CN105680889A - 直接变频射频接收前端电路装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种直接变频射频接收前端电路装置。该装置包括驱动级电路、开关对电路和负载电路；驱动级电路将小信号电压vRF转换为小信号电流iRF，通过NMOS管将小信号电流iRF折叠流入开关对电路中的PMOS管的源极；开关对电路通过PMOS管对小信号电流iRF进行变频处理，得到中频小信号电流，并传输给所述负载电路；负载电路将中频小信号电流转化为中频小信号电压，并将中频小信号电压输出。本发明实施例的直接变频射频接收前端电路装置采用类电流注入的方式来降低噪声，提高电路整体性能。采用折叠式结构增加额外的电源到地的支路，即对应增加了偏置电流的优化自由度。通过降低开关对的偏置电流来改进闪烁噪声性能，同时兼有优越的增益性能。

Description

直接变频射频接收前端电路装置

技术领域

本发明涉及射频接收技术领域，尤其涉及一种直接变频射频接收前端电路装置。

背景技术

近十年来，射频接收前端的重要研究方向主要包括了低压低功耗实现技术，低噪声实现技术，高线性实现技术，超宽带实现方法，超高频应用实现，系统单片集成等方向。除去采用不断缩小的工艺尺寸，以及高特征频率的三五镞半导体器件来获得好的电路高频性能之外，更有多种多样的技术方法如电流复用、电容交叉耦合共栅极输入、导数叠加、滤波器端接来获得好的电学性能。直接变频接收结构更是射频接收前端研究方向的研究热点和关键方向。

目前，在现有技术的直接变频的射频接收前端中，低噪放、混频器的级联结构和融合结构是常用的两种实现方式。在低噪放、混频器的级联结构中，混频器是系统关键模块之一。无源CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor，互补金属氧化物半导体)混频器可使得本振信号可以很容易地实现射频信号的周期换向，大大降低了开关管的热噪声与闪烁噪声泄漏。在低噪放、混频器的融合结构中，由于减少了谐振负载处的节点，伴随着减少了一次小信号电压和电流之间的转换，结果使得线性度较高，同时电路也具有低功耗的特点。

上述现有技术的直接变频的射频接收前端的缺点为：在低噪放、混频器的级联结构中，由于无源CMOS混频器增益较小，使得系统对于前级低噪放的增益要求较高。另一方面，Gilbert型有源混频器的噪声较高，特别是开关对的闪烁噪声泄漏会严重恶化直接变频系统的接收性能。在低噪放、混频器的融合结构中噪声较高。

发明内容

本发明的实施例提供了一种直接变频射频接收前端电路装置，以提供一种高效率的直接变频的射频接收前端。

本发明提供了如下方案：

一种直接变频射频接收前端电路装置，其特征在于，包括：驱动级电路、开关对电路和负载电路；

所述的驱动级电路，用于和所述开关对电路连接，包括NMOS管，将小信号电压vRF转换为小信号电流iRF，通过NMOS管将所述小信号电流iRF折叠流入所述开关对电路中的PMOS管的源极；

所述的开关对电路，用于和所述驱动级电路、负载电路连接，包括PMOS管，通过PMOS管对所述小信号电流iRF进行变频处理，得到中频小信号电流，将所述中频小信号电流传输给所述负载电路；

所述的负载电路，用于和所述开关对电路连接，包括NMOS管和运算放大电路，将所述中频小信号电流转化为中频小信号电压，并将所述中频小信号电压输出。

所述的驱动级电路包括：NMOS管M1、NMOS管M2、NMOS管M3、NMOS管M4、NMOS管M5、NMOS管M6，所述NMOS管M1的源极和所述NMOS管M3、所述NMOS管M5的漏极连接，所述NMOS管M2的源极和所述NMOS管M4、所述NMOS管M6的漏极连接，所述NMOS管M1的栅极、所述NMOS管M2的栅极接收外界输入的小信号电压vRF，所述NMOS管M1的漏极、所述NMOS管M2的漏极输出小信号电流iRF。

所述的驱动级电路还包括：电感L₁和电感L₂，所述电感L₁连接所述NMOS管M3、所述NMOS管M6的源极，所述电感L₂连接所述NMOS管M4、所述NMOS管M5的源极。

