CN110995297A - 一种无声表面波滤波器的低功耗接收机 - Google Patents

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刘泽学
姜皓云
朱敏
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Abstract

本发明公开了一种无声表面波滤波器的低功耗接收机，其包括有N通道滤波器、跨导放大器、混频器以及跨阻放大电路，所述N通道滤波器、跨导放大器、混频器以及跨阻放大电路依次相连，所述N通道滤波器其前端设置有电感和电容构成的输入匹配；本方案中的接收机其通过将N通道滤波器置于低噪声放大器之前，可以避免在信号进入低噪声放大器之前进行射频滤波并且避免低噪声放大器所引入的线性度恶化。此外，N通道滤波器中的开关尺寸可以较小，可以避免开关阻抗所引入的带外阻塞抑制能力恶化并且可以降低本振信号缓冲器的功耗。

Description

一种无声表面波滤波器的低功耗接收机
技术领域
本发明涉及射频集成电路技术领域，具体涉及一种无声表面波滤波器的低功耗接收机。
背景技术
随着物联网和各种通信标准(如蜂窝网络，Wi-Fi和蓝牙)的快速发展，越来越多的无线通信系统需要集成到一个现代智能终端上。这些通信系统面临的主要挑战是严格的功耗开销和低成本的需求，一种主要的手段是避免使用昂贵的片外声表面波滤波器，以节省成本和系统体积。但是，如果没有提供足够射频滤波能力的声表面波滤波器，这些无声表面波滤波器的接收机很难在较大的带外阻塞下正常工作，并使不同的通信系统共存于同一个芯片。
为此，提高接收机的带外线性度是很重要的，尤其1dB压缩点和带外输入三阶交调点性能。对于功耗预算非常紧张的短距离通信，线性度的要求更具挑战性。参见附图1、附图2以及附图3所示，为现有的几种常见的接收机结构，已经有许多针对低功耗或高带外线性度的接收机的研究，但它们都有局限性，仍然有很大的空间可以同时改进这两个性能。利用电流复用技术和低电源电压技术可以降低功耗，然而噪声和线性性能通常会受到影响。基于前馈或反馈环路的自干扰消除技术将在噪声，功耗，带宽和自干扰消除之间进行权衡。基于模块堆叠技术和变压器的低噪声放大器可以同时实现低功耗和高带外线性，但三阶交调性能仍然较低。
N通道滤波器是实现片上射频滤波的有效解决方案，它可以滤除带外阻塞并减轻后续电路的线性要求。然而，由于开关电阻的存在，最终的带外抑制能力受到限制，这将限制接收器的带外线性性能。降低开关电阻有助于保持接收机的带外抑制能力，但是由于开关尺寸的增加寄生电容也相应增加，这种方法的代价是增大了本地振荡器缓冲器功耗，并且最终的带外抑制仍然几乎不能超过20dB。使用具有回转器的耦合式N通道滤波器也可以提高接收机的带外抑制能力，但直流功耗对于低功率短距离通信而言过高。
综上，需要一种高带外线性度和高带外阻塞抑制能力的无声表面波滤波器的低功耗接收机。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种无声表面波滤波器的低功耗接收机，该接收机其可以避免在信号进入低噪声放大器之前进行射频滤波并且避免低噪声放大器所引入的线性度恶化。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种无声表面波滤波器的低功耗接收机，所述接收机包括有N通道滤波器、跨导放大器、混频器以及跨阻放大电路，所述N通道滤波器、跨导放大器、混频器以及跨阻放大电路依次相连，所述N通道滤波器其前端设置有电感和电容构成的输入匹配，所述N通道滤波器包括有输入端和输出端以及并联在所述输入端和输出端之间的N路开关连接单元，每一路所述开关单元包括有一对串联连接的开关，其中N为≥1的正整数。
进一步，所述N通道滤波器其输出端串联连接有N组开关电容结构，以便进行射频滤波。
进一步，所述N通道滤波器中的开关MOS管的栅端由25％占空比的本振时钟信号进行控制。
进一步，所述开关MOS管的尺寸为40um/40nm。
进一步，所述N通道滤波器其上电感为一个五圈的对称电感结构。
与现有技术相比，本方案具有的有益技术效果为：
1、接收功耗低：相比于传统无声表面波滤波器的接收机，N通道滤波器放置于低噪声放大器之前，无需足够小的开关阻抗就可以保证接收机的线性度，进而可以避免本振信号缓冲器的功耗开销；
2、带外线性度高、带外阻塞抑制能力强：所提出的接收机拓扑结构中，先对信号进行射频滤波再经过低噪声放大器进行放大，带外的信号阻塞得到了有效的抑制。所使用的LC匹配的N通道滤波器还可以提供一定的增益，对提高接收机的噪声性能大有助益；
3、成本低：取消了片外无声表面波滤波器的存在，大大的降低了接收机系统成本；
4、多协议兼容性强：优异的带外阻塞抑制能力和接收机线性度，提高了多个通信协议之间的干扰抑制能力。
附图说明
图1为传统的使用声表面波滤波器的接收机结构示意图。
图2为传统的N通道滤波器置于低噪声放大器之前的接收机结构示意图。
