CN101393466B - 射频接收器芯片内全集成低噪声电源系统 - Google Patents

Abstract

一种射频无线接收机集成电路技术领域的射频接收器芯片内全集成低噪声电源系统，本发明包括远端电压调节端和本地电源应用端，远端电压调节端中，第一低噪声电压源和带隙基准电压源的输出都连接至比较器的输入端，比较器输出端与数字校准模块的输入端相连，数字校准模块的输出反馈回第一低噪声电压源输入；本地电源应用端由若干个电源域组成，其中，低压差线性稳压器由功率管和误差放大器组成，功率管的输出端接负载电路，功率管的栅极与误差放大器的输出端相连，误差放大器的正极或负极根据功率管类型分别与第二低噪声电压源和功率管的输出端对应相连，构成负反馈系统。本发明改善了噪声性能，并且无需片内或片外电容，显著提高了系统集成度。

Description

射频接收器芯片内全集成低噪声电源系统

技术领域

本发明涉及一种电源技术领域的装置，具体涉及一种射频接收器芯片内全集成低噪声电源系统。

背景技术

近十几年来，通信技术正以惊人的速度发展，而无线通信更呈现爆炸性增长，这把射频技术放在了更加显著的位置。射频电路是构成通信系统、雷达系统和微波应用系统中发射机和接收机的关键部件，在当今各个领域得到了广泛的应用，如：图文与图象传输、蜂窝式个人通信系统、卫星移动通信、无线局域网、无线接入技术、全球卫星定位系统等。随着人们对当前无线电子类产品如手机、GPS导航仪等，低功耗和便携性的需求的提高，以及近年来射频集成电路工艺技术的发展，如CMOS工艺特征尺寸的不断降低和器件截至频率的上升，人们已经可以将原来分立的射频器件如低噪声放大器(LNA)、混频器(Mixer)、锁相环(PLL)等集成在同一块芯片上，并且朝着小型化、低功耗、高集成度的方向发展。

而更小的芯片面积、更低的电源电压、数字模拟电路高度集成化使片内电源噪声问题凸显。电路工作频率较高时，电磁干扰效应通过器件间互连线以及衬底给各个功能电路制造了更多的噪声。对于目前流行的soc芯片，通常将数字模拟电路集成在一块硅片上，即使对于普通的射频模块如锁相环(PLL)，不仅包括了压控振荡器(VCO)、电荷泵(Charge Pump)等模拟射频电路，也包括了鉴相器(PFD)、分频器等内部数字电路，在数字电路开关转换瞬间，电源产生较大波动，这些噪声都将在VCO的混频过程中被上变频，严重影响VCO信号的相位，使作为射频系统内本振的PLL输出信号频率发生改变。同时对于低噪声放大器、混频器等其他关键模块来说，噪声通过电源线和衬底相互串扰也会大大影响各自模块的性能。所以尽量降低片上系统的电源噪声是射频电路面临的当务之急。

更普遍的问题在于，虽然低压差线性稳压器(LDO)因其结构简单和易于集成的优点被广泛采用为目前片内电源的主要部件，但传统设计均没有对其输出电压噪声做出专门优化。大多数优化手段仅仅是采用了电阻电容滤波网络来滤除噪声，而这种方法主要受限于片内电容的巨大面积，同样如果采用较大阻值的电阻也会存在相同的问题。显然在芯片面积受到制约的情况下，系统对较低频率的噪声无能为力。而如果采用片外电容则会降低系统集成度，所以具有很大局限性。

经对现有的文献检索发现，S.K.HOON等在“CUSTOM INTEGRATED CIRCUITSCONFERENCE 2005”(2005消费类集成电路会议)上759—762页上发表的“A LowNoise，High Power Supply Rejection Low Dropout Regulator for Wirelesssystem-on-Chip Applications”(一种应用于无线片上系统的低噪声，高电源抑制比的低压差线性稳压器)中，提出了一种获得低输出噪声的方法，通过增加预置稳压器，并且预置稳压器的输出经过电阻电容滤波网络，作为后一级低压差线性稳压器的参考电压，这样虽然降低了输出电压的噪声，但其使用的电容高达100pF，电阻高达100M欧姆以上，需要占用极大的芯片面积。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的补足，提出了一种射频接收器芯片内全集成低噪声电源系统，本发明针对输出噪声源做了专门优化，改善了电源系统输出噪声性能，并且片内全集成。

