CN110943751B - 一种射频前端电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种射频前端电路，包括发射机电路、接收机电路、匹配电路和第一电感L1。发射机电路和接收机电路共用电感L1和匹配电路，在发射模式下，信号依次经过发射机电路、电感L1和匹配电路发送给片外电路，接收机模块断路；在接收模式下，信号依次经过匹配电路、第一电感L1和接收机电路，完成信号的接收，发射机电路断路。本发明通过内部开关实现片外天线开关的功能，节省了片外天线开关的使用，通过内部电感L1的共享节省了芯片的面积，接收机电路的主通路上没有开关，本发明对接收机电路的噪声系数影响很小。

Description

一种射频前端电路

技术领域

本发明属于射频集成电路领域，具体涉及一种射频前端电路。

背景技术

随着物联网(IoT)需求的日益增长，NB-IoT(窄带物联网)技术已成为万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180kHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。很多企业预计未来全球物联网连接数将是千亿级的时代。已经出现了大量物与物的联接，这些联接大多通过蓝牙、Wi-Fi和Zigbee等短距通信技术承载。然而NB-IoT的应用范围与这些短距离通信技术的应用范围有很多重叠。在短距离物联网通信技术千亿级市场竞争中，如何使NB-IoT技术迅速抢占更多的市场份额，低成本芯片设计是关键因素之一。

NB-IoT芯片与其它通信芯片类似都有射频模块和基带模块。射频模块分为接收机和发射机。接收机通过天线接收到的射频有用信号是在空气中衰减后的包含噪声的微弱模拟信号。在被解码成1和0的比特流之前，必须将射频信号转换成低频的模拟信号，然后通过低频的滤波器来进行通道选择和镜像抑制，最后经过基带解调后信号被转换成1和0的比特流。发射机处理有用信号的过程是接收机的逆过程，其作用是把基带产生的低频调制信号高质量的搬移到载频上，由天线传输出去。首先将基带编码的1和0的比特流转换成低频的模拟信号，然后通过低通滤波器滤除时钟干扰，最后通过混频器或者其它方式把低频信号搬移到射频频段，经过功率放大器发射出去。

目前NB-IoT射频芯片的方案中接收和发射是两个独立的通道，两个通道最后通过片外天线开关选择接收通道导通或发射通道导通，如图1所示。射频芯片片外需要许多元器件，如接收机的匹配网络、天线开关、发射机的匹配网络等。

目前使用的射频芯片片外需要如此多的元器件，这将导致印刷电路板 (PCB)面积和成本的增加。射频芯片内部接收机和发射机电感使用过多，面积较大。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种射频前端电路，节省了片外的天线开关，并将匹配电路等集成到芯片内部，并且片内的接收机电路和发射机电路可以共用匹配电路和电感。

本发明的技术方案如下：

一种射频前端电路，包括发射机电路和接收机电路，其特征在于：还包括匹配电路和第一电感L1，所述的发射机电路和接收机电路共用电感和匹配电路，在发射模式下，信号依次经过发射机电路、第一电感L1和匹配电路发送给片外电路，接收机模块断路；在接收模式下，信号依次经过匹配电路、第一电感L1和接收机电路，完成信号的接收，发射机电路断路。

优选的，匹配电路包括第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和第一开关S12，第一电容C1的一端作为匹配电路的一端连接到第一电感L1的一端，第一电容C1的另一端分别连接第二电容C2的一端和第一开关S12的一端并作为匹配电路的另一端连接到片外电路；第二电容C2的另一端接地；第一开关 S12的另一端连接第三电容C3的一端，第三电容C3的另一端接地。

优选的，发射机电路包括DCDC变换器、第一三端开关、第二三端开关、第三三端开关、第一电阻R1、第三电阻R3、第四电阻R4、PMOS管PM2、第三 NMOS管NM3、第四NMOS管NM4和第五电容C5；所述DCDC变换器的输入端作为发射机电路的第一输入端，所述DCDC变换器的输出端连接第一三端开关的有源端和PMOS管PM2的源极，PMOS管PM2的栅极连接第一电阻R1的一端，第一电阻R1的另一端连接第一三端开关的公共端；第一三端开关的无源端接地；PMOS管PM2的漏极连接第一电感L1的另一端；

