CN114696855A - 一种新型零中频接收机 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体提供一种新型零中频接收机，用以提高接收机的接收灵敏度并减小芯片面积；本发明包括：混频器、第一增益级运放、第二增益级运放、第一低通滤波级运放、以及开关电容积分器，开关电容积分器由开关电容与第二低通滤波级运放构成；其中，两级增益级运放与两级低通滤波级运放采用相同运放结构，每个运放内部集成两个斩波器，有效将信号与运放的直流失调和闪烁噪声分开，进而通过低通滤波器达到既能消除混频器输出信号的直流分量、又不会带来额外噪声的效果，有效提高接收机的接收灵敏度；同时，采用开关电容积分器，通过控制开关切换频率，实现动态高通滤波效果，改善接收机电路性能的同时又大大减小芯片面积。

Description

一种新型零中频接收机

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体提供一种新型零中频接收机。

背景技术

随着社会的发展，人们对于无线通信技术的需求越来越高；如为了提高汽车雷达探测距离，接收链路灵敏度就要提高，对下混频器来说，就需要更加优异的性能；但是实际芯片加工时，难以避免工艺失配，混频器开关级不能完全对称，即无法避免产生直流失调，而直流失调又容易使后级电路产生饱和和非线性现象。

为了解决这一问题，一些直流消除结构的零中频接收机被提出，如图1所示为一种集成了全差分电容耦合斩波稳定放大器的接收机，其基本结构包括：混频器、隔直大电容Cs、全差分电容耦合斩波稳定放大器(包含主放大器单元(CH₂与两个增益级G_m1与G_m2部分)、RC积分器负反馈(包含低通滤波(G_m3、R_i与C_i)、斩波器CH₄与反馈电容C_h)、电容反馈网络(C_f与CH₃)和LPF四个主要模块)；电容Cs阻止混频器输出的直流失调部分，让有用信号通过，但是随着信号频率下降，尤其是零中频时，电容Cs会变得很大，导致芯片成本急剧上升；若以片外大电容代替C_S，则芯片做不到全集成，芯片集成度也会下降；主放大器单元采用电容Cc耦合斩波稳定结构，各个斩波器均采用CMOS传输门结构，可以使运放不采用轨到轨输入端而达到轨到轨共模输入范围；电容反馈网络在低频情况下具有极大的阻抗，可以降低对输出级的驱动能力要求，但是由于电容隔直作用，电路启动变慢；RC积分器负反馈结构的作用是缓解大电容Cs带来的芯片面积压力，将低拉低，使得混频器输出的直流部分被滤除，能比较精确地确定运放的高通极点，消除的直流偏移电压，但对于零中频电路，信号频率很低，就需要使得RC积分器负反馈结构(等效一个低通滤波器)的截止频率很低，这样电阻R_i与C_i的值会很大，两者面积的增大换来Cs的减小，导致整体芯片面积缩小并不是很明显。

由此可见，上述传统零中频接收机为了滤除混频器输出的直流失调部分，需要大电容隔直，因此芯片面积很大；而且即使滤除了混频器输出的直流失调，全差分电容耦合斩波稳定放大器本身带来的直流失调及噪声也没有考虑到，从而引入了新的直流失调问题；并且如果对主放大器单元进行带宽限制，以增大电容Cc方式使运放带宽缩小至信号带宽附近，这就需要比较大的补偿电容，增大了芯片面积，且实现较小的高通极点，需要极大的增加RC积分器负反馈的输入电阻。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有传统零中频接收机存在的诸多问题，提供一种新型零中频接收机；本发明采用新型结构，采用集成开关电容积分器的DCOC电路(直流失调消除电路、DC offsetConcellation)将混频器输出信号中的直流失调抵消，而对于DCOC中运放自身的失调电压和闪烁噪声问题，每个运放内部集成两个斩波器，使得运放输入信号两次斩波，自身的直流失调和闪烁噪声一次斩波，即将信号与运放的直流失调和闪烁噪声分开，进而通过低通滤波器将直流失调与噪声滤掉，达到既能消除混频器输出信号的直流分量、又不会带来额外噪声的效果，有效提高接收机的接收灵敏度，保证后级电路的正常工作；同时，DCO C电路中的开关电容积分器，通过控制开关切换频率，实现动态高通滤波效果，改善接收机电路性能的同时又大大减小芯片面积。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种新型零中频接收机，包括：混频器、第一增益级运放、第二增益级运放、第一低通滤波级运放、以及开关电容积分器；其中，混频器、第一增益级运放、第二增益级运放与第一低通滤波级运放依次串联，接收信号输入混频器的输入端、第一低通滤波级运放的输出端输出信号；所述开关电容积分器由开关电容与第二低通滤波级运放构成，所述开关电容接第二增益级运放的输出端；所述第一增益级运放、第二增益级运放、第一低通滤波级运放与第二低通滤波级运放均由放大器与外围电路构成，所述放大器由依次串联的第一级斩波器、第一级放大电路、第二级斩波器与第二级放大电路构成；所述第二低通滤波级运放的输出反馈至第一增益级运放中放大器的输入端。

