CN115913263B - 一种无线接收机结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无线接收机结构，包括依次连接的低噪放、混频器、低通滤波器、基带放大器、数模转换器，还包括本地振荡器、调节电路、数值计算电路。数值计算电路从数模转换器的输出信号得到基带信号幅值以及共模电平值，并分别判断与标准值的差值是否大于阈值。当大于阈值时，通过调节电路进行控制，对低噪放和基带放大器的增益进行精确的控制，并且对基带放大器的共模电平进行调节，而不需要复杂电路实现。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线通信器件，具体涉及一种无线接收机结构。
背景技术
近年来，随着移动电话和其他无线便携终端的普及，逐渐出现对小型化无线设备的低功耗和低价格要求，无线通信必然涉及到对无线信息的接收和解调，如何快速捕获到基带信息并将有用信息传递给集成电路基带处理器给无线接收机的设计带来了挑战。最重要的是对有用信息进行适当的放大，若将无线信号增益放大过高，会使接收链路饱和不能工作，若没有将信号进行合适增益放大，则后级监测不到信息。现有技术中，自动调节增益难以控制，往往校正过大导致得不到良好的基带信号幅度；接收机精确增益控制则需要复杂电路设计和额外版图面积。
另一个挑战是模拟基带信号的共模电平设计，现有的接收机增益和共模电平调节存在一定的局限，由于电路制造过程中的不匹配特性，会导致共模电平偏高或偏低，从而使得模数转换器得不到有用信息。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种无线接收机结构，能够进行精确的增益控制，并能自适应调整输出共模电平。
技术方案：一种无线接收机结构，包括依次连接的低噪放、混频器、低通滤波器、基带放大器、模数转换器，还包括本地振荡器、调节电路、数值计算电路；本地振荡器连接混频器；
所述调节电路包括控制电路CL1、控制电路CL2、控制电路CA1、控制电路CA2；
所述数值计算电路用于对模数转换器的输出信号处理，得到基带信号幅值以及共模电平值，并分别判断所述基带信号幅值以及共模电平值与标准值的差值是否大于阈值；
所述低噪放为增益可控CMOS低噪放，包括差动放大器结构以及两组并联mos管阵列，所述差动放大器结构包括输入差分对管M3和M4，两组并联mos管阵列分别对应并联在输入差分对管M3和M4上；其中，两组并联mos管阵列的每个mos管支路都串连有开关，并联mos管阵列中的各mos管的衬底以及输入差分对管M3和M4的衬底均与控制电路CL1的输出端相连；
所述基带放大器包括差分运算放大器以及两组并联电阻阵列，两组并联电阻阵列分别对应并联在差分运算放大器的输入和输出之间；其中，两组并联电阻阵列的每个电阻支路都串连有开关；所述差分运算放大器的Vcon端连接控制电路CA1的输出端；
当所述共模电平值与标准值的差值大于阈值时，所述控制电路CA1通过调整输出电压大小来调节所述共模电平值；
当所述基带信号幅值与标准值的差值大于阈值时，首先通过控制电路CL2调节所述两组并联mos管阵列中的开关闭合数量以及通过控制电路CA2调节所述两组并联电阻阵列中的开关闭合数量来实现增益粗调节；然后所述控制电路CL1通过调整输出电压大小来实现增益精细调节。
进一步的，所述差分运算放大器包括折叠式套筒共源共栅放大器和差分放大器；差分放大器的反相输入端作为所述Vcon端，差分放大器的正相输入端连接折叠式套筒共源共栅放大器输出的共模电平，所述差分放大器的输出端连接折叠式套筒共源共栅放大器的第二级负载pmos对管M5和M6的衬底。
有益效果：1、本发明能精确控制接收机增益，而不需要复杂电路实现。2、本发明能精确控制接收机结构中基带放大器的输出共模电平，而不需要复杂电路实现。3、本发明可适用于低压电路结构。
附图说明
图1为本发明接收机结构示意图；
图2为本发明接收机结构中低噪放控制结构示意图；
图3为本发明接收机结构中基带放大器控制结构示意图；
图4为本发明基带放大器电路结构图；
