CN102185626A

CN102185626A - 一种基于传输变压器的射频收发前端电路

Info

Publication number: CN102185626A
Application number: CN2011101032805A
Authority: CN
Inventors: 倪文海; 徐文华
Original assignee: CANAANTEK Corp Ltd
Current assignee: CANAANTEK Corp Ltd
Priority date: 2011-04-25
Filing date: 2011-04-25
Publication date: 2011-09-14

Abstract

本发明公开了一种基于传输变压器的射频收发前端电路，该电路包含片内电路，以及与片内电路电路连接的匹配电路；片内电路与匹配电路通过第一端口、第二端口和第三端口电路连接；片内电路包含发射机电路以及与发射机电路连接的接收机电路；发射机电路包含传输变压器，以及分别与传输变压器电路连接的第二级放大器、第一级放大器和发射机稳压器；第二级放大器与第一级放大器电路连接。本发明使用传输变压器代替传统的片外电感，无需任何片外电感器件即同时满足收发机芯片的需要，同时片内的传输变压器为收发机复用，可以大大降低系统噪声和提高输出功率，实现在射频信号通道上，只需一个第三端口，使片外的匹配电路简化，减低片外元器件的成本。

Description

一种基于传输变压器的射频收发前端电路

技术领域

本发明涉及一种无线通讯领域的射频收发电路技术，具体涉及一种基于传输变压器的射频收发前端电路。

背景技术

目前，短距离、低功耗和低成本的2.4GHz射频收发芯片已经广泛应用于无线鼠标、无线键盘、高速公路无线收费ETC系统、无线安检和控制，绿色节能和2.4GHz手机移动支付等领域。在所有这些消费类的应用中，为了赢得激烈的市场竞争优势，成本被要求越来越低。所以针对这些应用，降低整个射频收发系统的成本有着特殊的意义。同时，芯片外的辅助电路是整个芯片系统方案一个不可分割的组成部分。在激烈的成本竞争中，芯片外的器件，特别是电感已经占整体片外器件（BOM）方案重要的一部分。目前主流的2.4GHz无线通讯领域的射频芯片设计主要采用片外电感元件与芯片结合的方法来实现，如图1所示。该方法缺点如下：1、需要片外电感器件，过多的电感器件会增加设计上的难度，延长产品周期，同时会提高产品成本；2、信号通路上需要2个管脚（P₃和P₄）来实现收发机工作，会增加芯片的封装管脚数量；3、不利于单片收发芯片的全集成实现，多个片外电感器件的存在给系统的单片实现带来很大的困难；4、多个电感的使用会严重影响整个收发机芯片的性能。

如图1所示，低功耗和低成本的2.4GHz射频收发芯片都是采用传统的低中频接收机系统架构，该结构需要大量的片外电感器件来实现。系统工作原理如下： 2.4GHz 射频信号通过天线17（Antenna），被接收到射频的信号通道中。接收到的2.4GHz 射频信号首先通过芯片外的匹配电路 (由C₁， C₂， L₁， L₂ 和L₃组成) 再通过管脚P₃和P₄连接到芯片内前端的低噪声放大器11（LNA）进行放大。放大后的信号经耦合电容，连接到下变频器12（Mixer）到中频电路作进一步的信号处理。一般来讲，这样的低成本和低功耗的射频前端接收机（Receiver）电路是由一个片内的低压差线性稳压器13（LDO）来供电。

在发射机(Transmitter)方面, 从压控振荡器 (VCO, 未画出) 直接调制的GFSK射频信号，经过功放驱动放大器（PA Driver）的第一级14（1^st Stage）和第二级15（2^nd Stage）放大后, 输到片外的射频匹配电路 (由C₁， C₂， L₁， L₂ 和L₃组成)。经过射频匹配电路后，发射信号由天线17 (Antenna) 发射到空气中。随着市场的竞争越来越激烈，芯片和芯片方案的成本要求越来越高。所以芯片的管脚P₃和P₄被接收机（Receiver）和发射机（Transmitter）同时复用。同样，射频前端的发射机（Transmitter）电路是由一个片内的低压差线性稳压器16（LDO）来供电。这个稳压器16（LDO）有片外电容C₃和C₄来过滤低频和高频的信号。稳压器13和16（LDO）由片外的电池电压V_Bat来供电。