进一步的，所述外围电路包括：反馈电容、反馈电阻与比例运算电阻，其中，反馈电容与反馈电阻并联、并跨接在放大器的差分输入端与差分输出端之间，第一增益级运放、第二增益级运放与第一低通滤波级运放中比例运算电阻串联在放大器的差分输入端，第二低通滤波级运放中比例运算电阻串联在放大器的差分输出端。

更进一步的，所述零中频接收机满足：

其中，R_equ为开关电容等效阻抗，R₁为第一增益级运放与第二增益级运放中反馈电阻R1的阻值，R₅、R₇为第二增益级运放中比例运算电阻R5、第二低通滤波级运放中比例运算电阻R7的阻值，C₁、C₃为第一增益级运放与第二增益级运放中反馈电容C1、第二低通滤波级运放中反馈电容C3的阻值。

本发明的有益效果在于：

本发明提供一种新型零中频接收机，具有如下优点：

1、本发明针对零中频接收机集成了新式的DCOC电路，取消了传统结构中的大电容Cs，大大减小了芯片面积，节省成本；

2、本发明中的每个运算放大器均含有两级Chopper，能够避免运放自身的失调分量和噪声影响混频器输出，保护了接收链路的灵敏度，不会增加额外的直流失调；采用两级增益级运放可使电路总体增益被分摊，相当于扩大了每级运放的带宽，使得斩波器的斩波频率可选择变大，由电阻电容和运放构成的低通滤波器的截止频率相应变高，使得无源器件变小，极大地节省版图面积；

3、运用开关电容等效成电阻的积分器作为负反馈，积分器本身是低通特性，作为负反馈，则体现高通特性，即把混频器输出的直流失调滤掉；而此时需要这个等效的高通滤波器截止频率很低，为了进一步缩小版图面积，用开关电容代替GΩ级别电阻，使得版图面积极大地缩小，同时又使等效电阻更加精确且可控，非常适用于低中频接收机混频器性能的改进；

4、积分器的高通极点通过外部输入时钟频率确定，方便实现滤波器截止频率的修正，达到电路设计的灵活性；

综上，本发明采用的两级增益级和开关电容积分器负反馈能使混频器输出的直流失调与闪烁噪声抵消，同时又不会带来额外的噪声，并且能极大地缩小版图面积，采用开关电容能很方便的控制滤波器截止频率，能很好地改善混频器性能；同时这也使得本发明运用范围变的广泛，尤其针对低中频，甚至零中频架构接收机，优势更加凸显。

附图说明

图1为传统集成全差分电容耦合斩波稳定放大器的接收机的电路原理图。

图2为本发明实施例中新型直流消除结构的零中频接收机的电路原理图。

图3为本发明实施例中无源单平衡混频器的电路原理图。

图4为本发明实施例中增益级运放的电路原理图。

图5为本发明实施例中增益级运放的斩波示意图。

图6为本发明实施例中开关电容积分器负反馈的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本实施例提出一种新型直流消除结构的零中频接收机，其结构如图2所示，包括：混频器、两级增益级运放、开关电容积分器、以及第一低通滤波级运放(低通滤波器、增益很小的第三级运放)；其中，信号经接收机的天线接收并传入混频器进行频率变换，使高频信号变换到低频、以便于下级电路放大，混频器的输出接第一增益级运放(其中，比例运算电阻R4、反馈电阻R1与反馈电容C1调节第一增益级运放的反馈比例，以控制增益)，第一增益级运放的输出接第二增益级运放(相同的，比例运算电阻R5、反馈电阻R1与反馈电容C1调节第二增益级运放的反馈比例，以控制增益)，第二增益级运放的的输出接第一低通滤波级运放(其中，比例运算电阻R6、反馈电阻R2与反馈电容C2调节第一低通滤波级运放的反馈比例，以控制增益)与开关电容积分器(信号S1与S2控制的八个开关，加上这几个开关中间的两个电容等效为大电阻，比例运算电阻R7、反馈电阻R3与反馈电容C3调节开关电容积分器第二低通滤波级运放的反馈比例，以控制增益)，而开关电容积分器的输出反馈至第一增益级运放，第一低通滤波级运放输出零中频接收机的输出信号。

