CN114094941B - 一种高精度宽带正交解调器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高精度宽带正交解调器，属于集成电路信号处理领域，包括二分频模块、混频器模块、射随模块和基准模块，可实现对输入带宽为30MHz~2GHz的信号进行解调。所述二分频模块对本振输入信号进行二分频输出；所述混频器模块将所述二分频模块的输出信号以及射频输入信号进行混频输出；所述射随模块将所述混频器模块的输出信号进行电平移位以及增加驱动能力后输出，输出信号为四路两两正交信号；所述基准模块为上述三个模块提供基准电流。本发明适用于30MHz~2GHz射频输入频率的高性能正交解调器的设计，可基于现有成熟的SiGe工艺平台，实现宽带、高精度、低功耗、低芯片面积性能之间的折衷。

Description

一种高精度宽带正交解调器

技术领域

本发明涉及集成电路信号处理技术领域，特别涉及一种高精度宽带正交解调器。

背景技术

随着科学技术越来越成熟，现代通信系统实现各种技术上的跨越，从原来的模拟调制信号通信、窄带语音通信、有线传输通信，实现到数字调制信号通信、宽带综合业务通信、无线移动通信的跨越，电子通信系统越来越丰富。通信系统不断向大容量高速率发展，对射频通信技术的要求更加关键；射频信号向更高的频率，更大的范围延伸。

无线通信系统的实现主要是依靠射频通信电路。射频通信系统经过多年的不断的研究和积累，基本形成了典型的组成结构，主要包括调制、变频、放大和解调等几个部分。最近这几年，射频通信电路的应用领域主要包括航空航天通信、雷达卫星通信，船载通信、个人移动通信、无线局域网、物联网和车联网等。

通信技术应用要求越来越高，越来越苛刻。这就迫切需要无线通信设备能够在任何时间、任何地方都能够提供安全可靠的通信功能，而且变得重量更轻、体积更小、功耗更低。由于这些原因，射频通信电路的设计面临更多的要求和挑战。而正交解调器电路应用于通信技术的各个领域，其带宽、精度决定了通信电路的性能。传统的结构已经不能够保证高性能正交解调器电路的实现。因此，在系统中设计宽带、高精度的正交解调检波器非常有必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高精度宽带正交解调器，以提供一种适用于30MHz~2GHz射频输入频率范围的高精度宽带正交解调器。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种高精度宽带正交解调器，包括：

二分频模块，对本振输入信号进行二分频输出；

混频器模块，将所述二分频模块的输出信号以及射频输入信号进行混频输出；

射随模块，将所述混频器模块的输出信号进行电平移位以及增加驱动能力后输出，输出信号为四路两两正交信号；

基准模块，为上述三个模块提供基准电流。

可选的，所述二分频模块包括依次相连的单转双模块、二分频核心电路模块以及限幅放大器模块；所述单转双模块对单端本振信号进行单转双；所述二分频核心电路模块对差分本振信号进行二分频；所述限幅放大器模块对二分频后的信号进行限幅放大输出。

可选的，所述单转双模块包括三极管Q11~Q19、电阻R11~R18；其中，

三极管Q11、Q16、Q17的基极均接信号VB1，发射极分别通过电阻R14、R15和R16接地，三极管Q11的集电极接Q12的发射极和Q13的发射极，三极管Q16的集电极接Q14的发射极，三极管Q17的集电极接Q15的发射极；

三极管Q12的集电极和Q13的集电极各自通过一个电感RL接VDD；Q12的基极接电阻R12的第一端，Q13的基极接电阻R13的第一端；三极管Q18的基极和集电极均接VDD，三极管Q19的基极和集电极均接Q18的发射极，Q19的发射极接电阻R11的第一端，电阻R11的第二端、R12的第二端和R13的第二端互连；

三极管Q14的集电极和Q15的集电极均接VDD；三极管Q14的基极接Q12的集电极，发射极接Q16的集电极；Q15的基极接Q13的集电极，发射极接Q17的集电极。

可选的，所述限幅放大器模块包括三极管Q21~Q29、三极管Q210、三极管Q211和电阻R21~R27；

三极管Q21和Q22的集电极分别通过电阻R21和R22接VDD，发射极均接Q27集电极；Q23的基极接Q21的集电极，发射极接Q28的集电极；Q24的基极接Q22的集电极，发射极接Q29的集电极；三极管Q25的基极接Q29的集电极，发射极接Q210的集电极；三极管Q26的基极接Q28的集电极，发射极接Q211的集电极；三极管Q23、Q24、Q25、Q26的集电极均接VDD；三极管Q27、Q28、Q29、Q210、Q211的基极均接信号VB2，发射极分别通过电阻R23、R24、R25、R26、R27接地。

