CN111384902B - 一种阻抗匹配频率可调的宽带接收机电路 - Google Patents

一种阻抗匹配频率可调的宽带接收机电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种阻抗匹配频率可调的宽带接收机电路，属于射频集成电路领域。本发明包括低噪声跨导放大器，两个无源混频器，正交跨阻放大器I路和Q路，反馈电阻，两个双刀双掷开关，四个可变电阻；射频输入信号与低噪声跨导放大器的输入端连接，同时通过反馈电阻与第二无源混频器的输入端连接；低噪声跨导放大器的输出端连接第一无源混频器的信号输入端；两个无源混频器的时钟输入端均连接四相非交叠时钟信号，第一无源混频器的信号输出端分别连接I路与Q路的差分输入端；I路和Q路的差分输出信号端连接第二无源混频器的四相输入端；四个可变电阻通过两个双刀双掷开关跨接在I路和Q路的输入端和输出端；本发明适用于零中频和低中频接收机方案。

Description

一种阻抗匹配频率可调的宽带接收机电路
技术领域
本发明属于射频集成电路技术中接收机电路设计技术领域，具体涉及一种阻抗匹配频率可调的宽带接收机电路。
背景技术
下一代无线通信要求射频收发器芯片前端可以进行覆盖很宽的频段，例如第五代移动通信(5G)要求收发器可以支持从几百MHz直到6GHz的载波频率。载波频率宽带可调这一性能需求对射频接收机芯片的设计提出了挑战，尤其是对前端的低噪声放大器，不仅要求其具有低噪声系数和高动态范围，还要求输入匹配电路可以覆盖全频段。
在一个传统的宽带接收机电路中，输入阻抗匹配的功能往往只由接收机中的低噪声放大器这一电路模块独立完成。输入阻抗匹配的实现方式通常有两种：一种是采用共栅极放大电路作为射频信号的输入，另一种是在共源极放大电路中引入一个反馈电阻。无论采用以上哪种方法，都会因为引入额外的噪声源从而导致接收机噪声系数的恶化。因此，噪声系数的优化与输入阻抗匹配的实现是一对矛盾。
近年来很多研究通过引入额外的噪声消除支路来改善低噪声放大器的噪声性能，同时保证低噪声放大器的输入阻抗匹配。例如(1)发表于2004年IEEEJSSC(固态电路学报)，Wide-band CMOS Low-noise Amplifier exploiting thermal noise canceling，提出一种新型电阻热噪声消除技术以提高接收机的噪声性能；以及(2)发表于2009年IEEEJSSC,AWideband CMOS Los Nosie Amplifier Employing Nosie and IM2 DistortionCancellation for a Digital TV Tuner,提出一种共栅极放大器中晶体管热噪声消除技术以提高接收机的抗噪声。引入额外噪声消除支路的代价是接收机的功耗增加，例如一个可以覆盖3GHz带宽的宽带低噪声放大器会消耗约15mW的功耗。5G通信中的很多应用中，例如5G物联网NB-IoT的应用，要求整个接收机的连接功耗不超过20mW，这里包括了低噪声放大器、混频器、基带放大器、滤波器、数模转换器、时钟锁相环等全部电路模块。通常一个低噪声放大器的功耗应该不超过接收机总功耗的20％，因此如上所述的这种低噪声放大器设计技术不能够满足5G宽带接收机的设计要求。
已有一种可集成的接收机电路，发表于2011年IEEEISSCC(国际固态电路大会)，ACompact SAW-Less Multiband WCDMA/GPS Receiver Front-end with TranslationalLoop forInputMatching，提出了一种新型输入阻抗匹配技术。该技术不是仅靠低噪声放大器来实现输入阻抗匹配，而是依靠整个接收机电路实现阻抗匹配。图1描述了采用这种阻抗匹配技术的接收机电路。该电路主要包括一个低噪声跨导放大器、两个无源混频器、具有完全相同电路结构的正交跨阻放大器I路和Q路。该技术中将用于阻抗匹配的反馈电阻与一个无源混频器串联，然后跨接在射频输入端和基带跨阻放大器的输出端。这样做的优点有两个：一是反馈电阻可以选取相对较大的阻值(通常为几千欧姆)，从而降低了对噪声的贡献，且无需额外功耗；二是阻抗匹配只发生在本振时钟频率fLO上，调节本振时钟频率时，输入匹配会自动跟踪本振时钟频率，从而达到输入阻抗匹配的宽带可调。