本发明是通过如下技术方案实现的，本发明包括：远端电压调节端和本地电源应用端，其中：

远端电压调节端包括：第一低噪声电压源、带隙基准电压源、比较器、数字校准模块，其中，第一低噪声电压源和带隙基准电压源的输出都连接至比较器的输入端，比较器输出端与数字校准模块的输入端相连，数字校准模块的输出反馈回第一低噪声电压源输入；

本地电源应用端由若干个电源域组成，每个电源域均包括：第二低噪声电压源和低压差线性稳压器，其中，低压差线性稳压器由功率管和误差放大器组成，功率管的输出端接负载电路，功率管的栅极与误差放大器的输出端相连，误差放大器的正极或负极根据功率管类型分别与第二低噪声电压源和功率管的输出端对应相连，构成负反馈系统，低压差线性稳压器为负载电路提供所需工作电压和电流，第二低噪声电压源为低压差线性稳压器提供参考电压。

所述本地电源应用端，其可根据实际需求的不同划分为多个电源域，每个电源域为射频芯片内的一个或多个功能模块提供具有低噪声的电源电压，功能模块如低噪声放大器、压控振荡器、混频器等。

所述第一低噪声电压源和第二低噪声电压源的结构完全相同，均包括：第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4和一个可调电阻阵列R，其中，第一晶体管M1的源极接地，栅极接可调电阻阵列R，第二晶体管M2的源极和栅极分别与第一晶体管M1的栅极和漏极相连，第三晶体管M3和第四晶体管M4作为电流镜管，栅极相连，源极均接电源，漏极分别接第一晶体管M1和第二晶体管M2的漏极，其中第四晶体管M4的栅极和漏极相连，输出电压从第二晶体管M2的栅极引出。

所述可调电阻阵列，包括若干个阻值不同的电阻和相同数量的NMOS管，电阻之间串联，每个电阻均与作为开关的NMOS管相连，NMOS管的源极、漏极分别跨接在电阻两端，NMOS管的栅极与数字校准模块发出的数字校准信号相连，受其控制而改变开关状态。

所述带隙基准电压源，其采用电流模带隙基准电压源结构，提供标准电压与第一低噪声电压源做比较，包括：第一PNP型三极管Q1、第二PNP型三极管Q2，第一镜像电流源管M5、第二镜像电流源管M6、第三镜像电流源管M7，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、一个运算放大器，其中，第一镜像电流源管M5的漏极接第一PNP型三极管Q1的发射极，第二镜像电流源管M6的漏极与第一电阻R1的一端相接，第一电阻R1的另一端接第二PNP型三极管Q2的发射极，第一PNP型三极管Q1和第二PNP型三极管Q2的基极、集电极均接地，第二电阻R2跨接在第二镜像电流源管M6的漏极和地之间，第三电阻R3跨接在第一镜像电流源管M5的漏极和地之间，第四电阻R4一端接第三镜像电流源管M7的漏极，另一端接地，第一镜像电流源管M5、第二镜像电流源管M6、第三镜像电流源管M7的源极均接电源，栅极均相连，运算放大器的正输入端接第二镜像电流源管M6的漏极，负输入端接第一镜像电流源管M5的漏极，输出端接第一镜像电流源管M5、第二镜像电流源管M6、第三镜像电流源管M7的栅极，电路的输出从第三镜像电流源管M7的漏极引出。

所述三个镜像电流源管M5、M6、M7，通过其中的电流均相同。

所述第二电阻R2、第三电阻R3，其阻值相同。

本发明中，低压差线性稳压器的输出电压即片内电源电压直接与参考电压值相等，所以需要稳定的参考电压，其输出大小不受外部环境的影响。由于第二低噪声电压源的输出电压并非恒定，会随温度的变化而改变，所以需要对第二低噪声电压源的输出电压进行校准，将其固定至所需电压。这个功能由远端电压调节端完成。远端电压调节端中，带隙基准电压源用于提供恒定的标准电压，比较器将第一低噪声电压源和标准电压进行比较，并将比较结果送入数字校准模块处理产生用于校准的数字信号电压，此校准后的数字电压分别连接至第一低噪声电压源和第二低噪声电压源，控制两个低噪声电压源中的可调电阻阵列，改变支路电流，从而改变低噪声电压源的输出电压，达到校准目的。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明的低噪声电压源由于其组成器件少，结构简单，并通过自身的反馈抑制了输出噪声，所以能提供更低的输出噪声；由于参考电压源的噪声将全部传至低压差线性稳压器的输出即片内电源上，所以本发明的新型参考电压源是改善电源系统输出噪声性能的重要手段之一；

