应用于超宽带系统的单端输入差分输出的射频前端电路

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应用于超宽带系统的单端输入差分输出的射频前端电路\n技术领域\n[0001] 本发明属于射频无线接收机集成电路技术领域，具体涉及一种应用于超宽带（UWB） 3.1~10.6G标准的或其部分频段的具有单端转双端功能的射频前端电路（RF front-end）。\n背景技术\n[0002] 近年来，随着各种移动通信系统和无线数据传输技术如IEEE802.11a/b/g、WLAN、UWB等的飞速发展，对高性能的射频信号接收机的需求也在加大。接收机中的前端模块包括低噪声放大器和混频器，分别负责将接收到的微弱信号放大和下混频至低频段，然后交给后级基带部分进行滤波和放大。由于UWB标准的数据传输技术的载波频率较高，采用的信号带宽较大，射频接收机需要对处于很高频率或者很大带宽的无线信号进行放大和数字化信号处理。同时，移动通信或者无线技术绝大部分应用在手持终端上，这就要求手持终端的信号接收和发射设备必须尽可能降低功耗以延长工作时间。\n[0003] 对于传统的射频接收机来说，一般采用差分结构的低噪声放大器（LNA）和差分结构的混频器（Mixer）相连构成差分输入差分输出的前端电路，这样当该前端电路和天线相连时，需要加入额外的片外单转双器件，即balun，这会引入较大的损耗，也不利于实现单芯片集成；另一种传统的射频接收机是采用单端输入单端输出的低噪声放大器作为第一级，然后级联一个片内的单转双电路，最后级联一个下混频器构成前端电路，这样的电路在抑制来自电源、衬底的噪声和其他干扰源的方面性能都不大好，因为第一级LNA采用的是单端结构，不能像差分结构那样将来自电源、衬底的噪声和其他的干扰转化为共模噪声加以消除。对于两者的级联，传统结构是将LNA和Mixer直接相连或通过一个隔直电容相连，而通常由于Mixer输入电容较大，这样LNA的性能会受到后级较大的影响。\n发明内容\n[0004] 针对现有技术存在的问题，本发明设计了一种射频前端电路，可应用于满足UWB(3.1~10.6GHz)标准的全频段或部分频段的接收机中。本发明除了能够满足一般前端电路的低噪声、高增益等的要求外还要能够实现增益可变和信号单端输入、双端输出的功能。\n[0005] 本发明设计的前端电路，其整体结构示意图如图1所示。它由单端输入差分输出的低噪声放大器（LNA）和I/Q两路合并的正交混频器（Mixer）两部分组成。所述低噪声放大器将输入信号从单端转为差分并放大，所述正交混频器将信号下混频至低频以便后级基带部分处理。 \n[0006] 其中低噪声放大器如图2所示，它是单端输入差分输出结构，由两级电路构成，其中第一级为单转双电路，将单端信号转为差分信号，并提供适当的增益，第二级为差分电路，提供可变增益，以满足UWB标准对输入信号较大范围的要求；正交混频器如图3所示，它是以Gilbert单元电路为基础，将I路和Q路的射频放大管合并为一路，即I/Q两路放大管合并以减小Mixer输入电容对前级LNA的影响；另外采用电流注入和电流复用的技术，即将电流注入管同时作为射频输入管的一部分，以提高混频器增益和及线性度，降低噪声。\n[0007] 本发明中，LNA和Mixer通过一个单位增益的缓冲器（buffer）连接，如图4所示。\n该缓冲器为一个简单的源跟随器，其增益为1，输入电容远小于Mixer的输入电容，因此对于提高LNA和整个射频前端的性能有很大帮助。\n[0008] 相对于传统的前端电路的结构，本发明主要做了如下突出改进：\n[0009] 首先，对LNA进行了改进。如前面“背景技术”中所述，传统的射频前端电路采用的LNA或者是单端结构或者是差分结构，而这两种结构各有各自的缺点。本设计中采用单端输入差分输出的结构，如图2所示。另外由于UWB系统所要求的输入信号变化范围较大，因此本设计中的LNA采用两级结构，且增益可变。其中第一级用来提高将信号从单端转为差分，同时提供较好的输入匹配和一定的增益，第二级提供可变增益以满足UWB系统对输入信号的要求。这样既克服了差分结构需要片外单转双器件的缺点，也改进了单端结构不能抑制电源、衬底噪声的缺点。\n[0010] 本设计中的低噪声放大器，其输入匹配主要由第一级决定，根据输入小信号等效电路图，可以得到输入阻抗为：\n[0011] \n （1）\n[0012] 其中Lcg代表第一级输入电感，gmcg代表输入共栅管Mcg的跨导，Cin表示输入端的所以寄生电容，主要包括共栅管的源端寄生电容，共源管的栅端寄生电容以及输入PAD的寄生电容。可以看出输入阻抗主要决定于第一级输入共栅管跨导gmcg和输入电感Lcg。对于增益，则由两级共同决定，其表达式为：\n[0013] \n（2）\n[0014] 上式中gmcg和gmcs分别表示第一级LNA中共栅管和共源管的跨导，Rcg、Rcs和Lcg、Lcs则分别表示第一级LNA的共栅和共源两路的负载电阻和负载电感。