CN111865221A - 一种硅基毫米波接收前端电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种硅基毫米波接收前端电路，应用于射频集成电路领域，为解决现有技术中存在的功耗高，成本高，性能差的问题；本发明包括：共源共栅低噪声放大器、跨导输入级、正交耦合级、开关混频级和输出负载级，本发明通过在混频器部分设计正交耦合级，实现了接收前端两路输出信号大小相等，相位差90度，同时线性度得到改善，并且使用同一个混频器实现两路输出，这也降低了功耗。

Description

一种硅基毫米波接收前端电路

技术领域

本发明属于射频集成电路领域，特别涉及一种接收前端电路。

背景技术

毫米波频段将用于未来的高速无线服务和通信应用。近年来，Ka频段(26.5-40GHz)的潜在无线应用包括无线点对多点服务，卫星通信，无线电定位和成像系统等，这些系统需要低成本，小尺寸，更高水平的系统集成和高性能射频、毫米波组件，例如低噪声放大器和混频器单元模块。

接收前端在整个接收系统中至关重要，它主要包括低噪声放大器和混频器等，可以把我们需要的信号从接收到的信号中筛选出来，便于接收机的后续处理和应用。毫米波接收前端会朝着结构相对简单，增益较大，噪声和功耗较低，实现成本较少的方向继续发展。基于硅基接收前端的研究方法，突破毫米波集成电路的关键技术，实现无线通信和广播接收的典型应用，这些都是我们应积极面对的挑战。回顾毫米波相控阵接收前端的解决方案，相对于其它结构，采用如图1(a)所示中频移相结构可以避免射频移相的增益插损，这对于克服毫米波CMOS的高插入损耗极为有利。此外，中频移相可以采用高性能模拟基带电路获得高精度移相，相比射频移相又是一个重要技术优势。

应用于中频移相结构的毫米波相控阵接收机体系，如图1(b)所示，一种现有的毫米波宽带接收前端(Chun-Hsing Li,Chien-Nan Kuo,and Ming-Ching Kuo,“A 1.2-V 5.2-mW20–30-GHz Wideband Receiver Front-End in 0.18-μm CMOS,”IEEETrans.Microw.Theory Tech.,vol.60,no.11,pp.3502–3512,2012.)，利用巴伦实现了宽带信号输出，也实现了低噪声放大器到混频器的单端到差分输出，但是它需要I路和Q路两路混频器，同时需要移相器对本振信号进行正交相移，这增加了振荡器电路的硬件开销，带来本振大信号的损耗；另一方面，如果采用正交本振振荡器，那么需要两个振荡器的谐振腔谐振在距中心频率一定的频率偏移处，考虑到工艺角的因素，这个方案很难保证好的正交性和相位噪声特性，另外和常规单谐振腔振荡器比较，功耗也要加倍。鉴于现有方案的局限性，迫切需要提出新的正交接收架构，且具有低功耗，低成本，高性能特征。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种硅基毫米波接收前端电路，在混频器部分设计正交耦合级，实现了接收前端两路中频输出信号大小相等，相位正交特征。

本发明采用的技术方案为：一种硅基毫米波接收前端电路，包括：共源共栅低噪声放大器、跨导输入级、正交耦合级、开关混频级和输出负载级，共源共栅低噪声放大器接收射频电压信号，将射频电压信号放大后输入至跨导输入级；跨导输入级将放大后的射频电压信号转换为射频电流信号，然后输入至正交耦合级；正交耦合级将射频电流信号转化为大小相等、相位差为90度的两路电流信号，输入至开关混频级；由开关混频级将两路电流信号进行周期性换向，使频率从射频变换到中频，再将得到的中频电流信号传输至输出负载级；最后输出负载级将中频电流信号转换为输出中频电压信号。

进一步的，所述共源共栅低噪声放大器包括：第一晶体管M₁、第二晶体管M₂、第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃、第四电感L₄、第五电感L₅、第一电容C₁、第二电容C₂、第三电容C₃、第四电容C₄、第一电阻R₁、第二电阻R_b；

