CN104104336A - 一种具有噪声抵消的低功耗宽带射频前端电路 - Google Patents

Abstract

一种具有噪声抵消的低功耗宽带射频前端电路，包括低噪声放大器和下变频混频器，低噪声放大器的输出连接下变频混频器的输入端，其特征在于，低噪声放大器包括信号合成单元及第一、第二两个输入放大单元，差分射频输入信号的正、负两端分别连接第一、第二两个输入放大单元的正输入端和负输入端，第一和第二两个输入放大单元的输出送给信号合成单元，信号合成单元输出送入第一、第二两个混频单元，第一混频单元和第二混频单元分别通过开关控制输入的射频电流信号，将射频电流信号下变频到中频频段，通过下变频混频器输出同相差分中频信号和正交差分中频信号。

Description

一种具有噪声抵消的低功耗宽带射频前端电路

技术领域

本发明涉及射频接收机系统中的射频前端电路，尤其是一种具有噪声抵消的低功耗宽带射频前端电路。

背景技术

射频前端电路是射频接收机的重要组成部分，一般包括低噪声放大器和下变频混频器两个独立的电路模块。其中低噪声放大器是射频接收机的第一级有源电路，它本身具有很低的噪声系数并能提供足够的增益来抑制后级电路的噪声；下变频混频器主要完成频率变换的功能，将射频信号下变频到中频频段。设计一款低功耗、高增益、低噪声的射频前端电路IP核具有较为广泛的应用前景和应用价值。

如图1所示，传统的宽带射频前端电路一般由共栅结构低噪声放大器和吉尔伯特下变频混频器两个相互独立的电路模块级联组成。共栅结构低噪声放大器具有很好的宽带输入匹配特性，吉尔伯特混频器具有较好的端口隔离度。但是，传统的宽带射频前端电路具有以下缺点：

第一是功耗大，传统的宽带射频前端电路中的共栅结构低噪声放大器的输入阻抗近似为1/(gm+gmb)，其中gm为输入晶体管跨导，gmb为输入晶体管衬底到源极电位差带来的体效应对应的等效跨导。为了实现输入阻抗与50欧姆天线的匹配，必须通过增加工作电流以提高输入晶体管的跨导，使输入阻抗近似等于50欧姆。

第二是噪声大，传统的宽带射频前端电路没有进行噪声抵消，噪声系数较大，其单边带噪声系数往往超过9dB。

第三是成本高，在传统的宽带射频前端电路中，共栅结构低噪声放大器需要两个射频扼流圈来防止输入的射频信号短路到地。如果采用片内螺旋电感来实现射频扼流圈，由于片内电感面积大，整个射频前端电路的芯片面积也会变得很大；如果采用片外电感实现射频扼流圈，这又就会带来芯片引脚增多，应用成本上升等问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服射频接收机中传统的射频前端电路的不足，提出一种具有噪声抵消的低功耗宽带射频前端电路，在图1所示传统射频前端电路的基础上，保留其中下变频混频器的结构，对其中的共栅结构低噪声放大器进行了改进，能在电路功耗较低的前提下实现低噪声放大和下变频功能，具有较高的变频增益和较低的噪声系数。

本发明采取的技术方案如下：一种具有噪声抵消的低功耗宽带射频前端电路，包括低噪声放大器和下变频混频器两个独立的电路模块，低噪声放大器的输出连接下变频混频器的输入端，下变频混频器输出同相中频差分信号和正交中频差分信号；

下变频混频器包括第一、第二两个混频单元，其中：

第一混频单元包括NMOS管M5、M6、M7和M8，两个电阻R3和R4，两个电容C3和C4；NMOS管M5的源极与NMOS管M6的源极互连，NMOS管M5的栅极连接同相差分本振输入信号的正输入端V_LOI+，NMOS管M6的栅极与NMOS管M7的栅极互连并连接同相差分本振输入信号的负输入端V_LOI-，NMOS管M7的源极与NMOS管M8的源极互连，NMOS管M8的栅极连接NMOS管M5的栅极，NMOS管M5的漏极与NMOS管M7的漏极以及电阻R3与电容C3并联后的一端连接在一起并作为同相中频差分信号的正输出端V_IFI+，NMOS管M6的漏极与NMOS管M8的漏极以及电阻R4与电容C4并联后的一端连接在一起并作为同相中频差分信号的负输出端V_IFI-，电阻R3与电容C3并联后的另一端以及电阻R4与电容C4并联后的另一端均连接电源VDD；

