CN113328757A - 一种数字射频发射机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种数字射频发射机，包括数字逻辑混频器、数字功率放大器和天线，所述数字逻辑混频器的输出端连接所述数字功率放大器的输入端，所述数字功率放大器的输出端与所述天线连接，所述数字逻辑混频器用于将输入到所述数字射频发射机的基带数据和射频本振时钟信号进行逻辑混频以生成射频数据，所述数字功率放大器用于将所述射频数据转换为模拟功率信号，所述天线用于将所述模拟功率信号发射出去。本发明提出的数字射频发射机可有效地减小电路版图面积和电路运行的消耗。

Description

一种数字射频发射机
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种数字射频发射机。
背景技术
无线射频通讯在日常生活中的应用越来越广泛。运用于不同应用的无线射频协议如wifi、蓝牙、超宽带(UWB)等的实现依赖于无线射频信号的接收及发射芯片。如图1所示，传统的无线射频发射芯片架构包括数模转换电路(DAC)101、低通滤波器(LPF)102、混频器(Mixer)103、功率放大器104及天线105等；而上述各模块通常由模拟电路的方法实现。电路结构复杂，版图所需要面积大，且运行时功耗较多。另外模拟电路产生的噪声，混频器输入端RF时钟对混频器输出的泄漏，会影响到射频发射机输出发射信号的质量。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
为了解决上述传统射频发射机的问题，本发明提出一种数字射频发射机，可有效地减小电路版图面积和电路运行的消耗。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明公开了一种数字射频发射机，包括数字逻辑混频器、数字功率放大器和天线，所述数字逻辑混频器的输出端连接所述数字功率放大器的输入端，所述数字功率放大器的输出端与所述天线连接，所述数字逻辑混频器用于将输入到所述数字射频发射机的基带数据和射频本振时钟信号进行逻辑混频以生成射频数据，所述数字功率放大器用于将所述射频数据转换为模拟功率信号，所述天线用于将所述模拟功率信号发射出去。
优选地，输入到所述数字射频发射机的所述基带数据是通过数字滤波算法进行数字滤波后的数据。
优选地，所述数字逻辑混频器包括第一逻辑与门和第一多路选择器，其中所述第一逻辑与门的第一输入端为所述基带数据，第二输入端连接所述第一多路选择器的输出端，输出端输出所述射频数据；所述第一多路选择器的第一输入端连接所述射频本振时钟信号，第二输入端连接所述射频本振时钟信号的反相信号；所述第一多路选择器用于根据所述基带数据的符号位选择所述射频本振时钟信号或者所述射频本振时钟信号的反相信号。
优选地，所述数字逻辑混频器还包括第二逻辑与门和第二多路选择器，其中所述第二逻辑与门的第一输入端为所述基带数据，第二输入端连接所述第二多路选择器的输出端，输出端输出所述射频数据；所述第二多路选择器的第一输入端连接所述射频本振时钟信号的反相信号，第二输入端连接所述射频本振时钟信号；所述第二多路选择器用于根据所述基带数据的符号位选择所述射频本振时钟信号的反相信号或者所述射频本振时钟信号。
优选地，所述数字功率放大器包括变压器和2n-1个相同的放大器单元，其中n为所述射频数据的位数，且第i位射频数据控制2i个放大器单元，0≤i≤n-1。
优选地，每个放大器单元包括开关管、电流调节模块和隔离模块，所述开关管的输入端连接所述射频数据，所述电流调节模块与所述开关管连接以用于调节各个所述放大器单元的电流，所述隔离模块连接在所述变压器的输入端和所述开关管的输出端之间以用于隔离所述开关管和所述变压器。
