專利名稱：應(yīng)用于超寬帶系統(tǒng)的單端輸入差分輸出的射頻前端電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于射頻無線接收機集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用于超寬 帶(UWB) 3.廣10. 6G標(biāo)準(zhǔn)的或其部分頻段的具有單端轉(zhuǎn)雙端功能的射頻前端電路(RF front-end)o
背景技術(shù)：
近年來，隨著各種移動通信系統(tǒng)和無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)如IEEE802. lla/b/g、WLAN、 UWB等的飛速發(fā)展，對高性能的射頻信號接收機的需求也在加大。接收機中的前端模塊包括 低噪聲放大器和混頻器，分別負(fù)責(zé)將接收到的微弱信號放大和下混頻至低頻段，然后交給 后級基帶部分進(jìn)行濾波和放大。由于UWB標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的載波頻率較高，采用的信 號帶寬較大，射頻接收機需要對處于很高頻率或者很大帶寬的無線信號進(jìn)行放大和數(shù)字化 信號處理。同時，移動通信或者無線技術(shù)絕大部分應(yīng)用在手持終端上，這就要求手持終端的 信號接收和發(fā)射設(shè)備必須盡可能降低功耗以延長工作時間。對于傳統(tǒng)的射頻接收機來說，一般采用差分結(jié)構(gòu)的低噪聲放大器(LNA)和差分結(jié) 構(gòu)的混頻器(Mixer)相連構(gòu)成差分輸入差分輸出的前端電路，這樣當(dāng)該前端電路和天線相 連時，需要加入額外的片外單轉(zhuǎn)雙器件，即balim，這會引入較大的損耗，也不利于實現(xiàn)單芯 片集成；另一種傳統(tǒng)的射頻接收機是采用單端輸入單端輸出的低噪聲放大器作為第一級， 然后級聯(lián)一個片內(nèi)的單轉(zhuǎn)雙電路，最后級聯(lián)一個下混頻器構(gòu)成前端電路，這樣的電路在抑 制來自電源、襯底的噪聲和其他干擾源的方面性能都不大好，因為第一級LNA采用的是單 端結(jié)構(gòu)，不能像差分結(jié)構(gòu)那樣將來自電源、襯底的噪聲和其他的干擾轉(zhuǎn)化為共模噪聲加以 消除。對于兩者的級聯(lián)，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)是將LNA和Mixer直接相連或通過一個隔直電容相連，而 通常由于Mixer輸入電容較大，這樣LNA的性能會受到后級較大的影響。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明設(shè)計了 一種射頻前端電路，可應(yīng)用于滿足 UffB(3. Γ10. 6GHz)標(biāo)準(zhǔn)的全頻段或部分頻段的接收機中。本發(fā)明除了能夠滿足一般前端電 路的低噪聲、高增益等的要求外還要能夠?qū)崿F(xiàn)增益可變和信號單端輸入、雙端輸出的功能。本發(fā)明設(shè)計的前端電路，其整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。它由單端輸入差分輸出 的低噪聲放大器(LNA)和I/Q兩路合并的正交混頻器(Mixer)兩部分組成。所述低噪聲放 大器將輸入信號從單端轉(zhuǎn)為差分并放大，所述正交混頻器將信號下混頻至低頻以便后級基 帶部分處理。其中低噪聲放大器如圖2所示，它是單端輸入差分輸出結(jié)構(gòu)，由兩級電路構(gòu)成，其 中第一級為單轉(zhuǎn)雙電路，將單端信號轉(zhuǎn)為差分信號，并提供適當(dāng)?shù)脑鲆?，第二級為差分?路，提供可變增益，以滿足UWB標(biāo)準(zhǔn)對輸入信號較大范圍的要求；正交混頻器如圖3所示，它 是以Gilbert單元電路為基礎(chǔ)，將I路和Q路的射頻放大管合并為一路，即I/Q兩路放大管 合并以減小Mixer輸入電容對前級LNA的影響；另外采用電流注入和電流復(fù)用的技術(shù)，即將電流注入管同時作為射頻輸入管的一部分，以提高混頻器增益和及線性度，降低噪聲。本發(fā)明中，LNA和Mixer通過一個單位增益的緩沖器(buffer)連接，如圖4所示。 該緩沖器為一個簡單的源跟隨器，其增益為1，輸入電容遠(yuǎn)小于Mixer的輸入電容，因此對 于提高LNA和整個射頻前端的性能有很大幫助。相對于傳統(tǒng)的前端電路的結(jié)構(gòu)，本發(fā)明主要做了如下突出改進(jìn)
