CN104184484A - 一种注入锁定振荡器及无线接收射频前端 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种注入锁定振荡器及无线接收射频前端；包括一个低噪声放大器和一个混频器，低噪声放大器采用注入锁定振荡器实现，注入锁定振荡器采用共栅注入实现了注入端的宽频带阻抗匹配，电容交叉耦合注入提高了注入效率和注入锁定的频率范围；以此注入锁定振荡器作为低噪声放大器，既能实现输入端的阻抗匹配，又能实现信号的放大；输入到无线收发射频前端的输入端的射频信号作为注入锁定振荡器的注入信号，注入锁定振荡器的输出信号在频率/相位上跟随注入信号、在幅度上进行了放大；注入锁定振荡器的输出信号通过混频器与本振信号混频后输出中频信号，供后续的电路进行处理；该无线收发射频前端能实现频率调制信号、相位调制信号的接收。

Description

一种注入锁定振荡器及无线接收射频前端

技术领域

本发明属于微电子学技术领域，涉及一种注入锁定振荡器及无线接收射频前端。

背景技术

无线收发系统分为发射无线电波的发射系统和接收无线电波的接收系统。其中，用于接收无线电波的接收系统由低噪声放大器、混频器、锁相环、低通滤波器、可变增益放大器、AD转换器、解调器等模块构成，而由低噪声放大器和混频器构成的射频前端是接收系统的关键部分，如图1所示；低噪声放大器实现对输入信号的放大，它必须具有较小的噪声系数以提高接收系统的灵敏度；同时，它必须具有一定的增益以抑制后级电路噪声对系统的影响；最后，由于低噪声放大器需要与天线连接，其输入匹配也非常重要。图2所示为常见的低噪声放大器结构，该结构为源极电感负反馈低噪声放大器，电感L1用来实现匹配输入阻抗的实部，该低噪声放大器能实现较低的噪声系数，但输入频率范围较小；图3所示为共栅结构低噪声放大器，该结构的输入阻抗实部由输入管的跨导决定，输入频率范围较宽，但噪声系数较大。

另一方面，对振荡器来说，当满足外界注入信号的频率在其自由震荡频率附近、外界注入信号的幅度比其自由震荡幅度小很多时，其输出信号的频率可以锁定和跟踪注入信号的频率，其结构如图4所示。因此，注入锁定振荡器也被用作实现频率调制信号、相位调制信号放大的放大器；同时，理论分析结果表明，该放大器的等效输入噪声为宽频带高斯白噪声。因此，注入锁定压控振荡器可以实现频率调制信号、相位调制信号的低噪声放大。

结合前面无线接收系统对低噪声放大器的要求和注入锁定振荡器的特点可以发现，当注入锁定振荡器用作低噪声放大器时，会遇到如下困难：1.输入阻抗匹配，传统注入锁定振荡器采用共源结构，无法实现标准50Ω或75Ω阻抗的匹配；2.传统注入锁定分频器的注入锁定频率范围很窄，无法满足无线接收系统对输入频率范围的要求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种注入锁定振荡器及无线接收射频前端。

本发明包括一个低噪声放大器和一个混频器，低噪声放大器的同相输入端作为无线收发射频前端的同相输入端，低噪声放大器的反相输入端作为无线收发射频前端的反相输入端，低噪声放大器的同相输出端接无混频器的第一输入端，低噪声放大器的反相输出端接混频器的第二输入端；混频器的第三输入端接无线收发射频前端的本振信号同相输入端，混频器的第四输入端接无线收发射频前端的本振信号反相输入端；混频器的第一输出端作为无线收发射频前端的中频同相输出端，混频器的第二输出端作为无线收发射频前端的中频反相输出端。

所述的低噪声放大器采用注入锁定振荡器实现，注入锁定振荡器包括两个NMOS管、两个PMOS管、四个电感、两个变容管、两个MIM电容及两个电阻。第一NMOS管的源极、第一MIM电容的一端、第一电感的一端相连，作为注入锁定振荡器的同相输入端；第二NMOS管的源极、第二MIM电容的一端、第二电感的一端相连，作为注入锁定振荡器的反相输入端；第一电容的另一端、第一电阻的一端、第二NMOS管的栅极相连；第二电容的另一端、第二电阻的一端、第一NMOS管的栅极相连；第一电阻的另一端、第二电阻的另一端连接，作为注入锁定振荡器的电压偏置端；第一电感的另一端和第二电感的另一端接地；第一NMOS管的漏极、第一变容管的一端、第三电感的一端、第一PMOS管的漏极、第二PMOS管的栅极连接，作为注入锁定振荡器的同相输出端；第二NMOS管的漏极、第二变容管的一端、第四电感的一端、第二PMOS管的漏极、第一PMOS管的栅极连接，作为注入锁定振荡器的反相输出端；第一变容管的另一端和第二变容管的另一端连接，作为注入锁定振荡器的电压控制端；第三电感的另一端和第四电感的另一端连接；第一PMOS管的源极和第二PMOS管的源极接电源VDD。

