CN113904696B - 一种基于电流复用技术的超宽带调频连续波系统的接收机射频前端 - Google Patents

一种基于电流复用技术的超宽带调频连续波系统的接收机射频前端 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于电流复用技术的超宽带调频连续波系统的接收机射频前端，其目的是显著降低射频前端模块在整个调频连续波系统中的功耗占比，使得调频连续波系统具有极低功耗、高能效比等优点。本发明提出的接收机射频前端堆叠了三级放大级电路，实现了接收机射频前端整体的电流复用，与同性能接收机射频前端对比，功耗优化达到50％，整体功耗低至1.2mW。本发明提出的射频前端可应用于不同的超宽带调频连续波系统接收机中，可复用性高，并且基于电流复用的低功耗设计使得本发明可以应用于超低功耗场景中。

Description

一种基于电流复用技术的超宽带调频连续波系统的接收机射 频前端
技术领域
本发明涉及一种基于电流复用技术的超宽带调频连续波系统的接收机射频前端，属于射频集成电路设计中超宽带调频连续波系统领域。
背景技术
近年来，超宽带调频技术飞速发展，逐渐成为无线体域网、无线个人网等传输距离较短的微小系统所青睐的低电路功耗、低制造成本的一种无线通信技术。该技术具有电路结构简单、保密性好、耗能低、天线所发射的电磁波穿透力强、有害辐射小等特点，非常符合人体通信环境的要求，这使得超宽带调频技术也被人们广泛应用于生物医疗电子等领域。
无线体域网、无线个人网、生物医疗电子等应用场景由于电路体积、电源更换困难等因素限制，对于无线收发机芯片提出了一个硬性指标——功耗。而基于超宽带调频技术的现有的一些收发机芯片，若想达到无线体域网、无线个人网、生物医疗电子等高精度要求，往往功耗十分巨大。目前，超低功耗设计对于超宽带调频收发机芯片的设计是一大挑战。
发明内容
本发明提出了一种基于电流复用技术的超宽带调频连续波系统的接收机射频前端，其目的是显著降低射频前端模块在整个调频连续波系统中的功耗占比，使得调频连续波系统具有极低功耗、高能效比等优点。本发明提出的一种基于电流复用技术的超宽带调频连续波系统的接收机射频前端具体包括两个技术内容：内嵌巴伦的两级共源级低噪声放大器与基于对称失谐LC网络的带通滤波器。本发明提出的基于电流复用技术的调频连续波系统的接收机射频前端模块一般集成至超宽带调频连续波雷达或通信系统中使用；
其中，为达到超宽带系统要求的500MHz带宽，并且兼容65nm CMOS工艺的1V～1.2V标准电源电压，低噪声放大器采用两级共源级电流复用堆叠式结构，每一级放大器以LC谐振网络作为负载，两个对称失谐的窄带LC网络合成一个具有平坦增益的宽带选频率网络，以达到超宽带系统要求的500MHz带宽，并且合理选择每一级放大器的直流偏置电压以及直流工作点，确保所有MOS管处于饱和区以达到最佳放大性能。为了实现与差分带通滤波器进行电流复用堆叠，内嵌巴伦在两级共源级主放大器之外，采用了一个单位增益的共源级以实现幅值相同相位相差180°的两路差分信号。由于65nm CMOS工艺中的电容与电感在加工时会产生失调，会对LC谐振网络的谐振频率造成影响，当频率偏移时低噪声放大器对于有用信号的放大功能会显著降低，因此，本发明提出的低噪声放大器采用了二进制权值开关电容阵列，以此来校正每一级LC谐振网络负载，以提高整体电路对于工艺、温度以及电源电压变化的鲁棒性。此外，本发明提出的低噪声放大器第一级输入采用了源简并电感结构，来搭建50Ω输入阻抗匹配网络以及噪声匹配网络；
其中，单端带通滤波器的幅频响应曲线的斜率并非线性，鉴频时容易引入非线性失真与直流失调，因此本发明提出的基于对称失谐LC网络的带通滤波器对比于单端带通滤波器，提高了线性度。由于同样采用了LC谐振网络，与上述低噪声放大器相同，本发明提出的带通滤波器也采用了二进制权值电容阵列以提高整体电路对于工艺、温度以及电源电压变化的鲁棒性；