首先，對LNA進(jìn)行了改進(jìn)。如前面“背景技術(shù)”中所述，傳統(tǒng)的射頻前端電路采用的LNA 或者是單端結(jié)構(gòu)或者是差分結(jié)構(gòu)，而這兩種結(jié)構(gòu)各有各自的缺點。本設(shè)計中采用單端輸入 差分輸出的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。另外由于UWB系統(tǒng)所要求的輸入信號變化范圍較大，因此本 設(shè)計中的LNA采用兩級結(jié)構(gòu)，且增益可變。其中第一級用來提高將信號從單端轉(zhuǎn)為差分，同 時提供較好的輸入匹配和一定的增益，第二級提供可變增益以滿足UWB系統(tǒng)對輸入信號的 要求。這樣既克服了差分結(jié)構(gòu)需要片外單轉(zhuǎn)雙器件的缺點，也改進(jìn)了單端結(jié)構(gòu)不能抑制電 源、襯底噪聲的缺點。本設(shè)計中的低噪聲放大器，其輸入匹配主要由第一級決定，根據(jù)輸入小信號等效 電路圖，可以得到輸入阻抗為
其中L。g代表第一級輸入電感，gfflCg代表輸入共柵管M。g的跨導(dǎo)，Cin表示輸入端的所以寄 生電容，主要包括共柵管的源端寄生電容，共源管的柵端寄生電容以及輸入PAD的寄生電 容。可以看出輸入阻抗主要決定于第一級輸入共柵管跨導(dǎo)gm。g和輸入電感L。g。對于增益， 則由兩級共同決定，其表達(dá)式為
上式中g(shù)m。g和gm。s分別表示第一級LNA中共柵管和共源管的跨導(dǎo)，R。g、Rcs和L。g、Lcs則 分別表示第一級LNA的共柵和共源兩路的負(fù)載電阻和負(fù)載電感。而gml、gm2和gm3則分別表 示第二級LNA的輸入放大管Ml、共柵管M2以及可變增益管M3的跨導(dǎo)，Zl則表示第二級LNA 的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)。 對于噪聲性能，由于第一級LNA提供了較大的增益，因此主要的影響在第一級。根 據(jù)小信號分析，我們可以得到第一級LNA的噪聲系數(shù)表達(dá)式為
上式中g(shù)m。g和gm。s分別表示第一級LNA中共柵管和共源管的跨導(dǎo)，Zop和Z。n分別表示 共柵支路和共源支路的負(fù)載阻抗，而R。p和R。n分別表示共柵支路和共源支路的負(fù)載電阻，Rs 則表示輸入源阻抗，一般為50 Ω。
其次，對下混頻器Mixer進(jìn)行了改進(jìn)。傳統(tǒng)的以Gilbert單元電路為基礎(chǔ)的I/Q 兩路混頻器，通常是采用兩個Gilbert單元分別作為I、Q兩路，這樣前級LNA所帶的負(fù)載將 會是兩路的輸入電容，由于Mixer的輸入管比較大，這樣輸入寄生電容也很大，對前級LNA 的性能影響較大。在本設(shè)計中，采用將I路和Q路的射頻放大管合并為一路的技術(shù)以減小 Mixer輸入電容對前級LNA的影響；另外采用電流注入和電流復(fù)用的技術(shù)，即將電流注入管 同時作為射頻輸入管的一部分，以提高混頻器本身的各方面性能，如可以提高增益和線性 度，降低噪聲等。本設(shè)計中的Mixer電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。第三，對于LNA和Mixer兩者的級聯(lián)進(jìn)行了改進(jìn)。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中，LNA和Mixer都 是直接耦合或交流耦合，這樣帶來的影響就是Mixer較大的輸入電容對LNA性能的影響。