图5为本发明控制电路CL1、CA1结构示意图；
图6为本发明接收机工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，一种无线接收机结构，天线101属于无线接收机外部结构，无线接收机包括依次连接的低噪放102、混频器103、低通滤波器104、基带放大器105、模数转换器106，还包括本地振荡器107、调节电路108、数值计算电路109，本地振荡器107连接混频器103。其中，调节电路108包括控制电路CL1、控制电路CL2、控制电路CA1、控制电路CA2。
天线101用于接收无线信号；低噪放102具有增益调节功能，用于放大提高无线信号的能量；混频器103作为接收信号的下变频器；低通滤波器104用于滤除基带以外的干扰信号；基带放大器105用于放大基带信号；模数转换器106用于将模拟信号转换为数字信号，数字信号用于数值计算电路109以及后级的数字输入；本地振荡器107产生稳定的本振信号。数值计算电路109用于对模数转换器106的输出信号处理，得到基带信号幅值以及共模电平值，并分别判断基带信号幅值以及共模电平值与标准值的差值是否大于阈值。
如图2所示，低噪放102为增益可控CMOS低噪放，包括差动放大器结构以及两组并联mos管阵列202和205，差动放大器结构包括输入差分对管M3和M4，两组并联mos管阵列分别对应并联在输入差分对管M3和M4上。其中，两组并联mos管阵列的每个mos管支路都串连有开关，并联mos管阵列中的各mos管的衬底以及输入差分对管M3和M4的衬底均与控制电路CL1的输出端相连。
如图3所示，基带放大器105包括差分运算放大器303以及两组并联电阻阵列，两组并联电阻阵列分别对应并联在差分运算放大器303的输入和输出之间，即形成反馈结构。其中，两组并联电阻阵列的每个电阻支路都串连有开关。差分运算放大器303的Vcon端连接控制电路CA1的输出端。
当模数转换器106的输出信号中的共模电平值与标准值的差值大于阈值时，控制电路CA1通过调整输出电压大小能够调节该共模电平值。当模数转换器106的输出信号中的基带信号幅值与标准值的差值大于阈值时，首先通过控制电路CL2调节两组并联mos管阵列中开关的闭合数量以及通过控制电路CA2调节两组并联电阻阵列中开关的闭合数量来实现增益粗调节；然后控制电路CL1通过调整输出电压大小来实现增益精细调节。
具体的，当无线信号进入到低噪放102后，需要进行低噪声的信号放大，因此本发明的低噪放102使用了源极电感负反馈技术和电感负载技术的拓扑结构。如图2所示，低噪放102使用差分输入Vin+和Vin-，差分输出Vout+和Vout-，输入偏置电压Vbias。低噪放102的差动放大器结构包括4个电感L1、L2、L3和L4，4个主nmos管M1、M2、M3和M4，隔直电容C1和C2，偏置电阻R1和R2，尾电流源Itail，其中主nmos管M3和M4作为输入差分对管。低噪放102的2组并联mos管阵列202和205同时作为增益调节mos管和输入管。控制电路CL1通过调节M3、M4以及202和205中各mos管的背栅电压，从而改变输入管以及输入差分对管的阈值，进而精确改变其增益大小。控制电路CL2通过调整并联mos管阵列202和205中mos管的接入个数，从而粗略地调节增益。
对于如图2所示的低噪放102结构，输入差分对管M3和M4的跨导为gm，低噪放102的输出电阻为Ro，则放大器增益大小为gmRo。跨导计算公式gm＝-μCoxW/L(VGS-Vth)，μ为载流子迁移率，Cox为单位面积氧化物层电容，W为mos管宽度，L为mos管长度，VGS为栅源电压，Vth为阈值电压。其中，阈值电压Vth0为VSB＝0时的阈值电压，VSB为衬底偏压，φF为费米值，γ为体效应系数，γ的典型值在0.3V～0.4V之间。控制电路CL2控制mos管接入个数时，mos管并联相当于增加宽带，即相当于控制gm公式中的W，因此增益gmRo∝gm∝W，是线性关系增益控制。控制电路CL1控制背栅电压时，相当于控制VSB的值，因此增益/>是平方根的关系，从而比线性关系更能实现精确控制增益的大小。
