CN109450485A - 一种模拟基带幅相校准及本振泄漏抑制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于模拟基带的幅相校准及本振泄漏抑制电路，属于模拟射频集成电路技术领域。其包括跨导放大器电路、可变增益放大器电路、可调节电阻网络、可调节电容网络，以及可调节偏置电路。该电路具有结构简单可靠，功耗低和占用面积小等特点，非常适合单片集成。

Description

一种模拟基带幅相校准及本振泄漏抑制电路
技术领域
本发明属于模拟射频集成电路技术领域，特别是指一种模拟基带幅相校准及本振泄漏抑制电路。
背景技术
由于零中频收发机具有结构简练、功耗小的特点，现代无线射频收发前端越来越多的采用这种架构，从而利于芯片的集成。零中频接收机的输出为IQ两路，其发射机为IQ两路输入。IQ的匹配程度包括两个方面，第一为幅度匹配，理想情况下IQ两路的幅度相等；第二为相位匹配，理想情况下IQ两路的相位差为90°。但在设计及生产过程中，由于器件的失配，IQ两路都会产生幅度失配和相位失配，最终导致调制解调的精度降低，从而影响了整个系统的载噪比和EVM值。
例如，在一次变频收发机中，零中频架构多采用IQ输出形式，IQ幅度及相位的匹配程度最终会决定整个系统的载噪比和EVM值，零中频发射机中的本振泄漏因为在发射端的输出频谱引入杂散，同样会恶化载噪比和EVM值。为此，在零中频收发机中通常都会采用相应的技术解决上述问题。
但是，采用CMOS工艺，芯片不集成校准电路的情况下，IQ两路的幅度失配一般在0.5dB~1dB之间，相位失配一般在1°~ 5°之间，这种精度的匹配只能满足BPSK、QPSK等简单调制解调方法的要求，而不能满足64QAM及以上调制解调的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种模拟基带幅相校准及本振泄漏抑制电路。该电路可以在确保可编程调节的模式下，实现输出信号的幅度调节和相位校准，并可实现本振泄漏抑制，其具有结构简单、易于设计实现，功耗低和占用面积小的特点，适合单片集成。
为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
一种模拟基带幅相校准及本振泄漏抑制电路，用于对输入的一对差分输入信号进行幅相校准和本振泄漏抑制，并输出校准后的一对差分输出信号，包括可变增益放大电路、可调节偏置电路、两个跨导放大器、两个可调节电阻网络电路以及两个可调节电容网络电路；
所述跨导放大器包括二级米勒运算放大器和可调节调零电阻电路，所述可调节调零电阻电路包括一个电阻以及与该电阻相并联的多个开关电阻电路；
所述可变增益放大电路包括构成差分结构的一对可变增益放大器，每个可变增益放大器均包括多个相互并联的开关电流源电路、偶数个相互并联的开关电阻电路以及多个相互并联的带开关的共源放大器；
所述可调节电阻网络电路包括多个相互并联的开关电阻电路；
所述可调节电容网络电路包括2k个相互并联的开关电容电路，k≥1；
所述可调节偏置电路包括第一偏置电路和第二偏置电路，所述第一偏置电路包括二级跨导运算放大器、筛选电路、第一镜像输入电路和使能开关控制电路，所述第二偏置电路包括第二镜像输入电路、多个带开关的镜像支路以及镜像输出电路；
所述开关电容电路包括一个用于实现电容连接的晶体管，以及与该晶体管相串联的一对互补的开关晶体管；
所述开关电阻电路包括一个电阻以及与该电阻相串联的一对互补的开关晶体管；
所述开关电流源电路包括一个共源管以及与该共源管的栅端相连的一个开关管和一个使能控制管；
所述一对差分输入信号分别进入两个跨导放大器的负向输入端，每个跨导放大器对信号进行做差放大，并输出给可变增益放大器和可调节电阻网络电路，所述可变增益放大器对信号进行放大处理，并反馈给跨导放大器的正向输入端以形成闭环反馈，所述可调节电阻网络电路与可调节电容网络电路对信号进行RC滤波，滤波后的信号即为差分输出信号；
