CN201985854U

CN201985854U - 一种简化片外电路的射频芯片电路

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Publication number: CN201985854U
Application number: CN2011201206520U
Authority: CN
Inventors: 倪文海; 徐文华
Original assignee: CANAANTEK Corp Ltd
Current assignee: CANAANTEK Corp Ltd
Priority date: 2011-04-22
Filing date: 2011-04-22
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2021-04-22

Abstract

本实用新型公开一种简化片外电路的射频芯片电路，该电路包含匹配电路和片内电路；片内电路包含发射机电路，与发射机电路连接的接收机电路；匹配电路包含天线，与天线电路连接的第二电容；第二电容电路连接的第一电容；并联连接的第三电容和第四电容，该第三电容和第四电容的一端接地；电路连接在第二端口与第三端口之间的电感；以及，与第一端口电路连接的电池电源。本实用新型的低噪声放大器是一个共栅放大器，使低噪声放大器的输出反向隔离可以进一步的加强。相对于传统全差分的的共源低噪声放大器结构，其噪声系数和线性度都不会差，或性能更好。但是因为采用单端的低噪声放大器，减少一个信道端口，降低匹配电路的成本。

Description

一种简化片外电路的射频芯片电路

技术领域

本实用新型涉及一种无线通讯领域的射频电路技术，具体涉及一种简化片外电路的射频芯片电路。

背景技术

目前，短距离、低功耗和低成本的2.4GHz射频收发芯片电路已经广泛应用于无线鼠标、无线键盘、高速公路无线收费ETC系统、无线安检和控制、绿色节能和2.4GHz手机移动支付等领域。在所有这些消费类的应用中，因为需求量是巨大的，所以整个终端控制仪是需要非常低的成本来赢得激烈的市场竞争优势。分摊到射频电路，它的价格是以20-30美分来计算。所以针对这些应用，降低整个射频收发系统有着特殊的意义。成本越低，竞争优势就越强。目前在市场上，像欧洲的Nordic公司，台湾的AMICCOM公司和美国的Micrel公司等都已经有了很成熟的2.4GHz射频收发芯片。这些产品多数采用低成本的CMOS工艺来实现。

如图1所示，现有技术中低功耗和低成本的2.4GHz射频收发电路都是采用传统的低中频接收机系统架构。2.4GHz射频信号通过天线（Antenna），被接收到射频的信号通道中。接收到的2.4GHz射频信号首先通过电路外的匹配电路（该匹配电路由C₁， C₂， L₁， L₂ 和L₃组成）再通过管脚P₃和P₄连接到电路内的前端的低噪声放大器（LNA）进行放大。放大后的信号经耦合电容，连接到下变频器（Mixer）到中频电路作进一步的信号处理。一般来讲，这样的低成本和低功耗的射频前端接收机（Receiver）电路是由一个片内的低压差线性稳压器（LDO）来供电的。

在发射机(Transmitter)方面, 从压控振荡器 (VCO, 图中无显示) 直接调制的GFSK射频信号，经过功放驱动放大器（PA Driver）的第一级（1^st Stage）和第二级（2^nd Stage）放大后, 输到片外的射频匹配电路 (该匹配电路由C₁， C₂， L₁， L₂ 和L₃组成)。经过射频匹配电路后，发射信号由天线(Antenna) 发射到空气中。随着市场的竞争越来越激烈，芯片和芯片方案的成本要求越来越高。所以电路的端口P₃和P₄被接收机（Receiver）和发射机（Transmitter）同时复用。同样，射频前端的发射机（Transmitter）电路是由一个片内的低压差线性稳压器（LDO）来供电的。这个稳压器（LDO）有片外电容C₃和C₄来过滤低频和高频的信号。稳压器和（LDO）的供电是由片外的电池电压V_Bat来提供的。

接收机（Receiver）和发射机（Transmitter）的切换开关是通过关闭或开通接收机（Receiver）来实现的。比如，接收机（Receiver）开通的时候，发射机（Transmitter）就关闭了。发射机（Transmitter）关闭之后，向发射机（Transmitter）的第二级（2^nd Stage）放大器看，阻抗是高阻。这样接收机（Receiver）就正常工作了。反之，当接收机（Receiver）关闭的时候，发射机（Transmitter）就开通了。接收机（Receiver）关闭之后，向接收机（Receiver）的低噪声放大器（LNA）看，阻抗是高阻的。这样发射机（Transmitter）就正常工作了。

这里要重申的是电路外的辅助电路是整个电路系统方案一个不可分割的组成部分。在激烈的成本竞争中，电路外的器件，特别是电感已经占整体片外器件（BOM）方案重要的一部分。其缺点在于，使用传统电路时，必须设置匹配电路，匹配电路的片外器件占据一定电路版面，制约了电路系统进一步缩小化，同时匹配电路的片外器件提高传统电路系统的成本，降低电路系统的市场竞争力。