其中，本发明提出的低噪声放大器采用两级共源级堆叠结构，中间引入一个单位增益的共源级以实现集成巴伦，两级共源级均以LC谐振网络作为负载，分别谐振于3.7GHz与4.3GHz，等效构成了500MHz以上的宽带选频放大，第二级输出上方再次堆叠一级差分共源级以实现差分带通滤波器，该带通滤波器两个LC谐振网络负载分别谐振于3.7GHz与4.3GHz。即本发明整体从电源到地，依次堆叠单级带通滤波器、第二级低噪声放大器、第一级低噪声放大器，实现了整体的电流复用，功耗可优化50％；
本发明是通过如下技术方案实现的：
所述一种基于电流复用技术的超宽带调频连续波系统的接收机射频前端包括以下电路模块：内嵌巴伦的两级共源级低噪声放大器与基于对称失谐LC网络的带通滤波器。所述一种基于电流复用技术的超宽带调频连续波系统的接收机射频前端电路结构如图1所示。低噪声放大器与差分带通滤波器采用射频电流复用技术，在电源与地之间堆叠了三级射频共源级放大器；
其中，晶体管M1、M2为电流镜，为放大级提供直流偏置电压。从天线获得的射频信号从RFIN端输入，电感L1、L2、电容C2与晶体管M3构成了第一级单端共源级放大级并且完成了50Ω输入阻抗匹配网络以及噪声匹配网络，单端电感L3与电容C5构成第一级LC谐振网络负载，谐振于3.7GHz。晶体管M7、M8构成第一级与第二级放大器之间的单位增益共源级，以提供单位反向增益来实现有源巴伦，完成单端输入到差分输出的转变。晶体管M5、M6构成了第二级差分共源级放大级，对称电感L4与差分电容C8、C9构成第二级LC谐振网络负载，谐振于4.3GHz。晶体管M4参数与晶体管M3参数完全一致，消除了有源巴伦的增益以及相位误差。以上电路模块为低噪声放大器部分，输入的射频信号经放大后从LNAOP、LNAON输出至后续电路，同时信号送至堆叠的带通滤波器。
其中，晶体管M9、M10构成了第三级差分共源级放大级，单端电感L5与电容C13、单端电感L6与电容C14构成了对称失谐的两个LC谐振网络，分别谐振于3.7GHz与4.3GHz。以上电路模块为带通滤波器部分，输入的射频信号经带通滤波后从BPFOP、BPFON输出至后续电路；
其中，电阻R1～R5为晶体管提供直流偏置的同时阻断交流信号。电容C1、C3、C6、C10为旁路电容，为共源级提供交流地。电容C4、C7、C11、C12为耦合电容，通过交流信号并且阻断直流信号。IB为直流偏置电流，VDD为直流电源电压；
所述一种基于电流复用技术的超宽带调频连续波系统的接收机射频前端，其工作模式设置具体包括如下步骤：
步骤一：供电与信号连接，如图2所示，具体包括如下子步骤：
步骤1.1阻抗匹配网络设置。其中，天线A1阻抗一般为射频标准阻抗，为50Ω，电容C1、C2、C3、电感L1作为阻抗匹配网络，依据具体的电路情况设置。本设置使得低噪声放大器第一级输入阻抗与天线阻抗匹配，降低信号反射程度；
步骤1.2电源电压、偏置电流与控制字设置。电源电压与偏置电流依据芯片制造时的工艺偏差进行设置，标准情况下电源电压VDD设置为直流1.15V、偏置电流IB设置为直流10μA，控制字视芯片制造时的工艺偏差、电源电压波动与温度波动情况设置，标准情况下(芯片制造工艺为典型值、电源电压为直流1.15V、温度为27℃)低噪声放大器第一级控制字S_LNA1<1:0>为01、低噪声放大器第二级控制字S_LNA2<1:0>为01、带通滤波器控制字S_BPF<1:0>为01。本设置使得堆叠的三级共源级的LC谐振网络谐振于各自正常的工作频率；
步骤1.3输入信号设置。天线输入信号设置为功率大于-80dBm、频率在3.75～4.25GHz范围内变化的调频连续波。
步骤二：各模块开始工作，具体包括如下子步骤：
