一種噪聲消除寬帶射頻接收前端的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于集成電路領(lǐng)域，尤其涉及一種寬帶射頻接收前端設(shè)計技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 軟件無線電源于軍事領(lǐng)域?qū)νㄐ畔到y(tǒng)靈活性的特殊需要。1994年，在美國國防部 高級研宄項目局的主持下，世界首個軍用軟件無線電系統(tǒng)SPEAKeasy進行了第一階段的展 示。進而，該項目的第二階段也完成了 15種軍用無線電系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)。SPEAKeasy的進 展直接催化出了軟件無線電論壇MMITS(modularmultifunctioninformationtransfer systems)的成立及其日益活躍，也直接促進了軟件無線電在民用通信領(lǐng)域的應(yīng)用研宄。
[0003] 軟件無線電技術(shù)，在民用市場也促使無線通信的發(fā)展經(jīng)歷了由固定到移動，由模 擬到數(shù)字，由硬件到軟件的三次變革。與傳統(tǒng)無線電系統(tǒng)相比，軟件無線電系統(tǒng)的A/D、D/A 變換移到了中頻，并盡可能靠近射頻端，對整個系統(tǒng)頻帶進行采樣。而且，軟件無線電以可 編程力強的DSP器件代替專用數(shù)字電路，使系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與功能相對獨立。這樣就可基于 一個相對通用的硬件平臺，通過軟件實現(xiàn)不同的通信功能，并對工作頻率、系統(tǒng)帶寬、調(diào)制 方式、信源編碼等進行編程控制，系統(tǒng)靈活性大為增強。對應(yīng)地，該技術(shù)對寬帶射頻收發(fā)技 術(shù)的研發(fā)變得日益迫切。同時注意到伴隨著CMOS工藝的等比例縮減，CMOS晶體管的線性 度卻由于電源電壓遞減和迀移率的退化而惡化。
[0004] 隨著射頻集成電路工作頻率越來越高，在高速和低壓低功耗的應(yīng)用環(huán)境中，傳統(tǒng) 的電壓模式電路設(shè)計方法已不能很好地應(yīng)對電路信號的處理，非線性等缺點逐漸暴露出 來。而以電流為信號變量表征載體的電流模式電路可以解決電壓模式電路在速度、帶寬、低 壓、低功耗方面的瓶頸。近年來，電流模式電路在模擬/混合信號處理中的潛在優(yōu)勢正逐漸 被挖掘，并快速推動基于電流域工作的電路設(shè)計技術(shù)的發(fā)展。目前，在射頻集成電路領(lǐng)域以 電流模式工作的電路比較有代表性的如電流鏡式低噪聲放大器，電流換向型混頻器等。
[0005] 近年來，注意到以低噪聲跨導(dǎo)器、電流換向型無源混頻器、帶濾波功能的基帶放 大器為基本組成單元的射頻接收前端，以良好的噪聲、線性特性引發(fā)了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界 的廣泛研發(fā)投入。如圖1所示，該跨導(dǎo)器位于接收鏈路的第一級，其噪聲至關(guān)重要，所以 在寬帶內(nèi)的噪聲優(yōu)化問題成為了寬帶接收技術(shù)的首要難點。面向如是的射頻接收前端 架構(gòu)，對其中的低噪聲跨導(dǎo)器的研發(fā)普遍借鑒了低噪聲放大器的設(shè)計技術(shù)。典型代表如 圖2所示，為德州農(nóng)工大學(xué)使用噪聲消除技術(shù)設(shè)計的基于電壓域放大的低噪聲跨導(dǎo)器 (H.M.Geddada,et.al. , "Wide-bandinductorlesslow-noisetransconductanceamp lifierswithhighlarge-signallinearity,"IEEEtrans.microwavetheoryand techn.,vol. 62,no. 7,2014)。該研宄取得了優(yōu)越的噪聲性能，以及良好的線性特性。但 是該電路結(jié)構(gòu)存在較多的電壓-電流轉(zhuǎn)換，制約了其線性性能。我們也注意到澳門大 學(xué)的研宄者直接使用電阻反饋的NM〇S、PM0S反相器結(jié)構(gòu)作為跨導(dǎo)器（ZhichengLin; Pui-InMak；Martins, 1. 4-mff59. 4-dB-SFDR2. 4-GHzZigBee/WPANReceiverExploiting a''Split-LNTA+50%L0"Topologyin65-nmCMOS,IEEEtrans.microwavetheoryand techn.，Volume:62,Issue:7. 2014)。注意到此結(jié)構(gòu)存在輸入匹配和噪聲的緊密相關(guān)關(guān)系， 使得兩個性能之間很難同時滿足設(shè)計需求。
