CN110611520B - 一种cmos射频前端电路、运行方法、芯片和无线通信设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种CMOS射频前端电路、运行方法、芯片和无线通信设备，属于电子与通信技术领域。该CMOS射频前端电路包括天线，单端到差分变换器，低噪声放大器，功率放大器。本发明节省了芯片占用面积，减小了天线开关的插入损耗，节约了芯片及设备的加工和运行成本，提高了通信效率。

Description

一种CMOS射频前端电路、运行方法、芯片和无线通信设备
技术领域
本发明涉电子与通信技术领域，特别是一种CMOS射频前端电路、运行方法、芯片和设备。
背景技术
传统射频前端电路一般包括功率放大器、低噪声放大器、单端到差分变换器和天线，发射通路和接收通路多采用独立设计，独立工作方式。如附图1所示，功率放大器和低噪声放大器各使用一个单端到差分变换器，并且发射通路和接收通路各有一个天线开关串联进电路。这种电路有两大缺点，一是两个独立的单端到差分变换器占据非常大的芯片面积，二是发射和接收通路都含有串联的天线开关，发射和接收模式下插入损耗通常比较大。一些技术人员对电路进行了改进，如附图2所示，只将天线开关插入在功率放大器的信号通路，这样在接收时可以减小插入损耗对灵敏度的影响，但是在发射时，还是会引入一dB左右的插入损耗。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种CMOS射频前端电路、运行方法、芯片和设备，减少芯片的面积，降低电源开关插入损耗。
为了实现上述目的，本发明采用的一个技术方案是：提供一种CMOS射频前端电路，其特征在于由天线、单端到差分变换器、低噪声放大器、功率放大器组成，所述天线连接所述单端到差分变换器的一端，所述单端到差分变换器的另一端连接所述低噪声放大器的信号输入端，所述低噪声放大器的信号输出端连接外部射频收发机，所述功率放大器的信号输入端连接所述外部射频收发机，所述功率放大器的信号输出端连接所述低噪声放大器的信号输入端。
优选的，其特征在于还包括一个电源开关，所述电源开关内置于所述低噪声放大器中，所述电源开关与所述单端到差分变换器连通或断开。
优选的，所述低噪声放大器的信号输入端包括正向信号输入端和反向信号输入端，所述低噪声放大器的信号输出端包括正向信号输出端和反向信号输出端，所述功率放大器的信号输入端包括正向信号输入端和反向信号输入端，所述功率放大器的信号输出端包括正向信号输出端和反向信号输出端，所述功率放大器的正向信号输出端连接所述低噪声放大器的正向信号输入端，所述功率放大器的反向信号输出端连接所述低噪声放大器的反向信号输入端。
优选的，所述单端到差分变换器由第三电感、第四电感、第五电感、第六电感构成，所述第四电感与所述第六电感串联，所述第四电感的另一端连接所述天线，所述第六电感的另一端接地，所述第三电感和所述第五电感串联，所述第三电感的另一端连接所述低噪声放大器的正向信号输入端，所述第五电感的另一端连接所述低噪声放大器的反向信号输入端，所述第三电感和所述第五电感之间连接出一共同接线点，所述共同接线点连接所述电源开关，所述第三电感与所述第四电感互感，所述第五电感与所述第六电感互感。
优选的，所述低噪声放大器由第一电感、第二电感、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第一电容、第二电容构成，所述第三NMOS管、所述第一 NMOS管、所述第一电感、所述第二电感、所述第二NMOS管、所述第四NMOS管依次串联连接，所述低噪声放大器的正向信号输入端连接所述第三NMOS管的源极，所述第三 NMOS管的漏极连接所述第一NMOS管的源极，所述第一NMOS管的漏极连接所述第一电感，所述第一NMOS管的漏极与所述第一电感之间的一共同接线点连接所述低噪声放大器的正向信号输出端，所述第二电感连接所述第二NMOS管的漏极，所述第二电感与所述第二NMOS管的漏极之间的一共同接线点连接所述低噪声放大器的反向信号输出端，所述第二 NMOS管的源极连接所述第四NMOS管的漏极，所述第四NMOS管的源极连接所述低噪声放大器的反向信号输入端，所述第一NMOS管的栅极与所述第二NMOS管的栅极连接，所述第一NMOS管的栅极与所述第二NMOS管的栅极之间连出一共同接线点，所述第三NMOS 管的栅极连接所述第二电容，所述第二电容的另一端连接于所述第四NMOS管的源极与所述低噪声放大器的反向信号输入端之间的导线上，所述第四NMOS管的栅极连接所述第一电容，所述第一电容的另一端连接于所述第三NMOS管的源极与所述低噪声放大器的正向信号输入端之间的导线上。