第二混频单元包括NMOS管M9、M10、M11和M12，两个电阻R5和R6，两个电容C5和C6；NMOS管M9的源极与NMOS管M10的源极互连并连接第一混频单元中NMOS管M5的源极与NMOS管M6的源极互连端，NMOS管M9的栅极与NMOS管M12的栅极互连并连接正交差分本振输入信号的正输入端V_LOQ+，NMOS管M10的栅极与NMOS管M11的栅极互连并连接差分本振输入信号的负输入端V_LOQ-，NMOS管M11的源极与NMOS管M12的源极互连并连接第一混频单元中NMOS管M7的源极与NMOS管M8的源极互连端，NMOS管M9的漏极与NMOS管M11的漏极以及电阻R5与电容C5并联后的一端连接在一起并作为正交中频差分信号的正输出端V_IFQ+，NMOS管M10的漏极与NMOS管M12的漏极以及电阻R6与电容C6并联后的一端连接在一起并作为正交中频差分信号的负输出端V_IFQ-，电阻R5与电容C5并联后的另一端以及电阻R6与电容C6并联后的另一端均连接电源VDD；

其特征在于：低噪声放大器包括信号合成单元及第一、第二两个输入放大单元；差分射频输入信号的正、负两端分别连接第一、第二两个输入放大单元的正输入端V_RF+和负输入端V_RF-，第一和第二两个输入放大单元将放大的射频电压信号通过电容耦合送给信号合成单元，信号合成单元把输入的射频电压信号进行叠加并转换为电流信号后送入第一、第二两个混频单元，第一混频单元和第二混频单元分别通过开关控制输入的射频电流信号，在电流域内执行乘法，将射频电流信号下变频到中频频段，第一混频单元输出同相差分中频信号，第二混频单元输出正交差分中频信号，其中：

第一输入放大单元包括NMOS管M13、M14、两个电阻R7和R8、两个电容C7和C8，NMOS管M13的栅极连接电容C8的一端，电容C8的另一端与NMOS管M14的源极以及差分射频输入信号的负输入端V_RF-连接在一起，NMOS管M14的栅极连接电容C7的一端，电容C7的另一端与NMOS管M13的源极以及差分射频输入信号的正输入端V_RF+连接在一起，NMOS管M13的漏极连接电阻R7的一端，NMOS管M14的漏极连接电阻R8的一端，电阻R7、R8的另一端均连接电源VDD；

第二输入放大单元包括PMOS管M15、M16、两个电阻R9和R10、两个电容C9和C10，PMOS管M15的栅极连接电容C10的一端，电容C10的另一端与PMOS管M16的源极以及差分射频输入信号的负输入端V_RF-连接在一起，PMOS管M16的栅极连接电容C9的一端，电容C9的另一端与PMOS管M15的源极以及差分射频输入信号的正输入端V_RF+连接在一起，PMOS管M15的漏极连接电阻R9的一端，PMOS管M16的漏极连接电阻R10的一端，电阻R9、R10的另一端均接地；

信号合成单元包括NMOS管M17、M18、M19和M20、四个电容C11、C12、C13和C14，NMOS管M17的源极接地，NMOS管M17的栅极通过电容C11连接第一输入放大单元中NMOS管M13的漏极，NMOS管M18的源极接地，NMOS管M18的栅极通过电容C12连接第一输入放大单元中M14的漏极，NMOS管M19的源极接地，NMOS管M19的栅极通过电容C13连接第二输入放大单元中NMOS管M15的漏极，NMOS管M20的源极接地，NMOS管M20的栅极通过电容C14连接第二输入放大单元中NMOS管M16的漏极，NMOS管M17的漏极与NMOS管M19的漏极互连并作为信号合成单元的一个输出端连接第一混频单元中NMOS管M5的源极与NMOS管M6的源极互连端和第二混频单元中NMOS管M9的源极与NMOS管M10的源极互连端，NMOS管M18的漏极与NMOS管M120的漏极互连并作为信号合成单元的另一个输出端连接第一混频单元中NMOS管M7的源极与NMOS管M8的源极互连端和第二混频单元中NMOS管M11的源极与NMOS管M112的源极互连端。

