CN111130577A - 一种用于射频收发芯片的抗干扰接收机电路 - Google Patents

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Abstract

本发明属于射频集成电路技术中接收机电路结构设计技术领域，涉及一种用于射频收发芯片的抗干扰接收机电路。该电路包括由一个低噪声跨导放大器，一个无源混频器，和具有相同电路结构的两路正交跨阻放大器I路与Q路组成的接收机信号主通路和由正交I路和Q路两个全差分回转器，四个阻值相同的电阻，四个容值相同的电容和两个差分跨导放大器组成的干扰信号能量收集器。本发明可以有效消除离有用信号频率很近的干扰信号，同时不会对有用信号造成额外衰减，而保证了接收机的灵敏度，提高了接收机的线性度与动态范围。本电路结构紧凑，实现方式简单，可全部集成到一颗射频收发芯片内，不需要片外晶体滤波器，便于调试与设计，有利于降低接收机成本。

Description

一种用于射频收发芯片的抗干扰接收机电路
技术领域
本发明属于射频集成电路技术中接收机电路结构设计技术领域，具体涉及一种可抗干扰的射频接收机电路。
背景技术
无线通信技术在近些年来得到了快速发展，第五代移动通信(5G)对无线通信芯片，尤其是射频收发芯片的性能提出了很高的要求。随着无线通信对频谱资源的利用率逐渐提高，无线收发机所处的电磁环境也日益复杂，高功率的干扰信号往往与通信所需的有用信号共存。为了保证信号质量，射频芯片的无线接收机必须具有很高的动态范围，能够在接收微弱的有用信号的同时，抵抗临近信道高功率无用信号的干扰。对于载波频率固定的无线通信方式，往往使用品质因数很高的声表面波(SAW)滤波器滤除干扰信号。但这种声表面波滤波器频率响应固定，无法满足5G通信中载波频率宽带可调的要求。除此之外，声表面波滤波器体积庞大，很难满足5G通信中高集成度的要求。
已有的可集成的射频接收机抗干扰技术直接在射频频率对临近信号的强干扰信号进行陷波滤波。图1描述了采用这种抗干扰技术的接收机实施电路，包括一个如虚框所示的陷波滤波器，一个低噪声放大器，一个无源混频器，和两路正交的I路与Q路跨阻放大器，其连接关系为：射频信号RFin连接陷波滤波器的输入，陷波滤波器的输出连接低噪声跨导放大器的输入，低噪声跨导放大器的输出连接无源混频器的输入，无源混频器的时钟输入端连接时钟信号LO，无源混频器输出的两路正交差分信号分别连接I路和Q路跨阻放大器的差分输入端，两路跨阻放大器的输入信号VBBIP，VBBIN，VBBQP，VBBQN为基带正交差分模拟输出信号。其中一种可集成的陷波滤波器电路，发表于IEEEJSSC(固态电路学报)，Vol.48, No.6,pp.1370-1382,2013,Tunable N-Path Notch Filter for Blocker Suppression:Modeling and Verification，提出了一种N-通道陷波滤波器，可以有效地滤除射频干扰信号。这种N-通道滤波器主要包括一个由N相非交叠时钟信号CLK驱动的无源混频器，优点是可以通过调节时钟频率来调节滤波器的中心频率，进而达到载波频率宽带可调的要求。这类抗干扰技术的不足之处在于，陷波滤波过程发生在低噪声放大器之前，对临近频率的有用信号也造成了衰减，这样便降低了接收机的灵敏度，不利于提高接收机的整体动态范围。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种用于射频收发芯片的抗干扰接收机电路，本发明的可集成射频接收机电路既能提高有用信号的灵敏度，又可以抑制临近信道干扰信号，同时实现载波频率宽带可调。