优选的，所述功率放大器由第五NMOS管、第六NMOS管、第七NMOS管、第八NMOS 管构成，所述第五NMOS管、所述第七NMOS管、所述第八NMOS管、所述第六NMOS 管依次串联连接，所述功率放大器的反向信号输出端连接所述第五NMOS管的漏极，所述第五NMOS管的源极连接所述第七NMOS管的漏极，所述第七NMOS管的源极连接所述第八 NMOS管的源极，所述第七NMOS管的源极与所述第八NMOS管的源极之间连接地线，所述第八NMOS管的漏极连接所述第六NMOS管的源极，所述第六NMOS管的漏极连接所述功率放大器的正向信号输出端，所述第五NMOS管的栅极连接所述第六NMOS管的栅极，所述第五NMOS管的栅极与所述第六NMOS管的栅极之间连出一共同接线点，所述第七 NMOS管的栅极连接所述功率放大器的正向信号输入端，所述第八NMOS管的栅极连接所述功率放大器的反向信号输入端。
为了实现上述目的，本发明采用的第二个技术方案是：一种方案一中CMOS射频前端电路的运行方法，其特征在于：
接收状态下，天线接收空中信号，所述空中信号传输到单端到差分变换器，经过所述单端到差分变换器转换的信号传输到低噪声放大器，经过所述低噪声放大器放大的电信号传输到射频收发机；
发射状态下，所述射频收发机发出信号，所述信号传输到功率放大器，经过所述功率放大器放大的电信号传输到所述单端到差分变换器，经过所述单端到差分变换器转换的信号传输到所述天线，由所述天线发射至空中。
优选的，
电源开关的信号可传输到所述单端到差分变换器，
发射状态下，所述单端到差分变换器接通所述电源开关，给所述功率放大器供电，使所述功率放大器处于导通状态，而所述低噪声放大器处于断开状态；
接收状态下，所述单端到差分变换器断开所述电源开关，使所述低噪声放大器处于导通状态，而所述功率放大器处于断开状态。
为了实现上述目的，本发明采用的第三个技术方案是：提供一种芯片，包含上述的射频前端电路。
为了实现上述目的，本发明采用的第四个技术方案是：提供一种无线通信设备，包含上述的芯片。
本发明的有益效果是：本发明对于功率放大器和低噪声放大器连接方式的设计，让其在保持现有功能的前提下共用同一个单端到差分变换器，极大地减小了芯片面积。本发明将天线开关简化为电源线上的开关，减小了插入损耗，同时保持了天线开关切换发射状态和接收状态的功能。
附图说明
图1是一种传统射频电路示意图；
附图中各部件的标记如下：101-天线、102-单端到差分变换器一、103-低噪声放大器、 104-功率放大器、105-单端到差分变换器二。
图2是另一种传统射频电路示意图；
图3是本发明一种CMOS射频前端电路示意图；
图4是本发明电路设计图；
附图中各部件的标记如下：201-第一电感、202-第二电感、203-第一NMOS管、204-第二NMOS管、205-第三NMOS管、206-第四NMOS管、207-第一电容、208-第二电容、209- 第三电感、210-第四电感、211-第五电感、212-第六电感、213-第五NMOS管、214-第六NMOS 管、215-第七NMOS管、216-第八NMOS管；
VB-功率放大器中第五NMOS管栅极和第六NMOS管栅极共同接线点；
Vb-低噪音放大器中第一NMOS管栅极和第二NMOS管栅极共同接线点；
注：K1表示第三电感和第四电感之间的互感，K2表示第五电感和第六电感之间的互感。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
图3是本发明一种CMOS射频前端电路示意图，如图3所示，本发明一种CMOS射频前端电路由101-天线、102-单端到差分变换器、103-低噪声放大器、104-功率放大器构成，通过特定的连接方式，使得射频前端电路中的功率表放大器和低噪声放大器共用一个单端到差分变换器，其中具体的CMOS射频前端电路构成及连接关系如图4所示。