所述第一电感L₁的第一端接射频输入交流信号V_RFin，第二端接第一晶体管M₁的栅极，所述第一电容C₁连接在第一晶体管M₁的栅极和源极之间，所述第一晶体管M₁的源极经第二电感L₂接地，第一晶体管M₁的漏极先经第三电感L₃接第二晶体管M₂的源极，第一晶体管M₁的漏极又经第三电容C₃接第二晶体管的栅极；所述第二晶体管M₂栅极经第二电阻R_b接供电电压V_DD(1.5V，下同)，所述第四电容C₄的第一端接地，第四电容C₄的第二端接第二晶体管M₂的源极，所述第四电感L₄的第一端接第二晶体管M₂的漏极，第二电容C₂的第一端接第二晶体管M₂的漏极，第一电阻R₁的第一端接第二晶体管M₂的漏极；第四电感L₄、第二电容C₂、第一电阻R₁的第二端接供电电压V_DD，所述第五电感L₅的第一端接供电电压V_DD，第五电感L₅的第二端作为共源共栅低噪声放大器的输出端；第四电感L₄与第五电感L₅互相耦合，构成一个片上变压器，其耦合系数为k₁(典型取值0.9)。

进一步地，所述跨导输入级包括：第六电阻R_a、第七电容C_b、第三晶体管M₃、第四晶体管M₄，所述第三晶体管M₃的源极接地，第三晶体管M₃的栅极接第七电容C_b的第二端，第七电容C_b的第一端接第五电感L₅的第二端即共源共栅低噪声放大器的输出端，另外第三晶体管M₃的栅极又接第六电阻R_a的第二端，第六电阻R_a的第一端接偏置电压V₁(典型取值为0.66V，下同)，第三晶体管M₃的漏极作为跨导输入级的第一输出端；所述第四晶体管M₄的栅极接偏置电压V₂(典型取值为0.66V，下同)，第四晶体管M₄的源极接地，第四晶体管M₄的漏极作为跨导输入级的第二输出端。

进一步地，所述正交耦合级包括：第六电感L₆、第七电感L₇、第五电容C₅、第六电容C₆；所述第六电感L₆的第一端接第三晶体管M₃的漏极，第五电容C₅的第一端接第三晶体管M₃的漏极；所述第七电感L₇的第一端接第四晶体管M₄的漏极，第六电容C₆的第一端接第四晶体管M₄的漏极；所述第七电感L₇的第二端接第五晶体管M₅的源极，第五电容C₅的第二端接第六晶体管M₆的源极；所述第六电感L₆的第二端接第七晶体管M₇的源极，第六电容C₆的第二端接第八晶体管M₈的源极；第六电感L₆与第七电感L₇互相耦合，构成又一个片上变压器，其耦合系数为k₂(典型取值0.35)。

进一步地，所述开关混频级包括第五晶体管M₅、第六晶体管M₆、第七晶体管M₇、第八晶体管M₈、第九晶体管M₉、第十晶体管M₁₀；

所述第五晶体管M₅的源极和第六晶体管M₆的源极均与第九晶体管M₉的漏极相接，所述第七晶体管M₇的源极和第八晶体管M₈的源极均与第十晶体管M₁₀的漏极相接；所述第五晶体管M₅的漏极接I路中频输出交流信号端口V_IF1+，所述第五晶体管M₅的栅极接本振输入大信号端口V_LO+；所述第六晶体管M₆的漏极接I路中频输出交流信号端口V_IF1-，所述第六晶体管M₆的栅极接本振输入电压信号V_LO-；所述第七晶体管M₇的漏极接Q路中频输出电压信号V_IF2+，所述第七晶体管M₇的栅极接本振输入大信号端口V_LO-；第八晶体管M₈的漏极接Q路中频输出信号端口V_IF2-，第八晶体管M₈的栅极接本振输入大信号端口V_LO+；所述第九晶体管M₉的源极接供电电压V_DD，第九晶体管M₉的栅极接偏置电压V_b1(典型取值为0.9V)，所述第十晶体管M₁₀的源极接供电电压V_DD，栅极接偏置电压V_b2(典型取值为0.9V)。本发明结构本振端口所需的本振输入大信号功率为0～3dBm的范围。

