CN1589001A - Cmos单变频电路 - Google Patents

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CN1589001A CNA2004100649812A CN200410064981A CN1589001A CN 1589001 A CN1589001 A CN 1589001A CN A2004100649812 A CNA2004100649812 A CN A2004100649812A CN 200410064981 A CN200410064981 A CN 200410064981A CN 1589001 A CN1589001 A CN 1589001A
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唐守龙
罗岚
孙文
吴建辉
时龙兴
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Abstract

本发明公开了一种专用于数字电视调谐器芯片的CMOS单变频电路，由三波段混频器、三波段压控振荡器、滤波器驱动电路和中频可变增益放大器组成，其特征在于低波段压控振荡器、中波段压控振荡器和高波段压控振荡器均采用电路结构相同的压控振荡基本电路，该压控振荡基本电路由压控振荡器、幅度检测电路和第一比较器组成，压控振荡器的两输出端分别与幅度检测电路两输入端连接，幅度检测电路的输出端与第一比较器的反向输入端连接，第一比较器的正向输入端接参考电压Vrefh，在幅度检测电路与压控振荡器之间设有第二比较器和电荷泵，第二比较器的反向输入端与幅度检测电路的输出端连接，第二比较器的正向输入端接参考电压。

Description

CMOS单变频电路
                                技术领域
本发明涉及一种数字有线电视调谐器的前端调谐接收部分的电路，尤其涉及一种专用于数字电视调谐器芯片的CMOS单变频电路。
                                背景技术
由于微电子技术、超大规模集成电路设计技术、数字信号处理技术、计算机技术等方面的实用技术突破，使数字电视(DTV)技术日趋成熟。数字电视的调谐器俗称高频头，是数字电视接收机的前置级部件，在数字电视技术中占有十分重要的地位，它的作用是将已被调制的载有数字电视信息内容的射频信号(多路信号)进行射频接收、放大、变频、滤波、模数转换、解调、纠错解码等功能，其性能优劣对数字电视接收效果影响甚大，是数字电视的重要组成部分。随着微电子技术的迅速发展，数字电视调谐器的大部分功能都是用相应的专用芯片实现，专用集成电路设计技术继而成为数字电视调谐器的核心设计技术。
数字电视高频头通常包含两部分功能电路，一是前端的调谐电路，负责射频接收、变频、滤波以及自动增益控制等功能；二是后端的解调电路，负责模数转换、解调以及纠错解码等功能。
目前，数字有线电视调谐器专用集成电路可分为两大类：一类是单变频结构，直接把接收到的射频电视信号下变频到中频信号，单变频结构又分为两种结构：两波段单变频结构和三波段单变频结构；另一类是双变频结构，首先把接收到的射频电视信号上变频到某一固定频率，然后再降至中频信号。上述的三种电路结构性能比较如表一。
表一  三种电路结构性能比较表
两波段单变频结构 三波段单变频结构 双变频结构
功耗 低(＜0.5W) 低(＜0.5W) 高(＞1.5W)
镜像抑制 ＞50dB ＞60dB ＞60dB
成本 低 低 高
相位噪声 差 好 中
集成度 低 低 高
是否需要调整 是 是 否
从表一可以看出，虽然双变频结构集成度高且不需要调整，但是其功耗大、成本高，该结构比较适用于Cable Modem，而不太适用于成本要求苛刻的数字电视调谐器，因此比较三种结构的调谐电路，三波段单变频结构是最佳的电路结构，目前，国内数字电视调谐器专用芯片也多是采用这类芯片产品。目前，三波段单变频结构集成电路主要采用Bipolar工艺，该工艺制成成本很高且不利于更多功能电路的集成。
                               发明内容
本发明提供一种低成本可集成的标准CMOS工艺实现的专用于数字电视调谐器芯片的CMOS单变频电路，本发明能够减小环路噪声对振荡器相位噪声的影响。
本发明采用如下技术方案：
