CN107222227A - 一种带数字辅助电路的射频接收前端 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带数字辅助电路的射频接收前端，实现了转换增益和输入匹配的编程可调节。该带数字辅助电路的射频接收前端包括主跨导模块(1)、跨导增强模块(2)、匹配补偿模块(3)、开关管及负载模块(4)和数字辅助模块(5)。本发明在主跨导模块上加入跨导增强模块和匹配补偿模块，两者分别用来提升总转换增益和实现输入匹配补偿。并引入数字辅助模块，用于射频前端在不同工作状态需求下，对跨导增强模块和匹配补偿模块进行动态偏置。从而动态控制射频接收前端跨导增强量和匹配补偿量，来实现射频接收前端的转换增益和输入匹配编程可调。本发明结构简单，易集成，占用芯片面积小。

Description

一种带数字辅助电路的射频接收前端

技术领域

本发明属于射频集成电路技术领域，具体涉及一种带数字辅助电路的射频接收前端，具有宽带、增益编程可调和低功耗的特点。

背景技术

近几十年间，无线通信技术得到了蓬勃的发展。现代通信设备主要由发射机、接收机、数模转换器和数字基带电路构成。射频接收前端作为接收机的核心电路，起到对天线接收的信号预处理的作用，对整个接收机的性能起决定性影响。为了实现通信设备的功能集成和多模多带的工作方式，射频接收前端必须能够工作在多种通信协议下。且因不同通信协议所要求的增益和工作频段都不相同，这就需要一种多频带增益可调的射频接收前端。另外由于接收前端直接与天线相连，输入匹配性也是一项需要重点考虑的设计参数。一种常见宽带增益可调的射频接收前端采用并联多个主跨导放大管，通过开启和关断一部分跨导管，来改变总跨导，从而实现增益可调(参见B.Razavi,T.Aytur,C.Lam,et al,"A UWBCMOS Transceiver,"IEEE journal of solid-state circuits,vol.40,no.12,pp.2555-2562,Dec.2005.)。该方法结构简单，易于实现。但主要的缺点为增益调节范围小，增益量的可选择度单一；且由于有部分跨导管关闭，导致电路有冗余器件。为了解决这些问题，数字辅助电路被引入射频前端单元中。一种常见的数字辅助的混频器(参见S.Mondal,J.Xu andC.E.Saavedra,"Digitally assisted CMOS mixer with tight conversion-gainflatness,"Electronics Letters,vol.51,no.25,pp.2119-2121,Dec.2015.)，通过数字辅助电路储存特定频率下电路实现特定增益时的工作状态，以达到动态偏置电路，来实现宽带增益可调。该方法实现了高增益调节灵活性和宽带增益平坦度。但该方法仅被应用于混频器中，因为没有考虑输入匹配的影响，不能直接作为射频接收前端使用。只能在前级加入低噪声放大器单元，来实现与天线的阻抗匹配，从而增加了电路的复杂性和成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种带数字辅助电路的射频接收前端。通过引进数字辅助电路，实现射频接收前端增益和输入匹配编程可调。本发明在射频前端的主跨导模块上引入了跨导增强电路和输入匹配补偿电路，并通过数字辅助电路对特定频率、特定增益下的跨导增强量和匹配补偿量进行精确控制，实现了所设计射频接收前端的输入匹配和增益可编程灵活调节的特性。其主要优点在于增益调整的精度高、可调范围大、输入匹配良好等。本发明结构简单，易实现，工作稳定，占用芯片面积较小。该射频接收前端可以用于LTE、BLE、5G移动通信和UWB等系统中。

为此，本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种带数字辅助电路的射频接收前端，包括主跨导模块、跨导增强模块、匹配补偿模块、开关管及负载模块和数字辅助模块，实现了射频接收前端增益和输入匹配编程可调节，其中：