这个技术的不足之处在于，它只适用于零中频结构的接收机，也即本振时钟频率fLO和射频信号的载波频率fRF必须相等。对于5G无线通信，许多应用必须使用低中频接收机结构，即信号载波频率fRF与本振时钟频率fLO之间存在一个远远小于fLO的差值，这个差值被称为低中频频率fIF。fIF通常为几MHz到十几MHz。在这种情况，原有技术无法满足输入阻抗匹配的设计需求。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种阻抗匹配频率可调的宽带接收机电路。本发明电路可以提高接收机的频率选择性和抗干扰能力，有利于降低接收机成本，可适用于零中频和低中频接收机方案。
本发明提出一种阻抗匹配频率可调的宽带接收机电路，该电路包括一个低噪声跨导放大器，两个无源混频器，具有完全相同电路结构的正交跨阻放大器I路和Q路，其特征在于，还包括一个反馈电阻RF，两个双刀双掷开关，和四个可变电阻RC；其中，射频输入信号RFin与低噪声跨导放大器的输入端连接，同时通过反馈电阻RF与第二无源混频器的输入端连接；低噪声跨导放大器的输出端连接第一无源混频器的信号输入端；两个无源混频器的时钟输入端均连接四相非交叠时钟信号LO，第一无源混频器的信号输出端包含正交I路和Q路两路差分信号，分别连接正交跨阻放大器I路和Q路的差分输入端；正交跨阻放大器I路和Q路的差分输出信号端VBBIP，VBBIN，VBBQP和VBBQN连接至第二无源混频器的四相输出端；四个可变电阻RC通过I路与Q路两个双刀双掷开关跨接在两路跨阻放大器的输入端和输出端；所述四个可变电阻具体连接方式为：第一个电阻一端连接正交跨阻放大器I路的同相输入端，另一端连接Q路双刀双掷开关的一个输出端；第二个电阻一端连接正交跨阻放大器I路的反相输入端，另一端连接Q路双刀双掷开关的另一个输出端；Q路双刀双掷开关的两个输入端分别连接正交跨阻放大器Q路差分输出信号端VBBQP和VBBQN；第三个电阻一端连接正交跨阻放大器Q路的反相输入端，另一端连接I路双刀双掷开关的一个输出端；第四个电阻一端连接正交跨阻放大器Q路的同相输入端，另一端连接I路双刀双掷开关的另一个输出端；I路双刀双掷开关的两个输入端分别连接正交跨阻放大器I路差分输出信号端VBBIP和VBBIN。
本发明还可并联两个或多个如上所述相同的电路结构，形成两个或多个信号通路，实现5G通信要求的载波聚合功能。
本发明的特点及有益效果：
(1)适用于零中频与低中频接收机方案。
(2)输入阻抗匹配频率点不再被限制在本振频率fLO上，而是可以根据信号载波频率情况在本振时钟频率fLO附近较宽的范围内任意调节。
(3)采用的复数域阻抗与复数域滤波可以提高接收机的频率选择性和抗干扰能力。
(4)不需要使用面积庞大的片上电感，集成度高，有利于降低接收机成本。
(5)电路结构紧凑，实现方式简单，便于调试与设计。
(6)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是一个公知的输入阻抗频率可调的零中频接收机电路图；
图2是本发明的阻抗匹配频率可调的宽带接收机电路图；
图3是本发明采用的低噪声跨导放大器的实施电路图；
图4(a)是本发明采用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是本发明采用的跨阻放大器的电路图；
图6是本发明采用的双刀双掷开关电路示意图；
图7是利用本发明电路实现的一个具有双通道载波聚合功能的接收机实施例电路图。
具体实施方式
本发明提出一种阻抗匹配频率可调的宽带接收机电路，下面结合附图及实施例的详细说明如下。
本发明提出一种阻抗匹配频率可调的宽带接收机电路，电路结构图如图2所示，主要包括一个低噪声跨导放大器，两个无源混频器，一个反馈电阻RF，具有完全相同电路结构的正交跨阻放大器I路和Q路，两个双刀双掷开关，和四个可变电阻RC组成。
