CN103078594A

CN103078594A - 一种电流复用射频前端电路

Info

Publication number: CN103078594A
Application number: CN2012105645460A
Authority: CN
Inventors: 李琛; 董林妹; 何学红
Original assignee: Shanghai Integrated Circuit Research and Development Center Co Ltd
Current assignee: Shanghai IC R&D Center Co Ltd
Priority date: 2012-12-24
Filing date: 2012-12-24
Publication date: 2013-05-01
Anticipated expiration: 2032-12-24
Also published as: CN103078594B

Abstract

本发明公开了一种电流复用射频前端电路，包括低噪声放大器模块及混频器模块，所述低噪声放大器模块的信号输出端通过交流耦合电容连接至所述混频器模块的信号输入端，所述低噪声放大器模块的负载端与所述混频器模块相连，且连接节点为虚地端。本发明的射频前端电路通过将低噪声放大器模块和混频器模块进行电流复用，在满足两者功能和性能的同时，节省了功耗。

Description

一种电流复用射频前端电路

技术领域

本发明涉及集成电路领域，特别涉及一种电流复用射频前端电路。

背景技术

随着信息时代的人类科技发展突飞猛进，作为信息获取最重要和最基本的传感器网络技术也得到了极大的发展。传感器信息获取技术已经从过去的单一化逐渐向集成化、微型化、网络化和智能化发展，结合各领域前沿技术、利用现代无线通信连接手段，一种具备信息综合和处理能力以及交互式无线通信的新兴传感器技术——无线传感器网络便由此应运而生了。

无线传感器网络芯片一个重要的特点就是微型化和集成化，随着对无线传感器网络芯片研究的不断深入，人们已经开始不满足于仅仅实现功能，而是对芯片的成本、集成度、功能方面提出了越来越迫切的要求。系统芯片所带来的单片系统集成芯片解决方案不仅能够明显增加集成度、减小芯片体积、提高封装密度，而且可以有效降低芯片系统的成本和造价。因此，在当前无线传感器网络的芯片设计中，人们已经越来越多地依赖系统集成概念来设计相关电路并开发新一代的芯片产品。

射频前端电路是每个无线传感器网络收发机与外界通讯必不可少的核心模块，包括接收链路的低噪声放大器、混频器和发射链路的功率放大器。射频前端模块性能的好坏直接影响这整个收发机的性能。然而在另一方面，射频前端电路也是整个收发机中最耗功耗的模块，因此如何实现超低功耗而又高性能的射频前端电路是业界研究的重点内容。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种低功耗的电流复用射频前端电路。

为达成上述目的，本发明提供一种电流复用射频前端电路，包括低噪声放大器模块及混频器模块，其中所述低噪声放大器模块的信号输出端通过交流耦合电容连接至所述混频器模块的信号输入端，所述低噪声放大器模块的负载端与所述混频器模块相连接，且连接节点为交流虚地端。

优选的，所述连接节点通过去耦电容接地。

优选的，所述低噪声放大器模块包括第一晶体管，其漏极为所述低噪声放大器的信号输出端，其栅极和漏极之间连接第一电阻。

优选的，所述低噪声放大器模块的负载为第二电阻。

优选的，所述低噪声放大器模块包括输入匹配网络。

优选的，所述混频器模块包括第二晶体管，以及差动连接的第三晶体管和第四晶体管；所述第二晶体管的栅极为所述混频器模块的信号输入端，源极连接所述去耦电容；所述第三晶体管的栅极连接所述混频器模块的第一本征信号输入端，漏极连接所述混频器模块的第一信号输出端；所述第四晶体管的栅极连接所述混频器模块的第二本征信号输入端，漏极连接所述混频器模块的第二信号输出端；其中所述第一本征信号和所述第二本征信号的相位差为180度。

优选的，所述第三晶体管的漏极和栅极之间连接第五电阻，所述第四晶体管的漏极和栅极之间连接第六电阻。

优选的，所述混频器模块还包括第三电阻和第四电阻，所述第三电阻连接于所述第三晶体管的源极和所述第二晶体管的漏极之间，所述第四电阻连接于所述第四晶体管的源极和所述第二晶体管的漏极之间。

