ZigBee接收机射频前端的设计与研究-微电子学与固体电子学专业论文.docx

摘要 摘要 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 摘要 作为一种新兴的无线网络技术，无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)因具有广泛的应用空间而得到迅速的发展。由于 ZigBee 协议为其物理 (Physical, PHY)层、媒体介入控制(Media Access Control, MAC)层和网络(Network, NWK)层提供了详细规范，因而符合 ZigBee 协议要求的无线收发机成为研究热点。 本文对符合 ZigBee 2.4GHz 频段要求的接收机射频前端进行设计与研究。 本文的主要内容为，根据协议要求确定出接收机射频前端低噪声放大器(Low Noise Amplifier, LNA)和混频器(Mixer)电路模块的指标，在对 LNA 和 Mixer 进行详 细研究的基础上，设计出满足指标要求的电路及版图。首先从 ZigBee 协议中提取 出对无线接收机的要求，将要求转换为接收机的系统指标，根据弗雷斯公式，将 各个指标分配给接收机的各个电路模块。然后具体研究 LNA ，分析了共栅 (Common-Gate, CG)结构和共源(Common-Source, CS)结构的输入匹配、增益、噪声 和线性度与电路各参数之间的关系，设计了共源共栅(Cascode)型差分 CG 结构的 LNA，具有易于匹配、对工艺参数不敏感的特点。接着以同样的方式研究了下混 频器，通过将跨导管折叠可以获得更大的电压余度从而适于低压应用，并且便于 在保持大的跨导管电流的情况下减小开关管电流以获得更好的性能，因此最终设 计了折叠式 Gilbert 单元。最后将 LNA 和 Mixer 相结合，构成射频前端。在 CMOS (Complementary Metal-Oxide-Silicon) 0.18um 工艺下，对其仿真得到最高增益为 32dB，在最高增益模式下的噪声系数(Noise Figure, NF)为 9.4dB，输入三阶交调点 (Input Third Intercept Point, IIP3)为-18.5dBm，功耗为 7.74mW，符合设计要求。 关键词：射频前端 接收机 ZigBee 无线传感器网络 Abstract Abstract Abstract As a new technology of wireless network, Wireless Sensor Network (WSN) has got developed rapidly for its wide application space. Because ZigBee protocol gives closed specification for Physical (PHY), Media Access Control (MAC) and Network (NWK) layers of WSN, researches on the wireless transceivers conforming to it are getting more and more attractive. This paper designs and makes a research on the receiver RF front-end meeting the requirements of 2.4GHz frequency band of ZigBee protocol. This paper mainly tells about determining the performance indexes of module of low noise amplifer (LNA) and Mixer of receiver RF front-end from ZigBee protocol and designing the circuits and layouts of LNA and Mixer meeting the requirements of the performance indexes based on the detailed researches on them. First, extracts the requirements of wireless receiver from ZigBee protocol, converts these requirements to system indexes of receiver and assigns the indexes to every module according to Friis formula. Second, makes a detailed resear