所述驱动级电路中的所述NMOS管M5、所述NMOS管M6的栅极接收控制电压Vctrl，通过改变所述控制电压Vctrl的大小，所述NMOS管M5、所述NMOS管M6分流所述NMOS管M1的漏极、所述NMOS管M2的偏置电流。

所述的开关对电路包括：PMOS管P1、PMOS管P2、PMOS管P3、PMOS管P4，所述PMOS管P2的栅极和所述PMOS管P3的栅极连接，所述PMOS管P1、PMOS管P2、PMOS管P3、PMOS管P4的源极接收所述驱动级电路输出的小信号电流iRF，所述PMOS管P1、PMOS管P2、PMOS管P3、PMOS管P4的漏极输出中频小信号电流。

所述的负载电路包括：两个电阻R_L、运算放大电路和NMOS管M7、NMOS管M8、NMOS管M9、NMOS管M10，所述运算放大电路的输出端和所述NMOS管M8的栅极、所述NMOS管M9的栅极连接，所述NMOS管M7的漏极、所述NMOS管M10的漏极输出中频小信号电压，将所述中频小信号电压镜像到射频接收前端电路中。

所述两个电阻R_L接收所述PMOS管P1、PMOS管P2、PMOS管P3、PMOS管P4的漏极输出的中频小信号电流，所述运算放大电路的正输入端、负输入端接收流经所述电阻R_L的中频小信号电流，所述运算放大电路的输出端输出中频小信号电压。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例的直接变频射频接收前端电路装置采用类电流注入的方式来降低噪声，提高电路整体性能。采用折叠式结构增加额外的电源到地的支路，即对应增加了偏置电流的优化自由度。类似于电流注入方法达到的效果，通过降低开关对的偏置电流来改进闪烁噪声性能，同时兼有优越的增益性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提出的直接变频射频接收前端电路装置的模块结构示意图，图中，驱动级电路1、开关对电路2和负载电路3；

图2为本发明实施例提供的一种直接变频射频接收前端电路装置的电路结构图；

图3为本发明实施例提供的一种失调消除电路的工作原理图；

图4为本发明实施例提供的一种失调消除电路的结构图。

具体实施方式

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例一

本发明实施例提出的直接变频射频接收前端电路装置可以视为源极退化低噪放和有源混频器的结构融合，该装置的模块结构示意图如图1所示，包括驱动级电路1、开关对电路2和负载电路3。

上述直接变频射频接收前端电路装置的电路结构示意图如图2所示，具体的所述的驱动级电路1，用于和所述开关对电路2连接，包括NMOS管M1-M6，将小信号电压vRF转换为小信号电流iRF，通过NMOS管将所述小信号电流iRF折叠流入所述开关对电路中的PMOS管的源极；

所述的开关对电路2，用于和所述驱动级电路1、负载电路3连接，包括PMOS管P1-P4，通过PMOS管利用本振信号对所述小信号电流iRF进行变频处理，得到中频小信号电流，将所述中频小信号电流传输给所述负载电路；

所述的负载电路3，用于和所述开关对电路2连接，包括NMOS管M7-M10和运算放大电路，将所述中频小信号电流转化为中频小信号电压，并将所述中频小信号电压输出。

所述NMOS管M1的源极和所述NMOS管M3、所述NMOS管M5的漏极连接，所述NMOS管M2的源极和所述NMOS管M4、所述NMOS管M6的漏极连接，所述NMOS管M1的栅极、所述NMOS管M2的栅极接收外界输入的小信号电压vRF，所述NMOS管M1的漏极、所述NMOS管M2的漏极输出小信号电流iRF。

所述的驱动级电路还包括：电感L₁和电感L₂，所述电感L₁连接所述NMOS管M3、所述NMOS管M6的源极，所述电感L₂连接所述NMOS管M4、所述NMOS管M5的源极。

所述驱动级电路中的所述NMOS管M5、所述NMOS管M6的栅极接收控制电压Vctrl，通过改变所述控制电压Vctrl的大小，所述NMOS管M5、所述NMOS管M6分流所述NMOS管M1的漏极、所述NMOS管M2的偏置电流。