本发明的优点及显著效果：

(1)噪声低。本发明采用噪声抵消技术将第一、第二输入放大单元中MOS管的沟道噪声在信号合成单元进行部分抵消；同时，本发明还在第一、第二输入放大单元中使用了栅源交叉耦合技术来进一步降低射频前端电路的噪声系数。在相同功耗条件下(1.8V电源电压下，工作电流1.8mA)，传统的宽带射频前端电路单边带噪声系数高达9dB。而本发明提出的射频前端电路单边带噪声系数仅有5dB，噪声抵消效果明显。

(2)功耗小。在满足50欧姆输入阻抗匹配要求下，采用本发明可以大幅度降低功耗。在相同转换电压增益(26dB)条件下，本发明功耗为3.4mW，传统的宽带射频前端电路功耗为7.5mW；在相同单边带噪声系数(5dB)条件下，本发明功耗为3.4mW，传统的宽带射频前端电路功耗为12.2mW。可见，本发明提出的宽带射频前端电路功耗低于传统的宽带射频前端电路。

(3)增益高。本发明在第一、第二输入放大单元中采用栅源交叉耦合技术提高MOS管等效的跨导gm和gmb，从而提高射频前端电路的转换电压增益。在相同功耗条件下(1.8V电源电压下，工作电流1.8mA)，传统的宽带射频前端电路的转换电压增益仅有15dB。而本发明提出的宽带射频前端电路的转换电压增益高达26dB。

(4)带宽大。本发明提出的射频前端电路在第一、第二输入放大单元中采用了共栅结构，具有宽带输入特性；在第一、第二混频单元中采用电阻、电容构成负载，在中频频段具有宽带输出特性，本发明具有宽带特性。

(5)成本低。本发明采用CMOS工艺进行电路设计，综合运用了噪声抵消技术、电流复用技术和栅源交叉耦合技术，可以在低功耗条件下大幅降低宽带射频前端电路的噪声系数，提高宽带射频前端电路的转换电压增益，而且整个射频前端电路无需任何片外元件即可正常工作，成本较低，在射频电路中具有较大优势。本发明可以应用于低功耗宽带射频接收机中。

附图说明

图1是传统的宽带射频前端电路原理图；

图2是本发明采用噪声抵消技术的低功耗射频前端电路方框图；

图3是图2的电路原理图；

图4是相同功耗下本发明与传统的宽带射频前端电路噪声系数仿真曲线比较。

具体实施方式

参看图2，本发明设有输入放大单元1、输入放大单元2、信号合成单元3、混频单元4、混频单元5。其中混频单元4和混频单元5与图1现有技术中的两个混频单元的结构和连接关系完全对应相同。差分射频输入信号的正、负两端分别连接输入放大单元1、输入放大单元2的正输入端V_RF+及负输入端V_RF-，输入放大单元1和输出放大单元2的输出端连接到信号合成单元3，将放大的射频电压信号通过电容耦合送给信号合成单元3，信号合成单元3把输入的射频电压信号进行叠加并转换为电流信号，信号合成单元的输出端连接混频单元4和混频单元5，混频单元4和混频单元5分别通过开关控制输入的射频电流信号，在电流域内执行乘法，将射频电流信号下变频到中频频段，混频单元4输出同相差分中频信号，混频单元5输出正交差分中频信号。