进一步的，所述开关电容积分器由开关电容与第二低通滤波级运放构成，所述两级增益级运放、两级低通滤波级运放均采用相同的运放结构，具体均由放大器与外围电路构成，所述外围电路包括：反馈电容、反馈电阻与比例运算电阻，其中，反馈电容与反馈电阻并联、并跨接在放大器的差分输入端与差分输出端之间；所述两级增益级运放与第一低通滤波级运放中比例运算电阻串联在放大器的差分输入端，所述第二低通滤波级运放中比例运算电阻串联在放大器的差分输出端；所述开关电容积分器的输出反馈至第一增益级运放中放大器的输入端。

更进一步的，所述放大器均由依次串联的第一级斩波器、第一级放大电路、第二级斩波器与第二级放大电路构成。

需要说明的是：所述两级增益级运放、两级低通滤波级运放均采用相同的运放结构，其中，反馈电阻与比例运算电阻的比值决定了运放结构的增益，故在本发明中，第一增益级运放与第二增益级运放的增益高、称其为增益级运放，而第一低通滤波级运放与第二低通滤波级运放的增益小、主要用于实现滤波、称其为低通滤波级运放；而两级增益级运放共同决定零中频接收机的增益，可根据实际应用需求进行匹配设计；同时，为了保证信号带宽外的直流失调及高频干扰滤除，开关电容积分器环路形成的高通拐点F_H必须小于第一级增益级运放的低通拐点F_L，因此，电阻电容需满足：

其中，R_equ为开关电容等效阻抗，R₁为反馈电阻R1的阻值，R₅、R₇为比例运算电阻R5、比例运算电阻R7的阻值，C₁、C₃为反馈电容C1、反馈电容C3的阻值。

从工作原理上讲：

接收机的直流失调消除部分放大了混频器输出的有用信号，同时滤除了混频器的直流失调，并且自身不会带来额外的直流失调；DCOC(直流失调消除)电路采用开关电容积分器作为负反馈，该负反馈等效成低通滤波器将输出的直流信号反馈到输入，抵消了混频器输出直流分量，达到了传统结构中大电容Cs的作用，大大减小版图面积；同时开关电容等效成大电阻，也达到缩小面积的目的；增益级运放分成两级，每级的增益减小使得每级带宽变大，这样斩波器的斩波信号频率变大，减小无源器件电阻、电容的值以缩减版图面积；并且，通过外部时钟可控制等效电阻阻值的大小，使得该反馈的截止频率做到很低且可调，能够很好地分离混频器输出的直流分量和有用信号；对于每个放大器An(n代表放大器的序列号，如第一个放大器A1)，自身含有两级斩波模块，都能消除运放自身失调电压和闪烁噪声对信号的影响；综上，本发明能做到消除混频器输出的直流失调而又不会带来额外噪声，并实现小的版图面积的同时，做到调节滤波的功能。

更为具体的讲：

(1)混频器

本实施例中，混频器作为接收链路第一级，即需要使得混频器输出噪声小、增益高、线性度好，同时因为接收天线单端，故采用无源单平衡混频器，其电路原理图如图3所示；其中，信号从V_RF进入混频器，V_LO控制晶体管导通，C6、L1与L2为输入端匹配电路；为了增大本振到中频输出的隔离度，运用交叉耦合电容C5以减小晶体管栅漏寄生电容；为了进一步减小射频和本振到中频的馈通，增加了电容C4；由于信号是低频，故采用电阻作为负载。

(2)增益级运放

本实施例中，增益级运放的电路原理图如图4所示，由两级斩波器与两级放大电路组成，输入信号V_in经第一级斩波器(chopper)后输入到第一级放大电路，第一级放大电路的输出经第二级斩波器后输入到第二级放大电路，第二级放大电路输出信号V_out；