可选的，所述混频器模块包括三极管Q31~Q39、三极管Q310、Q311、Q312、电阻R31~R38、片外电感L31和L32、电容C31和C32；

三极管Q31和Q34的集电极分别通过电阻R31和R32接VDD，基极互连，三极管Q32的集电极接Q34的集电极，三极管Q33的集电极接Q31的集电极，Q32和Q33的基极互连；

三极管Q37和Q310的集电极分别通过电阻R35和R36接VDD，基极互连，三极管Q38的集电极接Q310的集电极，三极管Q39的集电极接Q37的集电极，Q38和Q39的基极互连；电容C31的一端接Q31的集电极，另一端接Q34的集电极；电容C32的一端接Q37的集电极，另一端接Q310的集电极；

三极管Q31和Q32的发射极均接Q35的集电极，三极管Q33和Q34的发射极均接Q36的集电极，三极管Q37和Q38的发射极均接Q311的集电极，三极管Q39和Q310的发射极均接Q312的集电极；三极管Q35、Q36、Q311、Q312的基极互连；三极管Q35、Q311的发射极分别通过电阻R33、R37接片外电感L31的一端；三极管Q36、Q312的发射极分别通过电阻R34、R38接片外电感L32的一端；片外电感L31和L32的另一端均接地。。

可选的，所述射随模块包括三极管Q41~Q44、电阻R41~R46和电容C41；

三极管Q41和Q42的集电极均接VDD，发射极分别接Q44的集电极和Q44的集电极；电阻R41的一端接Q41的基极，另一端接VDD；电阻R42的一端接Q42的基极，另一端接VDD；电容C41的一端接三极管Q41的基极，另一端接三极管Q42的基极；

三极管Q43和Q44的发射极分别通过电阻R45和R46接地，栅极均接信号VB4；电阻R43和R44分别连接Q44的集电极和Q43的集电极。

在本发明提供的高精度宽带正交解调器中，包括二分频模块、混频器模块、射随模块和基准模块，可实现对输入带宽为30MHz~2GHz的信号进行解调。所述二分频模块对本振输入信号进行二分频输出；所述混频器模块将所述二分频模块的输出信号以及射频输入信号进行混频输出；所述射随模块将所述混频器模块的输出信号进行电平移位以及增加驱动能力后输出，输出信号为四路两两正交信号；所述基准模块为上述三个模块提供基准电流。与目前正交解调器技术相比，本发明采用片外电感，芯片面积更小；本振正交产生采用二分频方法，可实现超宽带操作，涵盖30MHz~2GHz的射频输入频率、60MHz~4GHz的本振输入频率范围；幅度平衡和相位平衡分别约为0.05dB和0.4°时，可在宽本振电平范围内达到出色的解调精度。解调相内和正交炒粉输出经过完全缓冲，提供4dB以上的电压转换增益。

附图说明

图1是本发明提供的高精度宽带正交解调器的结构示意图；

图2是高精度宽带正交解调器中二分频模块结构示意图；

图3是二分频模块中单转双模块的电路示意图；

图4是二分频模块中限幅放大器模块的电路示意图；

图5是高精度宽带正交解调器中混频器模块的电路示意图；

图6是高精度宽带正交解调器中射随模块的电路示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种高精度宽带正交解调器作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明提供了一种高精度宽带正交解调器，其结构如图1所示，包括二分频模块、混频器模块、射随模块和基准模块，可实现对输入带宽为30MHz~2GHz的信号进行解调。所述二分频模块对本振输入信号进行二分频输出；所述混频器模块将所述二分频模块的输出信号以及射频输入信号进行混频输出；所述射随模块将所述混频器模块的输出信号进行电平移位以及增加驱动能力后输出，输出信号为四路两两正交信号；所述基准模块为上述三个模块提供基准电流。

所述二分频模块包括如图2所示的单转双模块、二分频核心电路模块以及限幅放大器模块。具体的，请参阅图3，所述单转双模块包括三极管Q11~Q19、电阻R11~R18；三极管Q11、Q16、Q17的基极均接信号VB1，发射极分别通过电阻R14、R15和R16接地，三极管Q11的集电极接Q12的发射极和Q13的发射极，三极管Q16的集电极接Q14的发射极，三极管Q17的集电极接Q15的发射极；三极管Q12的集电极和Q13的集电极各自通过一个电感RL接VDD；Q12的基极接电阻R12的第一端，Q13的基极接电阻R13的第一端；三极管Q18的基极和集电极均接VDD，三极管Q19的基极和集电极均接Q18的发射极，Q19的发射极接电阻R11的第一端，电阻R11的第二端、R12的第二端和R13的第二端互连；三极管Q14的集电极和Q15的集电极均接VDD；三极管Q14的基极接Q12的集电极，发射极接Q16的集电极；Q15的基极接Q13的集电极，发射极接Q17的集电极。请参阅图4，所述限幅放大器模块包括三极管Q21~Q29、三极管Q210、三极管Q211和电阻R21~R27；三极管Q21和Q22的集电极分别通过电阻R21和R22接VDD，发射极均接Q27集电极；Q23的基极接Q21的集电极，发射极接Q28的集电极；Q24的基极接Q22的集电极，发射极接Q29的集电极；三极管Q25的基极接Q29的集电极，发射极接Q210的集电极；三极管Q26的基极接Q28的集电极，发射极接Q211的集电极；三极管Q23、Q24、Q25、Q26的集电极均接VDD；三极管Q27、Q28、Q29、Q210、Q211的基极均接信号VB2，发射极分别通过电阻R23、R24、R25、R26、R27接地。

