CN113796018B

CN113796018B - 多频带均衡器

Info

Publication number: CN113796018B
Application number: CN201980096207.4A
Authority: CN
Inventors: 亨利克·斯约兰达; 穆罕默德·阿布苏拉兹
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 2019-05-08
Filing date: 2019-05-08
Publication date: 2023-02-21
Anticipated expiration: 2039-05-08
Also published as: US20220231716A1; JP7313477B2; US20230327696A1; US11716108B2; EP3966940A1; JP2022532525A; WO2020224771A1; CN113796018A

Abstract

提供了用于调整接收机接收多频带频率信号的信号强度的片上多频带均衡器，该多频带均衡器包括多个串联连接的分接LC谐振器。分接LC谐振器可以是电容分接的或电感分接的，其中感兴趣的频带的频率和增益二者可以通过调谐可编程电容器的电容和/或选择电感器的分接端子来编程。多频带均衡器可以连接到信号节点，例如在接收机中的两个放大器之间。

Description

多频带均衡器

技术领域

本文的实施例涉及多频带均衡器。具体地，它们涉及用于调整通信设备中接收机接收多频带频率信号的信号强度的多频带均衡器。

背景技术

无线通信设备或装备通常包括收发机，该收发机包括发射机和接收机。发射机通常将基带信号上变频为射频(RF)信号以进行传输，并且接收机将所接收的RF信号下变频为基带信号以进行进一步处理。

在如蜂窝基站的无线设备中，存在朝向接收机和发射机的超宽带实现的趋势。还存在朝向更集成的解决方案(即使用集成电路在片上实现更多功能)的趋势。这些趋势旨在降低成本并提高解决方案的灵活性。根据该趋势，宽带集成的接收机将包括宽带放大器和模数转换器(ADC)。然而，并非所有频率都将用于通信，并且并非所有使用的频带将以相同的信号强度到达基站。为了解决这个问题，使用一些片外组件。这些是多频带滤波器，例如三工器、四工器等。然后，集成电路可以针对不同的滤波器通道具有单独的可变增益放大器(VGA)的特征，然后不同的滤波器通道被馈送到信号组合器。为了获得高性能，在多频带滤波器之前使用低噪声放大器(LNA)。因此信号路径在LNA输入处进入LNA芯片，存在LNA芯片以连接到多频带滤波器的输入，然后在多个VGA输入处再次进入VGA芯片。如果信号组合器可以在片上实现，则信号路径的其余部分将在片上。可以看出，均衡通道强度的成本相当高，其中信号路径在芯片外然后在芯片上具有多个通道，加上片外定制多频带滤波器的成本。由于具有固定频带的多频带滤波器，该解决方案的许多灵活性也丧失了。然而，在不均衡通道强度的情况下，ADC中需要附加的动态范围，这对于实现将非常具有挑战性，并且功耗成本高。如果基站中将使用不同频带，则需要替换多频带滤波器，并且需要新的定制滤波器设计。因此，使用具有固定频率的片外滤波器的多频带滤波器解决方案是不灵活的。该解决方案的另一个主要问题是噪声，因为在组合VGA的输出信号时，它们的噪声也将被组合。VGA将在其输出处产生噪声，这些噪声不仅出现在其自身通道的频率处，而且出现在其他通道处。由于多频带滤波器架构的信号组合，这个的结果是增加的有效接收机噪声系数。

发明内容

本文的实施例提供了一种用于调整信号强度的均衡器，在灵活性、成本、大小和/或噪声性能方面具有改进的性能。

根据本文实施例的一个方面，提供了一种用于调整接收机接收多频带频率信号的信号强度的多频带均衡器。多频带均衡器包括多个谐振器，每个谐振器具有第一端子、第二端子和第三端子。每个谐振器包括连接在第一端子和第二端子之间的电感器和串联连接在第一端子和第二端子之间的两个可编程电容器。两个可编程电容器的互连被分接并连接到第三端子。多个谐振器串联连接，使得前一谐振器的第三端子连接到后一谐振器的第一端子。当在接收机中使用时，第一个谐振器的第一端子连接到接收机的信号节点，并且最后一个谐振器的第三端子连接到信号接地，或者第一个谐振器的第一端子连接到信号接地，并且最后一个谐振器的第三端子连接到接收机的信号节点。