接收机（Receiver）和发射机（Transmitter）的切换开关是通过关闭或打开接收机（Receiver）来实现的。比如，接收机（Receiver）开通的时候，发射机（Transmitter）就关闭了。发射机（Transmitter）关闭之后，向发射机（Transmitter）的第二级15（2^nd Stage）放大器看进去阻抗为高阻抗，不会对接收机（Receiver）产生任何影响，这样接收机（Receiver）就正常工作了。反之，当接收机（Receiver）关闭的时候，发射机（Transmitter）就开通了。接收机（Receiver）关闭之后，向接收机（Receiver）的低噪声放大器11（LNA）看阻抗为高阻抗。这样发射机（Transmitter）就正常工作了。

发明内容

本发明提出一种基于传输变压器的射频收发前端电路，其不需要片外的电感器件，减少芯片外部的匹配电路。

为实现上述目的，本发明公开了一种基于传输变压器的射频收发前端电路，该电路包含片内电路，以及与该片内电路电路连接的匹配电路；其特点是，该片内电路与匹配电路通过第一端口、第二端口和第三端口电路连接；

上述的片内电路包含：

发射机电路，该发射机电路包含传输变压器，以及分别与该传输变压器电路连接的第二级放大器、第一级放大器和发射机稳压器；该第二级放大器还与第一级放大器电路连接；

上述的传输变压器还电路连接所述的第三端口。

上述的片内电路还包含：

与该发射机电路连接的接收机电路，该接收机电路包含低噪声放大器，以及分别与该低噪声放大器电路连接的下变频器和发射机稳压器；

上述的传输变压器还与该低噪声放大器电路连接。

上述的第二级放大器、第一级放大器和低噪声放大器采用全差分对称结构。

上述的第一端口分别与该发射机稳压器和发射机稳压器电路连接；

上述的第二端口分别与该传输变压器、第一级放大器和发射机稳压器电路连接。

上述的匹配电路包含：

与上述的第三端口电路连接的天线；该第三端口与天线之间还电路连接有第二电容；该天线与第二电容之间电路连接有第一电容，该第一电容接地；

并联连接在上述的第二端口上的第三电容和第四电容，该第三电容和第四电容的另一端接地；以及，

与上述的第一端口电路连接的电池电源。

当发射机稳压器正常工作的时候，发射机稳压器被关闭，接收机电路被开通，发射机电路就关闭。发射机电路关闭之后，向发射机电路的第二级放大器看，阻抗为高阻状态。交流情况下第二段口通过片外的第三电容和第四电容接地。射频信号通过天线在经过第一电容和第二电容后通过，传输变压器进行差分变换，再被送到低噪声放大器进行放大。

当发射机稳压器被关闭的时候，发射机稳压器打开，接收机电路关闭，发射机电路开通。接收机电路关闭之后，向接收机电路的低噪声放大器看，阻抗为高阻状态。发射的射频信号被第二级放大器放大后, 通过传输变压器进行差分转单端变换，信号进行放大的同时将差分信号变换成了单端信号，然后通过第三端口输到片外的射频匹配电路，最后由天线发送到空气中。

本发明一种基于传输变压器的射频收发前端电路和现有技术的射频收发电路相比，其优点在于，本发明在射频信号通道上，只需一个第三端口，实现在匹配电路中不需采用电感，使片外的匹配电路简化，减低片外元器件的成本；

本发明使用一个芯片内的传输变压器即可代替传统的2.4GHz射频收发机芯片系统架构中的片外电感，无需任何片外电感器件即可同时满足收发机芯片的需要，同时片内的传输变压器为收发机复用，可以大大降低系统噪声和提高输出功率；

收发机电路均采用全差分对称设计，具有完整的差分特性，抗干扰能力大大增强。

附图说明

图1为现有技术2.4GHz射频收发电路的电路原理图；

图2为本发明一种基于传输变压器的射频收发前端电路的电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明的具体实施方式。

如图2所示，本发明公开了一种基于传输变压器的射频收发前端电路，该电路包含片内电路，以及与该片内电路电路连接的匹配电路。片内电路与匹配电路通过三个端口：第一端口P1、第二端口P2和第三端口P3电路连接。

