CN117674874A - 一种前置衰减器的可变增益接收前端电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种前置衰减器的可变增益接收前端电路，包括四位衰减器、有源巴伦低噪声放大器以及I/Q两路无源混频器，通过前置衰减器可进一步提高接收前端电路的线性度，增大动态范围，且通过结构创新，对输入匹配特性影响较小。射频输入信号RFin连接四位衰减器，四位衰减器的衰减输出信号Aout连接有源巴伦低噪声放大器，有源巴伦低噪声放大器的两路差分射频输出信号RF+、RF‑连接I/Q两路无源混频器，I/Q两路无源混频器共输出四路正交差分中频信号VI+、VI‑、VQ+、VQ‑。
Description
技术领域
本发明属于射频集成电路领域，尤其涉及一种前置衰减器的可变增益接收前端电路。
背景技术
接收机射频前端是无线通信系统中最重要的部分之一，通常包括低噪声放大器和下变频混频器电路。一般位于射频接收机的第一级，输入端低噪声放大器直接与天线相连，将接收到的有用信号进行放大，同时又不能引入过多的噪声，这一级的噪声性能和放大性能对系统来说至关重要。此外，为了抑制共模噪声，减小二阶非线性，可采用有源巴伦低噪声放大器将天线输入的单端信号转为差分信号，与后级差分正交下混频器相连。下变频混频器的作用是将接收到的射频信号变成较低的中频信号，这一级是连接射频信号和中频信号的桥梁。混频器的性能非常重要，需要具有高线性度，低噪声和适当的转换增益。因此，接收机射频前端的性能不仅制约了整个接收系统的性能，而且对于整个接收系统技术水平的提高也起了决定性的作用。所以，设计高性能的射接收机射频前端电路，已经成为射频电路设计的核心。噪声系数、增益受控动态范围、功耗、线性度是射频接收前端的几个重要性能指标。
为了达到系统要求的动态范围，射频接收前端电路的增益需要可控，额外的增益控制电路会恶化射频接收前端电路的噪声等性能指标，如何减小增益控制电路对射频接收前端的影响是一个难点。系统增益又分为全增益和最小增益两种，即对最小和最大可接收信号的放大能力，对于接收机前端输入幅度不同的信号调整增益保证输出信号基本恒定。由于输入信号幅度大小相差很大，在输入信号大的情况下必须保证信号能够不失真地传递到下一级，则要求接收机射频前端电路的线性度能够达到要求，线性度是表征接收的最大信号功率的指标。
发明内容
本发明提出了一种前置衰减器的可变增益接收前端电路，以解决受限于可变增益有源巴伦低噪声放大器电路本身性能，无法通过内部增益控制单元进一步提升低增益档位下的线性度，将更大输入信号不失真地传递到下一级电路的技术问题。
实现本发明的技术解决方案为：一种前置衰减器的可变增益接收前端电路，包括四位衰减器、有源巴伦低噪声放大器以及I/Q两路无源混频器；射频输入信号RFin连接四位衰减器，四位衰减器的衰减输出信号Aout连接有源巴伦低噪声放大器，有源巴伦低噪声放大器的两路差分射频输出信号RF+、RF-连接I/Q两路无源混频器，I/Q两路无源混频器共输出四路正交差分中频信号VI+、VI-、VQ+、VQ-。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)本发明接收前端电路通过前置四位衰减器、可变负载、可切换电流注入管构成多种增益切换方式组合，增益调整范围大。
(2)本发明在有源巴伦低噪声放大器前增加一级四位衰减器，可显著提高低增益档位下接收前端电路线性度，增大接收前端电路动态范围，且不影响输入匹配特性。
(3)本发明有源巴伦低噪声放大器采用跨导增强技术，能够在不增加额外功耗的情况下提高电路增益，优化噪声。
附图说明
图1是本发明接收前端电路的系统框图。
图2是本发明四位衰减器的电路原理图。
图3是本发明有源巴伦低噪声放大器的电路原理图。
图4是本发明无源混频器的电路原理图。
图5是本发明接收前端电路第一(最高)增益级输入匹配S11后仿真结果。
图6是本发明接收前端电路第一(最高)增益级电压增益后仿真结果，其中(a)为电压增益@2.44～2.45GHz，(b)为电压增益@2.4～2.41GHz，(c)为电压增益@2.5～2.51GHz。
图7是本发明接收前端电路第一(最高)增益级噪声系数后仿真结果，其中(a)为噪声系数@2.44～2.45GHz，(b)为噪声系数@2.4～2.41GHz，(c)为噪声系数@2.5～2.51GHz。
图8是本发明接收前端电路第一(最高)增益级IIP3后仿真结果。
图9是本发明接收前端电路第七(最低)增益级输入匹配S11后仿真结果。
图10是本发明接收前端电路第七(最低)增益级电压增益后仿真结果，其中(a)为电压增益@2.44～2.45GHz，(b)为电压增益@2.4～2.41GHz，(c)为电压增益@2.5～2.51GHz。