根据本文实施例的一个方面，提供了一种用于调整接收机接收多频带频率信号的信号强度的多频带均衡器。多频带均衡器包括多个谐振器，每个谐振器具有第一端子、第二端子和第三端子。每个谐振器包括连接在第一端子和第二端子之间的电感器。电感器具有两个或更多个具有不同电感的分接端子，两个或更多个分接端子选择性地连接到第三端子。每个谐振器还包括连接在第一端子和第二端子之间的可编程电容器。多个谐振器串联连接，使得前一谐振器的第三端子连接到后一谐振器的第一端子。当在接收机中使用时，第一个谐振器的第一端子连接到接收机的信号节点，并且最后一个谐振器的第三端子连接到信号接地，或者第一个谐振器的第一端子连接到信号接地，并且最后一个谐振器的第三端子连接到接收机的信号节点。

换言之，根据本文实施例的多频带均衡器包括多个串联连接的具有分接的电感器电容器(LC)谐振器。可以支持的同时频带的数量等于LC谐振器的数量。分接可以是电感的或电容的，并且是可编程的。每个频带的中心频率和增益二者可以通过调谐可编程电容器的电容和/或选择电感器的分接端子来调谐。通过使用可编程分接控制增益，可以在不影响谐振器的带宽的情况下改变增益。

根据本文实施例的多频带均衡器可以被包括在诸如LNA和VGA之类的宽带放大器的信号链中，其中两个放大器级之间的信号节点用于连接均衡器。第一个谐振器可以连接到信号节点，并且最后一个谐振器可以连接到信号接地。然后信号节点将看到可编程的阻抗，其中峰值位于谐振器的中心频率处。

根据本文的一些实施例的多频带均衡器是灵活的，因为频带的频率可以通过对电容编程来改变。通过使用分接而不是加载来控制增益，品质因数(即谐振器的带宽)与增益设置无关。

使用全无源均衡器结构导致高动态范围和低功耗。

根据本文实施例的多频带均衡器适用于片上集成。

可以通过在结构中包括更多谐振器来调整同时频带的数量。

在一些实施例中，可以使用单个放大器链，并且不需要具有与噪声问题相关的信号组合的并行路径。

因此，本文的实施例提供了在灵活性、成本、大小和/或噪声方面具有改进的性能的多频带均衡器。

附图说明

参考附图来更详细地描述本文实施例的示例，在附图中：

图1是根据本文第一实施例的多频带均衡器的示意图；

图2是根据本文第二实施例的多频带均衡器的示意图；

图3是其中实现了根据本文实施例的多频带均衡器的接收机前端的示意框图；

图4的a)和b)是根据本文实施例的差分多频带均衡器的示意图；

图5示出了根据本文实施例的具有电容分接的多频带均衡器的仿真结果；

图6示出了根据本文实施例的具有电感分接的多频带均衡器的频率调谐的仿真结果；

图7示出了根据本文实施例的具有电感分接的多频带均衡器的增益调谐的仿真结果；

图8示出了根据本文实施例的具有多频带均衡器的接收机前端的增益、噪声系数和输入匹配的仿真结果；

图9示出了根据本文实施例的具有多频带均衡器的接收机前端的三阶截取点IIP3和增益的仿真结果；

图10示出了根据本文实施例的具有分接头的示例电感器布局；以及

图11是示出了其中可以实现根据本文实施例的多频带均衡器的通信设备的框图。

具体实施方式

图1示出了根据本文第一实施例的用于调整接收机接收多频带频率信号的信号强度的多频带均衡器100。多频带均衡器包括多个(n个)谐振器101、102、103……。每个谐振器具有第一1端子、第二2端子和第三3端子。每个谐振器包括连接在第一端子和第二端子之间的电感器Ln(n＝1,2,3...)以及串联在第一端子和第二端子之间的两个可编程电容器Cn1/Cn2，n＝1,2,3...。两个可编程电容器的互连被分接并连接到第三端子。

多个谐振器串联连接，使得前一谐振器的第三端子连接到后一谐振器的第一端子。例如，第一谐振器101的第三端子连接到第二谐振器102的第一端子，等等。

图2示出了根据本文第二实施例的用于调整接收机接收多频带频率信号的信号强度的多频带均衡器200。

多频带均衡器200包括多个(n个)谐振器201、202、203……。每个谐振器具有第一1端子、第二2端子和第三3端子。每个谐振器包括连接在第一端子和第二端子之间的电感器Ln(n＝1,2,3...)，其中，电感器具有两个或更多个具有不同电感的分接端子。两个或多个分接端子选择性地连接到第三端子。