第三NMOS管NM3的漏极连接第一电感L1的一端，第三NMOS管NM3的栅极连接第三电阻R3的一端，第三NMOS管NM3的源极连接第四NMOS管NM4的漏极；第三电阻R3的另一端连接第二三端开关的公共端，第二三端开关的有源端连接电源，第二三端开关的无源端接地；第四NMOS管NM4的栅极连接第四电阻R4的一端和第五电容C5的一端，第五电容C5的另一端作为发射机电路的第二输入端；第四电阻R4的另一端连接第三三端开关的公共端，第三三端开关的有源端连接偏置电压PA_bias，第三三端开关的无源端和第四NMOS 管NM4的源极接地。

优选的，接收机电路包括第二电感L2、第二电阻R2、第五电阻R5、第四电容C4、第六电容C6、第二开关S5、第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2、第四三端开关和第五三端开关；

第二电感L2的一端和第四三端开关的有源端连接电源，第二电感L2的另一端连接第二NMOS管NM2的漏极并作为接收机电路的输出端；第二NMOS管 NM2的栅极连接第二电阻R2的一端，第二NMOS管NM2的源极连接第一NMOS 管NM1漏极；第二电阻R2的另一端连接第四三端开关的公共端，第四三端开关的无源端接地；第一NMOS管NM1的栅极分别连接第四电容C4的一端、第五电阻R5的一端和第六电容C6的一端；第六电容C6的另一端作为接收机电路的输入端；第五电阻R5的另一端连接第五三端开关的公共端，第五三端开关的有源端连接偏置电压LNA_bias，第五三端开关的无源端接地；第四电容C4 的另一端连接第二开关S5的一端，第二开关S5的另一端接地。

优选的，所述的第一三端开关、第二三端开关、第三三端开关、第四三端开关或第五三端开关也可以分别由两个两端口开关组成，所述两个两端口开关的一端互相连接作为三端开关的公共端，所述两个两端口开关的其他端分别作为三端开关的有源端和无源端。

优选的，所述的发射机电路的第一输入端输入的是幅度信息，所述的发射机电路的第二输入端输入的是相位信息，所述相位信息和所述幅度信息通过电流合在一起，通过片外天线发射出去。

优选的，在发射模式下，第一电感L1作为发射机电路的负载；在接收模式下，第一电感L1与匹配电路起到匹配接收机电路输入阻抗的作用。

优选的，在发射模式下，第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2处于关断状态，接收机电路断路。

优选的，在接收模式下，PMOS管PM2、第三NMOS管NM3和第四NMOS管 NM4处于关断状态，发射机电路断路。

本发明优点：

1)通过内部开关实现片外天线开关的功能，节省了片外天线开关的使用。

2)通过内部电感L1的共享节省了芯片的面积，电感L1在发射模式下为发射机电路的负载，在接收模式下为接收机匹配电路的一部分，因此芯片面积得到节省。

3)接收机电路的主通路上没有开关，本发明对接收机电路的噪声系数影响很小。芯片内部集成匹配电路，节省了片外元器件使用的数量。

附图说明

图1为目前射频前端方案；

图2为本方案射频前端电路；

图3为发射模式下本发明电路原理图；

图4为接收模式下本发明电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的解释说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出的前端射频电路如图2所示，结合图2对本发明进行详细说明。图2包括了本发明的射频前端电路和片外电路，片外电路只用于解释本发明的工作原理，不属于本发明保护范围的一部分。

片外的天线连接片外电容C7的一端，C7的另外一端通过Bonding wire (半导体键合金线)接入芯片内部(即本发明的射频前端电路)。

本发明的射频前端电路包括发射机电路、接收机电路、匹配电路和第一电感L1。

匹配电路包括第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和第一开关S12；发射机电路包括DCDC变换器、第一三端开关、第二三端开关、第三三端开关、第一电阻R1、第三电阻R3、第四电阻R4、PMOS管PM2、第三NMOS管 NM3、第四NMOS管NM4和第五电容C5；接收机电路包括第二电感L2、第二电阻R2、第五电阻R5、第四电容C4、第六电容C6、第二开关S5、第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2、第四三端开关和第五三端开关；

本发明中的三端开关，可以是独立的三端开关，也可以是由两个两端开关组成的三端开关，其中两端开关的一端互相连接作为三端开关的公共端，两个两端口开关的其他端分别作为三端开关的有源端和无源端。本实施例中用的是由两个两端开关组成的三端开关，例如第一三端开关是由开关S1和开关S2组成，S1的一端和S2的一端连接，作为第一三端开关的公共端，S1的另一端作为第一三端开关的有源端，S2的另一端作为第一三端开关的无源端。其余三端开关的结构在本实施例中同第一三端开关一样。