参看图3，输入放大单元1和输入放大单元2均采用共栅结构并利用电流复用技术来降低功耗。输入放大单元1的NMOS管的栅极和源极进行了交叉耦合，提高了NMOS管的等效跨导。输入放大单元2的PMOS管的栅极和源极进行了交叉耦合，提高了PMOS管的等效跨导。输入放大单元1和输入放大单元2在射频端口并联以实现50欧姆输入阻抗。输入放大单元1输出的放大后的射频电压信号和输入放大单元2输出的放大后的射频电压信号相位相同，在信号合成单元3中相加，射频电压信号得到增强。输入放大单元1中NMOS管产生的沟道噪声电流会在输入放大单元1和输入放大单元2的输出端产生两个相位相反的噪声电压，在信号合成单元3中相加，输入放大单元1中NMOS管产生的噪声电压被部分抵消。输入放大单元2中PMOS管产生的沟道噪声电流会在输入放大单元1和输入放大单元2的输出端产生两个相位相反的噪声电压，在信号合成单元3中相加，输入放大单元2中PMOS管产生的噪声电压被部分抵消。噪声抵消技术的运用大大降低了电路的噪声系数。信号合成单元3把射频电压信号转换为射频电流信号并送给混频单元4和混频单元5。混频单元4和混频单元5均采用双平衡结构来获得射频、本振和中频端口之间良好的隔离度。混频单元4和混频单元5分别通过开关控制输入的射频电流信号，在电流域内执行乘法，将射频电流信号下变频到中频频段。混频单元4和混频单元5均采用电阻和电容并联构成中频负载，电阻和电容并联组成了一个低通滤波器，可以在中频频段提供相对较宽的带宽，同时滤除高阶的中频谐波分量和射频以及本振信号。下变频后的中频电流信号流过中频负载，最终电路输出同相和正交两路差分中频电压信号。

差分射频V_RF+、V_RF-信号分别连接输入放大单元1的NMOS管M13和M14的源极，NMOS管M13的栅极串联电容C8后连接M14的源极，NMOS管M14的栅极串联电容C7后连接M13的源极，该连接构成了电容交叉耦合结构。NMOS管M13和M14的漏极分别串联电阻R7和R8到到电源，将放大的射频电压信号输出到信号合成单元3。差分射频V_RF+、V_RF-信号同时分别连接输入放大单元2的PMOS管M15和M16的源极，PMOS管M15的栅极串联电容C10后连接M16的源极，PMOS管M16的栅极串联电容C9后连接M15的源极，该连接构成了电容交叉耦合结构。PMOS管M15和M16的漏极分别串联电阻R9和R10到到地，将放大的射频电压信号输出到信号合成单元3。

信号放大单元3的NMOS管M17、M18将输入放大单元1输出的射频电压信号转化为射频电流信号。信号放大单元3的NMOS管M19、M20将输入放大单元2输出的射频电压信号转化为射频电流信号。NMOS管M17、M19的漏极连接在一起，将输入放大单元1和输入放大单元2输出的射频信号进行合成并输出到混频单元4和混频单元5。NMOS管M18、M20的漏极连接在一起，将输入放大单元1和输入放大单元2输出的射频信号进行合成并输出到混频单元4和混频单元5。

同相差分本振输入信号V_LOI+、V_LOI-分别从混频单元4的NMOS管M5、M8的栅极和NMOS管M6、M7的栅极输入，NMOS管M5、M7的漏极相连，并连接到电容C3和电阻R3的一端，电容C3和电阻R3的另外一端连接到电源，NMOS管M6、M8的漏极相连，并连接到电容C4和电阻R4的一端，电容C4和电阻R4的另外一端连接到电源，同相中频差分信号的正信号V_IFI+从NMOS管M5和M7的漏极输出，同相中频差分信号的负信号V_IFI-从NMOS管M6和M8的漏极输出。

正交差分本振输入信号V_LOQ+、V_LOQ-分别从混频单元5的NMOS管M9、M12的栅极和NMOS管M10、M11的栅极输入，NMOS管M9、M11的漏极相连，并连接到电容C5和电阻R5的一端，电容C5和电阻R5的另外一端连接到电源，NMOS管M10、M12的漏极相连，并连接到电容C6和电阻R6的一端，电容C6和电阻R6的另外一端连接到电源，正交中频差分信号的正信号V_IFQ+从NMOS管M9和M11的漏极输出，正交中频差分信号的负信号V_IFQ-从NMOS管M10和M12的漏极输出。