步骤2.1低噪声放大器工作。输入为从天线接收到的射频功率信号，通过内嵌巴伦的两级低噪声放大器进行单端转差分并且放大后，输出至堆叠的带通滤波器；
步骤2.2带通滤波器工作。从低噪声放大器获得的经放大后的射频信号通过带通滤波器，得到带通滤波后的射频信号，完成了射频解调工作。
有益效果
本发明提出的一种基于电流复用技术的超宽带调频连续波系统的接收机射频前端与现有接收机射频前端相比，具有以下有益效果：
1.本发明提出的一种基于电流复用技术的超宽带调频连续波系统的接收机射频前端采用的65nm CMOS工艺实现，在该工艺节点下，标准电源电压为1～1.2V，在如此低的电源电压下，本发明提出的接收机射频前端堆叠了三级放大级电路，实现了接收机射频前端整体的电流复用，与同性能接收机射频前端对比，功耗优化达到50％，整体功耗低至1.2mW；
2.本发明提出的低噪声放大器内嵌了有源巴伦，确保了高线性度的单端转差分功能，两级放大级的负载分别用谐振于不同频率下的LC谐振网络实现，整体构成了一个平坦的宽带放大网络；
3.本发明提出的差分带通滤波器由对称失谐的两个LC谐振网络实现，相比于单端带通滤波器，差分结构消除了非线性失真与直流失调，提升了鉴频的线性度，并且该带通滤波器堆叠于低噪声放大器之上，复用了电流，不增加整体功耗；
4.本发明提出的射频前端可应用于不同的超宽带调频连续波系统接收机中，可复用性高，并且基于电流复用的低功耗设计使得本发明可以应用于超低功耗场景中。
附图说明
图1是本发明提出的一种基于电流复用技术的超宽带调频连续波系统的接收机射频前端的电路原理图；
图2是本发明提出的一种基于电流复用技术的超宽带调频连续波系统的接收机射频前端的工作电路原理图；
图3是本发明提出的一种基于电流复用技术的超宽带调频连续波系统的接收机射频前端中的低噪声放大器电压增益仿真结果示意图；
图4是本发明提出的一种基于电流复用技术的超宽带调频连续波系统的接收机射频前端中的带通滤波器电压增益仿真结果示意图；
图5是本发明提出的一种基于电流复用技术的超宽带调频连续波系统的接收机射频前端中的低噪声放大器S参数仿真结果示意图；
图6是本发明提出的一种基于电流复用技术的超宽带调频连续波系统的接收机射频前端中的低噪声放大器噪声系数仿真结果示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明提出的一种基于电流复用技术的超宽带调频连续波系统的接收机射频前端中各电路模块及工作过程做进一步说明和详细描述。
实施例1
本发明提出了一种基于电流复用技术的超宽带调频连续波系统的接收机射频前端，其目的是显著降低射频前端模块在整个调频连续波系统中的功耗占比，使得调频连续波系统具有极低功耗、高能效比等优点；
本发明提出的一种基于电流复用技术的超宽带调频连续波系统的接收机射频前端具体包括两个技术内容：内嵌巴伦的两级共源级低噪声放大器与基于对称失谐LC网络的带通滤波器，其电路结构如图1所示。低噪声放大器与差分带通滤波器采用射频电流复用技术，在电源与地之间堆叠了三级射频共源级放大器。其中，晶体管M1、M2为电流镜，为放大级提供直流偏置电压。从天线获得的射频信号从RFIN端输入，电感L1、L2、电容C2与晶体管M3构成了第一级单端共源级放大级并且完成了50Ω输入阻抗匹配网络以及噪声匹配网络，单端电感L3与电容C5构成第一级LC谐振网络负载，谐振于3.7GHz。晶体管M7、M8构成第一级与第二级放大器之间的单位增益共源级，以提供单位反向增益来实现有源巴伦，完成单端输入到差分输出的转变。晶体管M5、M6构成了第二级差分共源级放大级，对称电感L4与差分电容C8、C9构成第二级LC谐振网络负载，谐振于4.3GHz。晶体管M4参数与晶体管M3参数完全一致，消除了有源巴伦的增益以及相位误差。