上述增益级运放An消除自身失调电压与噪声的工作原理如图5所示，增益级运放输入信号(对应图5中A，其中图4与图5中的字母一一对应，即图4的A处信号就是图5的A)经第一级斩波chopper1，被变换到高频(斩波频率f_chop的奇次谐波处)，再经过第一级放大电路，此时输出含有被第一级放大电路放大的信号和第一级放大电路自身产生的直流失调和闪烁噪声，即对应图4中的B处；再经第二级斩波chopper2，则第一级放大电路自身产生的直流失调和噪声被变换到高频，而A处的信号(输入信号)又被斩到低频，回到初始状态，如图4中C处，此时信号幅度被放大；由于增益级运放自身的增益带宽积的限制，增益高使得带宽小，C处的信号放大，第一级放大电路产生的直流失调和噪声被抑制；至此，增益级的输入信号、自身产生的直流失调与闪烁噪声经过图2中的低通滤波器就被分离了。根据弗里斯级联噪声公式，第一级放大电路产生的噪声几乎决定了整个增益模块的噪声系数，而第一级放大电路之后的电路自身的直流失调和闪烁噪声影响就要小得多，即通过图4所示结构，大大减小了每个增益级运放An自身的直流失调与噪声对整体的影响，最终实现运放的直流失调与噪声不会影响混频器有用信号。

(3)开关电容积分器负反馈

由于零中频接收链路信号频率很低，为了使信号从直流失调中分离出来，开关电容积分器负反馈等效的低通滤波器的截止频率将会很小，即无源器件的值很大，难以集成；然而运用开关电容技术可以代替工艺误差大的大电阻，并且通过调节控制频率能很好地控制等效电阻，开关电容实现的等效电阻可以轻易地实现GΩ级别；

本实施例中，开关电容积分器负反馈如图6所示，其中，开关电容用于在集成芯片上实现对物理电阻(physical resistor)功能上的模拟并取代，形成差分等效电阻；

在脉冲S1和脉冲S2的控制下(S1、S2控制信号互补，两个信号各同时控制4个开关)，两组4个开关周期地闭合与断开；在一个时钟周期T以内(假定没有寄生电容)，从V₁流到V₂的电荷量等于C(V₁-V₂)；因此，电路中流向V₂的平均电流为：

其中，I_avg是S1与S2轮流闭合开关时流过电容的平均电流，C代表开关电容中8个开关之间的电容，V₁是由S2控制的4个开关闭合后电容上的电压，V₂是由S1控制的4个开关闭合后电容上的电压，T是控制信号S1、S2的周期；

推导出等效模拟电阻为：

其中，R_equ是开关电容形成的等效电阻，f_clk是控制信号S1、S2的频率；

从上式可以看出，当电容C仅在fF级别时，通过合理设置f_clk，能轻易实现电阻GΩ级别，做到截止频率很低，极大地减小无源电阻的版图面积；同时相比由普通工艺实现的电阻，开关电容的等效电阻精度更高。

综上，本发明中两级增益级运放的输出不含运放自身产生的直流失调和噪声、仅将混频器的输出全部分量进行适宜放大；而反馈由于是低通特性，仅将放大的直流失调反馈回DCOC的输入，完成与混频器输出的直流失调抵消，最后经低通滤波器滤除被斩到高频的无关分量实现保留混频器输出的有用信号；最终混频器输出的直流消除。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (3)

1.一种新型零中频接收机，包括：混频器、第一增益级运放、第二增益级运放、第一低通滤波级运放、以及开关电容积分器；其中，混频器、第一增益级运放、第二增益级运放与第一低通滤波级运放依次串联，接收信号输入混频器的输入端、第一低通滤波级运放的输出端输出信号；所述开关电容积分器由开关电容与第二低通滤波级运放构成，所述开关电容接第二增益级运放的输出端；所述第一增益级运放、第二增益级运放、第一低通滤波级运放与第二低通滤波级运放均由放大器与外围电路构成，所述放大器由依次串联的第一级斩波器、第一级放大电路、第二级斩波器与第二级放大电路构成；所述第二低通滤波级运放的输出反馈至第一增益级运放中放大器的输入端。

2.按权利要求1所述新型零中频接收机，其特征在于，所述外围电路包括：反馈电容、反馈电阻与比例运算电阻，其中，反馈电容与反馈电阻并联、并跨接在放大器的差分输入端与差分输出端之间，第一增益级运放、第二增益级运放与第一低通滤波级运放中比例运算电阻串联在放大器的差分输入端，第二低通滤波级运放中比例运算电阻串联在放大器的差分输出端。

3.按权利要求1所述新型零中频接收机，其特征在于，所述零中频接收机满足：

其中，R_equ为开关电容等效阻抗，R₁为第一增益级运放与第二增益级运放中反馈电阻R1的阻值，R₅、R₇为第二增益级运放中比例运算电阻R5、第二低通滤波级运放中比例运算电阻R7的阻值，C₁、C₃为第一增益级运放与第二增益级运放中反馈电容C1、第二低通滤波级运放中反馈电容C3的阻值。

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