进一步地，所述输出负载级包括第二电阻R₂、第三电阻R₃、第四电阻R₄、第五电阻R₅；所述第二电阻R₂的第一端接第五晶体管M₅的漏极，第二电阻R₂的第二端接供电电压V_DD，所述第三电阻R₃的第一端接第六晶体管M₆的漏极，第三电阻R₃的第二端接供电电压V_DD；所述第四电阻R₄的第一端接第七晶体管M₇的漏极，第四电阻R₄的第二端接供电电压V_DD，所述第五电阻R₅的第一端接第八晶体管M₈的漏极，第五电阻R₅的第二端接供电电压V_DD。

本发明的有益效果：本发明通过在混频器部分设计正交耦合级，实现了接收前端两路输出信号大小相等，相位差90度，同时线性度得到了改善，并且使用同一个混频器实现两路输出，这也降低了功耗；尽管正交耦合级引入一定插入损耗，但是得益于前级低噪声放大器的增益，接收前端的整体噪声指数依然不高；本发明具备以下优点：

(1)共源共栅低噪声放大器的输出端的电感与电容形成的谐振既增加了中心频率处的增益又额外地提高了带通滤波能力；

(2)使用一个混频器就实现了两路正交中频输出，电路结构比传统方案简单，功耗也得到降低；

(3)低噪放和混频器之间使用的变压器耦合对该节点的电容进行了分割谐振，使得谐振频率附近的峰化增益提高。

附图说明

图1为现有技术中采用的中频移相结构；

其中，图1(a)是基于中频移相结构的毫米波相控阵接收机方案图；图1(b)是一种现有毫米波宽带接收前端方案图；

图2是本发明一种硅基毫米波接收前端电路图；

图3是本发明一种硅基毫米波接收前端电路的正交耦合级的结构图；

图4是本发明一种硅基毫米波接收前端电路的I/Q两路增益/相位随中频频率变化图；

其中，图4(a)为传输到直通端口(P2)这一路信号的增益，图4(b)为传输到耦合端口(P3)这一路信号的增益；

图5是本发明一种硅基毫米波接收前端电路的噪声指数随中频频率变化图；

图6是本发明一种硅基毫米波接收前端电路的线性度图；

图7是本发明一种硅基毫米波接收前端电路的输入反射系数随射频频率变化结果；

图8是本发明一种硅基毫米波接收前端电路I/Q两路增益随射频频率变化结果。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图1-8对本发明内容进一步阐释。

如图2所示为本发明提出的一种硅基毫米波接收前端电路图，本发明的技术方案为：一种毫米波接收前端，包括：共源共栅低噪声放大器、跨导输入级、正交耦合级、开关混频级和输出负载级。其中，共源共栅低噪声放大器接收射频电压信号，将射频电压信号放大，输入至跨导输入级；跨导输入级将射频电压信号转换为射频电流信号，然后输入至正交耦合级；正交耦合级将电流信号转化为两路大小相等、相位差为90度的信号，输入至开关混频级；由开关混频级将电流信号进行周期性换向，使频率从射频变换到中频，完成频率变换，再将中频电流信号传输至输出负载级；最后输出负载级将中频电流信号转换为输出中频电压信号。另外需要注意的是，尽管正交耦合级引入了约3dB的插入损耗，但是得益于前级低噪声放大器的增益，接收前端的噪声指数依然不会显著恶化。

具体地，共源共栅低噪声放大器的输入阻抗为

其中，复变量单位s＝jω，ω为角频率,g_m1为第一晶体管M₁的跨导，在谐振频率下，第一电感L₁、第二电感L₂与第一晶体管M₁的栅极-源极寄生电容C_gs1、电容C₁产生谐振，s(L₁+L₂)与1/s(C_gs+C₁)抵消，等效的输入阻抗为g_mL₂/(C_gs+C₁)，为达到输入匹配，输入阻抗需要达到50欧姆，在中心频率ω₀下，则

共源共栅低噪声放大器采用了电感源端负反馈，可以通过选择电感大小来控制阻抗实数部分的值。电容C₁叠加在第一晶体管M₁的栅极-源极寄生电容C_gs1中，来调谐M1晶体管的噪声阻抗，实现噪声匹配。如图3所示给出的小信号等效电路结构图，进一步地，第二晶体管M₂又构成另一级共源放大器，来进一步提升增益。在M₂的漏端，第四电感L₄与第二电容C₂形成的谐振既增加了中心频率处的增益又提高了带通滤波能力。低噪声放大器的输出端采用变压器耦合的方式实现了电压变换，将输出的电压传输到混频器的跨导输入级。整体上，基于共源共栅结构的低噪声放大器，实质上包含了两级共源放大器，增益表示为A_tot,lna＝A_1st×A_2nd，A_1st表示第一晶体管M₁构成的第一级共源放大器，A_2nd表示第二晶体管M₂构成的第二级共源放大器。