一种专用于数字电视调谐器芯片的CMOS单变频电路，由三波段混频器、三波段压控振荡器、滤波器驱动电路和中频可变增益放大器组成，三波段混频器由低波段混频器、中波段混频器、高波段混频器、低波段本振缓冲电路、中波段本振缓冲电路和高波段本振缓冲电路组成，低波段本振缓冲电路、中波段本振缓冲电路和高波段本振缓冲电路的两输出端分别与低波段混频器、中波段混频器)和高波段混频器的第一、第二输入端连接；三波段压控振荡器由低波段压控振荡器、中波段压控振荡器和高波段压控振荡器组成，低波段压控振荡器、中波段压控振荡器和高波段压控振荡器的两输出端分别与低波段本振缓冲电路、中波段本振缓冲电路和高波段本振缓冲电路的两输入端连接，其接点分别作为本振信号的两输入端，由芯片外部引入的三个波段选择信号同时输至三波段压控振荡器、混频器和本振缓冲电路的控制端，低波段混频器、中波段混频器和高波段混频器的两输出端分别短接后与滤波器驱动电路的两输入端连接，滤波器驱动电路的两路输出信号经外部滤波处理后作为中频可变增益放大器输入信号输至中频可变增益放大器，在上述低波段混频器、中波段混频器和高波段混频器的两输出端上跨接有负载级电路，低波段压控振荡器、中波段压控振荡器和高波段压控振荡器均采用电路结构相同的压控振荡基本电路，该压控振荡基本电路由压控振荡器、幅度检测电路和第一比较器组成，压控振荡器的两输出端分别与幅度检测电路两输入端连接，幅度检测电路的输出端与第一比较器的反向输入端连接，第一比较器的正向输入端接参考电压Vrefh，在幅度检测电路与压控振荡器之间设有第二比较器和电荷泵，第二比较器的反向输入端与幅度检测电路的输出端连接，第二比较器的正向输入端接参考电压Vrefl，电荷泵由上电流源，下电流源，开关管和单位增益放大器组成，PMOS管PM18、PM19串连，组成上电流源，其栅端分别外接偏置电压VB5、VB6，PMOS管PM19的源端接电源，PMOS管PM19的漏端接PMOS管PM18的源，PMOS管PM18的漏接NMOS管NM19、NM21的漏端和PMOS管PM14、PM15的源端；NMOS管NM23、NM24串连，组成下电流源，其栅端分别外接偏置电压VB4、VB3，NMOS管NM24的源端接地，其漏端接NMOS管NM23的源端，NMOS管NM23的漏端接NMOS管NM20，NM22的源端和PMOS管PM16、PM17的漏端，NMOS管NM19，NMOS管NM20，NMOS管NM21，NMOS管NM22分别和PMOS管PM14，PMOS管PM16，PMOS管PM15，PMOS管PM17组成互补结构的开关管，控制上下电流源的开启和断开，NMOS管NM19的源端、NMOS管NM20的漏端、PMOS管PM14的漏端和PMOS管PM16的源端短接后作为电荷泵的输出端I1与压控振荡器的输入端连接，且与单位增益放大器的输入正端连接，单位增益放大器由PMOS管PM20、PM21、PM22和NMOS管NM25，NM26组成，PMOS管PM20、PM21构成差分输入，其栅极分别为单位增益放大器的正端和负端，PMOS管PM20、PM21的源端短接后接PMOS管PM22的漏端，PMOS管PM22为尾电流管，栅极外接偏置电压VB7，源极接电源，NMOS管NM25、NM26组成电流镜负载，其漏端分别接于PMOS管PM20、PM21的漏端，NMOS管NM25、NM26的栅短接后接到NMOS管NM25的漏上，单位增益放大器从PMOS管PM21的漏端输出，并反馈到放大器的负输入端，NMOS管NM21的源端、NMOS管NM22的漏端、PMOS管PM15的漏端和PMOS管PM17的源端短接后与PMOS管PM21的栅连接，第一比较器的输出端和第二比较器的输出端分别与与非门的两输入端、或非门的两输入端连接，与非门的输出端与PMOS管PM14和NMOS管NM21的栅短接后的接点连接，与非门的输出端经反向器后与PMOS管PM15和NMOS管NM19的栅短接后的接点连接，或非门的输出端与PMOS管PM17和NMOS管NM20的栅短接后的接点连接，或非门的输出端经反向器后与PMOS管PM16和NMOS管NM22的栅短接后的接点连接。与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明采用低成本可集成的标准CMOS工艺实现三波段单变频结构的数字有线电视调谐器专用芯片，不但把射频接收电路用CMOS工艺实现，而且还集成了中频可变增益放大器，实现了三波段射频接收和自动增益控制的单芯片集成，降低了数字电视调谐器系统成本。本发明中的压控振荡器采用了一种新的宽带稳幅技术，可以使整个环路噪声基本不影响振荡器相位噪声。本发明中的混频器负载电路采用有源MOS管、电阻和电容并联电路结构，不但可以降低负载电路的直流电压，提高混频器增益，还可以实现选频功能，大大提高了数字电视调谐器的选择性。本发明所选用的负载级电路，可以降低电阻R4/R3上的电流，电阻电容并联可以实现选频特性，实现高增益。