优选地，每个放大器单元包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管和第四MOS管，所述第一MOS管和所述第二MOS管的栅极分别连接所述射频数据，所述第三MOS管和所述第四MOS管的栅极分别连接电压VB，所述第一MOS管的源漏极分别连接接地和所述第三MOS管，所述第二MOS管的源漏极分别连接接地和所述第四MOS管，所述第三MOS管的源漏极分别连接所述第一MOS管和正端输出VOP，所述第四MOS管的源漏极分别连接所述第二MOS管和负端输出VON，正端输出VOP和负端输出VON分别连接所述变压器的原端的正负端；其中，第i位射频数据控制的2i个所述放大器单元中的各个相对应的MOS管的栅极分别各自连接。
优选地，电压VB为固定电源电压端或者可调节大小的电源电压端，其中电压VB为固定电源电压端时，所述变压器的电源电压为可调节大小的电源电压端。
优选地，所述数字功率放大器还包括电流镜，每个放大器单元中还包括第五MOS管，所述电流镜由一个第六MOS管和各个放大器单元中包含的第五MOS管组成，所述第五MOS管的源漏极连接在所述第一MOS管、所述第二MOS管和接地之间，所述第五MOS管的栅极连接所述第六MOS管的栅极，所述第六MOS管的源漏极分别连接接地和第五、六MOS管的栅极及偏置电流；其中，第i位射频数据控制的2i个所述放大器单元中的第五MOS管的栅极分别各自连接。
优选地，所述第一MOS管和所述第二MOS管采用薄氧低压管，所述第三MOS管和所述第四MOS管分别采用厚氧中压管。
优选地，第一MOS管和所述第二MOS管的寄生电容小于所述第三MOS管和所述第四MOS管的寄生电容。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明公开的数字射频机，采用模块的数字方式来实现逻辑混频和功率放大，可以有效地减小电路版图面积和电路功耗。
在进一步的方案中，数字逻辑混频器中包含数字逻辑门结构，可有效避免时钟泄露到功率放大器输出，提高射频发射机输出发射信号的质量。数字功率放大器合并了数模转换器和功率放大器的动能，简化了射频发射机的结构；而且射频发射机的数字基带输入数据可以为数字滤波后的数据，节省了模拟滤波器的成本。
在进一步的方案中，第一MOS管和第二MOS管采用薄氧低压管，可以有效地减小射频数据所驱动的容性负载；第三MOS管和第四MOS管采用厚氧中压管，可以隔离低压管与变压器以保护低压管的工作安全。
附图说明
图1是传统的射频发射机的结构示意图；
图2是本发明优选实施例的数字射频发射机的结构示意图；
图3是本发明优选实施例的数字逻辑混频器的电路结构示意图；
图4是图3中的数字逻辑混频器的输入输出信号示意图；
图5是本发明一个实施例的数字功率放大器的结构示意图；
图6是本发明另一个实施例的数字功率放大器的结构示意图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于电路/信号连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
如图2所示，本发明优选实施例公开了一种数字射频发射机，包括数字逻辑混频器10、数字功率放大器20和天线30，数字逻辑混频器10的输出端连接数字功率放大器20的输入端，数字功率放大器20的输出端与天线30连接，数字逻辑混频器201用于将输入到数字射频发射机的基带数据和射频本振时钟信号进行逻辑混频以生成射频数据，数字功率放大器20用于将射频数据转换为模拟功率信号，天线30用于将模拟功率信号发射出去。
如图3所示，数字逻辑混频器20包括n个第一逻辑与门21和n个第一多路选择器22，n个第一逻辑与门21可分别将基带数据an-1…a0混频到射频数据bn-1…b0；其中第一逻辑与门21的第一输入端为某一位基带数据ai，第二输入端连接第一多路选择器22的输出端，输出端输出对应的某一位射频数据bi；第一多路选择器22的第一输入端(0端)连接射频本振时钟信号clk，第二输入端(1端)连接射频本振时钟信号的反相信号
Figure BDA0003143460860000051
第一多路选择器22根据基带数据ai的符号位s选择射频本振时钟信号clk或者所述射频本振时钟信号的反相信号
Figure BDA0003143460860000052