2、本发明中无需电阻电容滤波网络所以大大节约了面积，提高了集成度；

3、本发明通过可调电阻阵列结合数字校准解决了低压差线性稳压器的输出不恒定的问题；

4、本发明中低压差线性稳压器的输出直接接回至误差放大器的输入端，去除了以往一般设计中的反馈电阻网络，减小了电阻网络引入的噪声，进一步降低了系统的输出噪声。

附图说明

图1本发明的系统结构框图；

图2本发明中本地电源应用端的电路示意图；

图3本发明中低噪声电压源电路图；

图4本发明中可变电阻阵列的电路图；

图5本发明中带隙基准电压源的电路图；

图6本发明中比较器的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1、2所示，本实施例包括：本地电源应用端和远端电压调节端，其中：

远端电压调节端包括：第一低噪声电压源、带隙基准电压源、比较器、数字校准模块，其中，第一低噪声电压源和带隙基准电压源的输出都连接至比较器的输入端，比较器输出端与数字校准模块的输入端相连，数字校准模块的输出反馈回第一低噪声电压源输入；

本地电源应用端由若干个电源域组成，每个电源域均包括：第二低噪声电压源和低压差线性稳压器，其中，低压差线性稳压器由功率管和误差放大器组成，功率管的输出端接负载电路，功率管的栅极与误差放大器的输出端相连，误差放大器的正极或负极根据功率管类型分别与第二低噪声电压源和功率管的输出端对应相连，构成负反馈系统，低压差线性稳压器为负载电路提供所需工作电压和电流，第二低噪声电压源为低压差线性稳压器提供参考电压。

所述本地电源应用端，其可根据实际需求的不同划分为多个电源域，每个电源域为射频芯片内的一个或多个功能模块提供具有低噪声的电源电压，功能模块如低噪声放大器、压控振荡器、混频器等。

如图3所示，所述第一低噪声电压源和第二低噪声电压源的结构完全相同，均包括：第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4和一个可调电阻阵列R，其中，第一晶体管M1的源极接地，栅极接可调电阻阵列R，第二晶体管M2的源极和栅极分别与第一晶体管M1的栅极和漏极相连，第三晶体管M3和第四晶体管M4作为电流镜管，栅极相连，源极均接电源，漏极分别接第一晶体管M1和第二晶体管M2的漏极，其中第四晶体管M4的栅极和漏极相连，输出电压从第二晶体管M2的栅极引出。其中，第二低噪声电压源的第二晶体管M2的栅极输出电压，作为低压差线性稳压器的参考电压。第一低噪声电压源的第二晶体管M2的栅极输出电压，与带隙基准电压源输出的标准电压进行比较。

如图4所示，所述可调电阻阵列，包括若干个阻值不同的电阻和相同数量的NMOS管，电阻之间串联，每个电阻均与作为开关的NMOS管相连，NMOS管的源极、漏极分别跨接在电阻两端，NMOS管的栅极与数字校准模块发出的数字校准信号相连，受其控制而改变开关状态。

如图5所示，所述带隙基准电压源，其采用电流模带隙基准电压源结构，提供标准电压与第一低噪声电压源做比较，包括：第一PNP型三极管Q1、第二PNP型三极管Q2，第一镜像电流源管M5、第二镜像电流源管M6、第三镜像电流源管M7，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、一个运算放大器，其中，第一镜像电流源管M5的漏极接第一PNP型三极管Q1的发射极，第二镜像电流源管M6的漏极与第一电阻R1的一端相接，第一电阻R1的另一端接第二PNP型三极管Q2的发射极，第一PNP型三极管Q1和第二PNP型三极管Q2的基极、集电极均接地，第二电阻R2跨接在第二镜像电流源管M6的漏极和地之间，第三电阻R3跨接在第一镜像电流源管M5的漏极和地之间，第四电阻R4一端接第三镜像电流源管M7的漏极，另一端接地，第一镜像电流源管M5、第二镜像电流源管M6、第三镜像电流源管M7的源极均接电源，栅极均相连，运算放大器的正输入端接第二镜像电流源管M6的漏极，负输入端接第一镜像电流源管M5的漏极，输出端接第一镜像电流源管M5、第二镜像电流源管M6、第三镜像电流源管M7的栅极，电路的输出从第三镜像电流源管M7的漏极引出。