                             附图说明
图1为本发明提出的电路结构框图。
图2为本发明中CMOS混频器电路图。
图3为本发明中CMOS本振缓冲电路图。
图4为本发明的CMOS压控振荡器电路框图。
图5为本发明CMOS压控振荡器的具体电路图。
图6为本发明中滤波器驱动电路框图。
图7为本发明中中频可变增益放大器电路框图。
                            具体实施方式
一种专用于数字电视调谐器芯片的CMOS单变频电路，由三波段混频器100、三波段压控振荡器200、滤波器驱动电路300和中频可变增益放大器400组成，三波段混频器100由低波段混频器111、中波段混频器112、高波段混频器113、低波段本振缓冲电路121、中波段本振缓冲电路122和高波段本振缓冲电路123组成，低波段本振缓冲电路121、中波段本振缓冲电路122和高波段本振缓冲电路123的两输出端分别与低波段混频器111、中波段混频器112和高波段混频器113的第一、第二输入端连接；三波段压控振荡器200由低波段压控振荡器201、中波段压控振荡器202和高波段压控振荡器203组成，低波段压控振荡器201、中波段压控振荡器202和高波段压控振荡器203的两输出端分别与低波段本振缓冲电路121、中波段本振缓冲电路122和高波段本振缓冲电路123的两输入端连接，其接点分别作为本振信号的两输入端，由芯片外部引入的三个波段选择信号同时输至三波段压控振荡器200、混频器和本振缓冲电路的控制端，低波段混频器111、中波段混频器112和高波段混频器113的两输出端分别短接后与滤波器驱动电路300的两输入端连接，滤波器驱动电路300的两路输出信号经外部滤波处理后作为中频可变增益放大器400输入信号输至中频可变增益放大器400，在上述低波段混频器111、中波段混频器112和高波段混频器113的两输出端上跨接有负载级电路130，低波段压控振荡器201、中波段压控振荡器202和高波段压控振荡器203均采用电路结构相同的压控振荡基本电路，只是采用本领域公知常识，通过调整电容C1、C2、CV1、CV2，电阻R1、R和电感L1的参数，实现低波段压控振荡器201、中波段压控振荡器202和高波段压控振荡器203，该压控振荡基本电路由压控振荡器2100、幅度检测电路2200和第一比较器2300组成，压控振荡器2100的两输出端分别与幅度检测电路2200两输入端连接，幅度检测电路2200的输出端与第一比较器2300的反向输入端连接，第一比较器2300的正向输入端接参考电压Vrefh，在幅度检测电路2200与压控振荡器2100之间设有第二比较器2400和电荷泵2500，第二比较器2400的反向输入端与幅度检测电路2200的输出端连接，第二比较器2400的正向输入端接参考电压Vrefl，电荷泵2500由上电流源，下电流源，开关管和单位增益放大器2700组成，PMOS管PM18、PM19串连，组成上电流源，其栅端分别外接偏置电压VB5、VB6，PMOS管PM19的源端接电源，PMOS管PM19的漏端接PMOS管PM18的源，PMOS管PM18的漏接NMOS管NM19、NM21的漏端和PMOS管PM14、PM15的源端；NMOS管NM23和NM24串连，组成下电流源，其栅端分别外接偏置电压VB4和VB3，NMOS管NM24的源端接地，其漏端接NMOS管NM23的源端，NMOS管NM23的漏端接NMOS管NM20、NM22的源端和PMOS管PM16、PM17的漏端，NMOS管NM19，NMOS管NM20，NMOS管NM21，NMOS管NM22分别和PMOS管PM14，PMOS管PM16，PMOS管PM15，PMOS管PM17组成互补结构的开关管，控制上下电流源的开启和断开，NMOS管NM19的源端、NMOS管NM20的漏端、PMOS管PM14的漏端和PMOS管PM16的源端短接后作为电荷泵的输出端I1与压控振荡器2100的输入端连接，且与单位增益放大器2700的输入正端连接，单位