以上电路模块为低噪声放大器部分，输入的射频信号经放大后从LNAOP、LNAON输出至后续电路，同时信号送至堆叠的带通滤波器。其中，晶体管M9、M10构成了第三级差分共源级放大级，单端电感L5与电容C13、单端电感L6与电容C14构成了对称失谐的两个LC谐振网络，分别谐振于3.7GHz与4.3GHz。以上电路模块为带通滤波器部分，输入的射频信号经带通滤波后从BPFOP、BPFON输出至后续电路。其中，电阻R1～R5为晶体管提供直流偏置的同时阻断交流信号。电容C1、C3、C6、C10为旁路电容，为共源级提供交流地。电容C4、C7、C11、C12为耦合电容，通过交流信号并且阻断直流信号。IB为直流偏置电流，VDD为直流电源电压；
所述一种基于电流复用技术的超宽带调频连续波系统的接收机射频前端，其各模块工作模式的设置情况，具体到本实施例包括如下步骤：
步骤A：供电与信号连接，如图2所示，具体包括如下子步骤：
步骤A.1阻抗匹配网络设置。其中，天线A1阻抗为50Ω，电容C1、C2、C3分别设置为1.4pF、100fF、45fF，电感L1设置为3nH；
步骤A.2电源电压、偏置电流与控制字设置。电源电压VDD设置为直流1.15V、偏置电流IB设置为直流10μA，低噪声放大器第一级控制字S_LNA1<1:0>设置为0V与1.15V、低噪声放大器第二级控制字S_LNA2<1:0>设置为0V与1.15V、带通滤波器控制字S_BPF<1:0>设置为0V与1.15V；
步骤A.3输入信号设置。天线输入信号设置为功率-80dBm、频率在3.75～4.25GHz范围内变化的调频连续波。
步骤B：各模块开始工作，具体包括如下子步骤：
步骤B.1低噪声放大器工作。输入为从天线接收到的射频功率信号，通过内嵌巴伦的两级低噪声放大器进行单端转差分并且放大后，输出至堆叠的带通滤波器；
步骤B.2带通滤波器工作。从低噪声放大器获得的经放大后的射频信号通过带通滤波器，得到带通滤波后的射频信号，完成了射频解调工作。
实施例2
本发明提出的一种基于电流复用技术的超宽带调频连续波系统的接收机射频前端具体包括两个技术内容：内嵌巴伦的两级共源级低噪声放大器与基于对称失谐LC网络的带通滤波器；
图3给出了本发明提出的一种基于电流复用技术的超宽带调频连续波系统的接收机射频前端中的低噪声放大器电压增益仿真结果，该结果表明低噪声放大器在3.7～4.3GHz频段内具有平坦的增益，为25.4～26.6dB；
图4给出了本发明提出的一种基于电流复用技术的超宽带调频连续波系统的接收机射频前端中的带通滤波器电压增益仿真结果，该结果表明带通滤波器在3.7～4.3GHz频段内具有鉴频特性，其中正输出端电压增益为38.4dB，负输出端电压增益为36.52dB；
图5给出了本发明提出的一种基于电流复用技术的超宽带调频连续波系统的接收机射频前端中的低噪声放大器S参数仿真结果，该结果包括了幅频响应曲线和史密斯圆图，表明低噪声放大器的S11(回波损耗)在3.75～4.25GHz频段内均低于-10dB，在4GHz频点处，S11能达到-25dB；
图6给出了本发明提出的一种基于电流复用技术的超宽带调频连续波系统的接收机射频前端中的低噪声放大器噪声系数仿真结果，该结果表明了低噪声放大器在3.7～4.3GHz频段内的噪声系数低于4dB。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种基于电流复用技术的超宽带调频连续波系统的接收机射频前端，其特征在于：内嵌巴伦的两级共源级低噪声放大器与基于对称失谐LC网络的带通滤波器；
所述一种基于电流复用技术的超宽带调频连续波系统的接收机射频前端，其工作模式设置具体包括如下步骤：
步骤一：供电与信号连接，具体包括如下子步骤：