所述第一偏置电路和第二偏置电路分别用于为跨导放大器和可变增益放大器提供偏置电流；其中，外部提供的基准电流1经过第一镜像输入电路给二级跨导运算放大器提供电流，外部提供的输入电流信号经过筛选电路的滤波后筛选出目标信号，并将目标信号转换为电压形式输入给二级跨导运算放大器的正向输入端，二级跨导运算放大器的输出信号反馈回自身的负向输入端，二级跨导运算放大器中第一级跨导运算放大器的输出信号为两个可变增益放大器提供偏置电流；外部提供的基准电流2经过第二镜像输入电路将电流镜像给多个带开关的镜像支路，并由多个带开关的镜像支路镜像给镜像输出电路，输出两个镜像电流，为两个跨导放大器提供偏置电流；
所述可变增益放大器的输入信号进入多路并联的带开关的共源放大器，由输入电压信号转换成电流信号并被放大，第二偏置电路提供的偏置电流信号通过多个并联的开关电流源电路控制输出电流的大小，输出电流在偶数个相互并联的开关电阻电路中转化成输出电压信号。
具体的，所述二级米勒运算放大器包括由5个晶体管组成的第一级差分放大器和以一个电流源晶体管作负载的共源级放大器。
具体的，所述筛选电路包括用于提供直流工作点的3个晶体管和2个电阻，以及起筛选作用的1个筛选电容，其中，筛选电容的一端接地，另一端连接到二级跨导运算放大器的正向输入端上，起到滤波筛选作用；所述3个晶体管中，一个做电流源连接，另外两个为其提供栅端电压；所述2个电阻中，一个电阻一端接地，另一端连接到二级跨导运算放大器的正向输入端上，用于将电流信号转换为电压信号，另一个电阻串联在二级跨导运算放大器的正向输入端和做电流源连接的晶体管的漏端之间。
本发明与背景技术相比，具有如下有益效果：
（1）本发明电路可应用于模拟基带电路中，属于低频电路，具有功耗低、面积小的优点。
（2）本发明电路采用先进行幅度调节、再进行相位调节的方法，同时还集成了本振泄漏抑制电路，无需消耗额外的功耗，相位校准采用无源方式，进一步降低了功耗。
（3）本发明电路幅度调节的可控范围较高，可以作为可变增益放大器使用，同时本发明电路中的偏置电流可调，从而实现了带宽可调。
（4）现有技术中，IQ校准电路通常处于本振电路中，VCO经过2分频电路产生IQ两路本振信号，该信号线进行相位校准，再进行幅度校准，之后送入变频器中进行变频。而本发明电路则位于模拟基带电路中，不仅能实现IQ两路的幅相校准和本振泄漏抑制，同时该电路还能实现增益可调及带宽可调。
附图说明
为了更加清楚地描述本专利，下面提供一幅或多幅附图，这些附图旨在对本专利的背景技术、技术原理和/或某些具体实施方案做出辅助说明。需要注意的是，这些附图可以给出也可以不给出一些在本专利文字部分已有描述且属于本领域普通技术人员公知常识的具体细节；并且，因为本领域的普通技术人员完全可以结合本专利已公开的文字内容和/或附图内容，在不付出任何创造性劳动的情况下设计出更多的附图，因此下面这些附图可以涵盖也可以不涵盖本专利文字部分所叙述的所有技术方案。此外，这些附图的具体内涵需要结合本专利的文字内容予以确定，当本专利的文字内容与这些附图中的某个明显结构不相符时，需要结合本领域的公知常识以及本专利其他部分的叙述来综合判断到底是本专利的文字部分存在笔误，还是附图中存在绘制错误。特别地，以下附图均为示例性质的图片，并非旨在暗示本专利的保护范围，本领域的普通技术人员通过参考本专利所公开的文字内容和/或附图内容，可以在不付出任何创造性劳动的情况下设计出更多的附图，这些新附图所代表的技术方案依然在本专利的保护范围之内。
图1是本发明实施例中幅相校准及本振泄漏抑制电路的整体电路原理图；
图2是图1中跨导放大器的电路原理图；
图3是单个可变增益放大器的电路原理图；