[0006] 另一方面，加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA)的研宄人員提出了一種噪聲消除結(jié)構(gòu)的 接收機，如圖3所示，該結(jié)構(gòu)不同于圖1所示的結(jié)構(gòu)。在借鑒噪聲消除原理的基礎(chǔ)上，該電 路結(jié)構(gòu)通過采用兩路的混頻，基帶濾波放大，在基帶輸出端口實現(xiàn)射頻輸入端的噪聲消除。 對應(yīng)地，圖示中的跨導(dǎo)器也是基于反相器原理實現(xiàn)，不具有圖2結(jié)構(gòu)的噪聲消除功能。為了 取得好的頻譜特性，該電路使用過采樣技術(shù)，搭建多路的混頻、基帶放大通道，增加了硬件 開銷和技術(shù)難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種能夠獲得低噪聲指數(shù)、高線性、又具有 低功耗的寬帶射頻接收前端電路。如圖4所示，本發(fā)明提出了一種基于電流模式的噪聲消 除寬帶射頻接收前端原理框圖。核心單元如框圖內(nèi)陰影部分所示，它的噪聲消除特性使得 該電路具有良好的噪聲性能。電流域放大使之兼有良好的線性度。負阻技術(shù)和電流復(fù)用技 術(shù)，更節(jié)約了電路功耗。
[0008] 本發(fā)明采用以下技術(shù)手段解決上述技術(shù)問題的：如圖5所示，一種噪聲消除寬帶 射頻接收前端，包括電容交叉耦合反饋共柵輸入級、電流鏡放大級、負阻級、主路徑開關(guān)對、 輔助路徑開關(guān)對、輔助路徑反相器級，整體上可視為一種低噪聲放大器和混頻器的融合結(jié) 構(gòu)；
[0009] 射頻差分信號兩路信號均由電容交叉耦合反饋共柵輸入級輸入，每一路信 號分為主路徑及輔助路徑兩路信號流向：主路徑上，輸入信號經(jīng)過電容交叉耦合反饋輸入 級轉(zhuǎn)化為電流信號，然后經(jīng)過電流鏡放大級的放大、主路徑開關(guān)對的混頻和負阻級的倍增 作用，信號傳遞到輸出節(jié)點C;輔助路徑上，輸入信號經(jīng)過輔助路徑開關(guān)對的混頻、輔助路 徑反相器的轉(zhuǎn)化后，轉(zhuǎn)為電流信號傳遞到輸出節(jié)點C，和主路徑輸出信號同向疊加產(chǎn)生輸出 信號IFout;
[0010] 所述共柵輸入級包括NM0S晶體管Mnl、Mnl，，諧振電感L#PLs，，反饋電容CjpCc，； 電流鏡放大級包括PM0S晶體管Mpl、Mp2、Mpl，、Mp2,;輔助路徑反相器級包括NM0S管晶體管Mn2 和Mn2,、PM0S晶體管凡4和Mp4,;負阻級包括晶體管Mp3、Mp3,;主路徑開關(guān)對Msw，maiI^括四個 相同尺寸的NM0S開關(guān)管Mn3、Mn4、Mn3,、Mn4，，輔助路徑開關(guān)對Msw，aux包括四個相同尺寸的NMOS 開關(guān)管Mn5、Mn6、Mn5,、Mn6,;所述開關(guān)管均工作在三極管區(qū)；
[0011] 于主路徑方向，共柵輸入晶體管Mnl的源極通過節(jié)點A連接至電感Ls，的正極，節(jié)點 A通過耦合電容C。，連接到晶體管Mnl，的柵極；晶體管Mnl的柵極通過耦合電容C。連接到晶 體管Mnl，的源極，其漏極接至晶體管MP1的漏極，晶體管Mnl，的漏極連接至晶體管MP1，的漏 極；晶體管MP1，的柵極連接至晶體管Mp3，的漏極，晶體管MP1，的柵極直接與晶體管MP1，的漏 極相連，其源極連接至電源VDD;晶體管MP1的柵極直接與MP1的漏極相連，其源極連接至電源 VDD；
[0012] 于負阻級，Mp3的漏極通過節(jié)點B連接至Mpl的漏極，Mp3的柵極連接至Mp3，的漏極， Mp3的源極連接至電源VDD;Mp3，的柵極連接至節(jié)點B，Mp3，的源極連接至電源VDD;
[0013] 節(jié)點B與開關(guān)管Mn3、Mn4的源極連接，開關(guān)管Mn3,、Mn4，的源極與Mpl，的柵極連接， Mn3，的漏極與Mn4的漏極連接，Mn4，的漏極與Mn3的漏極連接，Mn3，的柵極與Mn3的柵極共同連 至差分本振信號L0-的輸入端，Mn4，的柵極與Mn4的柵極共同連至差分本振信號L0+的輸入 端；晶體管Mp2的源極連接至電源VDD，其柵極連接到開關(guān)管Mn3,、Mn4的漏極，其漏極則連接到 節(jié)點C;晶體管Mp2，的源極連接至電源VDD，其柵極連接到開關(guān)管Mn4,、Mn3的漏極，其漏極連接 至節(jié)點C' ；