本发明提出的一种用于射频收发芯片的抗干扰接收机电路，其特征在于，主要包括接收机信号主通路和干扰信号能量收集器两部分；所述接收机信号主通路由一个低噪声跨导放大器，一个无源混频器，和具有完全相同电路结构的两路正交跨阻放大器I路与Q路组成；其中：所述低噪声跨导放大器的输入端连接射频输入信号RFin，它的输出端连接无源混频器的信号输入端；无源混频器的时钟输入端连接四相非交叠时钟信号LO，它的信号输出端分别连接正交I路与正交Q路跨阻放大器的差分输入端；正交I路跨阻放大器输出模拟基带I路差分信号VBBIP和VBBIN，正交Q路跨阻放大器输出模拟基带Q路差分信号 VBBQP和VBBQN；
所述干扰信号能量收集器包括正交I路和Q路两个全差分回转器，四个阻值均为R1的电阻，四个容值均为C1的电容和两个差分跨导放大器，其中：接收机信号主通路中无源混频器的正交I路与正交Q路两路差分信号分别连接正交I路和Q路回转器的差分输入端；四个阻值为R1的电阻一端分别连接到两个回转器的差分输出端，另一端连接到地；四个容值为C1的电容一端分别连接到两个回转器的差分输出端，另一端连接到地；一个跨导放大器的输入同相端与反相端分别连接正交I路回转器输出反相端与同相端，该跨导放大器的输出同相端与反相端分别连接正交Q路回转器的输出反相端与同相端；另一个跨导放大器的输入同相端与反相端分别连接正交Q路回转器的输出同相端与反相端，该跨导放大器的输出同相端与反相端分别连接正交I路回转器的输出反相端与同相端。
本发明的特点及有益效果：
(1)可以有效地消除离有用信号频率很近的干扰信号，同时不会对有用信号造成额外衰减，从而保证了接收机的灵敏度，提高了接收机的线性度与动态范围。
(2)不需要使用面积庞大的片上电感或者片外晶体滤波器，可全部集成到一颗射频收发芯片内，有利于降低接收机成本。
(3)电路结构紧凑，实现方式简单，便于调试与设计。
(4)适用于宽带和多模接收机系统集成，可在5G以及未来通信系统中广泛应用。
附图说明
图1是一种已知的利用射频陷波滤波器的抗干扰接收机电路结构图；
图2是本发明提出的一种用于射频收发芯片的抗干扰接收机电路结构图；
图3是一个公知的低噪声跨导放大器的电路图；
图4(a)是一个公知的无源混频器的电路图，图4(b)是驱动无源混频器的四相非交叠时钟波形示意图；
图5是一个公知的回转器的电路图；
图6是一个公知的跨阻放大器的电路图；
图7是利用本发明电路实现的一个具有宽带阻抗匹配功能的接收机电路图。
具体实施方式
本发明提出的一种用于射频收发芯片的抗干扰接收机电路，下面结合附图及实施例详细说明如下：
本发明的电路结构图如图2所示，主要包括两部分：(I)接收机信号主通路，如图2中虚框I所示；(II)干扰信号能量收集器，如图虚框II所示。
接收机信号主通路由一个低噪声跨导放大器，一个无源混频器，和具有完全相同电路结构的两路正交跨阻放大器I路与Q路组成；接收机主通路的连接关系为：低噪声跨导放大器的输入端连接射频输入信号RFin，它的输出端连接无源混频器的信号输入端；无源混频器的时钟输入端连接四相非交叠时钟信号LO，它的信号输出端输出正交I和Q两路差分信号，分别连接正交I路与正交Q路跨阻放大器的差分输入端；正交I路跨阻放大器输出模拟基带I路差分信号VBBIP和VBBIN，正交Q路跨阻放大器输出模拟基带Q路差分信号 VBBQP和VBBQN。
干扰信号能量收集器包括正交I路和Q路两个全差分回转器，四个阻值为R1的电阻，四个容值为C1的电容，和两个差分跨导放大器，其连接关系为：接收机信号主通路中无源混频器的正交I路与正交Q路两路差分信号分别连接正交I路和Q路回转器的差分输入端；四个阻值为R1的电阻一端分别连接到两个回转器的差分输出端，另一端连接到地；四个容值为C1的电容一端分别连接到两个回转器的差分输出端，另一端连接到地；一个跨导放大器的输入同相端与反相端分别连接正交I路回转器输出反相端与同相端，该跨导放大器的输出同相端与反相端分别连接正交Q路回转器的输出反相端与同相端；另一个跨导放大器的输入同相端与反相端分别连接正交Q路回转器的输出同相端与反相端，该跨导放大器的输出同相端与反相端分别连接正交I路回转器的输出反相端与同相端。