图4是图1中可调节电阻网络的电路原理图；
图5是图1中可调节电容网络的电路原理图；
图6是图1中可调节偏置电路的电路原理图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员对本专利技术方案的理解，同时，为了使本专利的技术目的、技术方案和有益效果更加清楚，并使权利要求书的保护范围得到充分支持，下面以具体案例的形式对本专利的技术方案做出进一步的、更详细的说明。
一种模拟基带幅相校准及本振泄漏抑制电路，用于对输入的一对差分输入信号进行幅相校准和本振泄漏抑制，并输出校准后的一对差分输出信号，包括可变增益放大电路、可调节偏置电路、两个跨导放大器、两个可调节电阻网络电路以及两个可调节电容网络电路；
所述跨导放大器包括二级米勒运算放大器和可调节调零电阻电路，所述可调节调零电阻电路包括一个电阻以及与该电阻相并联的多个开关电阻电路；
所述可变增益放大电路包括构成差分结构的一对可变增益放大器，每个可变增益放大器均包括多个相互并联的开关电流源电路、偶数个相互并联的开关电阻电路以及多个相互并联的带开关的共源放大器；
所述可调节电阻网络电路包括多个相互并联的开关电阻电路；
所述可调节电容网络电路包括2k个相互并联的开关电容电路，k≥1；
所述可调节偏置电路包括第一偏置电路和第二偏置电路，所述第一偏置电路包括二级跨导运算放大器、筛选电路、第一镜像输入电路和使能开关控制电路，所述第二偏置电路包括第二镜像输入电路、多个带开关的镜像支路以及镜像输出电路；
所述开关电容电路包括一个用于实现电容连接的晶体管，以及与该晶体管相串联的一对互补的开关晶体管；
所述开关电阻电路包括一个电阻以及与该电阻相串联的一对互补的开关晶体管；
所述开关电流源电路包括一个共源管以及与该共源管的栅端相连的一个开关管和一个使能控制管；
所述一对差分输入信号分别进入两个跨导放大器的负向输入端，每个跨导放大器对信号进行做差放大，并输出给可变增益放大器和可调节电阻网络电路，所述可变增益放大器对信号进行放大处理，并反馈给跨导放大器的正向输入端以形成闭环反馈，所述可调节电阻网络电路与可调节电容网络电路对信号进行RC滤波，滤波后的信号即为差分输出信号；
所述第一偏置电路和第二偏置电路分别用于为跨导放大器和可变增益放大器提供偏置电流；其中，外部提供的基准电流1经过第一镜像输入电路给二级跨导运算放大器提供电流，外部提供的输入电流信号经过筛选电路的滤波后筛选出目标信号，并将目标信号转换为电压形式输入给二级跨导运算放大器的正向输入端，二级跨导运算放大器的输出信号反馈回自身的负向输入端，二级跨导运算放大器中第一级跨导运算放大器的输出信号为两个可变增益放大器提供偏置电流；外部提供的基准电流2经过第二镜像输入电路将电流镜像给多个带开关的镜像支路，并由多个带开关的镜像支路镜像给镜像输出电路，输出两个镜像电流，为两个跨导放大器提供偏置电流；
所述可变增益放大器的输入信号进入多路并联的带开关的共源放大器，由输入电压信号转换成电流信号并被放大，第二偏置电路提供的偏置电流信号通过多个并联的开关电流源电路控制输出电流的大小，输出电流在偶数个相互并联的开关电阻电路中转化成输出电压信号。
具体的，所述二级米勒运算放大器包括由5个晶体管组成的第一级差分放大器和以一个电流源晶体管作负载的共源级放大器。
具体的，所述筛选电路包括用于提供直流工作点的3个晶体管和2个电阻，以及起筛选作用的1个筛选电容，其中，筛选电容的一端接地，另一端连接到二级跨导运算放大器的正向输入端上，起到滤波筛选作用；所述3个晶体管中，一个做电流源连接，另外两个为其提供栅端电压；所述2个电阻中，一个电阻一端接地，另一端连接到二级跨导运算放大器的正向输入端上，用于将电流信号转换为电压信号，另一个电阻串联在二级跨导运算放大器的正向输入端和做电流源连接的晶体管的漏端之间。