优选的，所述混频器模块还包括第七电阻和第八电阻，所述第三晶体管的漏极经所述第七电阻连接至电源，所述第四晶体管的漏极经所述第八电阻连接至电源。

本发明的优点在于利用低噪声放大器和混频器的电流复用，实现了用一路电流完成两个电路功能的作用，节省了功耗。此外，低噪声放大器具有较高增益，信号经过低噪声放大器处理以后传递给混频器，可以有效减小混频器噪声对整个射频前端噪声的影响。

附图说明

图1为本发明一实施例电流复用射频前端电路的结构示意图。

图2为本发明一实施例电流复用射频前端电路的低噪声放大器的等效电路示意图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

图1所示为本发明提出的电流复用射频前端电路的结构示意图。整个电流复用射频前端电路由上下两部分主要模块组成。上层级为混频器模块，下层级为低噪声放大器模块，两者连接于中间节点P，中间节点P为交流虚地端。

下层级低噪声放大器模块LNA由栅极电感L1、源极反馈电感L2、耦合电容Ccouple、跨接电容C1、第一晶体管M1、第一电阻R1、负载电阻R2组成。其中栅极电感L1、耦合电容Ccouple、跨接电容C1、源极反馈电感L2构成该下层级低噪声放大器模块的输入匹配网络，也即是电流复用射频前端电路的输入匹配网络。整个低噪声放大器模块采用源端电感负反馈结构实现，图2所示为下层级低噪声放大器模块的等效电路图，从中推导该低噪声放大器模块的输入匹配条件和噪声系数公式，如下所示：

ω_{0}^{2} = \frac{1}{(L_{1} + L_{2}) C_{1}}

和

R_{s} = \frac{g_{m} L_{2}}{C_{1}} = 50 Ω

F = 1 + γ \cdot \frac{ω_{0} L_{2}}{Q R_{s}},

其中

Q = \frac{ω_{0} (L_{1} + L_{2})}{R_{s}}

从上式中可以看到，为了实现低噪声放大器模块LNA输入端的50Ω匹配，需要联合设计栅极电感L1、源端负反馈电感L2和跨接电容C1的值。

请继续参考图1，低噪声放大器模块的第一晶体管M1为NMOS管，其栅极和漏极之间连接第一电阻R1，可实现自偏置，从而省略了外接偏置模块及其功耗。低噪声放大器模块的负载是由负载电阻R2来实现。第一晶体管M1的漏极即为低噪声放大器模块的信号输出端Q。因此，整个下层级低噪声放大器模块接收射频输入信号RF_IN并将其进行放大，最终将放大的信号通过信号输出端Q传递至上层级混频器模块。在本实施例中，第一晶体管M1的漏极连接交流耦合电容C2的一端，因此，信号输出端Q输出的信号通过交流耦合电容C2上传至上层级混频器模块。

上层级混频器模块包括第二晶体管M2，差动连接的第三晶体管M3和第四晶体管M4，均为NMOS管。整个混频器采用单平衡结构实现。第二晶体管M2接收来自低噪声放大器模块的信号，将射频电压信号转换为射频电流信号。第二晶体管M2的栅极为混频器模块的信号输入端，连接交流耦合电容C2的另一端；其源极连接交流虚地端P。第三晶体管M3与第四晶体管M4为混频器模块的开关管，其栅极接收来自系统锁相环的本征信号，其中第三晶体管M3的栅极连接第一本征信号输入端，接收第一本征信号LO_P；第四晶体管M4的栅极连接第二本征信号输入端，接收第二本征信号LO_N。本征信号LO_P与LO_N的相位差为180度，控制第三晶体管M3和第四晶体管M4的开关状态。第三晶体管M3的漏极和第四晶体管M4的漏极分别连接混频器模块的第一信号输出端和第二信号输出端。通过单平衡混频器，低噪声放大器模块输出的信号经过与第一本征信号LO_P和第二本征信号LO_N的混频，分别产生下变频信号IF_N和IF_P输出，以交给接收机模拟基带进一步处理。较佳的，混频器模块的第三晶体管M3源极和第二晶体管M2漏极之间，以及第四晶体管M4源极和第二晶体管M2漏极之间分别增加源阻抗R3、R4以提高该混频器模块的线性度。此外，混频器模块还包括第五电阻R5和第六电阻R6，第五电阻R5跨接在第三晶体管M3的漏极和栅极之间，第六电阻R6跨接在第四晶体管的漏极和栅极之间，因此开关管M3、M4可分别通过电阻R5、R6实现自偏置结构，自己供给直流偏置点，节省功耗。混频器模块的负载通过第七电阻R7和第八电阻R8实现，第三晶体管M3的漏极经第七电阻R7连接至电源，第四晶体管M4的漏极经第八电阻R8连接至电源。