本发明的抗干扰接收机电路，其特征在于：采用的干扰信号能量收集器可以有效地分离有用信号和临近频率的干扰信号，使干扰信号被图2虚框II所示的能量收集器吸收；有用信号并不进入干扰信号能量收集器，而通过主通路中的跨阻放大器进行放大后进入后级基带电路。相比于传统射频接收机只包括信号主通路的电路结构，本发明电路结构可以有效避免因干扰信号与有用信号频率临近且功率较大造成的接收机被阻塞的问题。另外，本发明电路的主通路省去了传统射频接收机中的陷波滤波器，达到的效果是：本发明的滤波过程发生在低噪声跨导放大器之后，这样本发明可以避免有用信号在放大器之前因被陷波滤波器衰减而降低接收机的灵敏度。
本发明的抗干扰接收机电路具体工作原理如下：接收机信号主通路中的低噪声跨导放大器收到的射频信号包括有用信号，其载波频率为fRF，和在临近频率的干扰信号，其载波频率为fBlocker，通常干扰信号与有用信号的载波频率相差几MHz到几十MHz。低噪声跨导放大器将接收到的射频信号从电压信号转换成射频电流信号输出给无源混频器；无源混频器将电流信号从射频频率搬移至低频频率(零中频或者低中频)，其输出的电流信号包括了能量较小的有用信号分量，其中心频率为fRF-fLO，和能量很大的干扰信号分量，其中心频率为fBlocker-fLO。由于无源混频器的输入与输出都是电流信号，其电压幅度较小，所以前级低噪声跨导放大器的输出端不会因干扰信号的存在而达到饱和。
图2中虚框II所示的干扰信号能量收集器可以在fBlocker-fLO的干扰频率处提供一个极低的输入阻抗。从原理上讲，当选择跨导放大器的跨导值gmc满足gmc/2πC1＝fBlocker-fLO时，能量收机器的输入阻抗在fBlocker-fLO频率处表现为低阻抗，该阻抗远远小于主通路中跨阻放大器在该频率处的输入阻抗，而在fRF-fLO的有用信号频率处提供一个相对较高的输入阻抗，该阻抗远远大于主通路中跨阻放大器在该频率处的输入阻抗。根据电流总是选择流向阻抗最低通路的原理，有用信号将流向信号主通路的跨阻放大器，最终经过放大变成正交差分电压信号，包括正交I路的VBBIP和VBBIN，和正交Q路的VBBQP和VBBQN；采用的干扰信号能量收集器几乎不会对有用信号造成衰减，进而影响接收机的灵敏度；另一方面，干扰信号将基本流向能量收集器而不会进入主通路放大器，可以根据电路推导出干扰信号从接收机输入端到能量收集器中的回转器输出端几乎没有电压增益，能量收集器各个节点的电压幅度均不会超过电源电压，从而不会造成因电压钳制造成的线性度下降。
本发明的抗干扰接收机电路实现简单易行，接收机信号主通路和干扰信号能量收集器两部分可全部集成到一颗射频收发芯片内，不需要面积庞大的片上电感器件或者额外的片外无源器件，如晶体滤波器等。电路结构中的低噪声放大器，无源混频器，回转器，差分跨导放大器和跨阻放大器均为已知电路结构。
本发明的各组成元器件的具体实施方式分别说明如下：
本发明接收机信号主通路的低噪声跨导放大器可以由图3所示的共源共栅放大级电路实现。这是一个公知的电路结构，它包括两个N型场效应晶体管M1和M2，两个P型场效应晶体管M3和M4，两个电容C1和C2，和两个电阻RB和RF；其连接关系如下：射频输入信号RFin分别连接电容C1和C2的其中一端，C1的另一端连接晶体管M1的栅极，C2的另一端连接晶体管M4的栅极；晶体管M1的源极接地，它的漏极连接晶体管M2的源极；晶体管M2的栅极连接偏置电压VB2，它的漏极连接到射频输出端RFout；晶体管M4的源极接电源VDD，它的漏极连接晶体管M3的源极；晶体管M3的栅极连接偏置电压VB3，它的漏极连接到射频输出端RFout；偏置电阻RB一端连接M4的栅极，一端连接偏置电压VB4；反馈电阻RF一端连接射频输出信号RFout，一端连接晶体管M1的栅极。