如图3所示，基带放大器105采用的差分运算放大器303具有高增益，差分输入是Vin+和Vin-，差分输出Vout+和Vout-，控制电路CA2用于控制差分运算放大器303的反馈电阻接入个数，并联电阻阵列提供了不同值的接入电阻。其第一并联电阻阵列中各电阻依次记为电阻302-1、电阻302-1-R1、电阻302-1-R2…电阻302-1-R(n-1)、电阻302-1-Rn，其第二并联电阻阵列中各电阻依次记为电阻302-2、电阻302-2-R1、电阻302-2-R2…电阻302-2-R(n-1)、电阻302-2-Rn。电阻302-1和电阻302-2的电阻值均为R0，当第一并联电阻阵列实际接入电阻值为R1，对应第二并联电阻阵列实际接入电阻值应为R2，R1＝R2。增益计算公式为(Vout+-Vout-)/(Vin+-Vin-)＝R1/R0，控制电路CA2通过调节并联电阻阵列，进而能调节基带放大器的增益。
控制电路CA1用于调节差分运算放大器303的Vcon端的电压，进而调节输出电压Vout+和Vout-的共模电平。如图4所示，差分运算放大器303包括折叠式套筒共源共栅放大器401和差分放大器402。折叠式套筒共源共栅放大器401包括输入共源极pmos管，电流源nmos对管M11和M12，共栅极nmos对管M9和M10，第一级负载pmos对管M7和M8，第二级负载pmos对管M5和M6。差分放大器402的反相输入端作为差分运算放大器303的Vcon端，差分放大器402的正相输入端连接折叠式套筒共源共栅放大器401输出的共模电平，差分放大器402的输出端连接折叠式套筒共源共栅放大器401的第二级负载pmos对管M5和M6的衬底。差分运算放大器303的差分输入是Vin+和Vin-，差分输出Vout+和Vout-，差分放大器402的输出控制M5、M6的背栅电压，连接折叠式套筒共源共栅放大器401的电阻R3和电阻R4用于差分输出Vout+和Vout-的共模电平。当差分输出Vout+和Vout-的共模电平比输入到Vcon端的参考电平高时，差分放大器402的输出能够提高M5和M6的背栅电压来提高其阈值，使M5、M6电流减小，从而在Vout+和Vout-处拉低共模电平，直至共模电平与输入到Vcon端的参考电平相等。
本发明通过使用背栅调节的差分运算放大器，能够减少集成电路布图中的栅极连线，从而减轻电路失配的影响；同时，利用衬偏效应，将衬偏效应的不利影响转化为电路反馈控制，相比于直接控制负载管栅极，控制背栅电压能更精准调节放大器输出电平。如图5的(a)和(b)所示为控制电路CL1、CA1的电路结构。通过对参考电压VREF1和VREF2进行电阻分压，能够得到对应控制电路CL1、CA1所需要的电压，并分别通过开关组501进行选择和开关组502进行选通。
本发明的实现场景是无线通信中接收机需要进行精确的增益控制，并能自适应调整合适的输出共模电平，通过mos管自身的背栅控制和逻辑运算实现，并且不需要过于复杂的电路设计和过大的集成电路版图面积。当无线信号经过天线101进入接收机时，预设的低噪放102会将其幅度进行放大，经过混频器103后与本振107相乘，得到基带信号和干扰分量，经过低通滤波器104滤波后，得到基带信号，基带信号经过基带放大器105放大后，送入模数转换器106中，转换成的数字信号一方面送入后级处理，一方面送入数值计算电路109部分，送入数值计算电路109部分可以得到基带信号的幅值和共模电平值，从而通过调节电路108对低噪放102和基带放大器105进行增益与共模电平的调节，最后得到幅度合适的基带信号，便于后级再进行处理。
本发明接收机工作过程如图6所示：
S1：接收机启动。
S2：无线信号进入天线，天线将信号传输至低噪放。
S3：微弱的无线信号进入低噪放进行放大，输入的无线信号功率假定为Pin，此时低噪放中输入差分管预设增益为GLNA0，那么放大后信号功率为Pin·GLNA0。
S4：经过低噪放放大后的信号输入到混频器中，与本振信号相乘，混频器的转换增益为GMIX，经过下变频的信号功率为Pin·GLNA0·GMIX。