混频器采用吉尔伯特单元实现，包括6个NMOS管和两个电阻；第一NMOS管的栅极作为混频器的第一射频输入端；第二NMOS管的栅极作为混频器的第二射频输入端；第一NMOS管的源极、第二MOS管的源极接电流源的一端，电流源的另一端接地；第一NMOS管的漏端、第三NMOS管的源极、第四NMOS管的源极连接，第二NMOS管的漏端、第五NMOS管的源极、第六NMOS管的源极连接；第三NMOS管的栅极、第六NMOS管的栅极连接，作为混频器的第一本振输入端；第四NMOS管的栅极、第五NMOS管的栅极连接，作为混频器的第二本振输入端；第三NMOS管的漏极、第五NMOS管的漏极、第一电阻的一端连接，作为混频器的第一中频输出端；第四NMOS管的漏极、第六NMOS管的漏极、第二电阻的一端连接，作为混频器的第二中频输出端；第一电阻的另一端、第二电阻的另一端连接电源VDD。

上述注入锁定振荡器利用电容交叉耦合共栅注入的方式实现注入级，共栅注入实现了注入端的宽频带阻抗匹配，电容交叉耦合注入提高了注入效率和注入锁定的频率范围；并以此注入锁定振荡器作为低噪声放大器，既能实现输入端的阻抗匹配，又能实现信号的放大；输入到无线收发射频前端的输入端的射频信号作为注入锁定振荡器的注入信号，注入锁定振荡器的输出信号在频率/相位上跟随注入信号、在幅度上进行了放大；注入锁定振荡器的输出信号通过混频器与本振信号混频后输出中频信号，供后续的电路进行处理；该无线收发射频前端能实现频率调制信号、相位调制信号的接收。

附图说明

图1为一个无线接收射频前端框图； 

图2为源极电感负反馈低噪声放大器结构；

图3为共栅放大器结构；

图4为一种注入锁定振荡器结构；

图5为采用注入锁定振荡器作低噪声放大器的无线接收射频前端框图；

图6为图5中作为低噪声放大器的注入锁定振荡器结构；

图7为图5中混频器的结构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

本发明提供一种一种注入锁定振荡器及无线接收射频前端。如图5所示，本发明包括一个低噪声放大器2和一个混频器3，低噪声放大器2的同相输入端RFin+作为无线收发射频前端1的同相输入端RFin，低噪声放大器2的反相输入端RFin-作为无线收发射频前端1的反相输入端RFinb，低噪声放大器2的同相输出端RFout+接混频器3的第一输入端V1，低噪声放大器2的反相输出端RFout-接混频器的第二输入端V2；混频器3的第三输入端V3接无线收发射频前端1的本振信号同相输入端LO，混频器3的第四输入端V4接无线收发射频前端1的本振信号反相输入端LOb；混频器3的第一输出端V5作为无线收发射频前端1的中频同相输出端IFout，混频器3的第二输出端V6作为无线收发射频前端1的中频反相输出端IFoutb。

上述低噪声放大器2采用注入锁定振荡器实现，其结构如图6所示；注入锁定振荡器包括两个NMOS管、两个PMOS管、四个电感、两个变容管及两个MIM电容。第一NMOS管MN1的源极、第一MIM电容C1的一端、第一电感L1的一端相连，作为注入锁定振荡器的同相输入端RFin+；第二NMOS管MN2的源极、第二MIM电容C2的一端、第二电感L2的一端相连，作为注入锁定振荡器的反相输入端RFin-；第一电容C1的另一端、第一电阻R1的一端、第二NMOS管MN2的栅极相连；第二电容C2的另一端、第二电阻R2的一端、第一NMOS管MN1的栅极相连；第一电阻R1的另一端、第二电阻R2的另一端相连，作为注入锁定压控振荡器电压偏置端Vbias；第一电感L1的另一端和第二电感L2的另一端接地；第一NMOS管MN1的漏极、第一变容管Cvar1的一端、第三电感L3的一端、第一PMOS管MP1的漏极、第二PMOS管MP2的栅极连接，作为注入锁定振荡器的同相输出端RFout+；第二NMOS管MN2的漏极、第二变容管Cvar2的一端、第四电感L4的一端、第二PMOS管MP2的漏极、第一PMOS管MP1的栅极连接，作为注入锁定振荡器的反相输出端RFout-；第一变容管Cvar1的另一端和第二变容管Cvar2的另一端连接，作为注入锁定振荡器的电压控制端Vtune；第三电感L3的另一端和第四电感L4的另一端连接；第一PMOS管MP1的源极和第二PMOS管MP2的源极接电源VDD。