在 本次設(shè)計中，我們通過一個單位增益的緩沖器對連接LNA和Mixer。由于該緩沖器本身的輸 入電容很小，因此對LNA性能影響很小，這有利于進(jìn)一步提高LNA和整個前端電路的性能。 該單位增益的緩沖器采用較簡單的源跟隨器結(jié)構(gòu)，和第二級LNA直接耦合。其電路結(jié)構(gòu)圖 如圖4所示。本發(fā)明射頻前端電路結(jié)構(gòu)簡單，增益可變，噪聲較低，使用頻帶寬。且芯片面積小， 同時該電路還實現(xiàn)了單端轉(zhuǎn)雙端的功能，便于和天線直接相連，從而減少了片外元件的使 用，促進(jìn)了芯片的進(jìn)一步集成?？捎糜谝苿油ㄐ?、無線寬帶網(wǎng)絡(luò)以及無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)標(biāo) 準(zhǔn)的射頻信號接收機芯片。


圖1為本發(fā)明前端電路整體結(jié)構(gòu)及應(yīng)用環(huán)境示意圖。圖2為本發(fā)明前端電路所使用的LNA電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明前端電路所使用的Mixer電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為連接LNA和Mixer的單位增益buffer示意圖。圖5為本發(fā)明具體實施例的輸入匹配仿真圖。圖6為本發(fā)明具體實施例的轉(zhuǎn)換增益仿真圖。圖7為本發(fā)明具體實施例的噪聲仿真圖。圖8為本發(fā)明具體實施例的輸入?yún)⒖既A交調(diào)點仿真圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖進(jìn)一步描述本發(fā)明。對于圖2所示的LNA，輸入信號先經(jīng)過串聯(lián)bonding電感Lbmding(模擬芯片bonding 時bonding線所引入的寄生電感，在0. SnH左右)和并聯(lián)pad電容Cpad (模擬芯片的PAD和 ESD電路所引入的寄生電容，在IOOfF左右)后經(jīng)隔直電容Cel至共柵支路和共源支路的輸 入點。對于共柵支路，輸入信號經(jīng)輸入電感L。g接地，同時接輸入共柵管M。g的源端，M。g的漏 端為輸出的正端，同時接負(fù)載電阻R。g，R。g的另一端接負(fù)載差分電感Ll的一端。對于共源 支路，輸入信號經(jīng)隔直電容C。2接輸入共源管M。s的柵端，同時M。s的柵端經(jīng)偏置電阻接一個 偏置電壓。M。s管的源端接地，漏端為輸出的負(fù)端，同時接負(fù)載電阻R。s，R。sm另一端接負(fù)載 差分電感Ll的另一端。LNAl輸出的正、負(fù)端經(jīng)隔直電容C。3和C。4到達(dá)LNA2的輸入放大管 Ml的柵端，Ml管源端接地，漏端接共柵管M2的源端和可變增益管M3的源端，M3管柵端接
5控制電壓，漏端接電源電壓；共柵管M2漏端作為LNA2的輸出端，一方面通過負(fù)載電阻Ru、 Rl2和負(fù)載電感L2連接到電源電壓，另一方面直接連接在單位增益緩沖器的輸入管M4的柵 端，如圖4所示。M4管的漏端接供給電源，源端則作為輸出端經(jīng)隔直電容連接至下一級，同 時經(jīng)偏置管M5連接至地。對于圖3所示的Mixer，輸入信號經(jīng)隔直電容連接至放大管Ml的柵端。Ml管源端 接地，漏端連接至本振管M2的源端，同時連接至電流注入管M3的源端。M2管的漏端則作為 輸出端連接至下一級電路，另一方面通過負(fù)載電阻&接至電源電壓。電流注入管M3的柵 端連接到輸入管Ml的柵端，和Ml管一起放大輸入信號，漏端則連接至電源電壓。將該結(jié)構(gòu)的射頻前端電路應(yīng)用于MB-OFDM UffB 6_9GHz頻段，其具體設(shè)計參數(shù)為 對于圖2所示的LNA和圖4所示的buffer
