CN108566217A - 低功耗射频接收器 - Google Patents

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马欣龙
吴悦
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Abstract

本发明提供一种低功耗射频接收器，其包括：无源匹配电路，其输入端与天线的输出端耦接；单端低噪声放大器，其包括一个输入端和一个输出端，其输入端与无源匹配电路的输出端耦接；单端平衡混频器，其包括一个输入端、第一开关单元至第四开关单元、第一输出端至第四输出端，其输入端与单端低噪声放大器的输出端耦接，第一开关单元至第四开关单元的第一连接端互相耦接至无源单端平衡混频器的输入端，第一开关单元至第四开关单元的第二连接端分别耦接至无源单端平衡混频器的第一输出端至第四输出端；差分跨阻放大器，其包括分别与无源单端平衡混频器的四个输出端耦接的四个输入端。与现有技术相比，本发明具有功耗低，结构简单等特点。

Description

低功耗射频接收器
【技术领域】
本发明涉及射频技术领域，特别涉及一种低功耗射频接收器。
【背景技术】
随着移动互联网、物联网和可穿戴设备市场的发展，低功耗连接变得越来越重要。于此相应的，市场上出现了很多低功耗无线通讯标准(BLE，NBIoT等)。在这些标准中，低功耗射频接收电路都是其核心。
目前无线通讯领域中采用的无线芯片大都适用于大容量、高速度、远距离的场景。本身存在着功耗大、成本高、结构复杂的缺点。在可穿戴、物联网等领域并不适用。
针对以上现状，本发明提出了一种功耗低、结构简单、性能适中的射频接收器电路。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种射频接收器，其具有功耗低，结构简单等特点。
为了解决上述问题，本发明提供一种射频接收器，其包括：无源匹配电路，其包括一个输入端和一个输出端，无源匹配电路的输入端与天线的输出端耦接；单端低噪声放大器，其包括一个输入端和一个输出端，单端低噪声放大器的输入端与无源匹配电路的输出端耦接；单端平衡混频器，其包括一个输入端、第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元、第一输出端、第二输出端、第三输出端和第四输出端，其输入端与所述单端低噪声放大器的输出端耦接，第一开关单元的第一连接端、第二开关单元的第一连接端、第三开关单元的第一连接端和第四开关单元的第一连接端互相耦接至无源单端平衡混频器的输入端，第一开关单元的第二连接端耦接至无源单端平衡混频器的第一输出端，第二开关单元的第二连接端耦接至无源单端平衡混频器的第二输出端，第三开关单元的第二连接端耦接至无源单端平衡混频器的第三输出端，第四开关单元的第二连接端耦接至无源单端平衡混频器的第四输出端；差分跨阻放大器，其包括分别与无源单端平衡混频器的四个输出端耦接的四个输入端。
进一步的，所述差分跨阻放大器将来自单端平衡混频器的电流信号转换成电压信号。
进一步的，所述单端低噪声放大器包括负载阻抗和NMOS晶体管，负载阻抗的一端与电源端耦接，负载阻抗的另一端与NMOS晶体管的漏极耦接，NMOS晶体管的源极耦接至地，NMOS晶体管的栅极耦接至所述单端低噪声放大器的输入端，NMOS晶体管的漏极耦接至所述单端低噪声放大器的输出端。
进一步的，第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元的控制端分别与四个本地振荡时钟信号耦接，在本地振荡时钟信号为第一逻辑电平时，对应的开关单元导通，在本地振荡时钟信号为第二逻辑电平时，对应的开关单元截止，四个本地振荡时钟在一个时钟周期内依次跳变为第一逻辑电平并持续约1/4时钟周期。
与现有技术相比，本发明中的射频接收器，其低噪声放大器采用单端结构，混频器采用无源单端平衡(single-ended balanced)结构，因此功耗很低，结构很简单。
【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它的附图。其中：
图1为本发明中的射频接收器的结构框图；
图2为图1中的单端低噪声放大器在一个实施例中的电路图；
图3为图1中的单端平衡混频器在一个实施例中的电路图；
图4为四个本地振荡时钟信号的时序图。
【具体实施方式】
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的耦接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性连接。
图1为本发明中的射频接收器100的结构框图。如图1所示，本发明中的射频接收器100包括无源匹配电路110、单端低噪声放大器120、单端平衡混频器130和差分跨阻放大器140。实际上，所述射频接收器100还可以包括模数转换器等已知部件，这部分已知部件并未被示出和介绍，以避免混淆本发明的重点。
所述无源匹配电路110包括一个输入端和一个输出端，无源匹配电路的输入端与天线的输出端耦接。单端低噪声放大器120包括一个输入端和一个输出端，单端低噪声放大器120的输入端与无源匹配电路110的输出端耦接。无源匹配电路110由电容电感等器件组成。在输入端，无源匹配电路110提供阻抗匹配，满足射频规范要求；在输出端，无源匹配电路也可以为射频接收器100提供电压放大增益。
单端低噪声放大器100可以采用单端电流型放大器结构。单端低噪声放大器相比传统差分低噪声放大器可以显著节省功耗。单端电流型放大器适合在低电压环境工作，有利于降低功耗。同时，单端电流型放大器可以实现更好的线性度。单端低噪声放大器可以采用互补型结构，充分利用电流，同时取消了负载电感，进一步减小面积。这里以共源(commonsource)放大器为例描述一个典型的低噪声放大器，其电路如图2所示。低噪声放大器120包括有源器件Mg和负载阻抗ZL。在本示例中，Mg为NMOS晶体管，用以接收输入信号INPUT，驱动负载阻抗ZL产生输出信号OUPUT。负载阻抗ZL通常由电阻、电感、电容组成。负载阻抗ZL的一端与电源端VDD耦接，负载阻抗ZL的另一端与NMOS晶体管mg的漏极耦接，NMOS晶体管mg的源极耦接至地，NMOS晶体管的栅极耦接至所述单端低噪声放大器的输入端，NMOS晶体管的漏极耦接至所述单端低噪声放大器的输出端。通过选取负载可以实现低噪声放大器的最优性能。本示例中的低噪声放大器作为单端结构的特征就是接受信号为单端信号，其输出信号也是单端。结构简单，面积和功耗都小于相应的差分电路。
图3为图1中的单端平衡混频器130在一个实施例中的电路图；所述单端平衡混频器120包括一个输入端、第一开关单元SW1、第二开关单元SW2、第三开关单元SW3、第四开关单元SW4、第一输出端OUTPUTI+、第二输出端OUTPUTI-、第三输出端OUTPUTQ+和第四输出端OUTPUTQ-，其输入端与所述单端低噪声放大器120的输出端耦接。第一开关单元SW1的第一连接端、第二开关单元SW2的第一连接端、第三开关单元SW3的第一连接端和第四开关单元SW4的第一连接端互相耦接至无源单端平衡混频器130的输入端，第一开关单元SW1的第二连接端耦接至无源单端平衡混频器130的第一输出端OUTPUTI+，第二开关单元SW2的第二连接端耦接至无源单端平衡混频器130的第二输出端OUTPUTI-，第三开关单元SW3的第二连接端耦接至无源单端平衡混频器的第三输出端OUTPUTQ+，第四开关单元SW4的第二连接端耦接至无源单端平衡混频器130的第四输出端OUTPUTQ-。
单端平衡混频器130采用无源单端平衡(single-ended balanced)结构，如图3所示。高频射频信号经过单端低噪声放大器120后，以电流的形式进入单端平衡混频器130。单端平衡混频器130的四个开关单元SW1-SW4分别由四个本地振荡时钟信号(LOI+,LOI-,LOQ+,LOQ-)驱动，射频信号经过四个开关单元被下变频成低频IQ信号(同相分量信号I，正交分量信号Q)。单端平衡混频器130结构简单，面积小。同时又具有工作电压低，没有电流损耗的优点，非常符合低功耗要求。单端平衡混频器采用单端平衡结构不仅实现射频信号的下变频，同时也实现了单端信号到差分信号的转换。
图4为四个本地振荡时钟信号的时序图，在本地振荡时钟信号为第一逻辑电平时，对应的开关单元导通，在本地振荡时钟信号为第二逻辑电平时，对应的开关单元截止，四个本地振荡时钟在一个时钟周期内依次跳变为第一逻辑电平并持续约1/4时钟周期。
所述差分跨阻放大器140包括分别与无源单端平衡混频器130的四个输出端耦接的四个输入端。高频射频信号以高频电流形式经过单端平衡混频器130后，被下变频到低频，再流入到跨阻放大器140。跨阻放大器140的作用是一个电流-电压转换器，电流信号被转换成电压信号，可以更方便的被后续电路处理。跨阻放大器140采用差分结构，可以更好的抑制低频噪声的干扰。
本发明采用单端低噪声放大器，可以有效节约功耗和面积。无源单端平衡混频器实现变频与单端转差分功能。整个电路具有结构简单、面积小，功耗低的优点。非常适用于物联网等应用场合。
在本发明中，“耦接”、相连、“连”、“接”等表示电性连接的词语，如无特别说明，则表示直接或间接的电性连接。
需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (4)