混频器的跨导输入级节点采用了第四电感L₄、第五电感L₅的变压器耦合的结构，该节点寄生电容被变压器分隔成两部分，每个电感的等效谐振电容变小，对峰值阻抗有利。而且在两个LC谐振网络之间添加互感之后，新的耦合谐振频率可以远高于原有的LC谐振频率，这相当于可以用更大的电感，起到提高峰值阻抗的作用。

如图3所示为本发明一种硅基毫米波接收前端电路的正交耦合级的框图，图中两个电感L₆和L₇互相耦合，耦合系数为k₂，可以得到L₆和C₅与终端特征阻抗Z₀之间的关系：

如果满足上述条件，当激励被施加到输入端口(P1)时，信号被分成两路信号，分别被传输到直通端口(P2)和耦合端口(P3)，大小相等，相位相差90度，并且没有能量流过隔离端口(P4)。通过在混频器中使用正交耦合级，实现了信号的相位变换，同时不改变信号大小。并且在一个混频器实现了两路输出，电路结构比较简单，使得功耗降低。

第九晶体管M₉、第十晶体管M₁₀用作电流源，用于独立控制通过跨导输入级和开关混频级的直流电流量，减少了流过开关混频级的直流电流，还能够实现更小的晶体管尺寸，同时显著提高了开关效率并且还降低了开关混频级的闪烁噪声。

本发明采用180nm CMOS工艺进行设计，使用SpectreRF软件仿真，并使用了ADS的Momentum对电感进行了建模和仿真，得到了EM模型，将电感模型导入Cadence，进行了版图后仿真。接收前端工作在1.5V电压下，功耗为17.3mW。硅基毫米波接收前端电路的增益如图4所示，在28GHz本振频率附近的100MHz中频范围内观察到接收前端两路的增益，如图4(a)与图4(b)所示两路信号的增益大致相等，大小为18.1dB，相位差呈现90度的正交特征。此外，已经对接收前端的噪声性能进行了仿真，图5展示了当本振频率固定在28GHz附近时，本发明的接收前端的噪声指数相对于中频频率的变化，接收前端在0～300MHz频率范围内噪声指数不高于5.32dB。如图6所示，为接收前端的线性度图，双音测试表明了IIP3为-8.5dBm。图7给出了接收前端电路的输入反射系数结果。图8展示了I/Q两路增益在28GHz射频中心频率处，匹配良好。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种硅基毫米波接收前端电路，其特征在于，包括：共源共栅低噪声放大器、跨导输入级、正交耦合级、开关混频级和输出负载级，共源共栅低噪声放大器接收射频电压信号，将射频电压信号放大后输入至跨导输入级；跨导输入级将放大后的射频电压信号转换为射频电流信号，然后输入至正交耦合级；正交耦合级将射频电流信号转化为大小相等、相位差为90度的两路电流信号，输入至开关混频级；由开关混频级将两路电流信号进行周期性换向，使频率从射频变换到中频，再将得到的中频电流信号传输至输出负载级；最后输出负载级将中频电流信号转换为输出中频电压信号。

2.根据权利要求1所述的一种硅基毫米波接收前端电路，其特征在于，所述共源共栅低噪声放大器包括：第一晶体管M₁、第二晶体管M₂、第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃、第四电感L₄、第五电感L₅、第一电容C₁、第二电容C₂、第三电容C₃、第四电容C₄、第一电阻R₁、第二电阻R_b；所述第一电感L₁的第一端接射频输入电压信号V_RFin，第二端接第一晶体管M₁的栅极，所述第一电容C₁连接在第一晶体管M₁的栅极和源极之间，所述第一晶体管M₁的源极经第二电感L₂接地，第一晶体管M₁的漏极先经第三电感L₃接第二晶体管M₂的源极，第一晶体管M₁的漏极又经第三电容C₃接第二晶体管的栅极；所述第二晶体管M₂栅极经第二电阻R_b接供电电压V_DD，所述第四电容C₄的第一端接地，第四电容C₄的第二端接第二晶体管M₂的源极，所述第四电感L₄的第一端接第二晶体管M₂的漏极，第二电容C₂的第一端接第二晶体管M₂的漏极，第一电阻R₁的第一端接第二晶体管M₂的漏极；第四电感L₄、第二电容C₂、第一电阻R₁的第二端接供电电压V_DD，所述第五电感L₅的第一端接供电电压V_DD，第五电感L₅的第二端作为共源共栅低噪声放大器的输出端；第四电感L₄与第五电感L₅互相耦合，耦合系数为k₁。