实用新型内容

本实用新型提供了一种简化片外电路的射频芯片电路，减少系统芯片电路外部的匹配电路，进一步减小系统电路的大小，降低系统的成本。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种简化片外电路的射频芯片电路，该电路架构包含片内电路，以及与该片内电路电路连接的匹配电路；其特点是，该匹配电路与片内电路通过第一端口、第二端口和第三端口电路连接；

上述的片内电路包含：

发射机电路，该发射机电路包含第一级放大器，以及分别与该第一级放大器电路连接的第二级放大器和发射机稳压器；以及，

与上述的发射机电路电路连接的接收机电路；该接收机电路包含低噪声放大器，以及分别与该低噪声放大器电路连接的混合器和接收机稳压器；

上述的第一端口分别与上述的接收机稳压器和发射机稳压器电路连接；

上述的第二端口分别与上述的发射机稳压器和第一级放大器电路连接；

上述的第三端口分别与上述的第二级放大器和低噪声放大器电路连接。

上述的匹配电路包含：

与上述的第三端口电路连接的天线；该第三端口与天线之间还电路连接有第二电容；该天线与第二电容之间电路连接有第一电容，该第一电容接地；

并联连接在上述的第二端口上的第三电容和第四电容，该第三电容和第四电容的另一端接地；

电路连接在上述的第二端口与第三端口之间的电感；以及，

与上述的第一端口电路连接的电池电源。

上述的第二端口与上述的发射机稳压器及第一级放大器之间还设有接收和发射开关。

接收机电路开通的时候，发射机电路即关闭。发射机电路关闭之后，向发射机电路的第二级放大器看，阻抗是高阻。这时，连接到第二端口的这根线因为接收和发射开关的缘故，被强行接地。射频信号通过天线在经过第一电容和第二电容后，往电感看是个交流电流源。射频信号进入低噪声放大器。

当接收机电路关闭的时候，发射机电路就开通了。接收机电路关闭之后，向接收机电路的低噪声放大器看，阻抗是高阻的。这样发射机电路就正常工作了。发射的射频信号被第二级放大器驱动放大器放大后, 通过第三端口输到片外的匹配电路, 最后由天线发送到空气中。匹配电路的电感这时的功用就是一个扼流圈电感, 可以作为第二级放大器驱动放大器的负载。接收和发射开关是断开的，发射机稳压器供出正常的电压给整个发射机电路用, 同时直流电压也向第二级放大器驱动放大器供电。

本实用新型一种简化片外电路的射频芯片电路和现有技术的射频收发电路相比，其优点在于，本实用新型在射频信号通道上，只需一个第三端口，实现在匹配电路中只需采用一个电感，使片外的匹配电路简化，减低片外元器件BOM的成本；

本实用新型的第二级放大器采用了单端的共源放大器，其负载是匹配电路的电感，片外的电感可以提供较高的功率增益，并且匹配电路的电感又可以在接收时为低噪声放大器提供一个低噪声的电流源；

本实用新型的低噪声放大器是一个共栅放大器，使低噪声放大器的输出反向隔离可以进一步的加强。相对于传统全差分的的共源低噪声放大器结构，其噪声系数和线性度都不会差，或性能更好。但是因为采用单端的低噪声放大器，信道端口就减少了一个，降低了片外器件（BOM）成本。

附图说明

图1为现有技术2.4GHz射频收发电路的电路原理图；

图2为本实用新型一种简化片外电路的射频芯片电路的电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图说明本实用新型的具体实施方式。

如图2所示，本实用新型公开了一种简化片外电路的射频芯片电路，以下以一种低成本2.4GHz简化片外电路的射频芯片电路作为实施例进行具体说明，该系统包含设置在主电路内的片内电路2，以及设置在主电路外的匹配电路1，该匹配电路1与片内电路2之间通过三个端口第一端口P1、第二端口P2和第三端口P3电路连接。

匹配电路1包含天线11、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、电感L1和电池电源V_Bat。天线11与第三端口P3电路连接，在天线11与第三端口P3之间还串联连接有第二电容C2，在天线11与第二电容C2之间还电路连接有第一电容C1，该第一电容C1接地。第三电容C3和第四电容C4并联连接，该第三电容C3和第四电容C4的一端接地，另一端电路连接第二端口P2。电感L1电路连接在第二端口P2与第三端口P3之间。电池电源V_Bat电路连接第一端口P1。