发射机电路采用极性发射方式，电容C5的一端作为发射机电路的一个输入端，相位信息Phase_IN通过电容C5输入到NMOS管NM4的栅极，同时 NM4的栅极经过电阻R4后，通过开关S10或S11选择连接到功放偏置电压 PA_bias或者地。NM4的源极接地，NM4的漏极连接NM3的源极。NM3的栅极通过电阻R3后，再通过开关S8或S9选择连接电源或者地。NM3的漏极连接由C1的一端负载电感L1的一端。电感L1的另外一端连接PM2的漏极和电容C6的一端。PM2的源极连接DCDC转换器的输出端，即发射的幅度信息通过DCDC转换器控制PM2的源极。PM2的栅极通过R1后，再通过开关S1或 S2选择连接DCDC的输出端或地。电容C6的另外一端连接NM1的栅极，同时NM1的栅极通过R5后，再通过开关S6或S7选择连接接收机电路偏置电压 LNA_bias或地。电容C4连接NM1的栅极，另一端连接地。NM1的源极接地，NM1的漏极连接NM2的源极，NM2的栅极通过R2后，再通过开关S3 或S4选择连接电源或地。NM2的漏极作为发射机电路的输出端，同时NM2 的漏极连接电感L2的一端，电感L2的另外一端连接电源。电容C1的另一端分别连接C2的一端和开关S12)一端并作为匹配电路的另一端连接到片外的Bonding wire；C2的另一端接地；S12的另一端连接C3的一端，C3的另一端接地。

本发明的工作原理如下：

在发射模式下，开关S1、S3、S5、S6、S9、S11和S12断开，开关S2、S4、S7、S8和S10闭合，如图3所示。此时电感L1为发射机电路的负载，发射机电路的电流(PA Current)通过PM2由DCDC转换器提供，电流经PM2 通过电感L1流向NM3和NM4。相位信息和幅度信息通过电流合在一起，通过天线发射出去。在没有匹配电路的情况下，发射机电路的阻抗在SMITH圆图中的感性区域，通过片内匹配电路，串联C1和并联C2将发射机电路的阻抗移动到SMITH圆图中的中心区域。发射模式下接收机电路中的NM1和NM2 处于关断状态。接收机电路的阻抗可以等效为一个小电容和一个大电阻的并联 R_RL‖jωC_RL，其阻抗很大，可以看作接收机电路断路。PM2作为天线开关的一部分，它的尺寸由两个因素决定。1)导通电阻。大的通电阻导致大的电压降，从而降低了发射机电路的效率。2)电流密度。PM2的尺寸应该大，以适应大的发射机电路电流。3)接收机噪声系数，尺寸过大会影响接收机阻抗，从而增加接收机的噪声系数。因此PM2的尺寸应该合理取值。

在接收模式下，开关S1、S3、S5、S6、S9、S11和S12闭合，开关S2、 S4、S7、S8和S10断开，如图4所示。此时发射机电路中的MOS管NM3、 NM4、PM2处于关断状态。从图4中A点看到的发射机电路的阻抗可以等效为一个小电容和一个大电阻的并联R_TL1‖jωC_TL1，其阻抗很大，可以看作断路。从B点看到的PM2的关断阻抗，由于其尺寸较大，可以等效成一个电容 C_PM2。C_PM2为接收机阻抗的一部分。在未加接收机匹配的情况下，从电感L1 的输入端看到的接收机阻抗在SMITH圆图中的感性区域，通过匹配电路中的 C1、C2和C3可以将接收机电路的输入阻抗移动到SMITH圆图的中心区域，从而完成接收机匹配。

本发明的实时方式不限于此，凡是在本发明的构思下，对发射机电路或接收机电路所做的调整或等同替换，都落入本发明的保护范围。

以上仅为说明本发明的实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种射频前端电路，包括发射机电路和接收机电路，其特征在于：还包括匹配电路和第一电感(L₁)，所述的发射机电路和接收机电路共用第一电感(L₁)和匹配电路，在发射模式下，信号依次经过发射机电路、第一电感(L₁)和匹配电路后发送给片外电路，接收机模块断路；在接收模式下，信号依次经过匹配电路、第一电感(L₁)和接收机电路，完成信号的接收，发射机电路断路；