每个谐振器还包括连接在第一端子和第二端子之间的可编程电容器Cn，n＝1,2,3...。

多个谐振器201、202、203串联连接，使得前一谐振器的第三端子连接到后一谐振器的第一端子。例如，第一谐振器201的第三端子连接到第二谐振器202的第一端子，等等。

当多频带均衡器100、200在接收机中使用时，第一个谐振器的第一端子可以连接到接收机的信号节点，并且最后一个谐振器的第三端子可以连接到信号接地，或反过来，第一个谐振器的第一端子可以连接到信号接地，并且最后一个谐振器的第三端子可以连接到接收机的信号节点。

多频带均衡器100、200可以被包括在诸如LNA和VGA的宽带放大器的信号链中，其中两个放大器级之间的信号节点可以用于连接均衡器。图3示出了示例接收机架构，其中在VGA之后使用多频带均衡器100、200。多频带均衡器100、200可以与其他放大器电路LNA、VGA、AMP一起集成在芯片上。

分接电感器结构可用于通过均衡器将偏置电流馈送到信号节点。这意味着均衡器可以用作放大器级的负载。

在下文中将参考图1说明多频带均衡器100、200的原理操作。可以看出，多频带均衡器100具有3个分接谐振器，每个分接谐振器包括一个电感器Ln和两个电容器Cn1、Cn2。谐振器具有高阻抗的并联谐振频率等于

谐振时谐振器的阻抗等于

R_n＝2π·f_res,n·L_n.Q_n (2)

其中Qn是LC谐振器的品质因数。对于片上实现，这通常约在10的数量级，但存在对芯片面积和调谐范围的权衡。

在谐振频率处在均衡器输入处看到的该阻抗的量取决于谐振器中分接头的设置，即Cn1和Cn2的比率。在该频率处，其他谐振器是非谐振的，并且它们的串联连接将提供低附加阻抗。因此，某个频带中的总均衡器阻抗将由该频带的谐振器及其分接设置来设置。在远离任何谐振器的谐振的频率处，如在感兴趣的频带之间，所有串联连接的谐振器都提供低阻抗。然后均衡器的总阻抗变低，带间干扰信号通过均衡器接地，从而抑制带间干扰的信号电平。这种频率处的干扰将需要较少的ADC中的余量并导致较少的互调失真。

因此，根据本文的实施例，实现了适合于片上集成的可调谐多频带均衡器。多频带均衡器100、200包括多个串联连接的分接LC谐振器，以便可以调谐每个频带的中心频率和增益二者。通过调谐多个谐振器中的可编程电容器的电容，增益和谐振频率二者是可调谐的。对于每个谐振器，该谐振器的增益和谐振频率通过在该谐振器中调谐可编程电容器的电容和/或选择电感器的分接端子是可调谐的。可以支持的同时频带的数量等于谐振器的数量。当可调谐多频带均衡器100、200连接到接收机中的信号节点时，信号节点然后将看到可编程的阻抗(峰值位于谐振器的中心频率处)，峰值的幅度通过电感器分接点选择或电容比率设置来控制。

如图1和图2所示，分接可以是电感的或是电容的。在电感分接的情况下，每个电感器都具有由开关选择的多个分接头，而在电容分接的情况下，每个谐振器中使用两个串联连接的可编程电容器，其中分接头介于两者之间。

对于电感分接，谐振频率使用可编程电容器Cn设置，并且增益通过对电感分接头进行编程设置。因此，频率和增益的调谐被分离到两个不同的组件，以便这两个参数可以被独立地调谐。由于同时调谐范围相冲突，这提供了更容易的电路控制和更少的权衡。然而，将导致稍微更复杂的电感器布局。然而，因为无论如何通常都不需要最高品质因数，所以这可以在没有显著折衷的情况下实现。

在电容分接的情况下，谐振频率和增益二者由电容器设置，因此在通过改变电容器Cn1、Cn2之间的比率来控制增益时，仍必须保持串联连接的电容器的电容，以免改变谐振频率，反之亦然。在这种情况下，两个参数的同时调谐范围中将存在一些限制(对于电感分接不存在)，但另一方面，在电容分接的情况下，电感器具有更简单的布局。