所述PMOS管P2的栅极和所述PMOS管P3的栅极连接，所述PMOS管P1、PMOS管P2、PMOS管P3、PMOS管P4的源极接收所述驱动级电路输出的小信号电流iRF，所述PMOS管P1、PMOS管P2、PMOS管P3、PMOS管P4的漏极输出中频小信号电流。

所述的负载电路包括：两个电阻RL、运算放大电路和NMOS管M7、NMOS管M8、NMOS管M9、NMOS管M10。

所述两个电阻R_L接收所述PMOS管P1、PMOS管P2、PMOS管P3、PMOS管P4的漏极输出的中频小信号电流，所述运算放大电路的正输入端、负输入端接收流经所述电阻R_L的中频小信号电流，所述运算放大电路的输出端输出中频小信号电压。

所述运算放大电路的输出端和所述NMOS管M8的栅极、所述NMOS管M9的栅极连接，所述NMOS管M7的漏极、所述NMOS管M10的漏极输出中频小信号电压，将所述中频小信号电压镜像到射频接收前端电路中。

无论N型或者P型MOS管，其工作原理本质是一样的。MOS管是由加在输入端栅极的电压来控制输出端漏极的电流。

射频驱动管M1和M2将小信号电压vRF转换为小信号电流iRF，由于L1、L2与P1-P4共源节点处寄生电容的并联谐振阻塞，iRF被折叠流入P1-P4源极，进而在本振大信号的作用下，被周期换向从而实现变频效果。变频后的中频小信号电流经过负载电阻RL转化为中频小信号电压输出。

接收前端采用折叠结构，且电源与地之间只有两个管子堆叠在一起，这使得电路可以在低电源电压下工作。射频输入端M1和M2采用源极退化结构以获得低噪声和高等效输入跨导。M3和M4为放大器的级联部分，以避免输入输出之间的耦合效应，降低密勒效应对输入匹配的影响。通过改变栅极控制电压Vctrl的大小，M5和M6分流驱动管M1和M2的偏置电流Itrans，其差分连接的形式可实现对电路转换增益的调谐控制。驱动级负载采用LC(电感电容)谐振网络结构，通过调整L1，使得在中心频点，M3和M6的栅漏和P1和P2栅源寄生电容被谐振吸收。这不仅有效降低了射频信号通过该节点时的损耗，同时也避免了开关对的间接闪烁噪声机制。

直流失调的主要因为本振自混频和器件失配。虽然射频输入级采用差分结构可以改善二阶交调，但为满足低压工作，其采用伪差分形式。因此在负载处需要使用共模反馈环路来稳定输出共模电平，它包含运放和负载管M8和M9，通过共模反馈将输出共模点控制在与Vref相等的电平处。为了抑制直流失调的影响，引入辅助的失调消除电路用以补偿差模失调电流。

图2为上述直接变频射频接收前端电路装置中的失调消除电路的工作原理图。参数Vos1和Vos2依次表征跨导放大单元Gm1、Gm2的输入失调电压分量。这里的Gm1代表前端电路的差分跨导驱动级。消除失调的跨导反馈放大单元则用Gm2表示，R是跨阻放大级。原理上，中频输出端口的失调电压分量会保留存放在电容C1，C2中，而后由Gm2对应转换为直流失调消除电流，此反馈消除电流与前端电路既有失调电流分量呈反相，于是前端电路中既有的失调电流得以抑制。系统等效的输入失调电压可表示为：

$V_{\mathrm{os}}=\frac{V_{\mathrm{os}1}}{G_{m2}R}+\frac{V_{\mathrm{os}2}^{10}}{G_{m1}R}---\left(1\right)$

可通过提高Gm1R，Gm2R，降低系统总的输入失调电压。

图3为上述直接变频射频接收前端电路装置中的失调消除电路的电路实现结构图，它由低通滤波器及差模反馈单元组成。由于Rf，Cf较大，故采用较小体积的POLY电阻和MOS电容工艺实现。原理上，中频输出差模直流失调电压经低通滤波器馈入差分对的栅极，同时高频信号输出分量则被隔断。于是差分对P5和P6，对应生成失调消除电流差分信号ioffset。再通过电流镜负载M11，M7和M12，M10从而镜像到射频接收前端电路中。最终，接收前端中既有直流失调电流经该反馈电路的反馈调整而被抑制。

