CN216565125U

CN216565125U - 一种多模rxfe电路

Info

Publication number: CN216565125U
Application number: CN202123110464.2U
Authority: CN
Inventors: 李国勇; 霍俊杰; 郭增良
Original assignee: Ziguang Tongxin Microelectronics Co Ltd
Current assignee: Ziguang Tongxin Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2021-12-10
Filing date: 2021-12-10
Publication date: 2022-05-17
Anticipated expiration: 2031-12-10

Abstract

本申请提供一种多模RXFE电路，包括：第一混频器、第一运算放大器AMP、两组反馈电路，所述反馈电路包括反馈电阻和反馈电容，其中，在所述低噪声放大器LNA和所述混频器之间增加通过开关控制的两个并联的gm单元，并通过隔值电容将所述低噪声放大器LNA和所述gm单元隔开；所述gm单元的输出端输出RF信号，并与所述混频器的第一输入端相连，所述混频器的第二输入端与VDD相连；所述混频器的第一输出端和第二输出端分别与所述运算放大器AMP的正反向输入端相连，所述反馈电路与所述运算放大器AMP并联。本申请在通信过程中以低功耗工作的同时，能实时的调整输出信号的增益，降低电路噪声系数，从而实现通信性能的提升。

Description

一种多模RXFE电路

技术领域

本申请涉及电力电子技术领域，特别的，尤其涉及应用于UWB接收机射频前端的大带宽低功耗低噪声系数的一种多模RXFE电路。

背景技术

UWB(Ultra Wide Band，超宽带)是一种以极低功率在短距离内高速传输数据的无线技术。UWB接收机射频前端的工作原理如图1所示，其中方框部分为UWB接收机射频前端RXFE电路结构框图。射频信号从天线端到数字基带之间需要经过一系列的信号处理过程：UWB接收机通过天线接收到微弱小信号之后，在通过低噪声放大器(LNA)时，尽量减小噪声和干扰信号对微弱信号的影响并对接收到的微弱信号进行放大，再通过混频器(MIXER)将通带信号频率转换为零中频带宽为250MHz的基带信号，最后通过由运算放大器、反馈电阻和反馈电容组成的TIA，对基带信号再次进行放大，以上为Receiver RF front-end(简称RXFE)电路所实现的功能；RXFE输出的信号通过滤波器进行滤波，再通过ADC进行模数转换之后，输出到数字基带。

为满足终端市场对高性能、高集成度、多模多带的射频芯片的需要，UWB接收机射频前端电路也不断向着高性能、大带宽、低功耗、低噪声系数、多模多带的方向去发展，然而由于天线接收到的小信号比较微弱，这就需要对小信号进行放大的同时，减小干扰信号和电路本身噪声对接收信号的影响。当电路的噪声比较大的时候，接收到的微弱信号就会湮没在电路的噪声中。由于接收机接收到的传输信号频率可能不同，这就要求UWB接收机射频前端的RXFE电路能处理天线接收到的不同频率微弱信号。

发明内容

鉴于上述内容中的问题，本申请提供了一种多模RXFE电路，适用IEEE Std802.15.4-202通信协议的大带宽、低功耗、低噪声可在6.5GHz和8GHz两个频带下工作，用以在通信过程中以低功耗工作的同时，能实时的调整输出信号的增益，降低电路噪声系数，从而实现通信性能的提升。