1.主跨导模块由NMOS放大管NM1、NM2以及电阻R₁、R₂构成，将输入射频电压信号转换为射频电流信号，并提供跨导增益和输入阻抗。差分输入信号V_in+、V_in-交流耦合接入NM1和NM2的源端，R₁连接NM1的源端和GND，电阻R₂连接NM2的源端和GND，用来为主跨导管提供直流偏置。

2.跨导增强模块由NMOS放大管NM3、NM4以及电阻R₇、R₈构成。分别通过电容C₁、C₂将差分输入信号V_in+、V_in-交流耦合输入NM3、NM4的栅端，R₇、R₈分别连接NM3、NM4的漏端与电源VDD，NM3、NM4的源端接GND，对输入信号进行共源反向放大。电容C₃、C₄分别连接NM3、NM4的漏端与NM1、NM2的栅端，将已经进行过反向放大的信号交流耦合输入NM1、NM2的栅端，以此来增大主跨导管NM1、NM2栅源端之间的交流电压差，从而实现跨导增强。若NM3、NM4构成的共源放大器的增益为A，则主跨导管被有源跨导增强1+A倍，射频接收前端的总转换增益被增强1+A倍。A由NM3、NM4的偏置状态，即NM3、NM4的栅端直流偏置电压V_A决定。大电阻R₃、R₄分别连接NM3、NM4的栅端，构成NM3、NM4的偏置电压端口。

3.匹配补偿模块由PMOS放大管PM1、PM2形成的正反馈支路构成。PM1、PM2的漏端接入差分输入信号V_in+、V_in-，栅端分别通过电容C₅、C₆连接至NM3、NM4的漏端，PM1、PM2的源端均与电源VDD相接。其对输入阻抗的调整量为正反馈的反馈系数B，B由PM1、PM2的偏置状态，即PM1、PM2的栅端直流偏置电压V_B决定。大电阻R₅、R₆分别连接PM1、PM2的栅端，构成PM1、PM2的偏置电压端口。

4.开关管及负载模块采用双平衡结构，由四个完全一样的NMOS开关管NM5-NM8及其负载电阻R₉、R₁₀构成。NM5、NM6的源端接NM1的漏端，NM7、NM8的源端接NM2的漏端，分别将由主跨导管放大转换后的射频电流信号输入至开关管。NM5、NM8的栅端接入正向本振信号LO+，NM6、NM7的栅端接入负向本振信号LO-。NM5-NM8的作用是通过开关管的周期性开闭，对射频电流信号进行频谱搬移，将其转换成中频电流信号。电阻R₉、R₁₀构成阻性负载，将中频电流信号转换为中频电压信号V_IF+、V_IF-，为整体射频接收前端提供增益。

5.数字辅助模块由数字存储单元和两个数模转换器DAC1、DAC2构成。数字存储单元将实验测试得到的在不同工作状态(特定输入信号频率下的转换增益及输入阻抗需求)的V_A、V_B数字量对及对应频率成组储存。当射频接收前端需要工作在该状态时，数字存储模块会将对应的V_A、V_B数字量分别传输给数模转换器DAC1、DAC2。DAC1将数字量V_A转换为直流电压，其输出端与R₃、R₄构成的NM3、NM4的偏置电压端口相连，来实现动态偏置NM3、NM4，从而控制主放大管有源跨导增强量来调节转换增益。DAC2将数字量V_B转换为直流电压，其输出端与R₅、R₆构成的PM1、PM2的偏置电压端口相连，来实现动态偏置PM1、PM2，从而调节正反馈的反馈系数来控制输入阻抗的调整量。DAC1、DAC2同时输出，以达到同时动态调节转换增益和输入匹配补偿的目的。根据射频前端工作时所需的不同状态需求，可使用数字储存单元编程储存不同幅频响应的多组V_A、V_B数字量对，从而实现储存多种工作增益和匹配模式，极大的提高了所发明的射频前端的工作灵活性和可调性，使其可以工作在多种通信标准和通信模式下。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