综上所述，本发明实施例提出了一种新的直接变频射频接收前端电路装置，该装置采用类电流注入的方式来降低噪声，提高电路整体性能。

本发明实施例的装置采用折叠式结构增加额外的电源到地的支路，即对应增加了偏置电流的优化自由度。类似于电流注入方法达到的效果，通过降低开关对的偏置电流来改进闪烁噪声性能，同时兼有优越的增益性能。

本发明实施例的装置采用共模与差模反馈、差分电路结构以进一步提高电路整体性能。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种直接变频射频接收前端电路装置，其特征在于，包括：驱动级电路、开关对电路和负载电路；

所述的驱动级电路，用于和所述开关对电路连接，包括NMOS管，将小信号电压vRF转换为小信号电流iRF，通过NMOS管将所述小信号电流iRF折叠流入所述开关对电路中的PMOS管的源极；

所述的开关对电路，用于和所述驱动级电路、负载电路连接，包括PMOS管，通过PMOS管对所述小信号电流iRF进行变频处理，得到中频小信号电流，将所述中频小信号电流传输给所述负载电路；

所述的负载电路，用于和所述开关对电路连接，包括NMOS管和运算放大电路，将所述中频小信号电流转化为中频小信号电压，并将所述中频小信号电压输出。

2.根据权利要求1所述的直接变频射频接收前端电路装置，其特征在于，所述的驱动级电路包括：NMOS管M1、NMOS管M2、NMOS管M3、NMOS管M4、NMOS管M5、NMOS管M6，所述NMOS管M1的源极和所述NMOS管M3、所述NMOS管M5的漏极连接，所述NMOS管M2的源极和所述NMOS管M4、所述NMOS管M6的漏极连接，所述NMOS管M1的栅极、所述NMOS管M2的栅极接收外界输入的小信号电压vRF，所述NMOS管M1的漏极、所述NMOS管M2的漏极输出小信号电流iRF。

3.根据权利要求2所述的直接变频射频接收前端电路装置，其特征在于，所述的驱动级电路还包括：电感L₁和电感L₂，所述电感L₁连接所述NMOS管M3、所述NMOS管M6的源极，所述电感L₂连接所述NMOS管M4、所述NMOS管M5的源极。

4.根据权利要求2所述的直接变频射频接收前端电路装置，其特征在于，所述驱动级电路中的所述NMOS管M5、所述NMOS管M6的栅极接收控制电压Vctrl，通过改变所述控制电压Vctrl的大小，所述NMOS管M5、所述NMOS管M6分流所述NMOS管M1的漏极、所述NMOS管M2的偏置电流。

5.根据权利要求1至4任一项所述的直接变频射频接收前端电路装置，其特征在于，所述的开关对电路包括：PMOS管P1、PMOS管P2、PMOS管P3、PMOS管P4，所述PMOS管P2的栅极和所述PMOS管P3的栅极连接，所述PMOS管P1、PMOS管P2、PMOS管P3、PMOS管P4的源极接收所述驱动级电路输出的小信号电流iRF，所述PMOS管P1、PMOS管P2、PMOS管P3、PMOS管P4的漏极输出中频小信号电流。

6.根据权利要求5所述的直接变频射频接收前端电路装置，其特征在于，所述的负载电路包括：两个电阻R_L、运算放大电路和NMOS管M7、NMOS管M8、NMOS管M9、NMOS管M10，所述运算放大电路的输出端和所述NMOS管M8的栅极、所述NMOS管M9的栅极连接，所述NMOS管M7的漏极、所述NMOS管M10的漏极输出中频小信号电压，将所述中频小信号电压镜像到射频接收前端电路中。

7.根据权利要求6所述的直接变频射频接收前端电路装置，其特征在于，所述两个电阻R_L接收所述PMOS管P1、PMOS管P2、PMOS管P3、PMOS管P4的漏极输出的中频小信号电流，所述运算放大电路的正输入端、负输入端接收流经所述电阻R_L的中频小信号电流，所述运算放大电路的输出端输出中频小信号电压。