所述混频器模块采用吉尔伯特单元，请参阅图5，所述混频器模块包括三极管Q31~Q39、三极管Q310、Q311、Q312、电阻R31~R38、片外电感L31和L32、电容C31和C32；三极管Q31和Q34的集电极分别通过电阻R31和R32接VDD，基极互连，三极管Q32的集电极接Q34的集电极，三极管Q33的集电极接Q31的集电极，Q32和Q33的基极互连；三极管Q37和Q310的集电极分别通过电阻R35和R36接VDD，基极互连，三极管Q38的集电极接Q310的集电极，三极管Q39的集电极接Q37的集电极，Q38和Q39的基极互连；电容C31的一端接Q31的集电极，另一端接Q34的集电极；电容C32的一端接Q37的集电极，另一端接Q310的集电极；三极管Q31和Q32的发射极均接Q35的集电极，三极管Q33和Q34的发射极均接Q36的集电极，三极管Q37和Q38的发射极均接Q311的集电极，三极管Q39和Q310的发射极均接Q312的集电极；三极管Q35、Q36、Q311、Q312的基极互连；三极管Q35、Q311的发射极分别通过电阻R33、R37接片外电感L31的一端；三极管Q36、Q312的发射极分别通过电阻R34、R38接片外电感L32的一端；片外电感L31和L32的另一端均接地。

请参阅图6，所述射随模块包括三极管Q41~Q44、电阻R41~R46和电容C41；三极管Q41和Q42的集电极均接VDD，发射极分别接Q44的集电极和Q44的集电极；电阻R41的一端接Q41的基极，另一端接VDD；电阻R42的一端接Q42的基极，另一端接VDD；电容C41的一端接三极管Q41的基极，另一端接三极管Q42的基极；三极管Q43和Q44的发射极分别通过电阻R45和R46接地，栅极均接信号VB4；电阻R43和R44分别连接Q44的集电极和Q43的集电极。

如图5所示，RF信号（包括RFIP信号和RFIN信号）通过片外电感L31和L32将电压信号转化为电流信号传输至片内，使用电感的好处是不会产生噪声，不消耗电压裕度。电阻R33、R34、R37、R38为发射极负反馈，能有效提高跨导级的线性度。输出差分两端由负载电阻（即电阻R31和R32、电阻R35和R36）连接，可以同时并联一个电容，构成一阶低通滤波器结构，可以滤除泄漏到输出端的高频信号。其中电阻R31和R32、电阻R35和R36的取值是几百欧，电容C31和C32取值几个pf，这样得到的简单一阶低通滤波器可以很好的滤除输出信号中的高频信号。最后一级的射随模块采用射级跟随器结构，如图6所示。将输入信号进行电平移位以及增加驱动能力后输出，输出信号为四路两两正交信号。

基准模块作为高精度的带隙基准源，为其它模块提供偏置电流，所述基准模块通过成比例的NPN晶体管形成具有正温度系数的IPTAT电流，同时此种连接形式也作为启动电路，消除电路的简并点，避免了0状态的存在。

本发明的高精度宽带正交解调器采用SiGe工艺设计流片，在本实施例中的电源电压为5V，涵盖从30MHz到2GHz的射频输入频率范围。在450MHz时，其输入1dB压缩点为12.6dBm，三阶交调点为32dBm；具有出色的动态范围。差分射频输入提供良好的50Ω宽带匹配。本振采用二分频方法，从而可实现超宽带操作。幅度平衡和相位平衡分别约为0.05dB和0.4°时，可在宽本振电平范围内达到出色的解调精度。解调相内和正交差分输出经过完全缓冲，提供4dB以上的电压转换增益。缓冲基带输出能将差分信号驱动至负载。完全平衡的设计可极大地降低二阶失真的影响。从本振端口至射频输入端口的斜率小于-70dBc。正交输出端的差分直流失调电压小于10mV。这些因素使得该高精度宽带正交解调器具有60dBm以上的出色的二阶交调特性。