运算放大器通过负反馈作用迫使节点X、Y电势相等，均为V_BE1

通过第一电阻R1的电流为： $I_{R1}=\frac{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{BE}}}{R_1}---\left(1\right)$

通过第二电阻R2的电流为 $I_{R2}=\frac{V_{\mathrm{BE}1}}{R_2}---\left(2\right)$

其中，V_BE1、V_BE2分别为三极管Q₁、Q₂基极和发射极之间的电压差，ΔV_BE前两者的差。

若不计电阻的温度效应，那么通过R₁电流的特性与ΔV_BE相同，具有正的温度系数，而通过R₂电流的特性与V_BE1相同有负的温度系数。若将两路电流以特定的比例相加，则可产生与温度无关的电流。

于是，通过第一镜像电流源管M5、第二镜像电流源管M6、第三镜像电流源管M7支路的电流均为：

$I=I_{R1}+I_{R2}=\frac{1}{R_2}(V_{\mathrm{BE}1}+\frac{R_2}{R_1}\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{BE}})---\left(3\right)$

取一定的R₂/R₁值可以使V_BE和ΔV_BE的正负温度系数相抵消，从而保证流过第一镜像电流源管M5、第二镜像电流源管M6的电流不受温度影响。

输出节点的电压V_bg为

$V_{\mathrm{bg}}=\frac{R_4}{R_2}(V_{\mathrm{BE}1}+\frac{R_2}{R_1}\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{BE}})---\left(4\right)$

调节R₄与R₂的比例就可以得到所需的恒定电压。

如图6所示，所述比较器，包括11个晶体管，连接方式如下：第八晶体管M8和第九晶体管M9的源极相接，并接至第十二晶体管M12的漏极；第八晶体管M8和第九晶体管M9的漏极分别连接第十晶体管M10的漏极和第十一晶体管M11的漏极；第八晶体管M8和第九晶体管M9的栅极分别作为比较器的输入负端和正端；第十晶体管M10和第十一晶体管M11的源极均接电源，栅极相连并且第十晶体管M10的栅极与漏极相接；第十二晶体管M12和第十三晶体管M13的栅极接外部偏置电压，源极均接地；第十三晶体管M13的漏极与第十四晶体管M14的漏极相连，第十四晶体管M14的栅极接第十一晶体管M11的漏极，源极接电源；第十五晶体管M15和第十六晶体管M16的漏极相连，栅极也相连，接至第十四晶体管M14的漏极，第十五晶体管M15的源极接电源，第十六晶体管M16的源极接地；第十七晶体管M17和第十八晶体管M18的漏极相连，栅极相连，接至第十五晶体管M15的漏极，第十七晶体管M17的源极接电源，第十八晶体管M18的源极接地。

比较器中采用了不含补偿电路的二级运放结构，具有较大的直流增益，使比较器的分辨率足够高，能确保经过校准后低噪声电压与带隙基准电压源的标准电压输出非常接近。另外，比较器后接反相器链以提高驱动能力。

本实施例工作时，由第二低噪声电压源和低压差线性稳压器构成的本地电源端直接给片内各功能模块提供工作电压电流。而在远端，第一低噪声电压源通过与带隙基准电压源的标准电压比较，产生数字校准信号，控制其可变电阻阵列，对其输出电压进行数字校准，使其与标准电压相等或接近。同时，这些数字校准信号被发送到本地端各第二低噪声电压源的可变电阻阵列中进行校准，由于所有低噪声电压源均相同，所以其输出也均与标准电压相同或接近。此时低压差线性稳压器的输出即片上系统电源电压大小与低噪声电压源相同，也是标准电压，并具有良好的噪声特性。

本实施例中的低噪声电压源由于其组成器件少，结构简单，并通过自身的反馈抑制了输出噪声，所以能提供更低的输出噪声；本实施例同时，无需电阻电容滤波网络所以大大节约了面积，提高了集成度；通过可调电阻阵列结合数字校准解决了低压差线性稳压器的输出不恒定的问题；本实施例中的低压差线性稳压器的输出直接接回至误差放大器的输入端，去除了以往一般设计中的反馈电阻网络，减小了电阻网络引入的噪声，进一步降低了系统的输出噪声。