图11是本发明接收前端电路第七(最低)增益级噪声系数后仿真结果，其中(a)为噪声系数@2.44～2.45GHz，(b)为噪声系数@2.4～2.41GHz，(c)为噪声系数@2.5～2.51GHz。
图12是本发明接收前端电路第七(最低)增益级IIP3后仿真结果。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明地描述中，“多个”地含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体地限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应作广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；“连接”可以是机械连接，也可以是电连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围指内。
下面将结合本设计实例对具体实施方式、以及本次发明的技术难点、发明点进行进一步介绍。
鉴于可变增益有源巴伦低噪声放大器受限于电路本身性能，无法通过内部增益控制单元进一步提升低增益档位下的线性度，将更大输入信号不失真地传递到下一级电路，本发明创新的提出一种前置衰减器的可变增益接收前端电路，通过前置衰减器可进一步提高接收前端电路的线性度，增大动态范围，且通过结构创新，对输入匹配特性影响较小。
参看图1，本发明接收前端电路包括四位衰减器、有源巴伦低噪声放大器以及I/Q两路无源混频器。射频输入信号RFin连接四位衰减器，四位衰减器的衰减输出信号Aout连接有源巴伦低噪声放大器，有源巴伦低噪声放大器的两路差分射频输出信号RF+、RF-连接I/Q两路无源混频器，I/Q两路无源混频器共输出四路正交差分中频信号VI+、VI-、VQ+、VQ-。
图2是本发明四位衰减器的电路原理图，包括四组并联的衰减单元，依次为第一衰减单元、第二衰减单元、第三衰减单元、第四衰减单元。第一衰减单元包括第一晶体管M1；第二衰减单元包括第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3；第三衰减单元包括第五晶体管M5、第六晶体管M6、第七晶体管M7，第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6；第四衰减单元包括第八晶体管M8、第九晶体管M9、第十晶体管M10，第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9。射频输入信号RFin连接第一晶体管M1的源极、第三晶体管M3的栅极、第六晶体管M6的栅极、第九晶体管M9的栅极；第一晶体管M1的栅极连接第二控制信号ST2；第三晶体管M3的源极连接第二电阻R2，漏极连接第二晶体管M2的源极，第二电阻R2的另一端接地，第二晶体管M2的栅极连接第三控制信号ST3，漏极连接第一电阻R1，第一电阻R1的另一端连接第四晶体管M4的漏极，第四晶体管M4的源极连接第三电阻R3，第三电阻R3的另一端接地；第六晶体管M6的源极连接第五电阻R5，漏极连接第五晶体管M5的源极，第五电阻R5的另一端接地，第五晶体管M5的栅极连接第四控制信号ST4，漏极连接第四电阻R4，第四电阻R4的另一端连接第七晶体管M7的漏极，第七晶体管M7的源极连接第六电阻R6，第六电阻R6的另一端接地；第九晶体管M9的源极连接第八电阻R8，漏极连接第八晶体管M8的源极，第八电阻R8的另一端接地，第八晶体管M8的栅极连接第五控制信号ST5，漏极连接第七电阻R7，第七电阻R7的另一端连接第十晶体管M10的漏极，第十晶体管M10的源极连接第九电阻R9，第九电阻R9的另一端接地；第一晶体管M1的漏极、第四晶体管M4的栅极、第七晶体管M7的栅极、第十晶体管M10的栅极共同连接到衰减输出信号Aout。第一晶体管M1、第二晶体管M2、第五晶体管M5、第八晶体管M8分别对应由控制信号ST2～ST5控制其导通和关断，从而控制信号流向，实现不同增益级的衰减。第三晶体管M3、第二电阻R2、第四晶体管M4、第三电阻R3用于调节接收前端输入匹配，防止因引入衰减电阻R1而导致的输入匹配恶化，第六晶体管M6、第五电阻R5、第七晶体管M7、第六电阻R6以及第九晶体管M9、第八电阻R8、第十晶体管M10、第九电阻R9同理。