匹配电路包含天线28、第一电容C1、第二电容C2、第二电容C2、第二电容C2和电池电源V_Bat。天线28与第三端口P3电路连接，在第三端口P3与天线28之间还串联连接有第二电容C2，该天线28与第二电容C2之间还电路连接有第一电容C1，该第一电容C1接地。第三电容C3和第四电容C4并联连接，该第三电容C3和第四电容C4的一端接地，另一端电路连接第二端口P2。电池电源V_Bat电路连接第一端口P1。

片内电路包含发射机电路（Transmitter），以及该发射机电路（Transmitter）电路连接的接收机电路（Receiver）。

发射机电路包含传输变压器27，以及分别与该传输变压器27电路连接的第二级放大器25、第一级放大器24和发射机稳压器26。第二级放大器25与第一级放大器24电路连接。该第一级放大器24和第二级放大器25组成功放驱动放大器（PA Driver）。该第一级放大器24的输入端电路连接外接的压控振荡器（VCO, 图中未画出）。

第一级放大器24采用了共源全差分的放大器结构，它包含三个NMOS管1、NMOS管2和NMOS管3、一个差分电容和一个差分电感。两个NMOS管1和NMOS管2对称设置，其两个漏极之间并联连接有一个差分电感和差分电容。差分电感的中心抽头（Center Tap）接到发射机电路的电源V_{DD_PA}上和发射机稳压器26。该两个NMOS管1和NMOS管2的栅极分别电路连接压控振荡器VCO，该两个NMOS管1和NMOS管2的源极电路连接NMOS管3的漏极，该NMOS管3的源极接地。电感的一端电路连接第二级放大器212，该电感还分别电路连接发射机稳压器213和第二端口P2。第一级放大器24接收压控振荡器VCO的输出，直接调制的GFSK射频信号，对信号进行第一次放大。

第二级放大器25采用两个全差分对称设置的NMOS管4和NMOS管5。NMOS管4的栅极电路连接第一级放大器24中NMOS管1的漏极，NMOS管5的栅极电路连接第一级放大器24中NMOS管2的漏极。NMOS管4与NMOS管5的漏极分别电路连接传输变压器27。NMOS管4与NMOS管5的源极电路连接在一起，并接地。第二级放大器25的负载为传输变压器27。第二级放大器25对从第一级放大器24输出的信号进行第二次放大。

发射机稳压器26采用低压差线性稳压器（LDO），其分别电路连接Vref、第一端口P1、第二端口P2、第一级放大器24和传输变压器27。该发射机稳压器26通过第二端口P2电路连接第三电容C3和第四电容C4，由片外第三电容C3和第四电容C4来过滤低频和高频的信号，并通过第一端口P1电路连接电池电压V_Bat，片外的电池电压V_Bat向发射机稳压器26提供电源，发射机稳压器26再向发射机电路供电。

传输变压器27包含一组对应设置的线圈，线圈1的两端分别电路连接第三端口P3和接地。线圈2的两端分别电路连接NMOS管4与NMOS管5的的漏极，该线圈2的中心抽头电路连接第二端口P2。传输变压器27（Transformer）接收经过第二级放大器25和第一级放大器24调制放大的GFSK射频信号，对该GFSK射频信号进行差分转单端变换，此处通过优化电容达到最佳负载匹配。传输变压器27将第二级放大器25的输出信号进行双端转单端变换，同时，传输变压器27也作为第二级放大器25的负载使用，代替了传统的2.4GHz射频收发机芯片系统架构中所需的片外电感，大大降低了设计难度和成本。

发射机电路接收压控振荡器VCO输出的GFSK射频信号，该信号依次经过功放驱动放大器（PA Driver）的第一级放大器24和第二级放大器25放大后，输入至传输变压器27，传输变压器27对该GFSK射频信号进行差分转单端变换后，通过第三端口P3输到片外的射频匹配电路，信号经过一个交流耦合电容C1和C2后，由天线28发射到空气中。由传输变压器27替代了现有技术中匹配电路的电感，这里不需要任何片外电感即可达到要求，使片外的匹配电路大大地简化了。这个新的系统架构就大大地减低了片外元器件BOM的成本。

