CN102170296B

CN102170296B - 一种射频前端电路结构

Info

Publication number: CN102170296B
Application number: CN201110102585.4A
Authority: CN
Inventors: 刘军华; 聂楠; 李琛; 廖怀林
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2011-04-22
Filing date: 2011-04-22
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2031-04-22
Also published as: CN102170296A

Abstract

本发明提供了一种射频前端电路结构，包括接收机射频前端和发射机射频前端，所述接收机射频前端结构中的低噪声放大器与阻抗匹配网络之间接入第一开关管，所述低噪声放大器与电源之间接入第二开关管；所述发射机射频前端结构中的射频功率放大器与阻抗匹配网络之间接入第三开关管，所述射频功率放大器与电源之间接入第四开关管；上述开关管的开启由数字基带产生的使能信号控制，所述低噪声放大器和射频功率放大器复用同一个片外电感，所述片外电感与接收天线连接。本发明的射频前端电路结构省去双工器，电路结构简单，并能保证收发机的两种状态正常工作；将两个片外电感节省为一个，减少无源器件的成本和面积；保证收发机的各项性能。

Description

一种射频前端电路结构

技术领域

本发明属于射频集成电路领域，具体涉及一种射频前端电路结构。

背景技术

近十年来，射频集成电路(RFIC)的开发和研究得到了迅猛的发展，这主要缘于无线通信市场的繁荣。这些无线应用包括寻呼机、无绳电话、射频认证(RFID)、数字蜂窝移动电话(GSM，CDMA)和全球定位系统(GPS)等。

市场对无线产品的性能要求越来越高，在新兴的电子消费类产品中，尤其要满足低成本、低功耗、小体积、高性能的要求，提高收发机的集成度无疑是满足上述需求的重要途径。

无线收发机(发射-接收机)提供信息源与通信信道(空气)之间进行信息交换的接口，包括发射机和接收机两个部分来完成发射和接收功能。

在收发机中，射频前端所采用的系统结构对其性能有决定性的影响，它是每个收发机与外界通讯必不可少的核心模块。射频前端包括接收机射频前端和发射机射频前端。接收机射频前端主要操作是：对从天线来的信号做去噪处理后进行放大并将放大后的信号下变频到较低的频率，因此，其第一个模块为具备放大功能的低噪声放大器(LNA)。发射机射频前端的主要操作是：将处理过的信号上变频到高频频段并发射出去，因此，其最后一个模块为高发射效率的功率放大器(PA)。

图1为LNA的示意结构。这种结构为源简并电感型LNA，具有噪声系数低、增益高、线性度好并可以实现输入阻抗匹配等优点，在目前无线收发机系统中应用最为广泛。其中，MOS管M11为放大管，实现LNA最基本的放大功能；L13为负载电感，为放大器提供谐振负载。另外，LNA作为接收链路的第一个模块，为了达到功率的最大传输，输入级要与射频天线的等效阻抗(Z)50Ω匹配，即输入级的等效阻抗Zin(如图1中所示)也为50Ω。电感L11与电容C_couple1组成输入阻抗匹配网络，来实现此功能，电感L11为片外电感，面积较大。等效阻抗由实部Re(Zin)和虚部Im(Zin)组成，即Zin＝Re(Zin)+Im(Zin)。源简并电感L12提供输入阻抗Zin的实部，L11与C_couple1提供Zin的虚部，设计中使L11与C_couple1谐振，虚部为0，使得Zin＝Re(Zin)，设计L12的值，即可使得Zin＝50Ω，从而实现阻抗匹配。射频功率放大器(PA)通常是无线发射机中的最后一个模块，要求输出大功率给外部负载。

功率放大器的效率用来衡量放大器将电源消耗的功耗转化为射频输出功率的能力，它是衡量功率放大器性能的一个主要参数。为了降低功耗，延长电池寿命，效率越高越好。为了提高功率附加效率(Power-added effiency)，一般采用开关模式功率放大器(包括D类、E类和F类等)。如图2所示为射频前端电路中的D类PA的结构示意图。如图3所示为射频前端电路中的E类PA的结构示意图。PA作为发射机的最后一级，为了达到功率的最大传输，输出也要与射频天线的等效阻抗(Z)50Ω匹配。因此，需要设计阻抗匹配网络，如图2中的L21和C_couple2，使得PA的输出阻抗Zout＝50Ω，其中电感L21同图1中的L11为片外电感，面积较大。