Lbonding=O. 8nH, Lcg=2. 58nH, L1=L2=S. 52nH ； Cpad=IOOfF, Ccl=Cc2=L 4pF，Cc3=Cc4=4. 7pF ； Rcg=250 Ω，Rcs=150 Ω，Rli=Rl2=IIO Ω ； ffMcg=25um, ffMcs=62. 5um, WM1=ffM2=20um, W1113= 140um ； ffM4=28um, ffM5=20um ；
T =丨 =丨 =丨 =丨 =丨 =丨 =I ^Onrri ·
ijMcg ijMcs ijMl lW. ijIBijK 丄 JVJimi ,
Vbl=Vb2=550mV, Vb3=600mV, Vb4=L 2V, Vb=600mV ；
其中LNA和buffer的總電流為14. 5mA,總功耗為17. 4mW。對于圖3所示的Mixer
Ccl=Cc2=L IpF ； Rl=350Q ;Vbinp=Vbinn=610mV WM1=40um, Wm2=SOuiti, WM3=60um ； τ =T =T =1 ^nrmi電路仿真結(jié)果如圖5、圖6、圖7、圖8所示，從圖示中可以看出在頻段6-9 GHz范圍 內(nèi)，Sll<-12dB，大增益模式下轉(zhuǎn)換增益為23. 7 25. IdB, NF在4. 6 5. 1之間，小增益模式下 轉(zhuǎn)換增益為l(Tl2.4dB，線性度IIP3約為-6. 76dBm?？梢钥闯?，電路具有良好的寬帶性能。
權(quán)利要求
一種應(yīng)用于UWB系統(tǒng)的單端輸入差分輸出的射頻前端電路，其特征在于由單端輸入差分輸出的低噪聲放大器和I/Q兩路合并的正交混頻器兩部分組成，所述低噪聲放大器將輸入信號從單端轉(zhuǎn)為差分并放大，所述正交混頻器將信號下混頻至低頻以便后級基帶部分處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的射頻前端電路，其特征在于所述的低噪聲放大器采用單端輸 入差分輸出結(jié)構(gòu)，由兩級電路構(gòu)成，其中第一級為單轉(zhuǎn)雙電路，將單端信號轉(zhuǎn)為差分信號， 并提供適當(dāng)?shù)脑鲆?，第二級為差分電路，提供可變增益，以滿足UWB標(biāo)準(zhǔn)對輸入信號較大范 圍的要求。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的射頻前端電路，其特征在于所述的正交混頻器是以Gilbert 單元電路為基礎(chǔ)，將I路和Q路的射頻放大管合并為一路；另外將電流注入管同時作為射頻 輸入管的一部分，以提高混頻器增益和線性度，降低噪聲。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的射頻前端電路，其特征在于所述的低噪聲放大器和所述的正 交混頻器通過一個單位增益的緩沖器連接。
全文摘要
本發(fā)明屬于射頻無線接收機集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種應(yīng)用于超寬帶系統(tǒng)的單端輸入差分輸出的射頻前端電路。它由低噪聲放大器(LNA)和正交混頻器(Mixer)組成。其中低噪聲放大器采用單端輸入差分輸出結(jié)構(gòu)，由兩級構(gòu)成，以適用于超寬帶系統(tǒng)所要求的較大的輸入信號范圍；正交混頻器由I、Q兩路構(gòu)成，且兩路公用輸入放大管，同時該混頻器采用電流注入技術(shù)，并且將電流注入管作為輸入放大管的一部分以提高混頻器性能。LNA和Mixer之間通過一個單位增益緩沖器連接，以減小Mixer較大的輸入電容對LNA負(fù)載的影響。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，增益可變，功耗低，使用頻帶寬，且芯片面積小，減少片外元件的使用，便于實現(xiàn)單芯片集成。
文檔編號H03F1/26GK101902242SQ201010225539
公開日2010年12月1日 申請日期2010年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月14日
發(fā)明者任俊彥, 周鋒, 張楷晨, 李寧, 李巍 申請人:復(fù)旦大學(xué)