具体来说，如图1所示，一种模拟基带幅相校准及本振泄漏抑制电路，其主要分为五个部分，第一部分为跨导放大器OTA，第二部分为可变增益放大器电路VGA，第三部分为可调节电阻网络电路和可调节电容网络电路，第四部分为可调节偏置电路VREF。
第一部分电路其原理为：两路输入端信号VIA、VIB输入到OTA的负向输入端，正向输入端为VGA的输出端VOA、VOB，输出端为单端输出，分别送到下一级的VGA和可变电阻电路，PIB1、PIB2分别为两个跨导放大器的偏置电流端口。
第二部分电路的原理为：VGA电路是通过输入端VIN1、VIN2输入，从输出端VO1、VO2输出，其中PIB3为偏置电流端口，A0、A1、B0、B1为控制端口，通过控制以上端口调节VGA的增益幅度，实现增益可变的功能。
第三部分电路原理为：可调节电阻网络电路及可调节电容网络电路共同组成了RC低通滤波器，可以通过E0、E1、E2、E3、D<63:0>等控制端口调节RC的数值，实现通路中信号相位的变化，同时也可以抑制本振泄漏的信号传输到下一级。
第四部分电路原理为：该可调节偏置电路通过控制端EN、Ctrl0、Ctrl1调节偏置电流PIB1、PIB2和PIB3，其中PIB1、PIB2为OTA的偏置电流，PIB3为VGA的偏置电流。
图2为跨导放大器电路OTA的原理图，其主要分为三个部分，第一部分为镜像使能电路，第二部分为二级米勒运算放大电路，第三部分为可调节调零电阻电路。
在第一部分电路中，包含电流镜MOS管M8、使能管M9~M11和反相器INV1。其原理为：电流镜M8将输入电流IB镜像给电流源晶体管M5，使能端EN通过反相器INV1控制M9~M11管的开关导通状态，当EN=“1”时电路正常工作，当EN=“0”时电路停止工作。
第二部分为二级米勒运算放大电路，该电路由晶体管M1~M5组成的差分输入单端输出放大器、由M6、M7组成的电流源为负载的共源放大器、调零电路R0和米勒电容C0构成。该电路的目的是将输入端VN、VP的小信号进行比较放大，并转换成单端输出然后送到M6的栅端进行第二级放大，同时通过调零电阻R0和米勒电容C0调节OTA电路的第二极点位置，从而实现调整电路稳定性的目的；第二级放大电路的漏端为输出端VOUT。
第三部分由电阻R1~R3和晶体管M12~M17构成，其中M12、M13为一对开关管通过栅端电压控制开关通断，实现调零电阻的阻值变化，进而调节电路的稳定性。
图3为单个可变增益放大器的电路原理图。该电路主要分为三个部分，第一部分为由晶体管M21~M32构成的可调节电流源电路，第二部分为由晶体管M33~M34和电阻R11的组成的开关电阻电路，并由8个并联电路，第三部分为由晶体管M41、M45、M49、M50而组成带开关的共源放大器，并由18个并联而成。其原理为：PIB1为可调节电流源的栅端控制电压，通过M25~M28的开关通断状态，调整电流源的电流大小；M33、M34为一对互补开关管实现开关通断功能，8对开关管可以控制8个电阻的并联状态来调节负载阻值，进而调节VO1端的输出端电位；输入端VIN1为带开关的共源放大器的栅端电压，M49、M50为一对互补开关管实现开关通断功能，18对开关管可以控制18组共源放大器的通断，实现增益幅度的改变。
图4为可调节电阻网络电路的原理图，该电路由晶体管M61~M68和电阻R20~R23构成的可调节电阻网络。其原理为：PLUS_R、MINUS_R为可调节电阻电路的两端口，M61~M68为4对互补开关管，通过控制4对开关的通断状态，调整电阻网络电路的阻值大小。
图5为可调节电容网络电路的原理图，该电路由晶体管M9~M10组成互补开关管和晶体管M17的电容组成带开关的电容网络电路，并由64个并联而成。其原理为：可调节电容电路的两端口为PLUS_C和地端，M77的源漏体端连在一起和栅端构成以栅极氧化物为介质的电容，M69、M70为一对互补开关管实现开关通断功能，64对开关管可以控制64个电容的并联状态来调节负载容值，实现调节电容容值的大小。
