CN114124123B - 一种宽带集成cmos全局反馈接收机前端电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种宽带集成CMOS全局反馈接收机前端电路，应用于射频集成电路领域，针对现有技术中片外巴伦和匹配元器件存在的损耗大、体积大、带宽有限，不利于单片集成的缺点；本发明的电路包括四个无源混频器；输入射频信号经过输入跨导放大器转换为电流信号，再经过第二混频器得到基带电流信号，基带电流信号经过第一跨阻放大器得到基带电压输出信号BBI；同时，BBI经过第一无源混频器的上变频，再经有源合路器反馈到跨导放大器输入端，从而获得了全局反馈下的输入端口阻抗匹配；类似地，第三无源混频器第二跨阻放大器得到基带电压信号BBQ，BBQ经过第四无源混频器的上变频，再经过有源合路器反馈到跨导放大器输入端。

Description

一种宽带集成CMOS全局反馈接收机前端电路
技术领域
本发明属于射频集成电路领域，特别涉及一种CMOS射频接收前端电路。
背景技术
随着无线通信蓬勃发展，宽带可重构技术尤其是以软件无线电(SDR)为代表的具有多协议兼容性的通信技术正日渐成为高速率通信的主要方式。软件无线电摆脱了对于硬件的依赖，实现不同频段，不同调制，不同协议下信号的硬件共享，使其在下一代无线通信中展现出了巨大的应用前景。射频前端是软件无线电的关键技术之一，位于整个系统的最前端，其性能指标直接决定了整个通道的性能。因而，其对于射频前端电路的带宽、增益、噪声、线性度等性能指标的要求也越来越高。特别地，鉴于频谱资源的不可再生性，宽带的实现和多协议的兼容更是成为面向SDR系统的射频前端首要考虑因素。
以往的电流模式射频接收机前端实现思想可以做简单回顾如下。如图1所示，文献【陶健，姜丹丹，丁川，马文英，叶松，一种带外线性度增强的电流模结构的接收机前端电路CN 110557130 B】中，其典型结构包含了低噪声跨导放大器，无源混频器、跨阻放大器、本振产生电路等。注意到为了实现宽带通信的目的，文献中的低噪声跨导放大器使用了共栅极输入的方式来获得阻抗匹配，同时又为了降低芯片的面积，而把匹配电感放置于片外。这样的处理弊端在于无法实现芯片的完全集成化。另外，共栅极输入存在着跨导低的特点，电路实现低噪声也难以保证。
另一方面，如图2所示，文献【B Guo,J Gong,Y Wang,J Wu，A 0.2–3.3GHz 2.4dBNF 45dB gain CMOS current-mode receiver front-end，Modern Physics Letters B 34(22),2050226 2020】给出了一种类似的电流模射频接收机前端电路，其创新之处在于引入了一种噪声消除结构的低噪声跨导放大器。主路径结合辅助路径，使得其提供的跨导高达80mS,有效压制了混频器、基带等后级电路的噪声贡献。不过也注意到，该结构为了获得宽带匹配，也需要片外的π型匹配网络来拓展电路的带宽。实现芯片的完全集成化的问题依然不能得以解决。这显然不符合低成本的芯片应用需求。整体上，两个文献报道都基于差分输入结构，为了和天线口衔接，又需要额外的巴伦进行单端转差分的变换。巴伦插损又会进一步的恶化噪声。典型地，无源巴伦采用片外变压器实现，结构简单，但是会有损耗大、体积大、带宽有限，不利于单片集成的缺点；这些局限性都亟待新的解决方案提出。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种宽带集成CMOS全局反馈接收机前端电路，不同于以往的方案中依赖于输入端的射频跨导电路实现匹配，本发明通过全局反馈的方式来获得输入端口的匹配。从而去掉了输入射频跨导器的匹配设计约束，设计上更加灵活。
本发明采用的技术方案为：一种宽带集成CMOS全局反馈接收机前端电路，包括：输入跨导放大器、有源合路器、第一无源混频器、第二无源混频器、第三无源混频器、第四无源混频器、第一输出跨阻放大器、第二输出跨阻放大器以及反馈电路；
所述输入跨导放大器的输入端与反馈电路的输出端连接；输入跨导放大器的输出端分别与第二无源混频器、第三无源混频器的输入端连接；