bi的频率为射频本振时钟频率，bi的相位体现了输入的基带数据ai的符号。
对于差分输出的射频发射机来说，需要同时输出射频数据bi和
Figure BDA0003143460860000053
进一步地，数字逻辑混频器20还包括n个第二逻辑与门23和n个第二多路选择器24，n个第二逻辑与门23可分别将基带数据an-1…a0混频到射频数据
Figure BDA0003143460860000054
其中第二逻辑与门23的第一输入端为某一位基带数据ai，第二输入端连接第二多路选择器24的输出端，输出端输出对应的某一位射频数据
Figure BDA0003143460860000055
第二多路选择器24的第一输入端(0端)连接射频本振时钟信号的反相信号
Figure BDA0003143460860000056
第二输入端(1端)连接射频本振时钟信号clk；第二多路选择器24根据基带数据ai的符号位s选择射频本振时钟信号的反相信号
Figure BDA0003143460860000057
或者所述射频本振时钟信号clk。
Figure BDA0003143460860000058
的频率为射频本振时钟频率，
Figure BDA0003143460860000059
的相位体现了输入的基带数据ai的符号。
Figure BDA00031434608600000510
为反相的射频输出信号，其相位与正向的射频输出信号bi相反，如图4所示。
数字功率放大器20结合了数模转换器和功率放大器的功能，它将输入的射频数据bn-1…b0转换为模拟功率信号，通过天线30发射出去。对于n位输入射频数据来说，数字功率放大器20含有2n-1个相同的放大器单元，第i位射频数据bi控制2i个放大器单元，对应于第i位射频数据bi的权重，从而实现模拟到数字转换的功能，其中0≤i≤n-1。
如图5所示，绘示了本发明一个实施例的电流型差分数字功率放大器的电路结构，该数字功率放大器包括变压器、电流镜、2n-1个相同的放大器单元，每个放大器单元包括第一MOS管Mi1、第二MOS管Mi2、第三MOS管Mi3、第四MOS管Mi4和第五MOS管Mi0，电流镜由一个第六MOS管Msrc和各个放大器单元的第五MOS管Mi0(0≤i≤n-1)组成以将偏置电流ibias镜像复制到各个放大器单元中。其中，第i位射频数据控制的2i个放大器单元中的各个相对应的MOS管的栅极分别各自连接(也即，第i位射频数据控制的2i个放大器单元中的第一MOS管Mi1的栅极均相互连接，第二MOS管Mi2的栅极均相互连接，第三MOS管Mi3的栅极均相互连接，第四MOS管Mi4的栅极均相互连接，第五MOS管Mi0的栅极均相互连接)；第五MOS管的栅极连接第六MOS管的栅极，第六MOS管的源漏极分别连接接地和第五、六MOS管的栅极及偏置电流，第五MOS管Mi0的源漏极中一端连接接地，另一端连接第一MOS管Mi1和第二MOS管Mi2；第一MOS管Mi1的栅极连接射频数据bi，第一MOS管Mi1的源漏极分别连接第五MOS管Mi0和第三MOS管Mi3；第二MOS管Mi2的栅极连接射频数据
Figure BDA0003143460860000061
第二MOS管Mi2的源漏极分别连接第五MOS管Mi0和第四MOS管Mi4；第三MOS管Mi3和第四MOS管Mi4的栅极连接电压VB(在本实施例中，电压VB默认是一个固定的值，电流是通过电流镜来调节)，第三MOS管Mi3的源漏极分别连接第一MOS管Mi1和正端输出VOP，第四MOS管Mi4的的源漏极分别连接第二MOS管Mi2和负端输出VON；正端输出VOP和负端输出VON分别连接变压器的原端的正负端，变压器的原端的电源电压为VCC。
该数字功率放大器的电路可以通过调节偏置电流ibias来控制各个放大器单元的电流，从而改变输出信号的功率。其中，中间的第一MOS管Mi1和第二MOS管Mi2用作开关管，射频数据bi和
Figure BDA0003143460860000062