值得注意的是，在本发明中低噪声放大器模块的负载端（负载电阻R2）与混频器模块的接地端（第二晶体管M2的源极）连接于中间节点交流虚地端P。因此，通过交流虚地端P实现了整个射频前端的上层级混频器模块和下层级低噪声放大器模块相连，从而实现低噪声放大器模块和混频器模块的电流复用。为了保证节点P的虚地端效果，即保证节点P在交流情况下能够去除干扰地等效为地，因此节点P与地之间连接一去耦电容C3，以起到交流等效地的效果。

综上所述，本发明的电流复用射频前端电路结构，利用低噪声放大器模块和混频器模块的电流复用，实现了用一路电流完成两个电路功能的作用，在满足两者功能和性能的同时大大节省了功耗。此外，下层的低噪声放大器模块通过交流耦合电容将信号输出给上层的混频器模块，由于低噪声放大器模块具有较高增益，信号经过低噪声放大器模块处理以后再传递给混频器模块可以有效减小混频器模块的噪声对整个射频前端噪声的影响。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims

1.一种电流复用射频前端电路，包括低噪声放大器模块及混频器模块，其特征在于：

所述低噪声放大器模块的信号输出端通过交流耦合电容连接至所述混频器模块的信号输入端，所述低噪声放大器模块的负载端与所述混频器模块相连接，且连接节点为交流虚地端。

2.根据权利要求1所述的电流复用射频前端电路，其特征在于，所述连接节点通过去耦电容接地。

3.根据权利要求1所述的电流复用射频前端电路，其特征在于，所述低噪声放大器模块包括第一晶体管，其漏极为所述低噪声放大器模块的信号输出端，其栅极和漏极之间连接第一电阻。

4.根据权利要求1所述的电流复用射频前端电路，其特征在于，所述低噪声放大器模块的负载为第二电阻。

5.根据权利要求1所述的电流复用射频前端电路，其特征在于，所述低噪声放大器模块包括输入匹配网络。

6.根据权利要求2所述的电流复用射频前端电路，其特征在于，所述混频器模块包括第二晶体管，以及差动连接的第三晶体管和第四晶体管；所述第二晶体管的栅极为所述混频器模块的信号输入端，源极连接所述去耦电容；所述第三晶体管的栅极连接所述混频器模块的第一本征信号输入端，漏极连接所述混频器模块的第一信号输出端；所述第四晶体管的栅极连接所述混频器模块的第二本征信号输入端，漏极连接所述混频器模块的第二信号输出端；其中所述第一本征信号和所述第二本征信号的相位差为180度。

7.根据权利要求6所述的电流复用射频前端电路，其特征在于，所述第三晶体管的漏极和栅极之间连接第五电阻，所述第四晶体管的漏极和栅极之间连接第六电阻。

8.根据权利要求6所述的电流复用射频前端电路，其特征在于，所述混频器模块还包括第三电阻和第四电阻，所述第三电阻连接于所述第三晶体管的源极和所述第二晶体管的漏极之间，所述第四电阻连接于所述第四晶体管的源极和所述第二晶体管的漏极之间。

9.根据权利要求6所述的电流复用射频前端电路，其特征在于，所述混频器模块还包括第七电阻和第八电阻，所述第三晶体管的漏极经所述第七电阻连接至电源，所述第四晶体管的漏极经所述第八电阻连接至电源。