本发明提出的阻抗匹配频率可调的宽带接收机电路连接关系为：射频输入信号RFin与低噪声跨导放大器的输入端连接，同时通过反馈电阻RF与第二无源混频器的输入端连接；低噪声跨导放大器的输出端连接第一无源混频器的信号输入端；两个无源混频器的时钟输入端均连接四相非交叠时钟信号LO，第一无源混频器的信号输出端包含正交I路和Q路两路差分信号，分别连接正交跨阻放大器I路和Q路的差分输入端；正交跨阻放大器I路和Q路的差分输出信号端VBBIP，VBBIN，VBBQP和VBBQN连接至第二无源混频器的四相输出端；四个可变电阻RC通过I路与Q路两个双刀双掷开关跨接在两路跨阻放大器的输入端和输出端，具体连接方式为：第一个电阻一端连接正交跨阻放大器I路的同相输入端，另一端连接Q路双刀双掷开关的一个输出端；第二个电阻一端连接正交跨阻放大器I路的反相输入端，另一端连接Q路双刀双掷开关的另一个输出端；Q路双刀双掷开关的两个输入端分别连接正交跨阻放大器Q路差分输出信号端VBBQP和VBBQN；第三个电阻一端连接正交跨阻放大器Q路的反相输入端，另一端连接I路双刀双掷开关的一个输出端；第四个电阻一端连接正交跨阻放大器Q路的同相输入端，另一端连接I路双刀双掷开关的另一个输出端；I路双刀双掷开关的两个输入端分别连接正交跨阻放大器I路差分输出信号端VBBIP和VBBIN。
本发明的输入阻抗匹配频率可调的接收机电路，其特征在于：在电路中引入了复数滤波和复数阻抗的概念，通过电阻RC耦合正交跨阻放大器I路和Q路，使得接收机的输入阻抗匹配频率可以动态跟踪射频载波信号。
本发明的接收机输入阻抗匹配电路工作原理如下：射频输入信号的载波频率为fRF，低噪声跨导放大器(跨导值为gm)将接收到的射频信号从电压信号转换成射频电流信号，并输出给第一无源混频器；无源混频器将电流信号从射频频率搬移至低中频频率fIF，这里fIF＝fRF-fLO(fLO是本地时钟频率)，电流转换增益为α(当混频器时钟输入为四相非交叠时钟时α＝2/π)；根据电路可以推导出跨阻放大器的传输函数是一个复数一阶低通滤波器，其中心频率fc等于±1/(2πRCCB)，正负号取决于双刀双掷开关的连接方向，3dB带宽为1/(2πRBCB)；在中心频率fc处从射频输入端到跨阻放大器输出端的电压转换增益Av可表示为Av＝αgmRB；正交输出的低中频电压信号VBBIP，VBBIN，VBBQP和VBBQN通过第二无源混频器上变频后搬移到射频频率fLO+fc，并通过电阻RF反馈到低噪声跨阻放大器的输入端；如果选择合适的双刀双掷开关的连接方向和RC的阻值，就可以使得fc与fIF相等，进而可以证明在信号载波频率fRF处，接收机的输入阻抗Zin可表示为Zin＝RF/(1+αAv)，如果选择合适的RF值可以使输入阻抗在fRF处与信号源阻抗相等(通常为50Ω)，这样便实现了接收机的输入阻抗匹配。通过调节RC的电阻值和双刀双掷开关的连接方向，可以改变复数滤波器的中心频率fc，从而可以将阻抗匹配频率点锁定在fLO+fc处，这便实现了接收机的低中频方案。
本发明的抗干扰接收机电路实现简单易行，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跨导放大器，无源混频器，跨阻放大器和双刀双掷开关电路均为已知电路结构。
本发明的各组成元器件的具体实施方式分别说明如下：
本发明接收机信号通路中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分别连接第一电容C1和第二电容C2的其中一端，第一电容C1的另一端连接第一晶体管M1的栅极，第二电容C2的另一端连接第四晶体管M4的栅极；第一晶体管M1的源极接地，它的漏极连接第二晶体管M2的源极；第二晶体管M2的栅极连接偏置电压VB2，它的漏极连接到射频输出端RFout；第四晶体管M4的源极接电源VDD，它的漏极连接第三晶体管M3的源极；第三晶体管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一端连接第四晶体管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，一端连接第一晶体管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。
本发明接收机信号通路中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VRF，第一晶体管MN1的栅极连接第一相时钟信号LO1，第二晶体管MN2的栅极连接第二相时钟信号LO2，第三晶体管MN3的栅极连接第三相时钟信号LO3，第四晶体管MN4的栅极连接第四相时钟信号LO4；第一晶体管MN1和第三晶体管MN3的漏极分别连接输出端Vip和Vin，并组成正交I路信号；第二晶体管MN2和第四晶体管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。