在一般传统的收发机中，信号的接收与发射不同时，那么天线下来第一个模块必定是双工器(T/R Switch)。如图4所示，接收机和发射机通过双工器连接到一个共用的天线上，因此，双工器又称天线共用器，既要能将从天线上接收到的微弱信号耦合进来，又要能将较大的发射功率馈送到天线上去。双工器由两组不同频率的阻带滤波器组成，控制收发机与天线的衔接处于接收状态还是处于发射状态，将发射和接收讯号相隔离，保证接收和发射都能正常工作。为了和天线、收发机做到阻抗匹配，要求双工器的阻抗也是50Ω。如图4所示，在传统的射频收发机系统架构中，双工器模块是无法省略的，这是因为无论接收机中LNA的输入阻抗Zin，还是向发射机中PA的输出阻抗Zout，都是50Ω。因此，天线、接收机、发射机之间必须用该双工器进行隔离控制，否则在作为接收机使用的时候，发射机PA的阻抗匹配网络会影响到接收机中LNA的输入阻抗Zin，使其不为50Ω，LNA就不能做到阻抗匹配，严重影响信号的接收；反之在作为发射机使用时，接收机中LNA的阻抗匹配网络会影响到发射机中PA的输出阻抗Zout，使其不再是50Ω，亦不能做到阻抗匹配。此外，从图4中我们还看到，这样的系统不仅需要双工器的存在，而且还累赘地需要用到两个片外电感(L11和L21)，增加了整个芯片的成本开销。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的是提供一种低成本、小体积的射频前端结构。

为了实现本发明的目的，采用的技术方案概述如下：

一种射频前端电路结构，包括接收机射频前端和发射机射频前端，所述接收机射频前端结构中的低噪声放大器与阻抗匹配网络之间接入第一开关管，所述低噪声放大器与电源之间接入第二开关管；所述发射机射频前端结构中的射频功率放大器与阻抗匹配网络之间接入第三开关管，所述射频功率放大器与电源之间接入第四开关管；上述开关管的开启由数字基带产生的使能信号控制，所述低噪声放大器和射频功率放大器复用同一个片外电感，所述片外电感与接收天线连接。

所述低噪声放大器由LNA EN使能信号控制，LNA EN为低电平，第一开关管断路，第二开关管短路，接收机射频前端结构处于接收状态。

所述射频功率放大器由PA EN使能信号控制，PA EN为低电平，第三开关管断路，第四开关管短路，收发机射频前端结构处于发射状态。

所述低噪声放大器为源简并结构。

所述射频功率放大器为D类结构。

所述射频功率放大器为E类结构。

所述开关管为MOS管。

与现有技术相比，本发明具有的技术效果：

1、在LNA与PA中分别设置单独的MOS管作为开关，能独自关断或开启LNA与PA，省去双工器，并能保证收发机的两种状态正常工作。

2、电路结构简单，收发机中使用的LNA和PA结构均是非常简单的，LNA用传统的源简并结构，PA为传统的D类结构。

3、将两个片外电感节省为一个，减少无源器件的成本和面积。

4、保证收发机的各项性能，此发明设计并不会影响传统结构的收发机的性能。

附图说明

图1为现有技术中LNA结构示意图；

图2为现有技术中的PA结构示意图(D类结构)；

图3为现有技术中的PA结构示意图(E类结构)；

图4为现有技术中的射频前端结构示意图；

图5为本发明添加开关管的源简并电感型LNA结构示意图；

图6为本发明添加开关管的D类PA结构示意图；

图7为本发明添加开关管的E类PA结构示意图；

图8a为本发明电感复用省略双工器的射频前端示意图(接收状态)；

图8b为本发明电感复用省略双工器的射频前端示意图(发射状态)；

图9为本发明LNA的阻抗匹配网络。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作详细的说明。

为了减少芯片的成本，需要一种不仅能省去双工器，亦能使LNA和PA共用一个片外电感的新型射频前端结构。

首先，在没有双工器的前提下，本发明为了隔离发射和接收讯号，要保证发射机和接收机能独立工作而不相互影响，因此，在LNA和PA中都加入了开关管，这些开关管的开启由收发机系统中数字基带产生的使能信号控制。图5是加入开关管后的LNA结构示意，本发明采用的是最为常见的源简并结构(也可以是其他结构的低噪声放大器)，M12和M13为开关管(其中接在电源下的M12是PMOS管，接地的M13是NMOS管)，由LNA EN使能信号控制。当LNA EN为低电平时，M12相当于短路，M13相当于断路，LNA能正常工作，收发机处于接收状态，此时，PA应当不工作；当LNA EN为高电平时，M12切断了LNA的电源，，LNA不工作M13短路到地，Ccouple1相当于直接接地。图6为加入开关管后的PA结构示意图(D类结构)，M23和M24为开关管(其中接在电源下的M23是PMOS管，接地的M24是NMOS管)，由PA EN使能信号控制。原理同LNA相同，当PA EN为低电平时，PA能正常工作；收发机处于发射状态，此时，LNA不工作；当PA EN为高电平时，PA断电，Ccouple2相当于接地。当然PA还可以采用E类结构，图7为加入开关管后的E类PA结构示意图，M32和M 33为E类PA结构的开关管。