图3是本发明有源巴伦低噪声放大器的电路原理图，包括输入共栅共源放大器、共栅放大器、跨导增强结构、负载单元和增益控制单元。输入共栅共源放大器包括第一电容C1、第二电容C2、第一电感L1、第十一晶体管M11、第十二晶体管M12；共栅放大器包括第十三晶体管M13、第十四晶体管M14；跨导增强结构包括第十六晶体管M16；负载单元包括第三电容C3、第三电感L3；增益控制单元包括第十五晶体管M15、第十七晶体管M17、第十八晶体管M18、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13。衰减输出信号Aout连接第一电容C1、第一电感L1和第十二晶体管M12的源极，第一电容C1的另一端连接第十一晶体管M11的栅极和第十六晶体管M16的栅极，第一电感L1的另一端接地；第十一晶体管M11的源极接地，漏极连接第二电容C2、第十四晶体管M14的源极、第十五晶体管M15的漏极和第十六晶体管M16的漏极，第十五晶体管M15的栅极连接第六控制信号ST6，源极连接电源电压VDD，第十六晶体管M16的源极连接电源电压VDD，第二电容C2的另一端连接第十二晶体管M12的栅极，第十二晶体管M12的漏极连接第十三晶体管M13的源极；第十三晶体管M13的栅极连接电源电压VDD，漏极连接第十电阻R10、第十二电阻R12、第三电容C3、第三电感L3和差分射频输出信号RF-；第十四晶体管M14的栅极连接电源电压VDD，漏极连接第十一电阻R11、第十三电阻R13、第三电容C3的另一端、第三电感L3的另一端和差分射频输出信号RF+；第三电感L3的中心抽头连接电源电压VDD；第十电阻R10的另一端连接第十七晶体管M17的漏极，第十一电阻R11的另一端连接第十七晶体管M17的源极，第十七晶体管M17的栅极连接第一控制信号ST1；第十二电阻R12的另一端连接第十八晶体管M18的漏极，第十三电阻R13的另一端连接第十八晶体管M18的源极，第十八晶体管M18的栅极连接第七控制信号ST7。第十七晶体管M17、第十八晶体管M18分别对应由第一控制信号ST1、第七控制信号ST7控制其导通和关断，构成可变负载，实现不同增益级的信号放大；第十五晶体管M15为可切换电流注入管，由第六控制信号ST6控制其导通和关断，从而控制电流大小，实现不同增益级的信号放大。前置四位衰减器、可变负载、可切换电流注入管构成了多种增益切换方式组合，增益调整范围大。该低噪声放大器实现了射频信号的单端转差分功能，为后级电路提供差分信号，抑制偶次谐波，节省了输出端巴伦的设计，直接与后级I/Q两路无源混频器相连。经过第十一晶体管M11初步放大的射频信号被第二电容C2耦合到第十二晶体管M12的栅极进行二次放大，能够提高电路的增益并降低噪声。采用跨导增强技术，将第十六晶体管M16的栅极接到第十一晶体管M11的栅极，对输入射频信号进行放大，与第十一晶体管M11共用电流，可以在不增加额外功耗的情况下提高增益，优化噪声。
图4是本发明无源混频器的电路原理图，所述I/Q两路无源混频器结构相同，均由差分跨导级、差分开关对和差分跨阻放大器三部分构成。有源巴伦低噪声放大器的两路差分输出分别连接差分跨导级的两路差分输入，跨导级的两路差分输出分别连接差分开关对的两路差分输入，差分开关对的两路差分输出分别连接差分跨阻放大器的两路差分输入，差分跨阻放大器的两路差分输出即为一路无源混频器的两路差分输出。差分跨导级包括第十九晶体管M19、第二十晶体管M20、第二十一晶体管M21、第二十二晶体管M22。由于本次设计的有源巴伦低噪声放大器在单端转双端的结构上并不是一个完全对称的电路，会产生信号的幅度和相位不平衡，本次设计的差分跨导级采用平衡校正的结构，作为无源混频器的跨导级，同时作为低噪声放大器的输出缓冲用来校正低噪声放大器的差分输出信号。差分开关对包括第四电容C4、第五电容C5，第二十三晶体管M23、第二十四晶体管M24、第二十五晶体管M25、第二十六晶体管M26。第二十三晶体管M23、第二十六晶体管M26的栅极连接差分本振信号LOI(Q)+，第二十四晶体管M24、第二十五晶体管M25的栅极连接差分本振信号LOI(Q)-，实现射频信号的下变频。差分跨阻放大器包括第二十七晶体管M27、第二十八晶体管M28、第二十九晶体管M29、第三十晶体管M30，第六电容C6、第七电容C7，第十四电阻R14、第十五电阻R15。差分跨阻放大器将下变频的电流信号转换成电压信号，本次设计的差分跨阻放大器由反相器输入输出端连接电阻和电容构成，不仅可提供低输入阻抗，提高整体电路的线性度，而且可满足零中频架构的10MHz带宽要求。
图5、6、7、8分别是本发明接收前端电路第一(最高)增益级模式下输入匹配S11、电压增益、噪声系数、IIP3后仿真结果，仿真条件为：VDD＝1.1V，TT 27℃，ST1＝1.1V，ST2＝1.1V，ST3＝0，ST4＝0，ST5＝0，ST6＝1.1V，ST7＝1.1V，在2.4～2.5GHz频段S11小于-14.8dB，电压增益在33.7～34.8dB之间，噪声系数小于3.42dB，输入双音信号频率为2.438GHz和2.44GHz时，IIP3为-16.7dBm。
