[2] LEE T H.The design of CMOS radio-frequency inegrated circuits[M].Seconde Edition，Cambridge University Press，2006.

[3] RAZAVI B.RF microelectronics[M].Second Edition，Prentice Hall，2011.

[4] Li Wenyuan，Tan Yulong.2.4 GHz power amplifier with adaptive Bias circuit[C].2012 International Conference on Systems and Informatics(ICSAI 2012)，2012：1402-1406.

[5] 王宁章，高雅，宁吉，等.3 GHz～5 GHz超宽带噪声系数稳定的低噪声放大器[J].电子技术应用，2013，39(7)：31-34.

[6] SHAEFFER D K，LEE T H.A 1.5-V，1.5-GHz CMOS low noise amplifier[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，1997，32(5)：745-759.

[7] RAZAVI B.A 2.4 GHz CMOS receiver for IEEE 802.11 wireless LAN′s[J].IEEE J.Solid-State Circuit，1999，34(10)：1382-1385.