第二无源混频器的输出端与第一输出跨阻放大器的输入端连接，第一输出跨阻放大器的输出端作为整体电路的I路输出；所述第一输出跨阻放大器的输出端还与第一无源混频器的输入端连接，第一无源混频器的输出端与反馈电路的输入端连接；
第三无源混频器的输出端与第儿输出跨阻放大器的输入端连接，第二输出跨阻放大器的输出端作为整体电路的Q路输出；所述第三输出跨阻放大器的输出端还与第四无源混频器的输入端连接，第四无源混频器的输出端与反馈电路的输入端连接。
所述反馈电路包括：有源合路器；有源合路器包括正极输入端与负极输入端，第一无源混频器和第四无源混频器的输出端包括正极输出端与负极输出端，有源合路器的正极输入端与第一无源混频器和第四无源混频器的正极输出端连接，有源合路器的负极输入端与第一无源混频器和第四无源混频器的负极输出端连接。
所述输入跨导放大器的输入端通过电容Cc2和电阻RF与有源合路器的输出端连接。
输入跨导放大器的输出端通过电容Cc1分别与第二无源混频器和第三无源混频器的输入端连接。
本发明的有益效果：不同于以往的方案中依赖于输入端的射频跨导电路实现匹配，本发明通过全局反馈的方式来获得输入端口的匹配。从而去掉了输入射频跨导器的匹配设计约束，设计上更加灵活；本发明还有内建巴伦功能；本发明包括以下优点：
1、采用了全局反馈结构来提供输入阻抗的宽带匹配，不需要任何片外的匹配原件，使得本发明实现了单芯片集成的效果；
2、本发明的输入跨导器为单端输入结构，基带为差分正交输出。具备了内嵌的巴伦转换功能，不需要任何片外的单端转差分元器件来配合工作。这大大提高了芯片的集成度，又避免的噪声的退化；
3、整体上，本发明电路可以灵活覆盖较宽的工作频率范围，芯片外部提供的Lo频率可以改变，接收机适应性好，电路的可重构、移植性也较高。
附图说明
图1是基于共栅极输入的差分射频电流模接收机结构图；
图2是基于噪声消除跨导器的差分射频电流模接收机结构图；
图3是本发明一种宽带集成CMOS全局反馈接收机前端电路；
图4是本发明一种宽带集成CMOS全局反馈接收机前端电路的输入跨导器；
图5是本发明一种宽带集成CMOS全局反馈接收机前端电路的有源合路器图；
图6是本发明一种宽带集成CMOS全局反馈接收机前端电路的基带TIA单元结构图；
图7是本发明一种宽带集成CMOS全局反馈接收机前端电路的单级差分反相器电路图；
图8是本发明一种宽带集成CMOS全局反馈接收机前端电路增益输出结果图；
图9是本发明一种宽带集成CMOS全局反馈接收机前端电路输入反射系数结果图；
图10是本发明一种宽带集成CMOS全局反馈接收机前端电路噪声指数输出结果图；
图11是本发明一种宽带集成CMOS全局反馈接收机前端电路线性度输出结果图。
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，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
如图3所示，本发明的一种宽带集成CMOS全局反馈接收机前端电路包括：输入跨导放大器、有源合路器、第一无源混频器、第二无源混频器、第三无源混频器、第四无源混频器、第一跨阻放大器、第二跨阻放大器。
输入射频信号由端口Vin输入，经过输入跨导放大器Gm转换为电流信号，再经过第二混频器得到基带电流信号，基带电流信号经过第一跨阻放大器得到I路的基带电压输出信号BBI。同时，电压信号BBI经过第一无源混频器的上变频，以及有源合路器的反馈，得以反馈射频信号到端口Vin，从而获得了全局反馈下的输入端口阻抗匹配。类似地，第三无源混频器第二跨阻放大器得到Q路的基带电压信号BBQ。基带信号BBQ经过第四无源混频器的上变频，再经过有源合路器的反馈，同样得以反馈射频信号到端口Vin。
所述输入跨导放大器Gm的输入端Vin通过耦合电容Cc2和反馈电阻RF与反馈电路中的有源合路器SF的输出端Vout2连接，输入跨导放大器的输出端Vout1通过耦合电容Cc1分别与第二无源混频器的输入端Vin1和第三无源混频器的输入Vin1连接。