本发明接收机信号通路中的两路正交跨阻放大器I路和Q路可以由图5所示的电路实现，包括一个全差分运算放大器，两个反馈电阻RB，和两个反馈电容CB，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。
本发明接收机信号通路中的双刀双掷开关电路可以由图6所示电路图实现。这是一个公知的电路结构，它包括两个单刀双掷开关S1和S2。第一开关S1的输入端连接输入信号Vin1，第二开关S2的输入端连接输入信号Vin2，第一开关S1的1号输出端与第二开关S2的2号输出端共同连接到输出端Vout1，第一开关S1的2号输出端与第二开关S2的1号输出端共同连接到输出端Vout2。当第一开关S1和第二开关S2共同连通各自的1号输出端时，Vout1和Vout2分别连接到Vin1和Vin2，这称之为正向连接；当第一开关S1和第二开关S2共同连通各自的2号输出端时，Vout1和Vout2分别连接Vin2和Vin1，这称之为反向连接。这些开关的作用是决定复数滤波器的中心频率fc的正负极性。当图2所示电路中的I路和Q路的双刀双掷开关都采用正向连接方式时，fc为正频率；当开关采用反向连接方式时，fc为负频率。
本发明提出的阻抗匹配频率可调的宽带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展示了一种可以实现双通道载波聚合的接收机电路如图7所示，它包括两个信号通路：第一信号通路和第二信号通路。每个信号通路均具有和图2所示的完全一样的电路结构。在图2电路连接关系的基础上，第一信号通路和第二信号通路的输入端共同连接接收机的信号输入端RFin；第一信号通路的输出端为VBBIP,A，VBBIN,A，VBBQP,A和VBBQN,A(VBBIP,A，VBBIN,A为第一信号通路的正交跨阻放大器I路差分输出信号端；VBBQP,A，VBBQN,A为第一信号通路的正交跨阻放大器Q路差分输出信号端)；第二信号通路的输出端为VBBIP,B，VBBIN,B，VBBQP,B和VBBQN,B(VBBIP,B，VBBIN,B为第二信号通路的正交跨阻放大器I路差分输出信号端；VBBQP,B，VBBQN,B为第二信号通路的正交跨阻放大器Q路差分输出信号端)；这两个信号通路的无源混频器(A1，A2，B1和B2)的时钟输入端共同连接到时钟信号LO。
该电路实施例的特征及有益效果包括：
(1)两个信号通路共享一个时钟信号fLO，通过调节各自信号通路中RCA，RCB，RFA，RFB的电阻值和双刀双掷开关的方向，两个信号通路可以实现不同的低中频频率，即fcA和fcB，从而同时获取位于载波频率fLO+fcA和fLO+fcB的信号。
(2)可以在fLO+fcA和fLO+fcB两个载波频率处同时实现接收机输入阻抗匹配。
(3)只是用一个时钟信号LO即可获取两路信号。传统的双通道载波聚合技术需要使用两个独立的本振时钟。本发明实施例大大简化了电路复杂度，电路结构紧凑，集成度高，有利于降低接收机面积、功耗与生产成本。
(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。
本发明还可并联多个如图2所示相同的电路结构，形成多个信号通路，实现5G通信要求的载波聚合功能。

Claims (5)

1.一种阻抗匹配频率可调的宽带接收机电路，该电路包括一个低噪声跨导放大器，两个无源混频器，具有完全相同电路结构的正交跨阻放大器I路和Q路，其特征在于，还包括一个反馈电阻RF，两个双刀双掷开关，和四个可变电阻RC；其中，射频输入信号RFin与低噪声跨导放大器的输入端连接，同时通过反馈电阻RF与第二无源混频器的输入端连接；低噪声跨导放大器的输出端连接第一无源混频器的信号输入端；两个无源混频器的时钟输入端均连接四相非交叠时钟信号LO，第一无源混频器的信号输出端包含正交I路和Q路两路差分信号，分别连接正交跨阻放大器I路和Q路的差分输入端；正交跨阻放大器I路和Q路的差