该电路的基本工作原理为：射频输入信号RFin经电容C1和C2耦合到M1和M4的栅极，经过共源共栅结构将输入电压转换成电流从RFout端输出。整个电路的偏置电流由VB4控制，电阻RF为M1提供自偏置电压。该电路具有以下特征：可容许的输入摆幅大，可同时利用N型场效应晶体管和P型场效应晶体管的跨导对输入信号放大，放大效率高。
本发明接收机信号主通路的无源混频器可以由图4(a)所示电路实现，这是一个由四相非交叠时钟LO1～LO4驱动的无源混频器，它包括四个N型场效应晶体管MN1，MN2， MN3和MN4，其连接关系为：四个晶体管MN1，MN2，MN3和MN4的源级均连接射频输入信号Vin，晶体管MN1的栅极连接第一相时钟信号LO1，晶体管MN2的栅极连接第二相时钟信号LO2，晶体管MN3的栅极连接第三相时钟信号LO3，晶体管MN4的栅极连接第四相时钟信号LO4；晶体管MN1和MN3的漏极分别连接输出端Vip和Vin，并组成正交I路信号；晶体管MN2和MN4的漏极分别连接输出端Vqp和Vqn，并组成正交Q路信号。四相非交叠时钟LO1～LO4的波形由图4(b)所示，四相时钟的周期为TLO并逐个依次导通，每一相时钟的占空比为25％。采用这种无源混频器的优点在于：可以将输出端连接的基带电路输入阻抗搬移到射频输入端，从而提高前级跨导放大器的频率选择性，具有很好的线性度且无需消耗直流功耗。
本发明的干扰信号能量收集器的跨导放大器可采用以差分电路的形式实现，本发明采用一种常见的差分跨导放大器电路实现形式，它由两个N型场效应晶体管MG1，MG3和两个P型场效应晶体管MG2，MG4组成，其连接关系如下：晶体管MG1和MG2的栅极连接输入同相信号Vinp，MG1的源级接地，MG2的源级接电源VDD，MG1和MG2的漏极连接输出反相信号Vop；晶体管MG3和MG4的栅极连接输入反相信号Vinn，MG3的源级接地，MG4的源级接电源VDD，MG3和MG4的漏极连接输出同相信号Vop。该电路四个晶体管的工作点被偏置到电源电压的约一半左右，差分输出端输出与差分输入电压成正比的电流。这种电路结构简单，便于集成。
本发明的干扰信号能量收集器中回转器的一种电路实现方式如图5所示，它由两个如图5所述的差分跨导放大器Gm1与Gm2，和四个反相器I1～I4组成，其连接关系如下：差分跨导放大器Gm1的同相输入端与Gm2的反相输出端连接到差分输入信号的同相端Vinp，Gm1的反相输入端与Gm2的同相输出端连接到差分输入信号的反相端Vinn，Gm1的反相输出端与Gm2的反相输入端连接到差分输出信号的反相端Von，Gm1的同相输出端与Gm2的同相输入端连接到差分输出信号的同相端Von；反相器I1的输入端连接Gm1的同相输出端，I1的输出端连接反相器I2的输入端，I2的输出端与输入端相连，并连接到Gm2的反相输入端；反相器I3的输入端连接Gm2的同相输入端，I3的输出端连接反相器I4的输入端，I4的输出端与输入端相连，并连接到Gm1的反相输出端。四个反相器I1～I4的作用是为差分跨导放大器提供共模反馈以稳定回转器直流工作点。