反馈电阻RF阻值为12kΩ，耦合电容Cc2取值为3pF，耦合电容Cc1取值为3pF。
如图4所示，所述输入跨导放大器Gm包括：PMOS管M1、PMOS管M2、NMOS管M3、NMOS管M4、电阻R0。
PMOS管M1的漏极与PMOS管M2的源极连接，PMOS管M1的源极接上电源电压VDD，PMOS管M1的栅极与NMOS管M4的栅极和电阻R0的一端连接，作为低噪声放大器的输入端VIN，PMOS管M2的栅极与NMOS管M3的栅极分别接上偏置电压Vb3和Vb4，PMOS管M2的漏极分别与NMOS管M3的漏极和电阻R0的另一端连接，作为跨导放大器的输出端Vout，NMOS管M4的漏极接上NMOS管M3的源极，NMOS管M4的源极接地。
本领域的技术人员应知R0作为局部反馈电阻用于提供偏执点，一般取值为20kΩ。
所述反馈回路中包含有源合路器SF、耦合电容CSF1、耦合电容CSF2。有源合路器SF的输入端Vin+通过电容CSF2分别与第一无源混频器的输出端Vout5和第四无源混频器的输出端Vout5连接，有源合路器的输入端Vin-通过电容CSF1分别与第一无源混频器的输出端Vout6和第四无源混频器的输出端Vout6连接。
耦合电容CSF1、耦合电容CSF2一般取值为3pF。
如图5所示，所述有源合路器SF包括：NMOS管M11、NMOS管M12、电阻R1b、电阻R2b。R1b、R2b为偏置电阻，一般取值为20kΩ。
NMOS管M11的漏极接电源VDD端，NMOS管M11的栅极分别与电阻R1b的一端连接，电阻R1b的另一端的接上偏置电压Vb5，M11的栅极并且连接Vin+，NMOS管M11的源极与NMOS管M12的漏极连接，并作为输出端Vout2，NMOS管M12的栅极分别与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端的接上偏置电压Vb6，M12的栅极并且连接Vin-，NMOS管M12的漏极接地。
所述无源混频器包含第一、第二、第三、第四无源混频器。
第二无源混频器的输出端Vout1与第一跨阻放大器的输入端Vin2连接，第二无源混频器的输出端Vout2与第一跨阻放大器的输入端Vin3连接，第一跨阻放大器的输出端Vout3与第一无源混频器的输入端Vin4连接，第一跨阻放大器的输出端Vout4与第一无源混频器的输入端Vin5连接，第三无源混频器的输出端Vout1与第二跨阻放大器的输入端Vin2连接，第三无源混频器的输出端Vout2与第二跨阻放大器的输入端Vin3连接，第二跨阻放大器的输出端Vout3与第四无源混频器的输入端Vin4连接，第二跨阻放大器的输出端Vout4与第四无源混频器的输入端Vin5连接。
所述跨阻放大器结构相同，均包括：电容CTIA1、电容CTIA2、电容CF1、电容CF2、电阻RTIA2、电阻RTIA1、基带TIA单元。CTIA1、CTIA2为基带滤波电容，一般取值为2.5pf；RTIA2、RTIA1为基带反馈电阻，一般取值为3kΩ；CF1、CF2为阻塞干扰吸收电容，一般取值为15pf。
基带TIA单元正向输入端分别和电容CTIA2的一端和电阻RTIA2的一端和电容CF2的一端连接，并作为跨阻放大器的输入端Vin3，基带TIA单元反向输入端分别于电容CTIA1的一端和电阻RTIA1的一端和电容CF1的一端连接，并作为跨阻放大器的输入端Vin2，基带TIA单元正向输出端分别于电容CTIA1的另一端和电阻RTIA1的另一端连接，并作为跨阻放大器的输出端Vout3，基带TIA单元反向输出端分别于电容CTIA2的另一端和电阻RTIA2的另一端连接，并作为跨阻放大器的输出端Vout4，电容CF1和电容CF2另一端接地。
如图6所示，所述基带TIA单元结构相同，均包括：反相器gm1、反相器gm2、反相器gm3、反相器gmf、电容C1、电阻R1。