Claims (6)

1.一种射频接收器芯片内全集成低噪声电源系统，其特征在于，包括：本地电源应用端和远端电压调节端，其中：

远端电压调节端包括：第一低噪声电压源、带隙基准电压源、比较器、数字校准模块，其中，第一低噪声电压源和带隙基准电压源的输出都连接至比较器的输入端，比较器输出端与数字校准模块的输入端相连，数字校准模块的输出反馈回第一低噪声电压源输入；

本地电源应用端由若干个电源域组成，每个电源域均包括：第二低噪声电压源和低压差线性稳压器，其中，低压差线性稳压器由功率管和误差放大器组成，功率管的输出端接负载电路，功率管的栅极与误差放大器的输出端相连，误差放大器的正极或负极根据功率管类型分别与第二低噪声电压源和功率管的输出端对应相连，构成负反馈系统，低压差线性稳压器为负载电路提供所需工作电压和电流，第二低噪声电压源为低压差线性稳压器提供参考电压。

2.根据权利要求1所述的射频接收器芯片内全集成低噪声电源系统，其特征是，所述第一低噪声电压源和第二低噪声电压源的结构完全相同，均包括：第一晶体管(M1)、第二晶体管(M2)、第三晶体管(M3)、第四晶体管(M4)和一个可调电阻阵列(R)，其中，第一晶体管(M1)的源极接地，栅极接可调电阻阵列(R)，第二晶体管(M2)的源极与第一晶体管(M1)的栅极相连，第二晶体管(M2)的栅极与第一晶体管(M1)的漏极相连，第三晶体管(M3)的漏极接第一晶体管(M1)的漏极，第四晶体管(M4)的漏极接第二晶体管(M2)的漏极，第三晶体管(M3)和第四晶体管(M4)作为电流镜管，栅极相连，源极均接电源，其中第四晶体管(M4)的栅极和漏极相连，输出电压从第二晶体管(M2)的栅极引出。

3.根据权利要求2所述的射频接收器芯片内全集成低噪声电源系统，其特征是，所述可调电阻阵列，包括若干个电阻和数量与电阻相同的NMOS管，电阻之间串联，每个电阻均与作为开关的NMOS管相连，NMOS管的源极和漏极跨接在电阻两端，NMOS管的栅极与数字校准模块发出的数字校准信号相连，受其控制而改变开关状态。

4.根据权利要求1所述的射频接收器芯片内全集成低噪声电源系统，其特征是，所述带隙基准电压源，其采用电流模带隙基准电压源结构，提供标准电压与第一低噪声电压源做比较，包括：第一PNP型三极管(Q1)、第二PNP型三极管(Q2)，第一镜像电流源管(M5)、第二镜像电流源管(M6)、第三镜像电流源管(M7)，第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、一个运算放大器，其中，第一镜像电流源管(M5)的漏极接第一PNP型三极管(Q1)的发射极，第二镜像电流源管(M6)的漏极与第一电阻(R1)的一端相接，第一电阻(R1)的另一端接第二PNP型三极管(Q2)的发射极，第一PNP型三极管(Q1)和第二PNP型三极管(Q2)的基极、集电极均接地，第二电阻(R2)跨接在第二镜像电流源管(M6)的漏极和地之间，第三电阻(R3)跨接在第一镜像电流源管(M5)的漏极和地之间，第四电阻(R4)一端接第三镜像电流源管(M7)的漏极，另一端接地，第一镜像电流源管(M5)、第二镜像电流源管(M6)、第三镜像电流源管(M7)的源极均接电源，栅极均相连，运算放大器的正输入端接第二镜像电流源管(M6)的漏极，负输入端接第一镜像电流源管(M5)的漏极，输出端接第一镜像电流源管(M5)、第二镜像电流源管(M6)、第三镜像电流源管(M7)的栅极，电路的输出从第三镜像电流源管(M7)的漏极引出。

5.根据权利要求4所述的射频接收器芯片内全集成低噪声电源系统，其特征是，所述第一镜像电流源管(M5)、第二镜像电流源管(M6)、第三镜像电流源管(M7)，其中通过的电流均相同。

6.根据权利要求4所述的射频接收器芯片内全集成低噪声电源系统，其特征是，所述第二电阻(R2)、第三电阻(R3)，其阻值相同。

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