图9、10、11、12分别是本发明接收前端电路第七(最低)增益级模式下输入匹配S11、电压增益、噪声系数、IIP3后仿真结果，仿真条件为：VDD＝1.1V，TT 27℃，ST1＝0，ST2＝0，ST3＝0，ST4＝0，ST5＝1.1V，ST6＝0.6V，ST7＝0，在2.4～2.5GHz频段S11小于-19.1dB，电压增益在-1.4～-1.1dB之间，噪声系数小于28.8dB，输入双音信号频率为2.438GHz和2.44GHz时，IIP3为15.7dBm。
表1接收前端电路7级增益及对应的噪声系数和IIP3后仿真结果
通过表1可以看出，本发明设计的接收前端电路具有高达36dB的增益调整范围，第一(最高)增益级模式下噪声系数小于3.42dB，第七(最低)增益级模式下IIP3可达15.7dBm。
本发明与现有仅在低噪声放大器内部采用增益控制单元实现增益可变的接收前端电路相比，如表2，本发明可以有效提高低增益档位下接收前端电路线性度，且增益调整范围更大，噪声、功耗、面积性能均更为优越。
表2本发明与现有仅在低噪声放大器内部采用增益控制单元实现增益可变的接收前端电路的性能对比表
参考文献为T.-L.Chiu,M.-F.Huang and C.-C.Wang,"A receiver front-endwith variable-gain control for WiMAX applications,"2010Asia-Pacific MicrowaveConference,Yokohama,Japan,2010,pp.354-357。
Claims (5)
1.一种前置衰减器的可变增益接收前端电路，其特征在于：包括四位衰减器、有源巴伦低噪声放大器以及I/Q两路无源混频器；射频输入信号RFin连接四位衰减器，四位衰减器的衰减输出信号Aout连接有源巴伦低噪声放大器，有源巴伦低噪声放大器的两路差分射频输出信号RF+、RF-连接I/Q两路无源混频器，I/Q两路无源混频器共输出四路正交差分中频信号VI+、VI-、VQ+、VQ-。
2.根据权利要求1所述的前置衰减器的可变增益接收前端电路，其特征在于：所述四位衰减器包括四组并联的衰减单元，依次为第一衰减单元、第二衰减单元、第三衰减单元、第四衰减单元；第一衰减单元包括第一晶体管M1；第二衰减单元包括第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3；第三衰减单元包括第五晶体管M5、第六晶体管M6、第七晶体管M7，第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6；第四衰减单元包括第八晶体管M8、第九晶体管M9、第十晶体管M10，第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9；射频输入信号RFin连接第一晶体管M1的源极、第三晶体管M3的栅极、第六晶体管M6的栅极、第九晶体管M9的栅极；第一晶体管M1的栅极连接第二控制信号ST2；第三晶体管M3的源极连接第二电阻R2，漏极连接第二晶体管M2的源极，第二电阻R2的另一端接地，第二晶体管M2的栅极连接第三控制信号ST3，漏极连接第一电阻R1，第一电阻R1的另一端连接第四晶体管M4的漏极，第四晶体管M4的源极连接第三电阻R3，第三电阻R3的另一端接地；第六晶体管M6的源极连接第五电阻R5，漏极连接第五晶体管M5的源极，第五电阻R5的另一端接地，第五晶体管M5的栅极连接第四控制信号ST4，漏极连接第四电阻R4，第四电阻R4的另一端连接第七晶体管M7的漏极，第七晶体管M7的源极连接第六电阻R6，第六电阻R6的另一端接地；第九晶体管M9的源极连接第八电阻R8，漏极连接第八晶体管M8的源极，第八电阻R8的另一端接地，第八晶体管M8的栅极连接第五控制信号ST5，漏极连接第七电阻R7，第七电阻R7的另一端连接第十晶体管M10的漏极，第十晶体管M10的源极连接第九电阻R9，第九电阻R9的另一端接地；第一晶体管M1的漏极、第四晶体管M4的栅极、第七晶体管M7的栅极、第十晶体管M10的栅极共同连接到衰减输出信号Aout；第一晶体管M1、第二晶体管M2、第五晶体管M5、第八晶体管M8分别对应由控制信号ST2～ST5控制其导通和关断，从而控制信号流向，实现不同增益级的衰减。