分别连接两个MOS管的栅极，以控制该单元中第五MOS管Mi0的偏置电流流向差分功率放大器的正端输出VOP或负端输出VON。所有放大器单元的输出端接在一起，从而产生射频数据bn-1…b0所代表的模拟电流信号，进而驱动变压器原端，变压器副端产生的感应电压电流驱动天线以发射出bn-1…b0所代表的射频信号。
由于射频数据bi和
Figure BDA0003143460860000063
的频率为射频本振时钟频率，其频率较高(例如对UWB应用来说，频率最高可达9.48GHz)，因此，限制了射频输入数据所能驱动的容性负载的大小。在本实施中，第一MOS管Mi1和第二MOS管Mi2用薄氧低压管实现，低压MOS管使用工艺中的最小的沟道长度，也同时相应的减小了为实现一定驱动能力的沟道宽度，从而有效地减小MOS管尺寸和寄生电容的大小。因而使用低压管可以减小射频数据bi和
Figure BDA0003143460860000064
所驱动的容性负载。具体地，低压MOS管所能使用的最小尺寸和工艺有关，比如40nm工艺的沟道长度最小约为40nm，22nm工艺的沟道长度最小约为25nm；沟道长度减小，MOS管的面积减小，相应的寄生电容也会减小；再比如22nm，使用0.8V低压管的沟道长度最小约是25nm，使用3.3V中压管的沟道长度最小要550nm，面积和寄生电容上要大几十倍不止。
功率放大器的输出信号电压幅度决定输出功率，大输出功率的应用要求变压器的原端的电源电压为VCC可能会超过低压管的耐压。因此，在本实施例中，第三MOS管Mi3和第四MOS管Mi4采用厚氧3.3V中压管，用以隔离下层低压管与上层变压器，厚氧3.3V中压管限制了下层低压管的源漏间的电压不超过其耐压值，从而保护下层的低压管的工作安全。
本实施例中第一MOS管Mi1和第二MOS管Mi2采用的薄氧低压管，第三MOS管Mi3和第四MOS管Mi4采用的厚氧中压管，其中低压管和中压管的电压范围根据工艺不同而不同，本领域技术人员可以理解该低压管即为通常使用的core device(芯片内部所使用的器件)，中压管为通常使用的I/O device(芯片与外部接口交互时所使用的器件)。例如在常使用的tsmc40nm的工艺中，有0.9V、3.3V、5V的MOS管，即MOS管工作的典型电压值分别为0.9V、3.3V、5V，通常将0.9V的MOS管称为低压管，将3.3V的MOS管称为中压管；而通常0.9V的MOS管的栅极和沟道之间的二氧化硅较薄，3.3V的MOS管的栅极沟道之间的二氧化硅较厚，所以区分为薄氧低压管和厚氧中压管，至于具体的厚度视工艺参数而定。
如图6所示，绘示了本发明另一个实施例的电流型差分数字功率放大器的电路结构，本实施例中，电流镜中的第五MOS管Mi0与第三MOS管Mi3、第四MOS管Mi4合并，通过第三MOS管Mi3、第四MOS管Mi4的栅极电压VB控制流过该放大器单元的电流以实现直接通过电压VB调节偏置电流，并进一步通过调节电压VB的大小可改变数字射频发射机的输出功率。也即，在本实施例中数字功率放大器不包含电流镜，且第一MOS管Mi1、第二MOS管Mi2的源漏极的一端直接接地。在此基础上，在另外一些实施例中，还可以将电压VB接入某一固定电源电压，靠各支路所连接的MOS管的导通电阻产生支路偏置电流；调节变压器的电源电压VCC，可改变支路偏置电流的大小，从而控制发射机输出功率。
本发明的实施例中，该数字射频发射机将数模转换器和功率放大器合并设计为数字功率放大器，简化了射频发射机的结构，其中低通滤波器可在数字域通过数字滤波算法实现。射频发射机的数字基带输入数据为数字滤波后的数据，从而可以节省模拟滤波器的成本。射频混频电路也通过数字方式实现，发射基带数字输入数据和射频时钟通过数字逻辑门混频；数字逻辑门可有效地避免时钟泄露到功率放大器输出。且模块的数字方式实现可进一步减小电路版图面积和电路功耗。
本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不是由其他人描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

Claims (10)