为了实现上述目的，本申请提供了以下技术方案：

一种多模RXFE电路，包括：低噪声放大器LNA、第一混频器、第一运算放大器AMP、两组反馈电路，所述反馈电路包括反馈电阻和反馈电容，其中：

在所述低噪声放大器LNA和所述混频器之间增加通过开关控制的两个并联的gm单元，并通过隔值电容将所述低噪声放大器LNA和所述gm单元隔开；

所述gm单元的输出端输出RF信号，并与所述混频器的第一输入端相连，所述混频器的第二输入端与VDD相连；

所述混频器的第一输出端和第二输出端分别与所述运算放大器AMP的正反向输入端相连，所述反馈电路与所述运算放大器AMP并联。

优选的，该多模RXFE电路还包括：第二混频器、第二运算放大器AMP，其中：

所述第二混频器与所述gm单元的输出端相连，所述第二混频器的第一输出端和第二输出端分别与所述第二运算放大器AMP的正反向输入端相连。

优选的，所述运算放大器AMP采用两级差分输入差分输出结构，在运放中采用前馈结构，通过增加零点的方式对带宽进行补偿。

本申请所述的多模RXFE电路，包括：第一混频器、第一运算放大器AMP、两组反馈电路，所述反馈电路包括反馈电阻和反馈电容，其中，在所述低噪声放大器LNA和所述混频器之间增加通过开关控制的两个并联的gm单元，并通过隔值电容将所述低噪声放大器LNA和所述gm单元隔开；所述gm单元的输出端输出RF信号，并与所述混频器的第一输入端相连，所述混频器的第二输入端与VDD相连；所述混频器的第一输出端和第二输出端分别与所述运算放大器AMP的正反向输入端相连，所述反馈电路与所述运算放大器AMP并联。本申请在通信过程中以低功耗工作的同时，能实时的调整输出信号的增益，降低电路噪声系数，从而实现通信性能的提升。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术提供的一种RXFE电路结构示意图；

图2为现有技术提供的一种混频器电路结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种多模RXFE电路结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种多模RXFE电路结构示意图；

图5为本申请实施例提供的一种多模RXFE电路具体实施方式结构示意图；

图6为本申请实施例提供的运算放大器的结构示意图；

图7为本申请实施例提供的电容和电阻组成的可控阵列的结构示意图。

具体实施方式

申请人在研究中发现，UWB接收机在工作时，由于外界信号偏弱，所以阻抗不能过高，通常为50Ohms，否则捕捉到的外界信号会变得更小，不利于信号的处理。同时为了保证接收到的信号不会被反射，就要求UWB的射频前端电路能够与天线的阻抗进行严格的匹配，通常输入级的低噪声放大器(LNA)的输入阻抗会对阻抗匹配产生较大的影响。

由于LNA低噪声的要求限制了电路的拓扑结构，这就意味着单晶体管的电路结构是信号的输入器件。LNA的增益靠负载器件如电感、电容、电阻，或者反馈电路来调整，但是电感和电容会增大电路的面积；提高负载电路或者反馈电路的等效阻抗虽然会增加电路增益，但是会使特征阻抗增加，将天线接收到的信号反射回去。若为了减小信号的反射，减小反馈电阻或者负载电阻，那么LNA增益会变小，混频器和TIA折算到输入端的总的噪声系数会变大。若为了同时满足这两个要求，增大输入MOS管的宽长比，就会使电路的功耗增加。若LNA的增益过小，则需要后续的TIA电路对增益进行补偿，TIA电路增益的提高，也是以牺牲带宽为代价的。所以，LNA的功耗，增益和反射损耗，是互相折中的量，并且每个指标都很重要，这就提高了LNA设计的难度。

由于MOS管自身电容的影响，混频器中经常会出现端口之间的馈通现象。如图2所示的，基于MOS管实现的的混频器，栅源电容与栅漏电容会在LO端口与RF端口、IF端口之间产生馈通路径，这会导致基带失调以及来自天线的LO泄露。通产在MIXER中会使用占空比为50％的LO信号对接收信号进行下变频，但是50％的LO信号会使I/Q两路本振信号在时域上重叠，使I/Q两路的开关管同时导通，使信号互相干扰。同时，接收机接收到的小信号，经过MIXER混频之后，输出通常为零中频、带宽为250MHz，常用的二级差分运算放大器，很难做到在满足系统所需增益的情况下，保持250MHz的大带宽，若带宽达不到要求，就会使信号在频率在高频处发生衰减。