同时，本发明的发射机电路的双转单的电路是在传输变压器27上完成的。第一级放大器24和第二级放大器25输出的信号在传输变压器27的线圈1上转为单端信号。使传输变压器27信号的输出只需要一个信道端口、第三端口P3即可。

接收机电路包含低噪声放大器21，以及分别与该低噪声放大器21电路连接的下变频器22和发射机稳压器23。该低噪声放大器21还电路连接传输变压器27，接收机电路也复用传输变压器27。下变频器22的输出端电路连接IF信号。低噪声放大器21采用全差分对称设计，其包含对称设置的NMOS管6、NMOS管7、NMOS管8、NMOS管9。NMOS管6与NMOS管7的漏极分别通过一个电容电路连接下变频器22的输入端，NMOS管6与NMOS管7的漏极之间还电路连接有一个电容，该电容的中间抽头电路连接发射机稳压器23。NMOS管6与NMOS管7的源极分别电路连接NMOS管8与NMOS管9的漏极，NMOS管8与NMOS管9的栅极分别电路连接传输变压器27的线圈2的两端，NMOS管8与NMOS管9的源极连接在一起，并接地。发射机稳压器23电路连接Vref、低噪声放大器21和第一端口P1。

2.4GHz射频信号通过天线28（Antenna），接收到射频信号通道中。接收到的2.4GHz射频信号首先通过芯片外的匹配电路再通过管脚P3连接到芯片内的传输变压器27（Transformer）进行单端转差分变换，然后连接到差分低噪声放大器21（LNA）进行放大。放大后的信号经耦合电容，连接到下变频器22（Mixer）到中频电路作进一步的信号处理。传输变压器27（Transformer）具有良好的单端转差分性能，从管脚P3过来的单端信号经过传输变压器27（（Transformer）后变成两路信号大小一样，相位相差180度的差分信号后输入到低噪声放大器21（LNA）的两端，传输变压器27（Transformer）同时作为低噪声放大器21（LNA）的输入匹配电感使用，无需额外的电感满足低噪声放大器21（LNA）需要，代替了传统的2.4GHz射频收发机芯片系统架构中所需的片外电感。

以下结合图2说明射频收发系统电路中匹配电路选则各元器件的参数要求与流程。

稳压电路6（LDO）供出的V_{DD_PA}电压，需要两个电容C3和C4。C3主要是用来滤除几赫兹到几十兆赫兹的噪声，一般取几十个nF即可。同时要保证稳压电路6（LDO）的稳定性。对于第四电容C4，可以选择C4=12pF，这个电容主要是用来滤波几千兆赫兹的射频RF或噪声，在LDO输出端测量2.4GHz 射频RF的噪声为最小。

先关闭发射机电路（Transmitter），接收机电路（Receiver）开启来调试接收的输入（Input）匹配电路。第一电容C1的左端接通信号网络仪（Network Analyzer），在50-Ohm的史密斯圆图(Smith Chart)的阻抗图上，通过不断地调节第一电容C1、第二电容C2和传输变压器27的频率特性，使天线端口可以匹配到接近50-Ohm。一般来说在低功耗和低成本的2.4GHz射频收发机芯片设计上，输入匹配参数S11在2.4GHz的工作频率上能达到-10dB即可。

再关闭接收机电路（Receiver）并且同时开启发射机电路（Transmitter）。天线28这段可以接上信号网络仪（Network Analyzer）。发射机电路所需要调整的是输出传输特性。这时，虽然接收机电路（Receiver）已经被关闭，并且第三端口P3向低噪声放大器31 (LNA)看已经呈现高阻，但在射频下, 还是有寄生电感和电容。此时，需要调整发射机电路的电流和传输变压器27的频率特性，保证在同样的发射机电流下，射频输出的功率为最大，输出的传输特性是最佳的。