图4所示的是一种CMOS射频前端电路。该CMOS射频前端电路包括第一电感201、第二电感202、第一NMOS管203、第二NMOS管204、第三NMOS管205、第四NMOS管206、第一电容207、第二电容208、第三电感209、第四电感210、第五电感211、第六电感212、第五NMOS管213、第六NMOS管214、第七NMOS管215、第八NMOS管216。
电源开关由正极端VDD和地线端GND组成，其内置于低噪声放大器中，单端到差分变换器可通过连接电源开关正极端VDD或地线端GND实现与电源开关的连通或断开。
单端到差分变换器一102由第三电感209、第四电感210、第五电感211、第六电感212 构成，第四电感210与第六电感212串联，第四电感210的另一端连接天线101，第六电感212的另一端接地，第三电感209和第五电感211串联，第三电感209的另一端连接低噪声放大器的正向信号输入端，第五电感211的另一端连接低噪声放大器的反向信号输入端，第三电感209和第五电感211之间连接出一共同接线点用于连接电源开关，第三电感209与第四电感210互感，第五电感211与第六电感212互感。
低噪声放大器由第一电感201、第二电感202、第一NMOS管203、第二NMOS管204、第三NMOS管205、第四NMOS管206、第一电容207、第二电容208构成，第三NMOS管205、第一NMOS管203、第一电感201、第二电感202、第二NMOS管204、第四NMOS管206依次串联连接，低噪声放大器103的正向信号输入端连接第三NMOS管205的源极，第三NMOS管 205的漏极连接第一NMOS管203的源极，第一NMOS管203的漏极连接第一电感201，第一 NMOS管203的漏极与第一电感201之间的一共同接线点连接低噪声放大器103的正向信号输出端，第二电感202连接第二NMOS管204的漏极，第二电感202与第二NMOS管204的漏极之间的一共同接线点连接低噪声放大器103的反向信号输出端，第二NMOS管204的源极连接第四NMOS管206的漏极，第四NMOS管206的源极连接低噪声放大器103的反向信号输入端，第一NMOS管203的栅极与第二NMOS管204的栅极连接，两个栅极之间连接出一共同接线点(VB)，第三NMOS管205的栅极连接所述第二电容208，第二电容208的另一端连接第四 NMOS管206的源极与低噪声放大器103的反向信号输入端之间的导线上，第四NMOS管206 的栅极连接第一电容207，第一电容207的另一端连接第三NMOS管的源极与低噪声放大器 103的正向信号输入端之间的导线上。
低噪声放大器103采用了电容交叉耦合的增益倍增结构，低噪声放大器103的正向输入信号(LNA_INP)既通过第三NMOS管205的源极输入，又通过交叉耦合第一电容207输入到第四NMOS管206的栅极，低噪声放大器103的反向输入信号(LNA_INN)既通过第四NMOS管206 的源极输入，又通过交叉耦合第二电容208输入到第三NMOS管205的栅极，通过第三NMOS 管205和第四NMOS管206的栅极和源极同时对低噪声放大器103的输入信号(LNA_INP、LNA_INN)进行放大，实现了增益倍增。经过第三NMOS管205和第四NMOS管206放大的信号流入共栅管第一NMOS管203和第二NMOS管204，最后在第一电感201和第二电感202的选频作用下输出到低噪声放大器103的信号输出端(LNA_OUTP、LNA_OUTN)。
功率放大器104由第五NMOS管213、第六NMOS管214、第七NMOS管215、第八NMOS管216构成，第五NMOS管213、第七NMOS管215、第八NMOS管216、第六NMOS管214依次串联连接，功率放大器104的反向信号输出端连接第五NMOS管213的漏极，第五NMOS管213 的源极连接第七NMOS管215的漏极，第七NMOS管215的源极连接所述第八NMOS管216的源极，两个源极之间连接地线，第八NMOS管216的漏极连接第六NMOS管214的源极，第六 NMOS管214的漏极连接所述功率放大器104的正向信号输出端，第五NMOS管213的栅极连接第六NMOS管214的栅极，两个栅极之间连接出一共同接线点(VB)，第七NMOS管215的栅极连接功率放大器104的正向信号输入端，所述第八NMOS管的栅极连接功率放大器104的反向信号输入端。