在本发明中，收发机是处于发射状态还是接收状态，是由数字基带电路决定的。数字基带电路是收发机系统中必不可少的部分，它提供给整个系统各种参考电压和基准电流，本发明用它产生了控制LNA和PA工作与否的使能信号LNA EN和PA EN。

基于上述结构，图8a和图8b所示即为本发明提出的电感复用省略双工器的射频前端示意图。从图中可以看到，本发明把上述分别设计在片外的LNA电感L11和PA电感L21复用为一个相同的片外电感(Off-chip Indctor)L。如图8a所示，当作为接收机使用的时候，本发明通过开关管关断发射机的PA，并使PA中的电容Ccouple2接地，而这时从LNA输入口向PA看到的是PA中的交流耦合电容Ccouple2(图6所示)，此时该电容作为接地电容挂在LNA的输入端处。对于LNA来说，Ccouple1、Ccouple2与片外电感L共同组成了阻抗匹配网络，如图9所示，因此本发明在设计LNA输入匹配的时候只需要将LNA和PA协同设计，设计阻抗匹配网络，使得LNA输入阻抗为50Ω。此时，当整个收发机处于接收机工作状态的时候，便能够顺利地接收信号。

在另一方面，如图8b所示，当本发明的射频前端电路结构作为发射机使用的时候，本发明通过关断LNA的供电，使得LNA不能工作，并使Ccouple1直接接地，而这时从PA输入口向LNA看到的是LNA示意图5中交流耦合电容Ccouple1与Ccouple2串联后作为接地电容挂在PA的输出端出。因此，本发明在设计PA的输出无源阻抗网络的时候，同样只需将PA和LNA协同设计，把LNA引入的串联电容考虑进PA的输出阻抗匹配网络总电容中即可。此时，当整个收发机处于发射机工作状态的时候，便能够顺利地发射信号。

当收发机采用了本发明上述提出的电感复用结构后，整个收发机的前端电路显得非常简洁。本发明不仅省略了双工器使本发明芯片的面积和成本大为降低，此外，通过射频前端模块中LNA和PA的协同设计，能只通过一个片外电感同时满足作为接收机使用时的输入匹配阻抗网络和作为发射机使用时的输出匹配阻抗网络，又进一步减少了片外电感的使用，进一步降低了整个芯片的成本，这对于本发明射频前端应用背景中要求的小封装尺寸、低成本的要求无疑是非常有作用的。

本发明对上述设计的LNA进行了版图寄生参数的提取，并做了后仿真。在后仿真中，本发明提取了版图中所有的寄生参数(寄生电阻、寄生电容、寄生电感)、连线间的耦合寄生电容，也加上了焊盘的、邦定线以及封装的寄生参数等等。能够客观、严格、真实地反映本发明电路的性能指标。

基于版图后仿真得到的本发明上述设计LNA的性能，可以看到，LNA的输入匹配S11在接收频率417MHz时为-13dB，小于-10dB，S21可以达到27.4dB，也即意味着其增益为33.4dB(S21与Gain间6dB的差别是S参数仿真中人为增加输出缓冲器引入的，实际电路并不存在)。整个超低功耗LNA的噪声系数为2.8dB。

仿真结果证明，采用这种结构，并没有影响到电路的性能，这种电感复用的射频前端结构是可行的。

Claims

1.一种射频前端电路结构，包括接收机射频前端和发射机射频前端，其特征在于，所述接收机射频前端结构中的低噪声放大器与阻抗匹配网络之间接入第一开关管，所述低噪声放大器与电源之间接入第二开关管；所述发射机射频前端结构中的射频功率放大器与阻抗匹配网络之间接入第三开关管，所述射频功率放大器与电源之间接入第四开关管；上述开关管的开启由数字基带产生的使能信号控制，所述低噪声放大器和射频功率放大器复用同一个片外电感，所述片外电感与接收天线连接；

所述低噪声放大器由LNA_EN使能信号控制，接在电源下的第二开关管是POMS管，接地的第一开关管是NMOS管，LNA_EN为低电平，第一开关管断路，第二开关管短路，接收机射频前端结构处于接收状态，LNA_EN为高电平，LNA不工作第一开关管短路到地，第二开关管切断LNA_EN的电源；

所述射频功率放大器由PA_EN使能信号控制，接在电源下的第四开关管是POMS管，接地的第三开关管是NMOS管，PA_EN为低电平，第三开关管断路，第四开关管短路，收发机射频前端结构处于发射状态，PA_EN为高电平，PA_EN不工作第三开关管短路到地，第四开关管切断PA_EN的电源。

2.如权利要求1所述的电路结构，其特征在于，所述低噪声放大器为源简并结构。

3.如权利要求1所述的电路结构，其特征在于，所述射频功率放大器为D类结构。

4.如权利要求1所述的电路结构，其特征在于，所述射频功率放大器为E类结构。