研究结果表明,当高通滤波器的fC为传输数据速率的0.1%时,数据能够被正确地传输和恢复。针对IEEE 802.11接收机fC设计应该达到10 kHz。
图6是交流耦合高通滤波器的具体实现电路。采用线性区MOS器件提供兆欧级电阻,可以节省电阻面积。
设计偏置电路,使M1工作在饱和区,M2工作在线性区,那么,
如果L2=L1,W1=W2,则Ron2=g-1m1。降低gm1,就可以得到很大的Ron2。
电路设计时需要注意2个问题:一是M1和M2开启电压的失配,因此需要将晶体管过驱动电压设计大于200 mV抑制失配的影响;二是由于输入信号电平导致M2的Ron2变化,幸运的是,鉴于信号波形特性,信道内的失真容限很高,而耦合电容在邻信道频率呈现较低阻抗,信道外失真较大。
2.4 基带线性放大器
图7是基带线性放大器和差分高通滤波器的完整电路。
与图6不同的是,M2、M3共用一个M1晶体管做偏置。基带放大器采用单管直接带负载电阻输出,以提高电路的线性度,改善系统整体性能。
2.5 信道选择滤波器
图8是简单的信道选择滤波器电路。其中运算放大器连接成单位增益,可以用源极跟随器实现,但为了降低引入闪烁噪声,源极跟随器应该使用大尺寸的晶体管。
信道选择滤波器的传输函数计算公式为:
2.6 l/f闪烁噪声
在直接下变频结构中,l/f闪烁噪声是不可避免的,需要设计者仔细考虑。然而对于IEEE 802.11b/g协议的22 MHz信道带宽(基带信号占用11 MHz以内的频带),具有几百kHz拐角频率闪烁噪声的影响可以降到忽略不计的程度。证明如下。
如果fcorner=200 kHz,有Sl/f(200 kHz)=Sth,这里Sl/f和Sth分别表示l/f噪声和热噪声的功率谱密度。假设Sl/f=K/f,其中K=(200 kHz)×Sth。下面计算从10 kHz到11 MHz总的噪声:
如果电路没有闪烁噪声,总的噪声功率为:V2n=(11 MHz)Sth,仅仅低了0.2 dB。根据文献[2]分析,即使考虑到100 Hz的闪烁噪声,信噪比最大的退化也低于0.6 dB。因此,这里低频闪烁噪声并不足以影响系统整体性能指标。
3 版图和设计结果
接收机射频前端使用TSMC 0.18μm CMOS工艺实现,版图面积为1 280μm×1 200μm。图9给出了整个系统的版图照片。
图10是系统低频基带部分的传输函数,-3 dB带宽为9 kHz~11 MHz。
接收机前端性能总结如下:输入频率为2.4 GHz,噪声系数为3.5 dB,电压增益为31 dB,S11为小于-15 dB,IIP3为-8 dBm,IP2为大于+30 dB,输入ldB功率为-25 dB,采用工艺为CMOS 0.18μm,功耗为32 mW。可以看出,在兼顾低功耗和线性度同时,获得了非常好的增益和噪声性能。