片内电路2包含发射机电路21（Transmitter），以及与该发射机电路21（Transmitter）电路连接的接收机电路22（Receiver）。

发射机电路21包含第一级放大器211，以及分别与该第一级放大器211电路连接的第二级放大器212和发射机稳压器213，该第一级放大器211和第二级放大器212组成功放驱动放大器（PA Driver）。该第一级放大器211的输入端电路连接外接的压控振荡器（VCO, 未画出）。第一级放大器211采用了共源全差分的放大器结构，它包含三个NMOS管1、NMOS管2和NMOS管3、一个差分电容和一个差分电感。两个NMOS管1和NMOS管2对称设置，其两个漏极之间并联连接有一个差分电感和差分电容。差分电感的中心抽头（Center Tap）接到发射机电路21的电源V_{DD_PA}上。该两个NMOS管1和NMOS管2的栅极分别电路连接压控振荡器VCO，该两个NMOS管1和NMOS管2的源极电路连接NMOS管3的漏极，该NMOS管3的源极接地。电感的一端电路连接第二级放大器212，该电感还分别电路连接发射机稳压器213和第二端口P2。

第二级放大器212采用一个NMOS管4，其栅极电路连接第一级放大器211，源极接地，漏极电路连接第三端口P3。第二级放大器212对从第一级放大器211输出的信号进行第二次放大。第二级放大器212为单端的共源放大器，其负载是片外电路1的电感L1。这样的好处是片外的电感可以提供较高的功率增益，并且片外的电感L1又可以在接收时为低噪声放大器221提供一个低噪声的电流源。

发射机稳压器213采用低压差线性稳压器（LDO），其分别电路连接Vref、第一端口P1、第二端口P2和第一级放大器211。该发射机稳压器213通过第二端口P2电路连接第三电容C3和第四电容C4，由片外第三电容C3和第四电容C4来过滤低频和高频的信号，并通过第一端口P1电路连接电池电压V_Bat，片外的电池电压V_Bat向发射机稳压器213提供电源，发射机稳压器213再向发射机电路21供电。

发射机电路21还包含与第二端口P2电路连接的接收和发射开关214，该接收和发射开关214采用NMOS管7，其漏极电路连接第二端口P2，源极接地。

发射机电路21接收压控振荡器VCO直接调制的GFSK射频信号，该信号依次经过功放驱动放大器（PA Driver）的第一级放大器211和第二级放大器212放大后，通过第三端口P3输到片外的射频匹配电路1，信号传输至天线11，由天线11向外界发射信号。

本实用新型的发射机电路21的双转单的电路是在第一级放大器211的负载上作成的。第一级放大器211的电感电容谐振腔被设计成差分射频发射信号在第二级放大器212的栅上相叠加。这时单端的射频信号处理就变得简单。并且，第二级放大器212信号的输出只需要一个信道端口，第三端口P3即可。

接收机电路22包含低噪声放大器221，以及分别与该低噪声放大器221电路连接的混合器222和接收机稳压器223。低噪声放大器221包含串联连接的两个NMOS管5和NMOS管6，NMOS管5的源极电路连接NMOS管6的漏极，NMOS管5的漏极并联连接有一个电容和电感，该电容的另一端电路连接混合器222的输出端，混合器222的的两个输入端电路连接IF信道，电感的另一端电路连接接收机稳压器223的输出端。NMOS管6的源极依次串联连接有一个电感和电容，该电容的另一端接地。接收机稳压器223的输入端电路连接第一端口P1。其中，低噪声放大器221是一个共栅放大器，晶体NMOS管5是用来作信号隔离用的，使低噪声放大器的输出反向隔离可以进一步的加强。

对于接收通道来讲，单端的低噪声放大器221，采用共栅的放大器结构相对于传统全差分的的共源低噪声放大器结构，其噪声系数和线性度都不会差，或性能更好。但是因为采用单端的低噪声放大器221，信道端口就减少了一个，降低了片外器件（BOM）成本。

以下结合图2说明低成本2.4GHz简化片外电路的射频芯片电路中匹配电路1选用各元器件的要求。发射机稳压器213（LDO）供出的V_{DD_PA}电压，其需要匹配电路1下的第三电容C3和第四电容C4。第三电容C3可以选择为一个值，这个电容主要是用来滤波几赫兹到几十兆赫兹的噪声，需注意发射机稳压器213（LDO）的稳定性。第四电容C4可以选择一个值，这个第四电容C4主要是用来滤波几千兆赫兹的射频RF或噪声，在发射机稳压器213（LDO）输出端测量2.4GHz 射频RF的噪声为最小器件选择流程如下。