[0014] 于輔助路徑方向，節(jié)點A與開關(guān)管Mn5、Mn6的源極連接，開關(guān)管Mn5,、Mn6，的源極與諧 振電感Ls的正極連接，諧振電感L3的正極與晶體管Mnl，的源極連接，諧振電感Ls負極與Ls， 負極均接地；4個開關(guān)管Mn5、Mn6、Mn5,、Mn6，之間的連接方式與開關(guān)管Mn3、Mn4、Mn3,、Mn4，之間的 連接方式相同：開關(guān)管Mn5對應(yīng)于Mn3,Mn6對應(yīng)于Mn4,Mn5，與Mn6，分別對應(yīng)于Mn3，與Mn4,；
[0015] 開關(guān)管Mn6、Mn5，的漏極通過隔直電容Cb連接到Mn2的柵極，Mn2的源極接地，Mm的 漏極通過節(jié)點C連接至Mp4的漏極，Mp4的柵極通過隔直電容Cbl連接至M&的柵極，Mp4的源 極連接至電源VDD;開關(guān)管Mn5、Mn6，的漏極通過隔直電容Cb，連接到M&，的柵極，晶體管M^、 Mp4，及隔直電容Cb2之間的連接關(guān)系與晶體管及隔直電容Cbl之間的連接關(guān)系相同： 晶體管Mn2,、Mp4，分別對應(yīng)于晶體管Mn2、Mp4，隔直電容Cb2對應(yīng)于隔直電容Cbl，節(jié)點C'對應(yīng)于 節(jié)點C;輸出節(jié)點C連接到電阻Rwt的負極，輸出節(jié)點C'連接到電阻R_，的正極；電阻R_， 的負極連接電阻Rwt的正極，且電阻Rwt，的負極連接到運算放大器的負極，參考信號V接 所述運算放大器的正極，運算放大器的輸出連接到電阻Rb、Rb，的正極，電阻Rb的負極連接 到晶體管Mn2的柵極，電阻Rb，的負極連接到晶體管M&，的柵極；
[0016] 射頻差分信號RFin由電感L5和Ls，的正極輸入，電阻R_，的正極、R_的負極產(chǎn)生 差分輸出信號IF^并連接至輸出節(jié)點。
[0017] 本發(fā)明一種噪聲消除寬帶射頻接收前端射頻差分信號RFin*L#PLs，的正極輸入。 就Ls，正極輸入的一支信號，又分為兩路的信號流向：主路徑上，經(jīng)過Mnl轉(zhuǎn)化為電流信號， 然后經(jīng)過電流鏡Mpl和Mp2的放大、Mn3和Mn4的下變頻和負阻管Mp3的倍增作用，基帶電流信 號傳遞到輸出節(jié)點C;輔助路徑上，輸入信號經(jīng)過Mn5和Mn6的下變頻、反相器Mn2和Mp4的轉(zhuǎn) 化，轉(zhuǎn)為信號電流傳遞到輸出節(jié)點C，主路徑和輔助路徑的信號電流產(chǎn)生同向疊加；
[0018] 就Ls正極輸入的一支信號，其傳遞過程同上所述，其中Mnl，相當(dāng)于Mnl，Mpl，Mp2，相當(dāng) 于MplMp2、Mn3，Mn4，相當(dāng)于Mn3Mn4,Mp3，相當(dāng)于Mp3,Mn5，Mn6,等同于^況2%4，等同于^為4，節(jié) 點C'相當(dāng)于節(jié)點C，節(jié)點C'、C產(chǎn)生差分輸出信號IF。#
[0019] 作為進一步優(yōu)化的，本發(fā)明一種噪聲消除寬帶射頻接收前端的噪聲消除原理可以 如是理解：如圖5所示，Mnl的溝道熱噪聲在節(jié)點B產(chǎn)生正向的熱噪聲電壓，該噪聲電壓經(jīng)過 主路徑上，電流鏡MplMp2的放大、Mn3Mn4的下變頻和負阻管Mp3的倍增作用，噪聲電流被反向 傳遞到輸出節(jié)點C;在輔助路徑上，A節(jié)點的反向熱噪聲電壓同時經(jīng)過Mn5Mn6的下變頻、反相 器Mn2Mp4的轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)為正向的噪聲電流傳遞到輸出節(jié)點C。通過設(shè)計，這兩個噪聲電流信號 為等幅反向，于是Mnl的溝道熱噪聲在輸出端口得以消除。
[0020] 作為優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，本發(fā)明一種噪聲消除寬帶射頻接收前端還包含了共模反饋電 路，所述共模反饋電路通過檢測輸出信號IFwt的共模電壓，并與VDD/2的參考電壓VMf做比 較，進而動態(tài)調(diào)整晶體管Mn2、Mn2，的柵極電壓，使得IF_的靜態(tài)偏