增益放大器2700由PMOS管PM20、PM21、PM22和NMOS管NM25，NM26组成，PMOS管PM20、PM21构成差分输入，其栅极分别为单位增益放大器2700的正端和负端，PMOS管PM20、PM21的源端短接后接PMOS管PM22的漏端，PMOS管PM22为尾电流管，栅极外接偏置电压VB7，源极接电源，NMOS管NM25、NM26组成电流镜负载，其漏端分别接于PMOS管PM20、PM21的漏端，NMOS管NM25、NM26的栅短接后接到NMOS管NM25的漏上，单位增益放大器从PMOS管PM21的漏端输出，并反馈到放大器的负输入端，NMOS管NM21的源端、NMOS管NM22的漏端、PMOS管PM15的漏端和PMOS管PM17的源端短接后与PMOS管PM21的栅连接，第一比较器2300的输出端和第二比较器2400的输出端分别与与非门2801的两输入端、或非门2901的两输入端连接，与非门2801的输出端与PMOS管PM14和NMOS管NM21的栅短接后的接点连接，与非门2801的输出端经反向器2802后与PMOS管PM15和NMOS管NM19的栅短接后的接点连接，或非门2901的输出端与PMOS管PM17和NMOS管NM20的栅短接后的接点连接，或非门2901的输出端经反向器2902后与PMOS管PM16和NMOS管NM22的栅短接后的接点连接，在本实施例中，在电荷泵的输出端I1与压控振荡器2100的输入端之间连接有环路滤波器2600，环路滤波器2600由电容C6和电阻R6组成，电阻R6的一端接电荷泵的输出I1，另一端接电容C6的一端，并且作为环路滤波器2600的输出，接到压控振荡器2100尾电流管NM3的栅上，电容C6的另一端接地，负载级电路130由PMOS管ML10和PMOS管ML11组成，PMOS管ML10和PMOS管ML11的栅极连接并外接偏置电压VLB，在PMOS管ML10的源和漏之间跨接有电容CL1和电阻RL3且PMOS管ML10的漏与低波段混频器111、中波段混频器112和高波段混频器113的一个输出端连接，在PMOS管ML11的源和漏之间跨接有电容CL2和电阻RL3且PMOS管ML11的漏与低波段混频器111、中波段混频器112和高波段混频器113的另一个输出端连接。

Claims (3)

1、一种专用于数字电视调谐器芯片的CMOS单变频电路，由三波段混频器(100)、三波段压控振荡器(200)、滤波器驱动电路(300)和中频可变增益放大器(400)组成，三波段混频器(100)由低波段混频器(111)、中波段混频器(112)、高波段混频器(113)、低波段本振缓冲电路(121)、中波段本振缓冲电路(122)和高波段本振缓冲电路(123)组成，低波段本振缓冲电路(121)、中波段本振缓冲电路(122)和高波段本振缓冲电路(123)的两输出端分别与低波段混频器(111)、中波段混频器(112)和高波段混频器(113)的第一、第二输入端连接；三波段压控振荡器(200)由低波段压控振荡器(201)、中波段压控振荡器(202)和高波段压控振荡器(203)组成，低波段压控振荡器(201)、中波段压控振荡器(202)和高波段压控振荡器(203)的两输出端分别与低波段本振缓冲电路(121)、中波段本振缓冲电路(122)和高波段本振缓冲电路(123)的两输入端连接，其接点分别作为本振信号的两输入端，由芯片外部引入的三个波段选择信号同时输至三波段压控振荡器(200)、混频器和本振缓冲电路的控制端，低波段混频器(111)、中波段混频器(112)和高波段混频器(113)的两输出端分别短接后与滤波器驱动电路(300)的两输入端连接，滤波器驱动电路(300)的两路输出信号经外部滤波处理后作为中频可变增益放大器(400)输入信号输至中频可变增益放大器(400)，在上述低波段混频器(111)、中波段混频器(112)和高波段混频器(113)的两输出端上跨接有负载级电路(130)，其特征在于低波段压控振荡器(201)、中波段压控振荡器(202)和高波段压控振荡器(203)均采用电路结构相同的压控振荡基本电路，该压控振荡基本电路由压控振荡器(2100)、幅度检测电路(2200)和第一比较器(2300)组成，压控振荡器(2100)的两输出端分别与幅度检测电路(2200)两输入端连接，幅度检测电路(2200)的输出端与第一比较器(2300)的反向输入端连接，第一比较器(2300)的正向输入端接参考电压(Vrefh)，在