本发明提出的高精度宽带正交解调器，适用于30MHz~2GHz射频输入频率的高性能正交解调器的设计，可基于现有成熟的SiGe工艺平台，实现宽带、高精度、低功耗、低芯片面积性能之间的折衷。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (3)

1.一种高精度宽带正交解调器，其特征在于，包括：

二分频模块，对本振输入信号进行二分频输出；

混频器模块，将所述二分频模块的输出信号以及射频输入信号进行混频输出；

射随模块，将所述混频器模块的输出信号进行电平移位以及增加驱动能力后输出，输出信号为四路两两正交信号；

基准模块，为上述三个模块提供基准电流；

所述二分频模块包括依次相连的单转双模块、二分频核心电路模块以及限幅放大器模块；所述单转双模块对单端本振信号进行单转双；所述二分频核心电路模块对差分本振信号进行二分频；所述限幅放大器模块对二分频后的信号进行限幅放大输出；

所述单转双模块包括三极管Q11～Q19、电阻R11～R18；其中，

三极管Q11、Q16、Q17的基极均接信号VB1，发射极分别通过电阻R14、R15和R16接地，三极管Q11的集电极接Q12的发射极和Q13的发射极，三极管Q16的集电极接Q14的发射极，三极管Q17的集电极接Q15的发射极；

三极管Q12的集电极和Q13的集电极各自通过一个电感RL接VDD；Q12的基极接电阻R12的第一端，Q13的基极接电阻R13的第一端；三极管Q18的基极和集电极均接VDD，三极管Q19的基极和集电极均接Q18的发射极，Q19的发射极接电阻R11的第一端，电阻R11的第二端、R12的第二端和R13的第二端互连；

三极管Q14的集电极和Q15的集电极均接VDD；三极管Q14的基极接Q12的集电极，发射极接Q16的集电极；Q15的基极接Q13的集电极，发射极接Q17的集电极；

所述限幅放大器模块包括三极管Q21～Q29、三极管Q210、三极管Q211和电阻R21～R27；

三极管Q21和Q22的集电极分别通过电阻R21和R22接VDD，发射极均接Q27集电极；Q23的基极接Q21的集电极，发射极接Q28的集电极；Q24的基极接Q22的集电极，发射极接Q29的集电极；三极管Q25的基极接Q29的集电极，发射极接Q210的集电极；三极管Q26的基极接Q28的集电极，发射极接Q211的集电极；三极管Q23、Q24、Q25、Q26的集电极均接VDD；三极管Q27、Q28、Q29、Q210、Q211的基极均接信号VB2，发射极分别通过电阻R23、R24、R25、R26、R27接地。

2.如权利要求1所述的高精度宽带正交解调器，其特征在于，所述混频器模块包括三极管Q31～Q39、三极管Q310、Q311、Q312、电阻R31～R38、片外电感L31和L32、电容C31和C32；

三极管Q31和Q34的集电极分别通过电阻R31和R32接VDD，基极互连，三极管Q32的集电极接Q34的集电极，三极管Q33的集电极接Q31的集电极，Q32和Q33的基极互连；

三极管Q37和Q310的集电极分别通过电阻R35和R36接VDD，基极互连，三极管Q38的集电极接Q310的集电极，三极管Q39的集电极接Q37的集电极，Q38和Q39的基极互连；电容C31的一端接Q31的集电极，另一端接Q34的集电极；电容C32的一端接Q37的集电极，另一端接Q310的集电极；

三极管Q31和Q32的发射极均接Q35的集电极，三极管Q33和Q34的发射极均接Q36的集电极，三极管Q37和Q38的发射极均接Q311的集电极，三极管Q39和Q310的发射极均接Q312的集电极；三极管Q35、Q36、Q311、Q312的基极互连；三极管Q35、Q311的发射极分别通过电阻R33、R37接片外电感L31的一端；三极管Q36、Q312的发射极分别通过电阻R34、R38接片外电感L32的一端；片外电感L31和L32的另一端均接地。

3.如权利要求1所述的高精度宽带正交解调器，其特征在于，所述射随模块包括三极管Q41～Q44、电阻R41～R46和电容C41；

三极管Q41和Q42的集电极均接VDD，发射极分别接Q44的集电极和Q44的集电极；电阻R41的一端接Q41的基极，另一端接VDD；电阻R42的一端接Q42的基极，另一端接VDD；电容C41的一端接三极管Q41的基极，另一端接三极管Q42的基极；

三极管Q43和Q44的发射极分别通过电阻R45和R46接地，栅极均接信号VB4；电阻R43和R44分别连接Q44的集电极和Q43的集电极。