1.本发明实现了增益可调，可调范围较大。

2.本发明在实现增益可调的同时，还可调节输入匹配补偿量，实现了输入良好匹配。

3.本发明的增益调节方式为数字辅助电路编程可调，可以实现射频接收前端在整个工作频带上不同幅频响应的编程实现，灵活度大大提高。

4.本发明的实现方式为片上集成电路，占用面积小，功能集成。

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的介绍，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，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1是本发明提供的带数字辅助电路的射频接收前端示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明提供了一种带数字辅助电路的射频接收前端，由主跨导模块(1)、跨导增强模块(2)、匹配补偿模块(3)、开关管及负载模块(4)和数字辅助模块(5)组成。主跨导模块(1)将差分输入信号V_in+、V_in-交流耦合接入NMOS放大管NM1和NM2的源端，R₁连接NM1的源端和GND，电阻R₂连接NM2的源端和GND。跨导增强模块(2)分别通过电容C₁、C₂将差分输入信号V_in+、V_in-交流耦合输入NM3、NM4的栅端，R₇、R₈分别连接NM3、NM4的漏端与电源VDD，NM3、NM4的源端接GND，对输入信号进行共源反向放大。电容C₃、C₄分别连接NM3、NM4的漏端与NM1、NM2的栅端，将已经进行过反向放大的信号交流耦合输入NM1、NM2的栅端。大电阻R₃、R₄分别连接NM3、NM4的栅端，构成NM3、NM4的偏置电压V_A的端口。匹配补偿模块(3)将PM1、PM2的漏端接入差分输入信号V_in+、V_in-，栅端分别通过电容C₅、C₆连接至NM3、NM4的漏端，PM1、PM2的源端均与电源VDD相接。大电阻R₅、R₆分别连接PM1、PM2的栅端，构成PM1、PM2的偏置电压V_B的端口。开关管及负载模块(4)将NM5、NM6的源端连接NM1的漏端，NM7、NM8的源端连接NM2的漏端，分别将由主跨导管放大转换后的射频电流信号输入至开关管。NM5、NM8的栅端接入正向本振信号LO+，NM6、NM7的栅端接入负向本振信号LO-。电阻R₉、R₁₀构成阻性负载，将中频电流信号转换为中频电压信号V_IF+、V_IF-。数字辅助模块(5)使用数字存储单元将不同工作状态下的V_A、V_B数字量对及对应频率成组储存。DAC1将数字量V_A转换为直流电压，其输出端与偏置电压V_A的端口相连，来动态偏置NM3、NM4。DAC2将数字量V_B转换为直流电压，其输出端与偏置电压V_B的端口相连，来动态偏置PM1、PM2。

对于上述的实施例，通过小信号电路等效分析可得，所发明的射频接收前端的转换增益和输入阻抗可分别由式(1)和式(2)表示：

其中A_V和Z_in分别为所发明的射频接收前端的转换增益和输入阻抗，g_NM1,2为主跨导管的跨导值，R_l为输出负载R₉、R₁₀，R_g为跨导增强模块的负载R₇、R₈，A为NM3、NM4构成的共源放大器的反相放大倍数，B为PM1、PM2构成的正反馈支路的反馈系数。由式(1)、式(2)可以看出，通过调节A可以调节增益，但会影响Z_in。通过调节B可以抵消掉调节A所带来的影响，从而保持Z_in不变，来达到输入匹配。而A、B的决定量V_A、V_B由在不同工作状态(特定输入信号频率下的转换增益及输入阻抗需求)下进行的实验测试得到，成对储存在数字存储单元中。通过对存储单元进行编程，待射频前端工作时，将特定工作状态下的V_A、V_B数字量由数模转换器DAC1、DAC2转换得到直流偏置电压，实现对NM3、NM4和PM1、PM2动态偏置。DAC1、DAC2同时输出，从而同时控制主跨导管的跨导增强量和正反馈支路的反馈系数，以达到同时动态调节转换增益和输入匹配补偿的目的。