本发明接收机信号主通路中的两路正交跨阻放大器I路和Q路可以由图6所示的电路实现，包括一个全差分运算放大器，两个阻值均为RB的反馈电阻，和两个容值均为CB的反馈电容，其连接关系如下：跨阻放大器中一对反馈电阻RB和电容CB分别连接运算放大器的同相输入端与反相输出端，另一对反馈电阻RB和电容CB分别连接运算放大器的反相输入端与同相输出端；运算放大器的差分输入端连接输入差分电流信号Iinp和Iinn，运算放大器的差分输出端连接输出差分电压信号Vop和Von。该跨阻放大器的直流跨阻为RB，3dB 带宽为1/2πRBCB。
本发明提出的抗干扰接收机电路可以作为一个射频芯片收发电路的核心模块，它可以和其他功能模块配合使用。
本发明的另一种实施例是在本发明电路结构的基础上，在主通路中还增加了四个阻值为RC的电阻，一个阻值为RF的电阻，和一个无源混频器，如图7所示，在图2所示电路连接关系的基础上，具体连接方式为：第一个电阻RC一端连接I路跨阻放大器的同相输入端，另一端连接Q路跨阻放大器的反相输出端；第二个电阻RC一端连接I路跨阻放大器的反相输入端，另一端连接Q路跨阻放大器的同相输出端；第三个电阻一端连接Q路跨阻放大器的反相输入端，另一端连接I路跨阻放大器的反相输出端；第四个电阻一端连接Q 路跨阻放大器的同相输入端，另一端连接I路跨阻放大器的同相输出端；基带模拟输出信号VBBIP，VBBIN，VBBQP，VBBQN连接无源混频器2的输入端，无源混频器2的时钟与信号主通路中的无源混频器1的时钟共同连接到四项非交叠时钟信号LO，无源混频器2的射频输出端连接电阻RF的一端，RF的另一端连接到射频输入端RFin。该电路实例中的特征在于：在信号主通路中引入了复数滤波和全局阻抗匹配网络，使得接收机的输入阻抗匹配频率可以动态跟踪有用的射频载波信号，使得接收机既可以抗干扰，又可以对有用信号实现输入阻抗匹配。

Claims (9)

1.一种用于射频收发芯片的抗干扰接收机电路，其特征在于，主要包括接收机信号主通路和干扰信号能量收集器两部分；所述接收机信号主通路由一个低噪声跨导放大器，一个无源混频器，和具有完全相同电路结构的两路正交跨阻放大器I路与Q路组成；其中：所述低噪声跨导放大器的输入端连接射频输入信号RFin，它的的输出端连接无源混频器的信号输入端；无源混频器的时钟输入端连接四相非交叠时钟信号LO，它的信号输出端分别连接正交I路与正交Q路跨阻放大器的差分输入端；正交I路跨阻放大器输出模拟基带I路差分信号VBBIP和VBBIN，正交Q路跨阻放大器输出模拟基带Q路差分信号VBBQP和VBBQN；
所述干扰信号能量收集器包括正交I路和Q路两个全差分回转器，四个阻值均为R1的电阻，四个容值均为C1的电容和两个差分跨导放大器；其中：接收机信号主通路中无源混频器的正交I路与正交Q路两路差分信号分别连接正交I路和Q路回转器的差分输入端；四个阻值为R1的电阻一端分别连接到两个回转器的差分输出端，另一端连接到地；四个容值为C1的电容一端分别连接到两个回转器的差分输出端，另一端连接到地；一个跨导放大器的输入同相端与反相端分别连接正交I路回转器输出反相端与同相端，该跨导放大器的输出同相端与反相端分别连接正交Q路回转器的输出反相端与同相端；另一个跨导放大器的输入同相端与反相端分别连接正交Q路回转器的输出同相端与反相端，该跨导放大器的输出同相端与反相端分别连接正交I路回转器的输出反相端与同相端。
2.如权利要求1所述的用于射频收发芯片的抗干扰接收机电路，其特征在于，所述接收机信号主通路和干扰信号能量收集器两部分全部集成到一颗射频收发芯片内。
3.如权利要求1所述的用于射频收发芯片的抗干扰接收机电路，其特征在于，所述接收机信号主通路的低噪声跨导放大器采用共源共栅放大级电路；所述接收机信号主通路的无源混频器采用由四相非交叠时钟驱动的无源混频器；所述干扰信号能量收集器的跨导放大器采用差分跨导放大器电路。