为此，本申请提供一种多模RXFE电路，适用IEEE Std 802.15.4-202通信协议的大带宽、低功耗、低噪声可在6.5GHz和8GHz两个频带下工作，用以在通信过程中以低功耗工作的同时，能实时的调整输出信号的增益，降低电路噪声系数，从而实现通信性能的提升。

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

请参见附图3，为本申请实施例提供的一种多模RXFE电路结构示意图。如图3所示，本申请实施例提供了一种多模RXFE电路，低噪声放大器LNA、第一混频器、第一运算放大器AMP、两组反馈电路，所述反馈电路包括反馈电阻和反馈电容，其中：

在所述低噪声放大器LNA和所述混频器之间增加通过开关控制的两个并联的gm单元，并通过隔值电容将所述低噪声放大器LNA和所述gm单元隔开；所述gm单元的输出端输出RF信号，并与所述混频器的第一输入端相连，所述混频器的第二输入端与VDD相连；所述混频器的第一输出端和第二输出端分别与所述运算放大器AMP的正反向输入端相连，所述反馈电路与所述运算放大器AMP并联。

本申请实施例中，在所述低噪声放大器LNA部分，通过适当的减小反馈电阻的阻值来降低反射损耗；所述低噪声放大器LNA之后所接的所述gm单元电路，将所述低噪声放大器LNA电路的小信号增益提高的同时，增加电路的特征阻抗，将反射损耗进一步的减小，并且由于增益的提高，可降低后续电路结构折算到输入端的噪声系数；通过提高所述低噪声放大器LNA和所述gm单元的增益，可使后续TIA电路在满足增益要求的条件下，降低增益以拓宽带宽。

本申请实施例中，在图1电路结构的基础上，对电路结构进行了改进，如图3所示，在LNA和MIXER之间增加了通过开关控制的、两个并联的gm单元。通过一个隔值电容将LNA与gm单元隔开。在LNA部分，可以为了降低反射损耗，适当的减小反馈电阻的阻值。LNA之后所接的gm单元电路，会将LNA电路的小信号增益提高的同时，增加电路的特征阻抗，将反射损耗进一步的减小，并且由于增益的提高，降低了后续电路结构折算到输入端的噪声系数。LNA和gm单元增益的提高，可以使后续TIA电路在满足增益要求的条件下，降低增益以拓宽带宽，为整体电路的指标分配和设计提供了灵活性。

进一步的，如图4所示，该多模RXFE电路还包括：第二混频器、第二运算放大器AMP，其中：所述第二混频器与所述gm单元的输出端相连，所述第二混频器的第一输出端和第二输出端分别与所述第二运算放大器AMP的正反向输入端相连。上述所述混频器可以采用双平衡结构，使用一个单端输入的RF信号，让所述混合器剩余的两个端口接电源，消除LO-RF端口之间在频率为ω_LO的馈通。

本申请实施例中，采用25％占空比的LO本振信号，由于25％占空比方波的基频傅里叶系数比方波小3dB，但是I/Q两路不会同时导通，流入混频器开关管的射频电流使50％情况下的2倍(6dB)，综合来看25％占空比的LO本振信号能比50％占空比的信号增加3dB的增益。并且消除了LO+和LO-之间的交叠时间。使得电路在转换增益，噪声和线性度等性能上都有提高。

进一步的，所述运算放大器AMP采用两级差分输入差分输出结构，在运放中采用前馈结构，通过增加零点的方式对带宽进行补偿。

需要说明的是，通常的UWB接收机前端RXFE电路中，TIA电路中的运算放大器均采用两级差分运算放大器，为了满足带宽和增益，会增加运算放大器中支路的电流，这样就增大了电路功耗，本发明中的运算放大器采用两级差分输入差分输出结构，在运放中采用了前馈结构，通过增加零点的方式对带宽进行补偿，拓展了电路的带宽。并且由于gm单元的存在，提高了整体电路的增益，这样就给TIA电路中的增益和带宽的设计留下了很大的裕度，可以为了增加输出的带宽适当的减小TIA的增益。