功率放大器104采用了共源共栅结构，功率放大器104的输入信号(PA_INN、PA_INP)由共源管(第七NMOS管215和第八NMOS管216)输入，电压信号转换为电流信号，再流入共栅管(第五NMOS管213和第六NMOS管214),单端到差分变换器一102的第三电感209、第五电感211作为功率放大器的负载和第四电感210、第六电感212一起实现了阻抗匹配作用。
这种CMOS射频前端电路可应用于低功率蓝牙芯片级系统(BLESOC)中，也可应用于其它具有电信号收发传输功能的芯片中，进一步应用于蓝牙产品、无线路由器等无线通信设备中，可以减小芯片及相关无线通信设备的体积。
下面以CMOS射频前端电路工作状态时的信号传导为例详细说明CMOS射频前端电路的工作原理。
在发射工作模式下，单端到差分变换器一102通过第三电感209和第五电感211之间的共同接线点连接电源VDD，给功率放大器104供电。第五NMOS管213的栅极与第六NMOS管214的栅极之间的共同接线点(VB)电压不为零，两个NMOS管处于连通状态，功率放大器104的信号输出端(PA_OUTP、PA_OUTN)和功率放大器104的信号输入端(PA_INP、PA_INN)连通，从而功率放大器104与单端到差分变换器一102处于连通状态。同时低噪声放大器103中的第一NMOS管203的栅极和第二NMOS管204的栅极共同接线点(Vb)接GND，Vb电压为零，第一NMOS管203与第二NMOS管204处于断开状态，从而低噪声放大器103的信号输入端 (LNA_INN、LNA_INP)与低噪声放大器103的信号输出端(LNA_OUTN、LNA_OUTP)之间断开。整个电路形成一个发射回路，外部射频收发机的信号经过功率放大器104放大后由天线101发射出去。
在接收工作模式下，单端到差分变换器一102通过第三电感209和第五电感211之间的共同接线点连接电源GND，第五NMOS管213的栅极与第六NMOS管214的栅极之间的共同接线点(VB)连接GND，VB电压为零，第五NMOS管213与第六NMOS管214处于断开状态，功率放大器104的信号输出端(PA_OUTP、PA_OUTN)和功率放大器104的信号输入端(PA_INP、 PA_INN)断开，从而功率放大器104与单端到差分变换器一102处于断开状态。同时低噪声放大器103中的第一NMOS管203的栅极和第二NMOS管204的栅极共同接线点(Vb)电压不为零，第一NMOS管203与第二NMOS管204处于连通状态，从而低噪声放大器103的信号输入端(LNA_INN、LNA_INP)与低噪声放大器103的信号输出端(LNA_OUTN、LNA_OUTP)之间连通。整个电路形成一个接收回路，天线101的信号经过低噪音放大器103放大后传入外部射频收发机。
本发明对功率放大器和低噪声放大器连接方式采用了新的设计，在保持现有功能的前提下二者可以共用同一个单端到差分变换器，极大地减小了芯片面积。本发明还将天线开关简化为电源线上的开关，减小了插入损耗，同时保持了天线开关切换发射状态和接收状态的功能。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种CMOS射频前端电路，其特征在于所述射频前端电路由天线、单端到差分变换器、低噪声放大器、功率放大器以及电源开关组成，所述天线连接所述单端到差分变换器的一端，所述单端到差分变换器的另一端连接所述低噪声放大器的信号输入端，所述低噪声放大器的信号输出端连接外部射频收发机，所述功率放大器的信号输入端连接所述外部射频收发机，所述功率放大器的信号输出端连接所述低噪声放大器的信号输入端，所述电源开关内置于所述低噪声放大器中，所述电源开关与所述单端到差分变换器连通或断开，所述电源开关由正极端VDD和地线端GND组成，其内置于所述低噪声放大器中，所述单端到差分变换器可通过连接所述正极端VDD或所述地线端GND实现与所述电源开关的连通或断开，其中，
所述低噪声放大器的信号输入端包括正向信号输入端和反向信号输入端，所述低噪声放大器的信号输出端包括正向信号输出端和反向信号输出端，所述功率放大器的信号输入端包括正向信号输入端和反向信号输入端，所述功率放大器的信号输出端包括正向信号输出端和反向信号输出端，所述功率放大器的正向信号输出端连接所述低噪声放大器的正向信号输入端，所述功率放大器的反向信号输出端连接所述低噪声放大器的反向信号输入端；