回到第一步，继续细调接收机电路的匹配电路。最后达到收和发都是最佳的匹配。

以下结合图2说明本发明基于传输变压器的射频收发前端电路的工作方法流程。

接收和发射的选择是通过关闭或开通发射机稳压器23和发射机稳压器26（LDO）来实现的。比如，当发射机稳压器23（LDO）正常工作的时候，发射机稳压器26（LDO）被关闭，此时接收机电路（Receiver）被开通，发射机电路（Transmitter）就关闭了。发射机电路（Transmitter）关闭之后，向发射机电路（Transmitter）的第二级放大器25看，阻抗为高阻状态。这时，连接到第二段口P2的V_{DD_PA}输出为零，交流情况下第二段口P2通过片外的第三电容C3和第四电容C4被强行地接到了地。这里需要强调，传输变压器27的尺寸和取值要优化选择，尺寸太大会增加芯片面积，取值不够会影响低噪声放大器21 (LNA)的性能。射频信号通过天线在经过C1和C2后通过，传输变压器27进行差分变换，再被送到低噪声放大器21 (LNA)进行放大，在这个时候采用的是差分共源(Common Source)的电路架构，可以大大的提高接收机的抗干扰性能。射频RF信号在接收时，通过低噪声放大器21（LNA）下面的NMOS管8和NMOS管9的栅极（Gate）进入低噪声放大器21 (LNA)。反之，当发射机稳压器23（LDO）被关闭的时候，发射机稳压器26（LDO）打开，此时，接收机电路（Receiver）关闭，发射机电路（Transmitter）就开通了。接收机电路（Receiver）关闭之后，向接收机电路（Receiver）的低噪声放大器21（LNA）看，阻抗为高阻状态。这样发射机电路（Transmitter）就正常工作了。发射的射频信号被第二级放大器25放大后, 通过传输变压器27（Transformer）进行差分转单端变换，同时也作为第二级放大器25的负载使用，这样传输变压器27（Transformer）在对信号进行放大的同时将差分信号变换成了单端信号，然后通过第三端口P3输到片外的射频匹配电路（由C1、C2组成），最后由天线28发送到空气中。发射机稳压器26（LDO）供出正常的V_{DD_PA}电压给整个发射机电路（Transmitter）用, 同时也向第二级放大器25供电。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims

1.一种基于传输变压器的射频收发前端电路，该电路包含片内电路，以及与所述的片内电路电路连接的匹配电路；其特征在于，所述的片内电路与匹配电路通过第一端口（P1）、第二端口（P2）和第三端口（P3）电路连接；

所述的片内电路包含：

发射机电路，该发射机电路包含传输变压器（27），以及分别与所述的传输变压器（27）电路连接的第二级放大器（25）、第一级放大器（24）和发射机稳压器（26）；所述的第二级放大器（25）与第一级放大器（24）电路连接；

所述的传输变压器（27）还电路连接所述的第三端口（P3）。

2.如权利要求1所述的基于传输变压器的射频收发前端电路，其特征在于，所述的片内电路还包含：

与所述的发射机电路连接的接收机电路，该接收机电路包含低噪声放大器（21），以及分别与所述的低噪声放大器（21）电路连接的下变频器（22）和发射机稳压器（23）；

所述的传输变压器（27）还与所述的低噪声放大器（21）电路连接。

3.如权利要求2所述的基于传输变压器的射频收发前端电路，其特征在于，所述的第二级放大器（25）、第一级放大器（24）和低噪声放大器（21）采用全差分对称结构。

4.如权利要求1所述的基于传输变压器的射频收发前端电路，其特征在于，所述的第一端口（P1）分别与所述的发射机稳压器（26）和发射机稳压器（23）电路连接；

所述的第二端口（P2）分别与所述的传输变压器（27）、第一级放大器（24）和发射机稳压器（26）电路连接。

5.如权利要求1所述的基于传输变压器的射频收发前端电路，其特征在于，所述的匹配电路包含：

与所述的第三端口（P3）电路连接的天线（28）；所述的第三端口（P3）与天线（28）之间还电路连接有第二电容（C2）；该天线（28）与第二电容（C2）之间电路连接有第一电容（C1），该第一电容（C1）接地；

并联连接在所述的第二端口（P2）上的第三电容（C3）和第四电容（C4），该第三电容（C3）和第四电容（C4）的另一端接地；以及，

与所述的第一端口（P1）电路连接的电池电源（V_Bat）。