分输出信号端VBBIP，VBBIN，VBBQP和VBBQN连接至第二无源混频器的四相输出端；四个可变电阻RC通过I路与Q路两个双刀双掷开关跨接在两路跨阻放大器的输入端和输出端；所述四个可变电阻具体连接方式为：第一个电阻一端连接正交跨阻放大器I路的同相输入端，另一端连接Q路双刀双掷开关的一个输出端；第二个电阻一端连接正交跨阻放大器I路的反相输入端，另一端连接Q路双刀双掷开关的另一个输出端；Q路双刀双掷开关的两个输入端分别连接正交跨阻放大器Q路差分输出信号端VBBQP和VBBQN；第三个电阻一端连接正交跨阻放大器Q路的反相输入端，另一端连接I路双刀双掷开关的一个输出端；第四个电阻一端连接正交跨阻放大器Q路的同相输入端，另一端连接I路双刀双掷开关的另一个输出端；I路双刀双掷开关的两个输入端分别连接正交跨阻放大器I路差分输出信号端VBBIP和VBBIN。
2.如权利要求1所述的阻抗匹配频率可调的宽带接收机电路，其特征在于，所述的低噪声跨导放大器采用共源共栅放大级电路实现，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分别连接第一电容C1和第二电容C2的其中一端，第一电容C1的另一端连接第一晶体管M1的栅极，第二电容C2的另一端连接第四晶体管M4的栅极；第一晶体管M1的源极接地，它的漏极连接第二晶体管M2的源极；第二晶体管M2的栅极连接偏置电压VB2，它的漏极连接到射频输出端RFout；第四晶体管M4的源极接电源VDD，它的漏极连接第三晶体管M3的源极；第三晶体管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一端连接第四晶体管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，一端连接第一晶体管M1的栅极。
3.如权利要求1所述的阻抗匹配频率可调的宽带接收机电路，其特征在于，所述无源混频器采用一个由四相非交叠时钟LO1～LO4驱动的无源混频器，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VRF，第一晶体管MN1的栅极连接第一相时钟信号LO1，第二晶体管MN2的栅极连接第二相时钟信号LO2，第三晶体管MN3的栅极连接第三相时钟信号LO3，第四晶体管MN4的栅极连接第四相时钟信号LO4；第一晶体管MN1和第三晶体管MN3的漏极分别连接输出端Vip和Vin，并组成正交I路信号；第二晶体管MN2和第四晶体管MN4的漏极分别连接输出端Vqp和Vqn，并组成正交Q路信号。
4.如权利要求1所述的阻抗匹配频率可调的宽带接收机电路，其特征在于，两路所述正交跨阻放大器I路和Q路均包括一个全差分运算放大器，两个反馈电阻RB，和两个反馈电容CB，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。
5.一种阻抗匹配频率可调的宽带接收机电路，其特征在于，包括有完全相同电路结构的第一信号通路和第二信号通路；每个信号通路包括一个低噪声跨导放大器，两个无源混频器，具有完全相同电路结构的正交跨阻放大器I路和Q路，还包括一个反馈电阻RF，两个双刀双掷开关，和四个可变电阻RC；其中，低噪声跨导放大器的输出端连接第一无源混频器的信号输入端，反馈电阻RF连接在低噪声跨导放大器输入端和第二无源混频器的信号输入端之间；第一无源混频器的信号输出端包含正交I路和Q路两路差分信号，分别连接正交跨阻放大器I路和Q路的差分输入端；正交跨阻放大器I路和Q路的差分输出信号端VBBIP，VBBIN，VBBQP和VBBQN连接至第二无源混频器的四相输出端；四个可变电阻RC通过I路与Q路两个双刀双掷开关跨接在两路跨阻放大器的输入端和输出端；第一信号通路和第二信号通路的低噪声跨导放大器的输入端共同连接接收机的信号输入端RFin；第一信号通路的输出端为VBBIP,A，VBBIN,A，VBBQP,A和VBBQN,A；第二信号通路的输出端为VBBIP,B，VBBIN,B，VBBQP,B和VBBQN,B；这两个信号通路的四个无源混频器的时钟输入端共同连接到时钟信号LO。
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