图6为可调节偏置电路的原理图。该电路主要分为两个部分，第一部分为由晶体管M101~M114和电阻R30~R32构成的第一偏置电路，第二部分为由晶体管M120~M137构成的第二偏置电路。其原理为：PIB1、PIB2、PIB3为偏置输出电压， EN为使能端，Ctrl0、Ctrl1为控制端口；第一部分的电路中，M101~M107组成了二级OTA，并将输出连接到了负向输入端，形成了单位增益同向放大器，其输入端I_SOURCE为电流输入，经过开关管M113将信号输入到二级OTA的正向输入端，第一级OTA的漏端输出电压PIB3为第一偏置电路的输出端，基准电流Ibias1在电流镜的作用下，将电流镜像给M105、M107的电流，在二级OTA的正向输入端连接着由M111~M114、R30~R31、C30组成的筛选电路，电流信号I_SOURCE在筛选电路中完成电压信号的转换，同时进行信号筛选，EN通过反相器INV1和M110实现控制第一偏置电路通断的功能，当EN=“1”时电路正常工作，当EN=“0”时电路停止工作；在第二部分电路中，基准电流Ibias2在电流镜M120的作用下，将电流镜像给M122，M122的电流将分流给M123、M126、M129、M132这四个带开关的镜像支路中，其中晶体管M125、M128、M131、M134 为控制以上四个支路导通状态的开关管，其通断状态由Ctrl0、Ctrl1控制，然后将四个支路信号再次镜像给M136、M137，漏端分别输出PIB1、PIB2，另外M21、M24、M27、M30、M33、M35为使能端控制的开关管，当EN=“1”时电路正常工作，当EN=“0”时电路停止工作。
总之，在本电路中，跨导放大器电路的目的是对模拟基带信号进行幅度放大，并完成VGA信号的反馈输出；可变增益放大电路的目的是在外部可编程条件的控制下，完成增益可调节的功能；可调节电阻网络及可调节电容网络的目的是在外部可编程条件的控制下，分别调整电阻网络和电容网络的R、C值，实现其低通滤波的作用；可调节偏置电路的目的是在外部可编程条件的控制下，为OTA和VGA电路提供偏置电流，确保其电路的直流工作点。
需要理解的是，上述对于本专利具体实施方式的叙述仅仅是为了便于本领域普通技术人员理解本专利方案而列举的示例性描述，并非暗示本专利的保护范围仅仅被限制在这些个例中，本领域普通技术人员完全可以在对本专利技术方案做出充分理解的前提下，以不付出任何创造性劳动的形式，通过对本专利所列举的各个例采取组合技术特征、替换部分技术特征、加入更多技术特征等等方式，得到更多的具体实施方式，所有这些具体实施方式均在本专利权利要求书的涵盖范围之内，因此，这些新的具体实施方式也应在本专利的保护范围之内。
此外，出于简化叙述的目的，本专利也可能没有列举一些寻常的具体实施方案，这些方案是本领域普通技术人员在理解了本专利技术方案后能够自然而然想到的，显然，这些方案也应包含在本专利的保护范围之内。
出于简化叙述的目的，上述各具体实施方式对于技术细节的公开程度可能仅仅达到本领域技术人员可以自行决断的程度，即，对于上述具体实施方式没有公开的技术细节，本领域普通技术人员完全可以在不付出任何创造性劳动的情况下，在本专利技术方案的充分提示下，借助于教科书、工具书、论文、专利、音像制品等等已公开文献予以完成，或者，这些细节是在本领域普通技术人员的通常理解下，可以根据实际情况自行作出决定的内容。可见，即使不公开这些技术细节，也不会对本专利技术方案的公开充分性造成影响。