1.一种射频接收器，其特征在于，其包括：
无源匹配电路，其包括一个输入端和一个输出端，无源匹配电路的输入端与天线的输出端耦接；
单端低噪声放大器，其包括一个输入端和一个输出端，单端低噪声放大器的输入端与无源匹配电路的输出端耦接；
单端平衡混频器，其包括一个输入端、第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元、第一输出端、第二输出端、第三输出端和第四输出端，其输入端与所述单端低噪声放大器的输出端耦接，第一开关单元的第一连接端、第二开关单元的第一连接端、第三开关单元的第一连接端和第四开关单元的第一连接端互相耦接至无源单端平衡混频器的输入端，第一开关单元的第二连接端耦接至无源单端平衡混频器的第一输出端，第二开关单元的第二连接端耦接至无源单端平衡混频器的第二输出端，第三开关单元的第二连接端耦接至无源单端平衡混频器的第三输出端，第四开关单元的第二连接端耦接至无源单端平衡混频器的第四输出端；
差分跨阻放大器，其包括分别与无源单端平衡混频器的四个输出端耦接的四个输入端。
2.根据权利要求1所述的射频接收器，其特征在于，所述差分跨阻放大器将来自单端平衡混频器的电流信号转换成电压信号。
3.根据权利要求1所述的射频接收器，其特征在于，所述单端低噪声放大器包括负载阻抗和NMOS晶体管，负载阻抗的一端与电源端耦接，负载阻抗的另一端与NMOS晶体管的漏极耦接，NMOS晶体管的源极耦接至地，NMOS晶体管的栅极耦接至所述单端低噪声放大器的输入端，NMOS晶体管的漏极耦接至所述单端低噪声放大器的输出端。
4.根据权利要求1所述的射频接收器，其特征在于，第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元的控制端分别与四个本地振荡时钟信号耦接，在本地振荡时钟信号为第一逻辑电平时，对应的开关单元导通，在本地振荡时钟信号为第二逻辑电平时，对应的开关单元截止，四个本地振荡时钟在一个时钟周期内依次跳变为第一逻辑电平并持续约1/4时钟周期。
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