差分射频输入信号V_RF+和V_RF-通过输入放大单元1和输入放大单元2输入，输入放大单元1和输入放大单元2均采用共栅结构，其输入阻抗约为1/(gm+gmb)，此处，gm为共栅极晶体管的跨导，gmb为共栅极晶体管衬底B到源极S的电位差带来的等效跨导。首先，本发明采用电流复用技术，对输入放大单元1和输入放大单元2的输入阻抗分别匹配到100欧姆，两者并联即为系统输入阻抗50欧姆。相比传统共栅结构放大器，所需要的功耗降低了一半。其次，增加gm和gmb可以降低电路的输入阻抗。gm和gmb与电流Id相关，通过增加gm和gmb来降低输入阻抗意味着必须增加工作电流，也就是增加了功耗。本发明在输入端进行了两组交叉耦合，输入放大单元1中NMOS管M13的栅极串联电容C8后连接M14的源极，NMOS管M14的栅极串联电容C7后连接M13的源极，此时，输入放大单元1中NMOS管对应的等效gm增加为2gm。输入放大单元2中PMOS管M15的栅极串联电容C10后连接M16的源极，PMOS管M16的栅极串联电容C9后连接M15的源极，此时，输入放大单元2中PMOS管对应的等效gm增加为2gm。这种连接方式又可以大幅度降低功耗。综上所述，相比利用传统共栅结构放大器完成50欧姆输入匹配，本发明需要的功耗大幅度降低。

在满足50欧姆输入阻抗匹配要求下，采用本发明可以大幅度降低功耗。在相同转换电压增益(26dB)条件下，本发明功耗为3.4mW，传统的宽带射频前端电路功耗为7.5mW；在相同单边带噪声系数(5dB)条件下，本发明功耗为3.4mW，传统的宽带射频前端电路功耗为12.2mW。可见，本发明提出的宽带射频前端电路功耗低于传统的宽带射频前端电路。

另一方面，输入放大单元1中NMOS管M13的沟道噪声电流通过电阻R7流到电源端，会在NOMS管M13的漏极产生一个噪声电压，设为Vn1，NMOS管M13的沟道噪声电流还会通过输入放大单元2中的PMOS管M15和电阻R9流到接地端，在PMOS管M15的漏极产生一个噪声电压，设为Vn2。显然，噪声电压Vn1和Vn2相位相差180度。因此，当噪声电压Vn1和Vn2在信号合成单元3中相互叠加时，Vn1和Vn2被相互抵消，总的噪声电压幅度大幅减小。同样的分析还适用于输入放大单元1中NMOS管M14和输入放大单元2中PMOS管M15、M16。由于输入放大单元1中NMOS管M13、M14和输入放大单元2中PMOS管M15、M16的沟道噪声是整个射频前端电路主要的噪声来源，因此采用噪声抵消技术可以大幅降低整个射频前端电路的噪声系数。

本发明采用噪声抵消技术将第一、第二输入放大单元中MOS管的沟道噪声在信号合成单元进行部分抵消；同时，本发明还在第一、第二输入放大单元中使用了栅源交叉耦合技术来进一步降低射频前端电路的噪声系数。参看图4可见，在相同功耗条件下(1.8V电源电压下，工作电流1.8mA)，输出中频频率固定为10MHz，输入射频频率在0.1～1.0GHz范围变化时，传统的宽带射频前端电路单边带噪声系数高达9dB。而本发明提出的射频前端电路单边带噪声系数仅有5dB，噪声抵消效果明显。

Claims (1)

1.一种具有噪声抵消的低功耗宽带射频前端电路，包括低噪声放大器和下变频混频器两个独立的电路模块，低噪声放大器的输出连接下变频混频器的输入端，下变频混频器输出同相中频差分信号和正交中频差分信号；

下变频混频器包括第一、第二两个混频单元，其中：

第一混频单元包括NMOS管M5、M6、M7和M8，两个电阻R3和R4，两个电容C3和C4；NMOS管M5的源极与NMOS管M6的源极互连，NMOS管M5的栅极连接同相差分本振输入信号的正输入端V_LOI+，NMOS管M6的栅极与NMOS管M7的栅极互连并连接同相差分本振输入信号的负输入端V_LOI-，NMOS管M7的源极与NMOS管M8的源极互连，NMOS管M8的栅极连接NMOS管M5的栅极，NMOS管M5的漏极与NMOS管M7的漏极以及电阻R3与电容C3并联后的一端连接在一起并作为同相中频差分信号的正输出端V_IFI+，NMOS管M6的漏极与NMOS管M8的漏极以及电阻R4与电容C4并联后的一端连接在一起并作为同相中频差分信号的负输出端V_IFI-，电阻R3与电容C3并联后的另一端以及电阻R4与电容C4并联后的另一端均连接电源VDD；