本申请实施例中，为了保证在输入小信号过大或者过小时，TIA的输出会出现满量程或者输出信号过小的情况，使UWB电路失效，将gm单元和TIA部分增加了增益控制电路。在电路输入小信号偏大的时候，调小TIA增益；在电路输入信号过小的时候，或者噪声系数过大的时候，通过开关控制将并联的gm单元打开，增大射频前端增益或者减小噪声系数。

本申请实施例提供的多模RXFE电路，与背景技术相比的有益效果为：

传统RXFE电路结构在增益、GBW、功耗、反射损耗、带宽和噪声系数之间存在折中，在电路的设计中往往顾此失彼。本申请实施例提出的RXFE电路结构，在保证电路增益的同时，减小了电路的功耗，噪声系数和反射损耗，TIA中所设计的运算放大器，还很大程度的提高了输出信号的带宽，给电路的设计的增加了灵活性。

为了方便理解，本申请实施例提供图5所示的具体实施方式，如图5所示，UWB接收机接收到信号之后，会传到低噪声放大器LNA的输入端，为了稳定低噪声放大器LNA中的电流，通过电流镜电路将I_bias中的电流复制到低噪声放大器LNA中来，同时为了保证接收机的信号不会泄漏到电流镜结构中，在电流镜结构中加入大电阻。低噪声放大器LNA中电阻的两端接到输出端和PMOS的栅极，在反馈的同时，电阻和PMOS也可以起到负载的作用。

本申请实施例中，低噪声放大器LNA的输出与两个并联的gm单元相连接，通过开关控制第二个gm单元，并根据最后测得的增益和噪声系数来决定第二个gm单元是否工作。gm单元的输出与混合器相连接，混合器通过外部输入的25％占空比的LO本振信号，与gm单元所输出的高频信号混频，将信号调整至基频。最后，信号通过由运算放大器和负反馈电容电阻的可控增益阵列组成的增益可控跨阻放大器(TIA)，其中：本申请实施例所设计的运算放大器的结构如图6所示，由两级的差分运算放大器、连接运算放大器输入端和输出端的前馈通路组成，前馈通路通过产生零点对运放的带宽进行了补偿，拓宽了电路的带宽；电容和电阻组成的可控阵列如图7所示，通过控制开关，来控制电路的增益，同时，为了保证电路增益的稳定性，在TIA的输入端加入了可控的负载电容阵列，在进行增益切换的同时，通过控制负载电容阵列，保证增益的平稳和对带宽进行补偿。

本申请实施例提供一种多模RXFE电路，包括：第一混频器、第一运算放大器AMP、两组反馈电路，所述反馈电路包括反馈电阻和反馈电容，其中，在所述低噪声放大器LNA和所述混频器之间增加通过开关控制的两个并联的gm单元，并通过隔值电容将所述低噪声放大器LNA和所述gm单元隔开；所述gm单元的输出端输出RF信号，并与所述混频器的第一输入端相连，所述混频器的第二输入端与VDD相连；所述混频器的第一输出端和第二输出端分别与所述运算放大器AMP的正反向输入端相连，所述反馈电路与所述运算放大器AMP并联。本申请实施例在通信过程中以低功耗工作的同时，能实时的调整输出信号的增益，降低电路噪声系数，从而实现通信性能的提升。

需要说明的是，术语″包括″、″包含″或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句″包括一个......″限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims

1.一种多模RXFE电路，其特征在于，包括：低噪声放大器LNA、第一混频器、第一运算放大器AMP、两组反馈电路，所述反馈电路包括反馈电阻和反馈电容，其中：

2.根据权利要求1所述的多模RXFE电路，其特征在于，还包括：第二混频器、第二运算放大器AMP，其中：

3.根据权利要求1所述的多模RXFE电路，其特征在于，所述运算放大器AMP采用两级差分输入差分输出结构，在运放中采用前馈结构，通过增加零点的方式对带宽进行补偿。