步骤1.1阻抗匹配网络设置；其中，天线A1阻抗为射频标准阻抗，为50Ω，电容C1、C2、C3、电感L1作为阻抗匹配网络，依据具体的电路情况设置，本设置使得低噪声放大器第一级输入阻抗与天线阻抗匹配，降低信号反射程度；
步骤1.2电源电压、偏置电流与控制字设置；电源电压与偏置电流依据芯片制造时的工艺偏差进行设置，标准情况下电源电压VDD设置为直流1.15V、偏置电流IB设置为直流10μA，控制字视芯片制造时的工艺偏差、电源电压波动与温度波动情况设置，标准情况下：芯片制造工艺为典型值、电源电压为直流1.15V、温度为27℃，低噪声放大器第一级控制字S_LNA1<1:0>为01、低噪声放大器第二级控制字S_LNA2<1:0>为01、带通滤波器控制字S_BPF<1:0>为01；本设置使得堆叠的三级共源级的LC谐振网络谐振于各自正常的工作频率；
步骤1.3输入信号设置；天线输入信号设置为功率大于-80dBm、频率在3.75～4.25GHz范围内变化的调频连续波；
步骤二：各模块开始工作，具体包括如下子步骤：
步骤2.1低噪声放大器工作；输入为从天线接收到的射频功率信号，通过内嵌巴伦的两级低噪声放大器进行单端转差分并且放大后，输出至堆叠的带通滤波器；
步骤2.2带通滤波器工作；从低噪声放大器获得的经放大后的射频信号通过带通滤波器，得到带通滤波后的射频信号，完成了射频解调工作。
2.根据权利要求1所述的一种基于电流复用技术的超宽带调频连续波系统的接收机射频前端，其特征在于：晶体管M1、M2为电流镜，为放大级提供直流偏置电压；从天线获得的射频信号从RFIN端输入，电感L1、L2、电容C2与晶体管M3构成了第一级单端共源级放大级并且完成了50Ω输入阻抗匹配网络以及噪声匹配网络，单端电感L3与电容C5构成第一级LC谐振网络负载，谐振于3.7GHz；晶体管M7、M8构成第一级与第二级放大器之间的单位增益共源级，以提供单位反向增益来实现有源巴伦，完成单端输入到差分输出的转变；晶体管M5、M6构成了第二级差分共源级放大级，对称电感L4与差分电容C8、C9构成第二级LC谐振网络负载，谐振于4.3GHz；晶体管M4参数与晶体管M3参数完全一致，消除了有源巴伦的增益以及相位误差；以上电路模块为低噪声放大器部分，输入的射频信号经放大后从LNAOP、LNAON输出至后续电路，同时信号送至堆叠的带通滤波器；低噪声放大器在3.7～4.3GHz频段内具有平坦的增益，为25.4～26.6dB；低噪声放大器的回波损耗S11在3.75～4.25GHz频段内均低于-10dB，在4GHz频点处，低噪声放大器的回波损耗S11能达到-25dB；低噪声放大器在3.7～4.3GHz频段内的噪声系数低于4dB。
3.根据权利要求1所述的一种基于电流复用技术的超宽带调频连续波系统的接收机射频前端，其特征在于：晶体管M9、M10构成了第三级差分共源级放大级，单端电感L5与电容C13、单端电感L6与电容C14构成了对称失谐的两个LC谐振网络，分别谐振于3.7GHz与4.3GHz；以上电路模块为带通滤波器部分，输入的射频信号经带通滤波后从BPFOP、BPFON输出至后续电路；其中，电阻R1～R5为晶体管提供直流偏置的同时阻断交流信号；电容C1、C3、C6、C10为旁路电容，为共源级提供交流地；带通滤波器在3.7～4.3GHz频段内具有鉴频特性，其中正输出端电压增益为38.4dB，负输出端电压增益为36.52dB。
4.根据权利要求1所述的一种基于电流复用技术的超宽带调频连续波系统的接收机射频前端，其特征在于：低噪声放大器与差分带通滤波器采用射频电流复用技术，在电源与地之间堆叠了三级射频共源级放大器，电路整体在1.15V直流电源电压下，与现有收发机芯片相比功耗优化可达50％，总功耗为1.2mW。
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