所述低噪声放大器由第一电感、第二电感、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第一电容、第二电容构成，所述低噪声放大器采用电容交叉耦合的增益倍增结构，使得所述低噪声放大器增益倍增，其中，所述第三NMOS管、所述第一NMOS管、所述第一电感、所述第二电感、所述第二NMOS管、所述第四NMOS管依次串联连接，所述低噪声放大器的正向信号输入端连接所述第三NMOS管的源极，所述第三NMOS管的漏极连接所述第一NMOS管的源极，所述第一NMOS管的漏极连接所述第一电感，所述第一NMOS管的漏极与所述第一电感之间的一共同接线点连接所述低噪声放大器的正向信号输出端，所述第二电感连接所述第二NMOS管的漏极，所述第二电感与所述第二NMOS管的漏极之间的一共同接线点连接所述低噪声放大器的反向信号输出端，所述第二NMOS管的源极连接所述第四NMOS管的漏极，所述第四NMOS管的源极连接所述低噪声放大器的反向信号输入端，所述第一NMOS管的栅极与所述第二NMOS管的栅极连接，所述第一NMOS管的栅极与所述第二NMOS管的栅极之间连出一共同接线点，所述第三NMOS管的栅极连接所述第二电容，所述第二电容的另一端连接于所述第四NMOS管的源极与所述低噪声放大器的反向信号输入端之间的导线上，所述第四NMOS管的栅极连接所述第一电容，所述第一电容的另一端连接于所述第三NMOS管的源极与所述低噪声放大器的正向信号输入端之间的导线上；
所述功率放大器由第五NMOS管、第六NMOS管、第七NMOS管、第八NMOS管构成，所述功率放大器采用共源共栅结构，其中，所述功率放大器的反向信号输出端连接所述第五NMOS管的漏极，所述第五NMOS管的源极连接所述第七NMOS管的漏极，所述第七NMOS管的源极连接所述第八NMOS管的源极，所述第七NMOS管的源极与所述第八NMOS管的源极之间连接地线，所述第八NMOS管的漏极连接所述第六NMOS管的源极，所述第六NMOS管的漏极连接所述功率放大器的正向信号输出端，所述第五NMOS管的栅极连接所述第六NMOS管的栅极，所述第五NMOS管的栅极与所述第六NMOS管的栅极之间连出一共同接线点，所述第七NMOS管的栅极连接所述功率放大器的正向信号输入端，所述第八NMOS管的栅极连接所述功率放大器的反向信号输入端。
2.如权利要求1所述的CMOS射频前端电路，其特征在于所述单端到差分变换器由第三电感、第四电感、第五电感、第六电感构成，所述第四电感与所述第六电感串联，所述第四电感的另一端连接所述天线，所述第六电感的另一端接地，所述第三电感和所述第五电感串联，所述第三电感的另一端连接所述低噪声放大器的正向信号输入端，所述第五电感的另一端连接所述低噪声放大器的反向信号输入端，所述第三电感和所述第五电感之间连接出一共同接线点，所述共同接线点连接所述电源开关，所述第三电感与所述第四电感互感，所述第五电感与所述第六电感互感，所述第三电感、所述第五电感作为所述功率放大器的负载和所述第四电感、所述第六电感进行阻抗匹配。
3.一种如权利要求1所述CMOS射频前端电路的运行方法，其特征在于：接收状态下，天线接收空中信号，所述空中信号传输到单端到差分变换器，经过所述单端到差分变换器转换的信号传输到低噪声放大器，经过所述低噪声放大器放大的电信号传输到射频收发机；发射状态下，所述射频收发机发出信号，所述信号传输到功率放大器，经过所述功率放大器放大的电信号传输到所述单端到差分变换器，经过所述单端到差分变换器转换的信号传输到所述天线，由所述天线发射至空中电源开关的信号可传输到所述单端到差分变换器，发射状态下，所述单端到差分变换器接通所述电源开关，给所述功率放大器供电，使所述功率放大器处于导通状态，而所述低噪声放大器处于断开状态；接收状态下，所述单端到差分变换器断开所述电源开关，使所述低噪声放大器处于导通状态，而所述功率放大器处于断开状态。
4.一种芯片，其特征在于包含如权利要求1至2任一项所述CMOS射频前端电路。
5.一种无线通信设备，其特征在于包含如权利要求4所述芯片。
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