所述的发射机电路包括DCDC变换器、第一三端开关、第二三端开关、第三三端开关、第一电阻(R₁)、第三电阻(R₃)、第四电阻(R₄)、PMOS管(PM₂)、第三NMOS管(NM₃)、第四NMOS管(NM₄)和第五电容(C₅)；所述DCDC变换器的输入端作为发射机电路的第一输入端，所述DCDC变换器的输出端连接第一三端开关的有源端和PMOS管(PM₂)的源极，PMOS管(PM₂)的栅极连接第一电阻(R₁)的一端，第一电阻(R₁)的另一端连接第一三端开关的公共端；第一三端开关的无源端接地；PMOS管(PM₂)的漏极连接第一电感(L₁)的另一端；

第三NMOS管(NM₃)的漏极连接第一电感(L₁)的一端，第三NMOS管(NM₃)的栅极连接第三电阻(R₃)的一端，第三NMOS管(NM₃)的源极连接第四NMOS管(NM₄)的漏极；第三电阻(R₃)的另一端连接第二三端开关的公共端，第二三端开关的有源端连接电源，第二三端开关的无源端接地；第四NMOS管(NM₄)的栅极连接第四电阻(R₄)的一端和第五电容(C₅)的一端，第五电容(C₅)的另一端作为发射机电路的第二输入端；第四电阻(R₄)的另一端连接第三三端开关的公共端，第三三端开关的有源端连接偏置电压PA_bias，第三三端开关的无源端和第四NMOS管(NM₄)的源极接地；

所述的发射机电路的第一输入端输入的是幅度信息，所述的发射机电路的第二输入端输入的是相位信息，所述相位信息和所述幅度信息通过电流合在一起，通过片外天线发射出去。

2.根据权利要求1所述的射频前端电路，其特征在于：所述的匹配电路包括第一电容(C₁)、第二电容(C₂)、第三电容(C₃)和第一开关(S₁₂)，第一电容(C₁)的一端作为匹配电路的一端连接到第一电感(L₁)的一端，第一电容(C₁)的另一端分别连接第二电容(C₂)的一端和第一开关(S₁₂)的一端并作为匹配电路的另一端连接到片外电路；第二电容(C₂)的另一端接地；第一开关(S₁₂)的另一端连接第三电容(C₃)的一端，第三电容(C₃)的另一端接地。

3.根据权利要求1所述的射频前端电路，其特征在于：所述的接收机电路包括第二电感(L₂)、第二电阻(R₂)、第五电阻(R₅)、第四电容(C₄)、第六电容(C₆)、第二开关(S₅)、第一NMOS管(NM₁)、第二NMOS管(NM₂)、第四三端开关和第五三端开关；

第二电感(L₂)的一端和第四三端开关的有源端连接电源，第二电感(L₂)的另一端连接第二NMOS管(NM₂)的漏极并作为接收机电路的输出端；第二NMOS管(NM₂)的栅极连接第二电阻(R₂)的一端，第二NMOS管(NM₂)的源极连接第一NMOS管(NM₁)漏极；第二电阻(R₂)的另一端连接第四三端开关的公共端，第四三端开关的无源端接地；第一NMOS管(NM₁)的栅极分别连接第四电容(C₄)的一端、第五电阻(R₅)的一端和第六电容(C₆)的一端；第六电容(C₆)的另一端作为接收机电路的输入端；第五电阻(R₅)的另一端连接第五三端开关的公共端，第五三端开关的有源端连接偏置电压LNA_bias，第五三端开关的无源端接地；第四电容(C₄)的另一端连接第二开关(S₅)的一端，第二开关(S₅)的另一端接地。

4.根据权利要求1所述的射频前端电路，其特征在于：所述的第一三端开关或第二三端开关或第三三端开关也可以分别由两个两端口开关组成，所述两个两端口开关的一端互相连接作为三端开关的公共端，所述两个两端口开关的其他端分别作为三端开关的有源端和无源端。

5.根据权利要求3所述的射频前端电路，其特征在于：所述的第四三端开关或第五三端开关也可以分别由两个两端口开关组成，两个两端口开关的一端互相连接作为三端开关的公共端，两个两端口开关的其他端分别作为三端开关的有源端和无源端。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的射频前端电路，其特征在于：在发射模式下，第一电感(L₁)作为发射机电路的负载；在接收模式下，第一电感(L₁)与匹配电路起到匹配接收机电路输入阻抗的作用。

7.根据权利要求6所述的射频前端电路，其特征在于：在发射模式下，第一NMOS管(NM₁)、第二NMOS管(NM₂)处于关断状态，接收机电路断路。

8.根据权利要求6所述的射频前端电路，其特征在于：在接收模式下，PMOS管(PM₂)、第三NMOS管(NM₃)和第四NMOS管(NM₄)处于关断状态，发射机电路断路。

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