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披露的技术范围内，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书的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种带数字辅助电路的射频接收前端，其特征在于，包括主跨导模块(1)、跨导增强模块(2)、匹配补偿模块(3)、开关管及负载模块(4)和数字辅助模块(5)，其中：

主跨导模块(1)由NMOS放大管NM1、NM2以及电阻R₁、R₂构成，将输入射频电压信号转换为射频电流信号，并提供跨导增益和输入阻抗，差分输入信号V_in+、V_in-交流耦合接入NM1和NM2的源端，R₁连接NM1的源端和GND，电阻R₂连接NM2的源端和GND，用来为主跨导管提供直流偏置；

跨导增强模块(2)由NMOS放大管NM3、NM4以及电阻R₇、R₈构成，分别通过电容C₁、C₂将差分输入信号V_in+、V_in-交流耦合输入NM3、NM4的栅端，R₇、R₈分别连接NM3、NM4的漏端与电源VDD，NM3、NM4的源端接GND，对输入信号进行共源反向放大，电容C₃、C₄分别连接NM3、NM4的漏端与NM1、NM2的栅端，将已经进行过反向放大的信号交流耦合输入NM1、NM2的栅端，以此来增大主跨导管NM1、NM2栅源端之间的交流电压差，从而实现跨导增强，若NM3、NM4构成的共源放大器的增益为A，则主跨导管被有源跨导增强1+A倍，射频接收前端的总转换增益被增强1+A倍，A由NM3、NM4的偏置状态，即NM3、NM4的栅端直流偏置电压V_A决定，大电阻R₃、R₄分别连接NM3、NM4的栅端，构成NM3、NM4的偏置电压端口；

匹配补偿模块(3)由PMOS放大管PM1、PM2形成的正反馈支路构成，PM1、PM2的漏端接入差分输入信号V_in+、V_in-，栅端分别通过电容C₅、C₆连接至NM3、NM4的漏端，PM1、PM2的源端均与电源VDD相接，其对输入阻抗的调整量为正反馈的反馈系数B，B由PM1、PM2的偏置状态，即PM1、PM2的栅端直流偏置电压V_B决定，大电阻R₅、R₆分别连接PM1、PM2的栅端，构成PM1、PM2的偏置电压端口；

开关管及负载模块(4)采用双平衡结构，由四个完全一样的NMOS开关管NM5-NM8及其负载电阻R₉、R₁₀构成，NM5、NM6的源端接NM1的漏端，NM7、NM8的源端接NM2的漏端，分别将由主跨导管放大转换后的射频电流信号输入至开关管，NM5、NM8的栅端接入正向本振信号LO+，NM6、NM7的栅端接入负向本振信号LO-，NM5-NM8的作用是通过开关管的周期性开闭，对射频电流信号进行频谱搬移，将其转换成中频电流信号，电阻R₉、R₁₀构成阻性负载，将中频电流信号转换为中频电压信号V_IF+、V_IF-，为整体射频接收前端提供增益；

数字辅助模块(5)由数字存储单元和两个数模转换器DAC1、DAC2构成，数字存储单元将实验测试得到的在不同工作状态的V_A、V_B数字量对及对应频率成组储存，当射频接收前端需要工作在该状态时，数字存储模块会将对应的V_A、V_B数字量分别传输给数模转换器DAC1、DAC2，DAC1将数字量V_A转换为直流电压，其输出端与R₃、R₄构成的NM3、NM4的偏置电压端口相连，来实现动态偏置NM3、NM4，从而控制主放大管有源跨导增强量来调节转换增益，DAC2将数字量V_B转换为直流电压，其输出端与R₅、R₆构成的PM1、PM2的偏置电压端口相连，来实现动态偏置PM1、PM2，从而调节正反馈的反馈系数来控制输入阻抗的调整量，DAC1、DAC2同时输出，以达到同时动态调节转换增益和输入匹配补偿的目的。