总之，在结合了本专利说明书对权利要求书保护范围的解释作用的基础上，任何落入本专利权利要求书涵盖范围的具体实施方案，均在本专利的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种模拟基带幅相校准及本振泄漏抑制电路，其特征在于，用于对输入的一对差分输入信号进行幅相校准和本振泄漏抑制，并输出校准后的一对差分输出信号，包括可变增益放大电路、可调节偏置电路、两个跨导放大器、两个可调节电阻网络电路以及两个可调节电容网络电路；
所述跨导放大器包括二级米勒运算放大器和可调节调零电阻电路，所述可调节调零电阻电路包括一个电阻以及与该电阻相并联的多个开关电阻电路；
所述可变增益放大电路包括构成差分结构的一对可变增益放大器，每个可变增益放大器均包括多个相互并联的开关电流源电路、偶数个相互并联的开关电阻电路以及多个相互并联的带开关的共源放大器；
所述可调节电阻网络电路包括多个相互并联的开关电阻电路；
所述可调节电容网络电路包括2k个相互并联的开关电容电路，k≥1；
所述可调节偏置电路包括第一偏置电路和第二偏置电路，所述第一偏置电路包括二级跨导运算放大器、筛选电路、第一镜像输入电路和使能开关控制电路，所述第二偏置电路包括第二镜像输入电路、多个带开关的镜像支路以及镜像输出电路；
所述开关电容电路包括一个用于实现电容连接的晶体管，以及与该晶体管相串联的一对互补的开关晶体管；
所述开关电阻电路包括一个电阻以及与该电阻相串联的一对互补的开关晶体管；
所述开关电流源电路包括一个共源管以及与该共源管的栅端相连的一个开关管和一个使能控制管；
所述一对差分输入信号分别进入两个跨导放大器的负向输入端，每个跨导放大器对信号进行做差放大，并输出给可变增益放大器和可调节电阻网络电路，所述可变增益放大器对信号进行放大处理，并反馈给跨导放大器的正向输入端以形成闭环反馈，所述可调节电阻网络电路与可调节电容网络电路对信号进行RC滤波，滤波后的信号即为差分输出信号；
所述第一偏置电路和第二偏置电路分别用于为跨导放大器和可变增益放大器提供偏置电流；其中，外部提供的基准电流1经过第一镜像输入电路给二级跨导运算放大器提供电流，外部提供的输入电流信号经过筛选电路的滤波后筛选出目标信号，并将目标信号转换为电压形式输入给二级跨导运算放大器的正向输入端，二级跨导运算放大器的输出信号反馈回自身的负向输入端，二级跨导运算放大器中第一级跨导运算放大器的输出信号为两个可变增益放大器提供偏置电流；外部提供的基准电流2经过第二镜像输入电路将电流镜像给多个带开关的镜像支路，并由多个带开关的镜像支路镜像给镜像输出电路，输出两个镜像电流，为两个跨导放大器提供偏置电流；
所述可变增益放大器的输入信号进入多路并联的带开关的共源放大器，由输入电压信号转换成电流信号并被放大，第二偏置电路提供的偏置电流信号通过多个并联的开关电流源电路控制输出电流的大小，输出电流在偶数个相互并联的开关电阻电路中转化成输出电压信号。
2.根据权利要求1所述的一种模拟基带幅相校准及本振泄漏抑制电路，其特征在于，所述二级米勒运算放大器包括由5个晶体管组成的第一级差分放大器和以一个电流源晶体管作负载的共源级放大器。
3.根据权利要求1所述的一种模拟基带幅相校准及本振泄漏抑制电路，其特征在于，所述筛选电路包括用于提供直流工作点的3个晶体管和2个电阻，以及起筛选作用的1个筛选电容，其中，筛选电容的一端接地，另一端连接到二级跨导运算放大器的正向输入端上，起到滤波筛选作用；所述3个晶体管中，一个做电流源连接，另外两个为其提供栅端电压；所述2个电阻中，一个电阻一端接地，另一端连接到二级跨导运算放大器的正向输入端上，用于将电流信号转换为电压信号，另一个电阻串联在二级跨导运算放大器的正向输入端和做电流源连接的晶体管的漏端之间。
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