步骤1 先关闭发射机电路21，接收机电路22开启来调试匹配电路1。第一电容C1连接天线11的一端电路连接一个信号网络仪（Network Analyzer），在50-Ohm的史密斯圆图(Smith Chart)的阻抗图上，不断地调节第一电容C1, 第二电容C2和电感L1，以至于天线11的端口可以匹配到接近50-Ohm。一般来说在低功耗和低成本的2.4GHz射频收发机电路设计上，输入匹配参数S₁₁在2.4GHz的工作频率里面能调到-10dB即可。

步骤2 关闭接收机电路22，并且同时开启发射机电路21。天线11上电路连接信号网络仪（Network Analyzer）。发射机电路21调整]输出传输特性。这时，虽然接收机电路22已经被关闭，并且第三端口P3向低噪声放大器221看已经呈现高阻，但在射频下，还是有寄生电感和电容。需要调整发射机电路21的电流和电感L1，实现在同样的发射机电路21的电流下，射频输出的功率为最大，输出的传输特性是最佳。

步骤3 回到步骤1，继续细调接收机电路22的匹配电路1，最后达到收和发都是最佳的匹配。

以下结合图2说明本实用新型低成本2.4GHz简化片外电路的射频芯片电路下，接收机电路22（Receiver）和发射机电路21（Transmitter）的切换方法流程。接收和发射开关214（TR SW）是通过关闭或开通接收机电路22来实现的。比如，接收机电路22开通的时候，发射机电路21（Transmitter）即关闭。发射机电路21（Transmitter）关闭之后，向发射机电路21（Transmitter）的第二级放大器212看，阻抗是高阻。这时，连接到第二端口P2的V_{DD_PA}这根线因为接收和发射开关214的缘故，被强行接地。接收和发射开关214的尺寸需要足够大，使第二端口P2的V_{DD_PA}这根线可以完全连接到地。射频信号通过天线11在经过第一电容C1和第二电容C2后，往L1看是个交流电流源，低噪声放大器221采用的是共栅(Common Gate)的电路架构。射频RF信号在接收时，就通过低噪声放大器221的NMOS管5的源极进入低噪声放大器221。反之，当接收机电路22关闭的时候，发射机电路21就开通了。接收机电路22关闭之后，向接收机电路22的低噪声放大器221看，阻抗是高阻的。这样发射机电路21就正常工作了。发射的射频信号被第二级放大器212驱动放大器放大后, 通过第三端口P3输到片外的匹配电路1 (由C1， C2 和 L1 组成), 最后由天线11发送到空气中。L1这时的功用就是一个扼流圈（chock）电感, 可以作为第二级放大器212驱动放大器的负载 (Load)。这时，接收和发射开关214（TR SW）是断开的，发射机稳压器213（LDO）供出正常的V_{DD_PA}电压给整个发射机电路21用, 同时直流电压也向第二级放大器212驱动放大器供电。

尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims

1.一种简化片外电路的射频芯片电路，该电路包含片内电路（2），以及与所述的片内电路（2）电路连接的匹配电路（1）；其特征在于，所述的匹配电路（1）与片内电路（2）通过第一端口（P1）、第二端口（P2）和第三端口（P3）电路连接；

所述的片内电路（2）包含：

发射机电路（21），该发射机电路（21）包含第一级放大器（211），以及分别与所述的第一级放大器（211）电路连接的第二级放大器（212）和发射机稳压器（213）；以及，

与所述的发射机电路（21）电路连接的接收机电路（22）；该接收机电路（22）包含低噪声放大器（221），以及分别与所述的低噪声放大器（221）电路连接的混合器（222）和接收机稳压器（223）；

所述的第一端口（P1）分别与所述的接收机稳压器（223）和发射机稳压器（213）电路连接；

所述的第二端口（P2）分别与所述的发射机稳压器（213）和第一级放大器（211）电路连接；

所述的第三端口（P3）分别与所述的第二级放大器（212）和低噪声放大器（221）电路连接。

2.如权利要求1所述的简化片外电路的射频芯片电路，其特征在于，所述的匹配电路（1）包含：

与所述的第三端口（P3）电路连接的天线（11）；所述的第三端口（P3）与天线（11）之间还电路连接有第二电容（C2）；该天线（11）与第二电容（C2）之间电路连接有第一电容（C1），该第一电容（C1）接地；

并联连接在所述的第二端口（P2）上的第三电容（C3）和第四电容（C4），该第三电容（C3）和第四电容（C4）的另一端接地；

电路连接在所述的第二端口（P2）与第三端口（P3）之间的电感（L1）；以及，

与所述的第一端口（P1）电路连接的电池电源（V_Bat）。

3.如权利要求1所述的简化片外电路的射频芯片电路，其特征在于，所述的第二端口（P2）与所述的发射机稳压器（213）及第一级放大器（211）之间还设有接收和发射开关（214）。