幅度检测电路(2200)与压控振荡器(2100)之间设有第二比较器(2400)和电荷泵(2500)，第二比较器(2400)的反向输入端与幅度检测电路(2200)的输出端连接，第二比较器(2400)的正向输入端接参考电压(Vrefl)，电荷泵(2500)由上电流源，下电流源，开关管和单位增益放大器(2700)组成，PMOS管(PM18和PM19)串连，组成上电流源，其栅端分别外接偏置电压(VB5和VB6)，PMOS管(PM19)的源端接电源，PMOS管(PM19)的漏端接PMOS管(PM18)的源，PMOS管(PM18)的漏接NMOS管(NM19、NM21)的漏端和PMOS管(PM14、PM15)的源端；NMOS管(NM23和NM24)串连，组成下电流源，其栅端分别外接偏置电压(VB4和VB3)，NMOS管(NM24)的源端接地，其漏端接NMOS管(NM23)的源端，NMOS管(NM23)的漏端接NMOS管(NM20，NM22)的源端和PMOS管(PM16，PM17)的漏端，NMOS管(NM19)，NMOS管(NM20)，NMOS管(NM21)，NMOS管(NM22)分别和PMOS管(PM14)，PMOS管(PM16)，PMOS管(PM15)，PMOS管(PM17)组成互补结构的开关管，控制上下电流源的开启和断开，NMOS管(NM19)的源端、NMOS管(NM20)的漏端、PMOS管(PM14)的漏端和PMOS管(PM16)的源端短接后作为电荷泵的输出端(I1)与压控振荡器(2100)的输入端连接，且与单位增益放大器(2700)的输入正端连接，单位增益放大器(2700)由PMOS管(PM20、PM21、PM22)和NMOS管(NM25，NM26)组成，PMOS管(PM20和PM21)构成差分输入，其栅极分别为单位增益放大器(2700)的正端和负端，PMOS管(PM20和PM21)的源端短接后接PMOS管(PM22)的漏端，PMOS管(PM22)为尾电流管，栅极外接偏置电压(VB7)，源极接电源，NMOS管(NM25和NM26)组成电流镜负载，其漏端分别接于PMOS管(PM20和PM21)的漏端，NMOS管(NM25和NM26)的栅短接后接到NMOS管(NM25)的漏上，单位增益放大器从PMOS管(PM21)的漏端输出，并反馈到放大器的负输入端，NMOS管(NM21)的源端、NMOS管(NM22)的漏端、PMOS管(PM15)的漏端和PMOS管(PM17)的源端短接后与PMOS管(PM21)的栅连接，第一比较器(2300)的输出端和第二比较器(2400)的输出端分别与与非门(2801)的两输入端、或非门(2901)的两输入端连接，与非门(2801)的输出端与PMOS管(PM14)和NMOS管(NM21)的栅短接后的接点连接，与非门(2801)的输出端经反向器(2802)后与PMOS管(PM15)和NMOS管(NM19)的栅短接后的接点连接，或非门(2901)的输出端与PMOS管(PM17)和NMOS管(NM20)的栅短接后的接点连接，或非门(2901)的输出端经反向器(2902)后与PMOS管(PM16)和NMOS管(NM22)的栅短接后的接点连接。
2、根据权利要求1所述的CMOS单变频电路，其特征在于在电荷泵的输出端(I1)与压控振荡器(2100)的输入端之间连接有环路滤波器(2600)，环路滤波器(2600)由电容(C6)和电阻(R6)组成，电阻(R6)的一端接电荷泵的输出(I1)，另一端接电容(C6)的一端，并且作为环路滤波器(2600)的输出，接到压控振荡器(2100)尾电流管NM3的栅上，电容(C6)的另一端接地。
3、根据权利要求1所述的CMOS单变频电路，其特征在于负载级电路(130)由PMOS管(ML10)和PMOS管(ML11)组成，PMOS管(ML10)和PMOS管(ML11)的栅极连接并外接偏置电压(VLB)，在PMOS管(ML10)的源和漏之间跨接有电容(CL1)和电阻(RL3)且PMOS管(ML10)的漏与低波段混频器(111)、中波段混频器(112)和高波段混频器(113)的一个输出端连接，在PMOS管(ML11)的源和漏之间跨接有电容(CL2)和电阻(RL3)且PMOS管(ML11)的漏与低波段混频器(111)、中波段混频器(112)和高波段混频器(113)的另一个输出端连接。
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