S5：经过下变频的信号会经过低通滤波器，功率有一定衰减，衰减量为ξ，那么低通滤波器输出信号功率为Pin·GLNA0·GMIX·(1-ξ)。
S6：基带信号会经过基带放大器信号放大，基带放大器预设增益GBB0，经过放大后得到的基带功率为Pin·GLNA0·GMIX·(1-ξ)·GBB0。
S7：基带信号会被A/D转换为数字信号，得到对应的数字量D0。
S8：数字量D0进入数值计算部分进行处理，得到基带信号幅值DA0和共模电平值DC0，DA0和DC0会同设定的标准基带幅值A和共模电平值C进行比较，从而给出差异值，若差异值超出设计的阈值，则执行S9，否则执行S12。
S9：调节电路通过调节控制电路CA1输出的参考电平值，使得基带放大器中M5、M6管通过背栅控制共模电平。
S10：调节电路先进行增益粗调节，即通过控制电路CL2调节低噪放中输入差分对管上并联个mos管的个数以及通过控制电路CA2调节基带放大器中输入输出端之间反馈电阻的阻值；然后进行精细调节，即通过调节控制电路CL1输出的参考电平值，使得输入差分对管并联到输入差分对管上各mos管的背栅电压发生改变，增益发生更小的变化。最终使得低噪放增益改变为GLNA1，基带放大器的增益改变为GBB1，使得得到的基带功率为Pin·GLNA1·GMIX·(1-ξ)·GBB1。
S11：得到新的基带幅度和共模电平后，再执行S7。
S12：数字信号传递给集成电路下级处理。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种无线接收机结构，其特征在于，包括依次连接的低噪放(102)、混频器(103)、低通滤波器(104)、基带放大器(105)、模数转换器(106)，还包括本地振荡器(107)、调节电路(108)、数值计算电路(109)；本地振荡器(107)连接混频器(103)；
所述调节电路(108)包括控制电路CL1、控制电路CL2、控制电路CA1、控制电路CA2；
所述数值计算电路(109)用于对模数转换器(106)的输出信号处理，得到基带信号幅值以及共模电平值，并分别判断所述基带信号幅值以及共模电平值与标准值的差值是否大于阈值；
所述低噪放(102)为增益可控CMOS低噪放，包括差动放大器结构以及两组并联mos管阵列，所述差动放大器结构包括输入差分对管M3和M4，两组并联mos管阵列分别对应并联在输入差分对管M3和M4上；其中，两组并联mos管阵列的每个mos管支路都串连有开关，并联mos管阵列中的各mos管的衬底以及输入差分对管M3和M4的衬底均与控制电路CL1的输出端相连；
所述基带放大器(105)包括差分运算放大器(303)以及两组并联电阻阵列，两组并联电阻阵列分别对应并联在差分运算放大器(303)的输入和输出之间；其中，两组并联电阻阵列的每个电阻支路都串连有开关；所述差分运算放大器(303)的Vcon端连接控制电路CA1的输出端；
当所述共模电平值与标准值的差值大于阈值时，所述控制电路CA1通过调整输出电压大小来调节所述共模电平值；
当所述基带信号幅值与标准值的差值大于阈值时，首先通过控制电路CL2调节所述两组并联mos管阵列中的开关闭合数量以及通过控制电路CA2调节所述两组并联电阻阵列中的开关闭合数量来实现增益粗调节；然后所述控制电路CL1通过调整输出电压大小来实现增益精细调节。
2.根据权利要求1所述的无线接收机结构，其特征在于，所述差分运算放大器(303)包括折叠式套筒共源共栅放大器(401)和差分放大器(402)；差分放大器(402)的反相输入端作为所述Vcon端，差分放大器(402)的正相输入端连接折叠式套筒共源共栅放大器(401)输出的共模电平，所述差分放大器(402)的输出端连接折叠式套筒共源共栅放大器(401)的第二级负载pmos对管M5和M6的衬底。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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