3.根据权利要求1所述的前置衰减器的可变增益接收前端电路，其特征在于：所述有源巴伦低噪声放大器包括输入共栅共源放大器、共栅放大器、跨导增强结构、负载单元和增益控制单元；输入共栅共源放大器包括第一电容C1、第二电容C2、第一电感L1、第十一晶体管M11、第十二晶体管M12；共栅放大器包括第十三晶体管M13、第十四晶体管M14；跨导增强结构包括第十六晶体管M16；负载单元包括第三电容C3、第三电感L3；增益控制单元包括第十五晶体管M15、第十七晶体管M17、第十八晶体管M18、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13；衰减输出信号Aout连接第一电容C1、第一电感L1和第十二晶体管M12的源极，第一电容C1的另一端连接第十一晶体管M11的栅极和第十六晶体管M16的栅极，第一电感L1的另一端接地；第十一晶体管M11的源极接地，漏极连接第二电容C2、第十四晶体管M14的源极、第十五晶体管M15的漏极和第十六晶体管M16的漏极，第十五晶体管M15的栅极连接第六控制信号ST6，源极连接电源电压VDD，第十六晶体管M16的源极连接电源电压VDD，第二电容C2的另一端连接第十二晶体管M12的栅极，第十二晶体管M12的漏极连接第十三晶体管M13的源极；第十三晶体管M13的栅极连接电源电压VDD，漏极连接第十电阻R10、第十二电阻R12、第三电容C3、第三电感L3和差分射频输出信号RF-；第十四晶体管M14的栅极连接电源电压VDD，漏极连接第十一电阻R11、第十三电阻R13、第三电容C3的另一端、第三电感L3的另一端和差分射频输出信号RF+；第三电感L3的中心抽头连接电源电压VDD；第十电阻R10的另一端连接第十七晶体管M17的漏极，第十一电阻R11的另一端连接第十七晶体管M17的源极，第十七晶体管M17的栅极连接第一控制信号ST1；第十二电阻R12的另一端连接第十八晶体管M18的漏极，第十三电阻R13的另一端连接第十八晶体管M18的源极，第十八晶体管M18的栅极连接第七控制信号ST7；第十七晶体管M17、第十八晶体管M18分别对应由第一控制信号ST1、第七控制信号ST7控制其导通和关断，构成可变负载，实现不同增益级的信号放大；第十五晶体管M15为可切换电流注入管，由第六控制信号ST6控制其导通和关断，从而控制电流大小，实现不同增益级的信号放大。
4.根据权利要求1所述的前置衰减器的可变增益接收前端电路，其特征在于：所述I/Q两路无源混频器结构相同，均由差分跨导级、差分开关对和差分跨阻放大器三部分构成；有源巴伦低噪声放大器的两路差分输出分别连接差分跨导级的两路差分输入，跨导级的两路差分输出分别连接差分开关对的两路差分输入，差分开关对的两路差分输出分别连接差分跨阻放大器的两路差分输入，差分跨阻放大器的两路差分输出即为一路无源混频器的两路差分输出。
5.根据权利要求4所述的前置衰减器的可变增益接收前端电路，其特征在于：
所述差分跨导级包括第十九晶体管M19、第二十晶体管M20、第二十一晶体管M21、第二十二晶体管M22；
所述差分开关对包括第四电容C4、第五电容C5，第二十三晶体管M23、第二十四晶体管M24、第二十五晶体管M25、第二十六晶体管M26；
所述差分跨阻放大器包括第二十七晶体管M27、第二十八晶体管M28、第二十九晶体管M29、第三十晶体管M30，第六电容C6、第七电容C7，第十四电阻R14、第十五电阻R15。
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| CN202311673708.9A CN117674874A (zh) | 2023-12-07 | 2023-12-07 | 一种前置衰减器的可变增益接收前端电路 |
Publications (1)
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|---|---|
| CN117674874A true CN117674874A (zh) | 2024-03-08 |
Family
ID=90082259
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311673708.9A Pending CN117674874A (zh) | 2023-12-07 | 2023-12-07 | 一种前置衰减器的可变增益接收前端电路 |
Country Status (1)
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-
2023
- 2023-12-07 CN CN202311673708.9A patent/CN117674874A/zh active Pending
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