1.一种数字射频发射机，其特征在于，包括数字逻辑混频器、数字功率放大器和天线，所述数字逻辑混频器的输出端连接所述数字功率放大器的输入端，所述数字功率放大器的输出端与所述天线连接，所述数字逻辑混频器用于将输入到所述数字射频发射机的基带数据和射频本振时钟信号进行逻辑混频以生成射频数据，所述数字功率放大器用于将所述射频数据转换为模拟功率信号，所述天线用于将所述模拟功率信号发射出去。
2.根据权利要求1所述的数字射频发射机，其特征在于，输入到所述数字射频发射机的所述基带数据是通过数字滤波算法进行数字滤波后的数据。
3.根据权利要求1所述的数字射频发射机，其特征在于，所述数字逻辑混频器包括第一逻辑与门和第一多路选择器，其中所述第一逻辑与门的第一输入端为所述基带数据，第二输入端连接所述第一多路选择器的输出端，输出端输出所述射频数据；所述第一多路选择器的第一输入端连接所述射频本振时钟信号，第二输入端连接所述射频本振时钟信号的反相信号；所述第一多路选择器用于根据所述基带数据的符号位选择所述射频本振时钟信号或者所述射频本振时钟信号的反相信号。
4.根据权利要求3所述的数字射频发射机，其特征在于，所述数字逻辑混频器还包括第二逻辑与门和第二多路选择器，其中所述第二逻辑与门的第一输入端为所述基带数据，第二输入端连接所述第二多路选择器的输出端，输出端输出所述射频数据；所述第二多路选择器的第一输入端连接所述射频本振时钟信号的反相信号，第二输入端连接所述射频本振时钟信号；所述第二多路选择器用于根据所述基带数据的符号位选择所述射频本振时钟信号的反相信号或者所述射频本振时钟信号。
5.根据权利要求1所述的数字射频发射机，其特征在于，所述数字功率放大器包括变压器和2n-1个相同的放大器单元，其中n为所述射频数据的位数，且第i位射频数据控制2i个放大器单元，0≤i≤n-1。
6.根据权利要求5所述的数字射频发射机，其特征在于，每个放大器单元包括开关管、电流调节模块和隔离模块，所述开关管的输入端连接所述射频数据，所述电流调节模块与所述开关管连接以用于调节各个所述放大器单元的电流，所述隔离模块连接在所述变压器的输入端和所述开关管的输出端之间以用于隔离所述开关管和所述变压器。
7.根据权利要求5所述的数字射频发射机，其特征在于，每个放大器单元包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管和第四MOS管，所述第一MOS管和所述第二MOS管的栅极分别连接所述射频数据，所述第三MOS管和所述第四MOS管的栅极分别连接电压VB，所述第一MOS管的源漏极分别连接接地和所述第三MOS管，所述第二MOS管的源漏极分别连接接地和所述第四MOS管，所述第三MOS管的源漏极分别连接所述第一MOS管和正端输出VOP，所述第四MOS管的源漏极分别连接所述第二MOS管和负端输出VON，正端输出VOP和负端输出VON分别连接所述变压器的原端的正负端；其中，第i位射频数据控制的2i个所述放大器单元中的各个相对应的MOS管的栅极分别各自连接。
8.根据权利要求7所述的数字射频发射机，其特征在于，电压VB为固定电源电压端或者可调节大小的电源电压端，其中电压VB为固定电源电压端时，所述变压器的电源电压为可调节大小的电源电压端。
9.根据权利要求7所述的数字射频发射机，其特征在于，所述数字功率放大器还包括电流镜，每个放大器单元中还包括第五MOS管，所述电流镜由一个第六MOS管和各个放大器单元中包含的第五MOS管组成，所述第五MOS管的源漏极连接在所述第一MOS管、所述第二MOS管和接地之间，所述第五MOS管的栅极连接所述第六MOS管的栅极，所述第六MOS管的源漏极分别连接接地和第五、六MOS管的栅极及偏置电流；其中，第i位射频数据控制的2i个所述放大器单元中的第五MOS管的栅极分别各自连接。
10.根据权利要求7至9任一项所述的数字射频发射机，其特征在于，所述第一MOS管和所述第二MOS管采用薄氧低压管，所述第三MOS管和所述第四MOS管分别采用厚氧中压管。
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