图1和图2中所示的多频带均衡器100、200是单端的。根据本文的一些实施例，差分多频带均衡器可以包括多频带均衡器100、200中的两个。图4示出了包括具有电容分接的多频带均衡器100中的两个的差分多频带均衡器的示例，其中a)示出了包括两个单端均衡器的伪差分多频带均衡器401，其中两个对应谐振器中的电感器是分开实现的，并且b)示出了差分多频带均衡器402，其中两个对应谐振器中的电感器对通过变压器T1、T2、T3实现以节省芯片面积。类似地，差分多频带均衡器可以包括具有电感分接的多频带均衡器200中的两个，其中两个对应谐振器中的电感器对可以分开实现或通过变压器实现。

为了评估和展示多频带均衡器100、200、401、402的性能，对宽带接收机执行仿真，例如2至6.5GHz，具有3个同时频带。图5中示出了具有电容分接的多频带均衡器100的仿真结果，其中上图示出了第一频带(例如2-3.2Ghz)的调谐，中间图示出了第二频带(例如3.5-5GHz)的调谐，并且下图示出了第三频带(例如5.4-7.5GHz)的调谐。从图中可以看出，每个频带的频率和增益可以在不影响其他频带的情况下进行配置。频率/幅度控制不是正交的，但这是一个小问题，可以在均衡器的控制器中在数字域中解决。然而，频率和增益的同时调谐范围中将存在限制。

图6和图7中示出了具有电感分接的多频带均衡器200的仿真结果，其中图6示出了每个频带的频率调谐，并且图7示出了每个频带的增益调谐。从图中可以看出，每个频带的频率/幅度可以在不影响其他两个频带的情况下被独立地控制。图中清楚的是，正交频率/幅度配置是固有地实现的。

已经在接收机前端执行了仿真，其中在VGA之后添加了多频带分接电感均衡器200，如图3所示。为了比较性能，多频带均衡器200被断开连接并被替换为170Ω电阻器，大约是均衡器在谐振时的最大阻抗。图8示出了接收机增益(顶部两条曲线)、噪声系数(NF)(中间曲线)和输入匹配(S11)(底部曲线)的仿真结果。从图中可以看出，均衡器对NF和输入匹配的影响可以忽略不计，同时根据需要引入三个通带。

多频带均衡器100、200、401、402由无源元件(包括用作开关的晶体管)实现，因此是线性的。为了研究包括多频带均衡器在内的接收机链的线性度，在音频间隔等于20MHz的情况下执行了双音仿真。两个音调的频率扫过期望的RF频率，例如从2到6GHz。图9中示出了仿真结果。该图示出了接收机前端的三阶截取点IIP3和增益二者。可以清楚地看到，IIP3通过均衡器阻带滤波得到改善，即不同频率处的陷波深度，例如在2.8GHz、4.2GHz处左右。

因此，根据本文的一些实施例，多频带均衡器100、200的频率陷波可以通过调谐可编程电容器的电容和/或选择多个谐振器中的电感器的分接端子来进行控制。

基于电容分接或电容分压器的均衡器的实现是直接的。它可以基于开关电容器，其中使用金属氧化物半导体(MOS)晶体管将电容器切换入或切换出均衡器。通过以这种方式对电容值进行编程，可以控制设置谐振频率的有效电容和设置增益的电容器比率二者。选择电容器的调谐范围以同时覆盖频率和增益范围二者，然后在数字控制中选择合适的比特数以提供所需的分辨率。另一方面，分接电感器实现需要针对所需的增益步长和范围进行更仔细的设计。这是因为增益步长的数量与电感器布局直接相关，其中许多增益步长需要具有许多分接头的电感器。图10中示出了分接电感器的可能实现的示例，其中电感器可以在最高金属层中实现并且第二高层中的迹线可以用于分接头。可以看出，在该示例中存在5个分接头。

总而言之，本文的实施例提供了用于在宽带接收机中使用的片上多频带均衡器，其中可以对感兴趣的频带的频率和增益二者进行编程。多频带均衡器可以连接到信号节点，例如在接收机中的两个放大器级之间。然后它选择感兴趣的频带，并且可以在不改变带宽的情况下使用谐振器的可编程分接头对它们的增益进行编程。通过串联连接分接LC谐振器，级之间不需要缓冲器，并且多频带均衡器的全无源结构提供高动态范围和极低的功耗。使用电感分接，可以独立地控制增益和频率。根据本文实施例的多频带均衡器通过均衡感兴趣的信号的信号强度来减少由于干扰引起的互调失真，并减少ADC中所需的动态范围。此外，可以使用单个放大器链，并且不需要具有与噪声问题相关的信号组合的并行路径。