第二混频单元包括NMOS管M9、M10、M11和M12，两个电阻R5和R6，两个电容C5和C6；NMOS管M9的源极与NMOS管M10的源极互连并连接第一混频单元中NMOS管M5的源极与NMOS管M6的源极互连端，NMOS管M9的栅极与NMOS管M12的栅极互连并连接正交差分本振输入信号的正输入端V_LOQ+，NMOS管M10的栅极与NMOS管M11的栅极互连并连接差分本振输入信号的负输入端V_LOQ-，NMOS管M11的源极与NMOS管M12的源极互连并连接第一混频单元中NMOS管M7的源极与NMOS管M8的源极互连端，NMOS管M9的漏极与NMOS管M11的漏极以及电阻R5与电容C5并联后的一端连接在一起并作为正交中频差分信号的正输出端V_IFQ+，NMOS管M10的漏极与NMOS管M12的漏极以及电阻R6与电容C6并联后的一端连接在一起并作为正交中频差分信号的负输出端V_IFQ-，电阻R5与电容C5并联后的另一端以及电阻R6与电容C6并联后的另一端均连接电源VDD；

其特征在于：低噪声放大器包括信号合成单元及第一、第二两个输入放大单元；差分射频输入信号的正、负两端分别连接第一、第二两个输入放大单元的正输入端V_RF+和负输入端V_RF-，第一和第二两个输入放大单元将放大的射频电压信号通过电容耦合送给信号合成单元，信号合成单元把输入的射频电压信号进行叠加并转换为电流信号后送入第一、第二两个混频单元，第一混频单元和第二混频单元分别通过开关控制输入的射频电流信号，在电流域内执行乘法，将射频电流信号下变频到中频频段，第一混频单元输出同相差分中频信号，第二混频单元输出正交差分中频信号，其中：

第一输入放大单元包括NMOS管M13、M14、两个电阻R7和R8、两个电容C7和C8，NMOS管M13的栅极连接电容C8的一端，电容C8的另一端与NMOS管M14的源极以及差分射频输入信号的负输入端V_RF-连接在一起，NMOS管M14的栅极连接电容C7的一端，电容C7的另一端与NMOS管M13的源极以及差分射频输入信号的正输入端V_RF+连接在一起，NMOS管M13的漏极连接电阻R7的一端，NMOS管M14的漏极连接电阻R8的一端，电阻R7、R8的另一端均连接电源VDD；

第二输入放大单元包括PMOS管M15、M16、两个电阻R9和R10、两个电容C9和C10，PMOS管M15的栅极连接电容C10的一端，电容C10的另一端与PMOS管M16的源极以及差分射频输入信号的负输入端V_RF-连接在一起，PMOS管M16的栅极连接电容C9的一端，电容C9的另一端与PMOS管M15的源极以及差分射频输入信号的正输入端V_RF+连接在一起，PMOS管M15的漏极连接电阻R9的一端，PMOS管M16的漏极连接电阻R10的一端，电阻R9、R10的另一端均接地；

信号合成单元包括NMOS管M17、M18、M19和M20、四个电容C11、C12、C13和C14，NMOS管M17的源极接地，NMOS管M17的栅极通过电容C11连接第一输入放大单元中NMOS管M13的漏极，NMOS管M18的源极接地，NMOS管M18的栅极通过电容C12连接第一输入放大单元中M14的漏极，NMOS管M19的源极接地，NMOS管M19的栅极通过电容C13连接第二输入放大单元中NMOS管M15的漏极，NMOS管M20的源极接地，NMOS管M20的栅极通过电容C14连接第二输入放大单元中NMOS管M16的漏极，NMOS管M17的漏极与NMOS管M19的漏极互连并作为信号合成单元的一个输出端连接第一混频单元中NMOS管M5的源极与NMOS管M6的源极互连端和第二混频单元中NMOS管M9的源极与NMOS管M10的源极互连端，NMOS管M18的漏极与NMOS管M120的漏极互连并作为信号合成单元的另一个输出端连接第一混频单元中NMOS管M7的源极与NMOS管M8的源极互连端和第二混频单元中NMOS管M11的源极与NMOS管M112的源极互连端。