图3为传统的N通道滤波器置于低噪声放大器之后的接收机结构示意图。
图4为本实施例中的基于LC匹配的串联N通道滤波器的接收机结构示意图。
图5为本实施例中所使用的LC匹配的串联N通道滤波器结构示意图。
图6为传统的N通道滤波器结构示意图。
图7为传统的N通道滤波器简单模型结构示意图。
图8为本实施例中的所使用的LC匹配的串联N通道滤波器的简单模型结构示意图。
图9为本实施例中的接收机结构的带外阻塞抑制能力的仿真结果图。
图10为本实施例中的接收机系统的连接方式示意图。
图11为本实施例中的接收机中的跨导放大器和混频器电路结构图。
图12为本实施例中的接收机中的跨阻放大器的电路结构图。
图13为本实施例中的接收机的双边带噪声系数和电压增益仿真结果图。
图14为本实施例中的接收机的S参数仿真结果图。
图15为本实施例中的接收机的工艺角仿真结果图。
图16为本实施例中的接收机的蒙特卡洛仿真结果图。
图17为本实施例中的接收机在最大增益时的带外三阶交调点仿真结果图。
具体实施方式
下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
本方案是针对现有的接收机其带外线性性能和带外抑制能力都存在局限，进而提出的一种无声表面波滤波器的低功耗接收机，该接收机其可以避免在信号进入低噪声放大器之前进行射频滤波并且避免低噪声放大器所引入的线性度恶化。
参见附图4和5以及图11至12所示，本实施例中的无声表面波滤波器的低功耗接收机，其包括有N通道滤波器、跨导放大器、混频器以及跨阻放大电路，N通道滤波器、跨导放大器、混频器以及跨阻放大电路依次相连，N通道滤波器其前端设置有电感和电容构成的输入匹配，N通道滤波器包括有输入端和输出端以及并联在输入端和输出端之间的N路开关连接单元，每一路开关单元包括有一对串联连接的开关，其中N为≥1的正整数。在使用的接收机结构中，N通道滤波器置于低噪声放大器之前，可以避免在信号进入低噪声放大器之前进行射频滤波并且避免低噪声放大器所引入的线性度恶化。此外，N通道滤波器中的开关尺寸可以较小，可以避免开关阻抗所引入的带外阻塞抑制能力恶化并且可以降低本振信号缓冲器的功耗。所使用的LC匹配的N通道滤波器可以提供较高的带外阻塞抑制性、适当的增益和足够的带外滤波，进而可以改善接收机的噪声系数和线性度。跨导放大器，电流模式无源混频器和跨阻抗放大器依次连接于所提出的滤波器，确保带外阻塞的电压增益足够小。结合参照附图6至9所示，该接收机拓扑结构可以实现优异的带外线性度，带外阻塞抑制能力强和低功耗。
参照附图10所示，本实施例中的接收机由LC匹配的串联N通道滤波器，跨导放大器、混频器和跨阻放大器电路组成。N通道滤波器使用了电感电容进行输入匹配，之后串联接入N组开关电容结构进行射频滤波。开关MOS管的栅端由25％占空比的本振时钟信号进行控制，先下混频至较低频率再上混频至原射频频率下，从而进行高品质因子的射频滤波。在LC匹配的串联N通道滤波器中还定制了一个五圈的对称电感。
结合参照附图13至17所示，电磁(EM)仿真表明，电感为3.5nH，品质因子在2.4GHz时为12.0。LC匹配串联N路滤波器中的开关晶体管的尺寸为40μm/40nm，电容设置为60pF。外部差分时钟通过2分频电路和与非逻辑门产生25％占空比的LO1-LO4信号。
综上所述，本方案中的接收机其通过将N通道滤波器置于低噪声放大器之前，可以避免在信号进入低噪声放大器之前进行射频滤波并且避免低噪声放大器所引入的线性度恶化。此外，N通道滤波器中的开关尺寸可以较小，可以避免开关阻抗所引入的带外阻塞抑制能力恶化并且可以降低本振信号缓冲器的功耗。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种无声表面波滤波器的低功耗接收机，其特征在于：所述接收机包括有N通道滤波器、跨导放大器、混频器以及跨阻放大电路，所述N通道滤波器、跨导放大器、混频器以及跨阻放大电路依次相连，所述N通道滤波器其前端设置有电感和电容构成的输入匹配，所述N通道滤波器包括有输入端和输出端以及并联在所述输入端和输出端之间的N路开关连接单元，每一路所述开关单元包括有一对串联连接的开关，其中N为≥1的正整数。
2.根据权利要求1所述的一种无声表面波滤波器的低功耗接收机，其特征在于：所述N通道滤波器其输出端串联连接有N组开关电容结构，以便进行射频滤波。
3.根据权利要求1或2所述的一种无声表面波滤波器的低功耗接收机，其特征在于：所述N通道滤波器中的开关MOS管的栅端由25％占空比的本振时钟信号进行控制。
4.根据权利要求3所述的一种无声表面波滤波器的低功耗接收机，其特征在于：所述开关MOS管的尺寸为40um/40nm。
5.根据权利要求1所述的一种无声表面波滤波器的低功耗接收机，其特征在于：所述N通道滤波器其上电感为一个五圈的对称电感结构。
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