多频带均衡器100、200、401、402可以用在各种集成电路、电子电路或设备、通信设备或装置中。图11示出了电子设备1100的框图。电子设备1100包括收发机1110，其包括多频带均衡器100、200、401、402。电子设备1100可以包括其他单元，其中示出了存储器1120、处理单元1130。电子设备1100可以是蜂窝通信系统的用户设备或移动设备、无线通信设备或无线电基站。

本领域技术人员将理解，根据本文实施例的多频带均衡器100、200、401、402可以通过任何半导体技术来实现，任何半导体技术例如是双极、N型金属氧化物半导体(NMOS)、P型金属氧化物半导体(PMOS)、互补金属氧化物半导体(CMOS)、全耗尽绝缘体上硅(FDSOI)或微机电系统(MEMS)技术等。

当在本文中使用词语“包括”或“包含”时，其应当被解释为非限制性的，即意味着“至少由……组成”。

本文实施例不限于上述优选实施例。可使用各种备选、修改和等同物。因此，上述实施例不应被视为限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims

1.一种用于调整接收机接收多频带频率信号的信号强度的多频带均衡器（100），所述多频带均衡器包括：

多个谐振器（101、102、103），每个谐振器具有第一端子、第二端子和第三端子，其中，每个谐振器包括：

电感器L1，连接在所述第一端子和所述第二端子之间；以及

两个可编程电容器C11/C12，串联连接在所述第一端子和所述第二端子之间，所述两个可编程电容器的互连被分接并且连接到所述第三端子；并且其中，

所述多个谐振器串联连接，使得前一谐振器的所述第三端子连接到后一谐振器的所述第一端子，并且当在所述接收机中使用时，第一个谐振器的所述第一端子连接到所述接收机的信号节点，并且最后一个谐振器的所述第三端子连接到信号接地，或者第一个谐振器的所述第一端子连接到信号接地，并且最后一个谐振器的所述第三端子连接到所述接收机的信号节点。

2.根据权利要求1所述的多频带均衡器（100），其中，增益和谐振频率二者通过调谐所述多个谐振器中的可编程电容器的电容是可调谐的。

3.根据权利要求1所述的多频带均衡器（100），其中，所述多频带均衡器的频率陷波是通过在所述多个谐振器中调谐所述可编程电容器的电容来控制的。

4.一种差分多频带均衡器（402），包括两个根据权利要求1至3中任一项所述的多频带均衡器，其中，两个对应谐振器中的电感器对由变压器实现。

5.一种差分多频带均衡器（401），包括两个根据权利要求1至3中任一项所述的多频带均衡器。

6.一种用于调整接收机接收多频带频率信号的信号强度的多频带均衡器（200），所述多频带均衡器包括：

多个谐振器（201、202、203），每个谐振器具有第一端子、第二端子和第三端子，其中，每个谐振器包括：

电感器L1，连接在所述第一端子与所述第二端子之间，其中，所述电感器具有两个或更多个分接端子，所述两个或更多个分接端子具有不同电感，所述两个或更多个分接端子选择性地连接到所述第三端子，

可编程电容器C1，连接在所述第一端子和所述第二端子之间；并且其中，

7.根据权利要求6所述的多频带均衡器（200），其中，对于每个谐振器，该谐振器的增益和谐振频率通过在该谐振器中调谐所述可编程电容器的电容和/或选择所述电感器的分接端子是可调谐的。

8.根据权利要求6所述的多频带均衡器（200），其中，所述多频带均衡器的频率陷波是通过在所述多个谐振器中选择所述电感器的分接端子来控制的。

9.一种差分多频带均衡器，包括两个根据权利要求6至8中任一项所述的多频带均衡器。

10.一种差分多频带均衡器，包括两个根据权利要求6至8中任一项所述的多频带均衡器，其中，两个对应谐振器中的电感器对由变压器实现。

11.一种电子设备（1100），包括根据权利要求1-3和6-8中任一项所述的多频带均衡器（100、200）或者根据权利要求4-5或9-10中任一项所述的差分多频带均衡器（401、402）。

12.根据权利要求11所述的电子设备（1100），其中所述电子设备（1100）包括蜂窝通信系统的接收机、发射机、收发机、基站、用户设备或无线通信设备中的任一种。