反相器gm1的输入端VIN1与反相器gmf的输入端Vif1连接，作为基带TIA单元的反向输入端，反相器gm1的输入端VIN2与反相器gmf的输入端Vif2连接，作为基带TIA单元的同向输入端，反相器gm1的输出端VO1分别与反相器gm2的输入端Vi1和电容C1的一端连接，反相器gm1的输出端VO2分别与反相器gm2的输入端Vi2和电容C2的一端连接，反相器gm2的输出端VO3分别与反相器gm3的输入端Vi1和电阻R1的一端连接，电容C1的另一端和电阻R1的另一端连接，反相器gm2的输处端VO4分别与反相器gm3的输入端Vi5和电阻R2的一端连接，电容C2的另一端和电阻R2的另一端连接，反相器gm3的输出端VO5与反相器gmf的输出端VOf1连接，作为基带TIA单元的正向输出端，反相器gm3的输处端VO6与反相器gmf的输出端VOf2连接，作为基带TIA单元的反向输出端。
如图7所示，所述反相器gm1～3单元结构相同，均包括：PMOS管M5、PMOS管M6、PMOS管M7、NMOS管M8、NMOS管M9、NMOS管M10、电阻R10、电阻R20。R10、R20为反馈电阻稳定偏置点，一般取值为20kΩ。
PMOS管M5的漏极分别与PMOS管M6的源极和PMOS管M7的源极连接，PMOS管M5的源极接上电源电压VDD，PMOS管M5的栅极接上偏置电压源Vbcm，PMOS管M6的栅极分别与NMOS管M8的栅极和电阻R10的一端连接，作为反向器的反向输入端VIN1，PMOS管M7的栅极分别与NMOS管M9的栅极和电阻R20的一端连接，作为反向器的同向输入端VIN2，PMOS管M6的漏极分别与NMOS管M8的漏极和电阻R10的另一端，作为反向器的正向输出端Vout2，PMOS管M7的漏极分别与NMOS管M9的漏极和电阻R20的另一端，作为反向器的反向输出端Vout1，NMOS管M8的源极分别与NMOS管M9的源极和NMOS管M10的漏极连接，NMOS管M10的栅极接入偏置电压源Vb2，NMOS管M10的源极接地。
参考图3，可以分析得到接收前端电路的增益表达式为：
Figure BDA0003359357640000061
其中，gm1,gm4为晶体管M1,M4跨导。
进一步地，我们可以得到前端电路的输入阻抗为：
Figure BDA0003359357640000062
考虑到接收前端电路的增益Av较大，典型值为40dB.所以在固定的Rin＝50Ω约束条件下，RF取值要大为增加，晶体管M11的跨导gm11取值要大为减小，这样的变化都会降低反馈环路的噪声贡献，取得低噪声指数。作为典型取值，本发明中，Rf取值在3k，gm11:3mS。仿真表明反馈环路的噪声可以忽略不计。又因为M11晶体管的尺寸很小，其寄生效应对电路的带宽影响也大大降低了。
如图6所示，显示了设计的基于3级反相器结构的基带放大器，其UGB带宽为4.6GHz，除去三个级联反向器组成的主路径外，还增加了前馈路径中。由RC网络反馈产生的米勒补偿与和前馈路径的增加，使得放大器的右半平面零点得以去除，稳定性得以提高。运算放大器的高环路增益有力地维持了的输入端的虚拟接地，降低输入端口的电压摆幅，改善了线性度，降低失真。通过仿真，基于弥勒补偿的基带放大器优化参数为：gm1,gm2,gm3,gmf:34,15,31,72mS.RC反馈支路元件数值为R1＝25Ω,C1＝4pF。
本实施例提供的一种宽带集成CMOS全局反馈接收机前端电路采用65nm标准CMOS工艺设计实现，采用1.2V电压供电，不包含本振信号发生源的情况下，接收信号处理电路功耗为25mW。图8给出了电路在1-4GHZ频率下的增益输出结果，可以看到取得了39-42dB的小信号增益，基带带宽约为22MHz。图9展示了1-4GHZ频率下的输入反射系数的输出结果，可以看到取得了小信号匹配状态良好结果。图10给出了1-4GHZ频率下双边带噪声指数随着中频频率变化的输出结果，可以看到，随着本振频率的升高，噪声呈现增加的趋势，这主要是归因于高频下本振信号逻辑电路的充放电延时效应的恶化。整体噪声在1.5-1.7dB左右。图11展示了线性度随着双薪信号频率的变化趋势，可以看到，对于带内线性度，其性能在-14dBm,主要受限于跨阻放大器的小信号线性度特性。随着双音频率Δf增加，线性度大为提高，带外IP3可以达到10dBm以上。这可以归因于基带滤波器的抑制效果，整体上，本发明给出了一种可以在dc～4Ghz频段内工作的时钟产生电路。具有低噪声、宽带可重构的特点，可广泛应用于亚-6GHz频带各种通信协议架构下的电流模接收机中。