4.如权利要求3所述的用于射频收发芯片的抗干扰接收机电路，其特征在于，所述共源共栅放大级电路包括两个N型场效应晶体管M1和M2，两个P型场效应晶体管M3和M4，两个电容C1和C2，和两个电阻RB和RF；其中：射频输入信号RFin分别连接电容C1和C2的其中一端，电容C1的另一端连接晶体管M1的栅极，电容C2的另一端连接晶体管M4的栅极；N型场效应晶体管M1的源极接地，它的漏极连接N型场效应晶体管M2的源极；该晶体管M2的栅极连接偏置电压VB2，它的漏极连接到射频输出端RFout；P型场效应晶体管M4的源极接电源VDD，它的漏极连接P型场效应晶体管M3的源极；P型场效应晶体管M3的栅极连接偏置电压VB3，它的漏极连接到射频输出端RFout；偏置电阻RB一端连接P型场效应M4的栅极，一端连接偏置电压VB4；反馈电阻RF一端连接射频输出信号RFout，一端连接N型场效应晶体管M1的栅极。
5.如权利要求3所述的用于射频收发芯片的抗干扰接收机电路，其特征在于，所述无源混频器包括四个N型场效应晶体管MN1，MN2，MN3和MN4，其连接关系为：四个晶体管MN1，MN2，MN3和MN4的源级均连接射频输入信号Vin，晶体管MN1的栅极连接第一相时钟信号LO1，晶体管MN2的栅极连接第二相时钟信号LO2，晶体管MN3的栅极连接第三相时钟信号LO3，晶体管MN4的栅极连接第四相时钟信号LO4；晶体管MN1和MN3的漏极分别连接输出端Vip和Vin，并组成正交I路信号；晶体管MN2和MN4的漏极分别连接输出端Vqp和Vqn，并组成正交Q路信号。
6.如权利要求3所述的用于射频收发芯片的抗干扰接收机电路，其特征在于，所述差分跨导放大器电路由两个N型场效应晶体管MG1、MG3和两个P型场效应晶体管MG2、MG4组成；其中晶体管MG1和MG2的栅极连接输入同相信号Vinp，MG1的源级接地，MG2的源级接电源VDD，MG1和MG2的漏极连接输出反相信号Vop；晶体管MG3和MG4的栅极连接输入反相信号Vinn，MG3的源级接地，MG4的源级接电源VDD，MG3和MG4的漏极连接输出同相信号Vop。
7.如权利要求1所述的用于射频收发芯片的抗干扰接收机电路，其特征在于，所述干扰信号能量收集器中回转器由两个差分跨导放大器Gm1与Gm2，和四个反相器I1～I4组成，其中：差分跨导放大器Gm1的同相输入端与Gm2的反相输出端连接到差分输入信号的同相端Vinp，Gm1的反相输入端与Gm2的同相输出端连接到差分输入信号的反相端Vinn，Gm1的反相输出端与Gm2的反相输入端连接到差分输出信号的反相端Von，Gm1的同相输出端与Gm2的同相输入端连接到差分输出信号的同相端Von；反相器I1的输入端连接Gm1的同相输出端，I1的输出端连接反相器I2的输入端，I2的输出端与输入端相连，并连接到Gm2的反相输入端；反相器I3的输入端连接Gm2的同相输入端，I3的输出端连接反相器I4的输入端，I4的输出端与输入端相连，并连接到Gm1的反相输出端。
8.如权利要求1所述的用于射频收发芯片的抗干扰接收机电路，其特征在于，所述接收机信号主通路中的两路正交跨阻放大器I路和Q路，均包括一个全差分运算放大器，两个阻值均为RB的反馈电阻，和两个容值均为CB的反馈电容；其中，跨阻放大器中一对反馈电阻RB和电容CB分别连接运算放大器的同相输入端与反相输出端，另一对反馈电阻RB和电容CB分别连接运算放大器的反相输入端与同相输出端；运算放大器的差分输入端连接输入差分电流信号Iinp和Iinn，运算放大器的差分输出端连接输出差分电压信号Vop和Von。
9.如权利要求8所述的用于射频收发芯片的抗干扰接收机电路，其特征在于，所述跨阻放大器的直流跨阻为RB，3dB带宽为1/2πRBCB。
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