3.根据权利要求2所述的一种硅基毫米波接收前端电路，其特征在于，所述跨导输入级包括：第六电阻R_a、第七电容C_b、第三晶体管M₃、第四晶体管M₄，所述第三晶体管M₃的源极接地，第三晶体管M₃的栅极接第七电容C_b的第二端，第七电容C_b的第一端接第五电感L₅的第二端即共源共栅低噪声放大器的输出端，另外第三晶体管M₃的栅极又接第六电阻R_a的第二端，第六电阻R_a的第一端接偏置电压V₁，第三晶体管M₃的漏极作为跨导输入级的第一输出端；所述第四晶体管M₄的栅极接偏置电压V₂，第四晶体管M₄的源极接地，第四晶体管M₄的漏极作为跨导输入级的第二输出端。

4.根据权利要求3所述的一种硅基毫米波接收前端电路，其特征在于，所述正交耦合级包括：第六电感L₆、第七电感L₇、第五电容C₅、第六电容C₆；所述第六电感L₆的第一端接第三晶体管M₃的漏极，第五电容C₅的第一端接第三晶体管M₃的漏极；所述第七电感L₇的第一端接第四晶体管M₄的漏极，第六电容C₆的第一端接第四晶体管M₄的漏极；所述第七电感L₇的第二端接第五晶体管M₅的源极，第五电容C₅的第二端接第六晶体管M₆的源极；所述第六电感L₆的第二端接第七晶体管M₇的源极，第六电容C₆的第二端接第八晶体管M₈的源极；第六电感L₆与第七电感L₇互相耦合，耦合系数为k₂。

5.根据权利要求4所述的一种硅基毫米波接收前端电路，其特征在于，所述开关混频级包括第五晶体管M₅、第六晶体管M₆、第七晶体管M₇、第八晶体管M₈、第九晶体管M₉、第十晶体管M₁₀；

所述第五晶体管M₅的源极和第六晶体管M₆的源极均与第九晶体管M₉的漏极相接，所述第七晶体管M₇的源极和第八晶体管M₈的源极均与第十晶体管M₁₀的漏极相接；所述第五晶体管M₅的漏极接I路中频输出交流信号输出端口V_IF1+，所述第五晶体管M₅的栅极接本振输入电压信号V_LO+；所述第六晶体管M₆的漏极接I路中频交流信号输出端口V_IF1-，所述第六晶体管M₆的栅极接本振大信号输入端口V_LO-；所述第七晶体管M₇的漏极接Q路中频交流信号输出端口V_IF2+，所述第七晶体管M₇的栅极接本振输入电压信号V_LO-；第八晶体管M₈的漏极接Q路中频交流信号输出端口V_IF2-，第八晶体管M₈的栅极接本振大信号输入端口V_LO+；所述第九晶体管M₉的源极接供电电压V_DD，第九晶体管M₉的栅极接偏置电压V_b1，所述第十晶体管M₁₀的源极接供电电压V_DD，栅极接偏置电压V_b2。

6.根据权利要求5所述的一种硅基毫米波接收前端电路，其特征在于，所述输出负载级包括第二电阻R₂、第三电阻R₃、第四电阻R₄、第五电阻R₅；所述第二电阻R₂的第一端接第五晶体管M₅的漏极，第二电阻R₂的第二端接供电电压V_DD，所述第三电阻R₃的第一端接第六晶体管M₆的漏极，第三电阻R₃的第二端接供电电压V_DD；所述第四电阻R₄的第一端接第七晶体管M₇的漏极，第四电阻R₄的第二端接供电电压V_DD，所述第五电阻R₅的第一端接第八晶体管M₈的漏极，第五电阻R₅的第二端接供电电压V_DD。

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