图8-图10的横坐标freq(MHz)表示频率，单位为MHz；图8的纵坐标表示增益，图9的纵坐标表示小信号匹配状态，图10纵坐标表示双边带噪声。
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 (7)

1.一种宽带集成CMOS全局反馈接收机前端电路，其特征在于，包括：输入跨导放大器、第二无源混频器、第三无源混频器、第一输出跨阻放大器、第二输出跨阻放大器；
输入射频信号经过输入跨导放大器转换为电流信号，再经过第二无源混频器得到基带电流信号，基带电流信号经过第一跨阻放大器得到I路的基带电压信号BBI；输入跨导放大器转换的电流信号依次经第三无源混频器、第二跨阻放大器后得到Q路的基带电压信号BBQ；
所述接收机前端电路还包括第一无源混频器、第四无源混频器以及反馈电路；基带电压信号BBI经过第一无源混频器的上变频，以及反馈电路的反馈，从而反馈射频信号到输入跨导放大器输入端；基带电压信号BBQ经过第四无源混频器的上变频，以及反馈电路的反馈，从而反馈射频信号到输入跨导放大器输入端。
2.根据权利要求1所述的一种宽带集成CMOS全局反馈接收机前端电路，其特征在于，所述输入跨导放大器为单端输入结构。
3.根据权利要求2所述的一种宽带集成CMOS全局反馈接收机前端电路，其特征在于，输入跨导放大器包括：PMOS管M1、PMOS管M2、NMOS管M3、NMOS管M4、电阻R0；
PMOS管M1的漏极与PMOS管M2的源极连接，PMOS管M1的源极接上电源电压VDD，PMOS管M1的栅极与NMOS管M4的栅极和电阻R0的一端连接，作为低噪声放大器的输入端VIN，PMOS管M2的栅极与NMOS管M3的栅极分别接上偏置电压Vb3和Vb4，PMOS管M2的漏极分别与NMOS管M3的漏极和电阻R0的另一端连接，作为跨导放大器的输出端Vout，NMOS管M4的漏极接上NMOS管M3的源极，NMOS管M4的源极接地。
4.根据权利要求3所述的一种宽带集成CMOS全局反馈接收机前端电路，其特征在于，所述输入跨导放大器的输入端通过电容Cc2和电阻RF与有源合路器的输出端连接。
5.根据权利要求4所述的一种宽带集成CMOS全局反馈接收机前端电路，其特征在于，输入跨导放大器的输出端通过电容Cc1分别与第二无源混频器和第三无源混频器的输入端连接。
6.根据权利要求5所述的一种宽带集成CMOS全局反馈接收机前端电路，其特征在于，第一输出跨阻放大器、第二输出跨阻放大器结构相同，均包括：电容CTIA1、电容CTIA2、电容CF1、电容CF2、电阻RTIA2、电阻RTIA1、基带TIA单元；
基带TIA单元正向输入端分别和电容CTIA2的第一端、电阻RTIA2的第一端、电容CF2的第一端连接，并作为跨阻放大器的输入端Vin3；基带TIA单元反向输入端分别与电容CTIA1的第一端、电阻RTIA1的第一端、电容CF1的第一端连接，并作为跨阻放大器的输入端Vin2；基带TIA单元正向输出端分别与电容CTIA1的第二端、电阻RTIA1的第二端连接，并作为跨阻放大器的输出端Vout3；基带TIA单元反向输出端分别与电容CTIA2的第二端、电阻RTIA2的第二端连接，并作为跨阻放大器的输出端Vout4；电容CF1的第二端和电容CF2的第二端接地。
7.根据权利要求6所述的一种宽带集成CMOS全局反馈接收机前端电路，其特征在于，所述反馈电路包括：有源合路器；有源合路器包括正极输入端与负极输入端，第一无源混频器和第四无源混频器的输出端包括正极输出端与负极输出端，有源合路器的正极输入端与第一无源混频器和第四无源混频器的正极输出端连接，有源合路器的负极输入端与第一无源混频器和第四无源混频器的负极输出端连接。
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