上述混频器3采用吉尔伯特单元实现，如图7所示，包括6个NMOS管和两个电阻；第一NMOS管MN1的栅极作为混频器3的第一射频输入端V1；第二NMOS管MN2的栅极作为混频器3的第二射频输入端V2；第一NMOS管MN1的源极、第二MOS管MN2的源极接电流源I1的一端，电流源I1的另一端接地；第一NMOS管MN1的漏端、第三NMOS管MN3的源极、第四NMOS管MN4的源极连接，第二NMOS管MN2的漏端、第五NMOS管MN5的源极、第六NMOS管MN6的源极连接；第三NMOS管MN3的栅极、第六NMOS管MN6的栅极连接，作为混频器3的第一本振输入端V3；第四NMOS管MN4的栅极、第五NMOS管MN5的栅极连接，作为混频器的第二本振输入端V4；第三NMOS管MN3的漏极、第五NMOS管MN5的漏极、第一电阻R1的一端连接，作为混频器3的第一中频输出端V5；第四NMOS管MN4的漏极、第六NMOS管MN6的漏极、第二电阻R2的一端连接，作为混频器的第二中频输出端V6；第一电阻R1的另一端、第二电阻R2的另一端连接电源VDD。 

在图6中，第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第一电容C1、第二电容C2、第一电感L1和第二电感L2构成注入锁定振荡器的注入级，用于实现注入电压到注入电流的转换；电容交叉耦合输入提高了注入级的注入效率，使注入锁定振荡器的锁定频率范围提高；电感L1和L2用来实现与输入端寄生电容的谐振，减小注入信号的泄漏，进一步提高注入锁定振荡器的锁定频率范围；为实现阻抗匹配，输入管的跨导应为0.01A/V，假定天线的输出阻抗为50Ω；由第一变容管Cvar1、第二变容管Cvar2、第三电感L3和第四电感L4构成的谐振网络的谐振频率应选在输入频率范围的中心频点处，以更好实现全部频率范围内的注入锁定；随着注入锁定振荡器电压控制端Vtune电压的改变，振荡器的自由振荡频率发生变化，使总体的注入锁定频率范围加宽。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例做了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应该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换都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (1)

1. 一种注入锁定振荡器及无线接收射频前端， 包括一个低噪声放大器和一个混频器，低噪声放大器的同相输入端作为无线收发射频前端的同相输入端，低噪声放大器的反相输入端作为无线收发射频前端的反相输入端，低噪声放大器的同相输出端接混频器的第一输入端，低噪声放大器的反相输出端接混频器的第二输入端；混频器的第三输入端接无线收发射频前端的本振信号同相输入端，混频器的第四输入端接无线收发射频前端的本振信号反相输入端；混频器的第一输出端作为无线收发射频前端的中频同相输出端，混频器的第二输出端作为无线收发射频前端的中频反相输出端；

其特征在于：所述的低噪声放大器采用注入锁定振荡器实现，注入锁定振荡器包括两个NMOS管、两个PMOS管、四个电感、两个变容管、两个MIM电容及两个电阻；第一NMOS管的源极、第一MIM电容的一端、第一电感的一端相连，作为注入锁定振荡器的同相输入端；第二NMOS管的源极、第二MIM电容的一端、第二电感的一端相连，作为注入锁定振荡器的反相输入端；第一电容的另一端、第一电阻的一端、第二NMOS管的栅极相连；第二电容的另一端、第二电阻的一端、第一NMOS管的栅极相连；第一电阻的另一端、第二电阻的另一端连接，作为注入锁定振荡器的电压偏置端；第一电感的另一端和第二电感的另一端接地；第一NMOS管的漏极、第一变容管的一端、第三电感的一端、第一PMOS管的漏极、第二PMOS管的栅极连接，作为注入锁定振荡器的同相输出端；第二NMOS管的漏极、第二变容管的一端、第四电感的一端、第二PMOS管的漏极、第一PMOS管的栅极连接，作为注入锁定振荡器的反相输出端；第一变容管的另一端和第二变容管的另一端连接，作为注入锁定振荡器的电压控制端；第三电感的另一端和第四电感的另一端连接；第一PMOS管的源极和第二PMOS管的源极接电源VDD。