而gm1、gm2和gm3则分别表示第二级LNA的输入放大管M1、共栅管M2以及可变增益管M3的跨导，ZL则表示第二级LNA的负载网络。\n[0015] 对于噪声性能，由于第一级LNA提供了较大的增益，因此主要的影响在第一级。根据小信号分析，我们可以得到第一级LNA的噪声系数表达式为：\n[0016] \n（3）\n[0017] 上式中gmcg和gmcs分别表示第一级LNA中共栅管和共源管的跨导，Zop和Zon分别表示共栅支路和共源支路的负载阻抗，而Rop和Ron分别表示共栅支路和共源支路的负载电阻，Rs则表示输入源阻抗，一般为50Ω。\n[0018] 其次，对下混频器Mixer进行了改进。传统的以Gilbert单元电路为基础的I/Q两路混频器，通常是采用两个Gilbert单元分别作为I、Q两路，这样前级LNA所带的负载将会是两路的输入电容，由于Mixer的输入管比较大，这样输入寄生电容也很大，对前级LNA的性能影响较大。在本设计中，采用将I路和Q路的射频放大管合并为一路的技术以减小Mixer输入电容对前级LNA的影响；另外采用电流注入和电流复用的技术，即将电流注入管同时作为射频输入管的一部分，以提高混频器本身的各方面性能，如可以提高增益和线性度，降低噪声等。本设计中的Mixer电路结构如图3所示。\n[0019] 第三，对于LNA和Mixer两者的级联进行了改进。传统的结构中，LNA和Mixer都是直接耦合或交流耦合，这样带来的影响就是Mixer较大的输入电容对LNA性能的影响。在本次设计中，我们通过一个单位增益的缓冲器对连接LNA和Mixer。由于该缓冲器本身的输入电容很小，因此对LNA性能影响很小，这有利于进一步提高LNA和整个前端电路的性能。\n该单位增益的缓冲器采用较简单的源跟随器结构，和第二级LNA直接耦合。其电路结构图如图4所示。\n[0020] 本发明射频前端电路结构简单，增益可变，噪声较低，使用频带宽。且芯片面积小，同时该电路还实现了单端转双端的功能，便于和天线直接相连，从而减少了片外元件的使用，促进了芯片的进一步集成。可用于移动通信、无线宽带网络以及无线数据传输等技术标准的射频信号接收机芯片。 \n附图说明\n[0021] 图1为本发明前端电路整体结构及应用环境示意图。\n[0022] 图2为本发明前端电路所使用的LNA电路结构示意图。\n[0023] 图3为本发明前端电路所使用的Mixer电路结构示意图。\n[0024] 图4为连接LNA和Mixer的单位增益buffer示意图。\n[0025] 图5为本发明具体实施例的输入匹配仿真图。\n[0026] 图6为本发明具体实施例的转换增益仿真图。\n[0027] 图7为本发明具体实施例的噪声仿真图。\n[0028] 图8为本发明具体实施例的输入参考三阶交调点仿真图。\n具体实施方式\n[0029] 下面结合附图进一步描述本发明。\n[0030] 对于图2所示的LNA，输入信号先经过串联bonding电感Lbondin（g模拟芯片bonding时bonding线所引入的寄生电感，在0.8nH左右）和并联pad电容Cpad（模拟芯片的PAD和ESD电路所引入的寄生电容，在100fF左右）后经隔直电容Cc1至共栅支路和共源支路的输入点。对于共栅支路，输入信号经输入电感Lcg接地，同时接输入共栅管Mcg的源端，Mcg的漏端为输出的正端，同时接负载电阻Rcg，Rcg的另一端接负载差分电感L1的一端。对于共源支路，输入信号经隔直电容Cc2接输入共源管Mcs的栅端，同时Mcs的栅端经偏置电阻接一个偏置电压。Mcs管的源端接地，漏端为输出的负端，同时接负载电阻Rcs，Rcs的另一端接负载差分电感L1的另一端。LNA1输出的正、负端经隔直电容Cc3和Cc4到达LNA2的输入放大管M1的栅端，M1管源端接地，漏端接共栅管M2的源端和可变增益管M3的源端，M3管栅端接控制电压，漏端接电源电压；共栅管M2漏端作为LNA2的输出端，一方面通过负载电阻RL1、RL2和负载电感L2连接到电源电压，另一方面直接连接在单位增益缓冲器的输入管M4的栅端，如图4所示。M4管的漏端接供给电源，源端则作为输出端经隔直电容连接至下一级，同时经偏置管M5连接至地。\n[0031] 对于图3所示的Mixer，输入信号经隔直电容连接至放大管M1的栅端。M1管源端接地，漏端连接至本振管M2的源端，同时连接至电流注入管M3的源端。M2管的漏端则作为输出端连接至下一级电路，另一方面通过负载电阻RL接至电源电压。电流注入管M3的栅端连接到输入管M1的栅端，和M1管一起放大输入信号，漏端则连接至电源电压。\n[0032] 将该结构的射频前端电路应用于MB-OFDM UWB 6-9GHz频段，其具体设计参数为：\n[0033] 对于图2所示的LNA和图4所示的buffer：\n[0034] Lbonding=0.8nH，Lcg=2.58nH，L1=L2=3.52nH；\n[0035] Cpad=100fF，Cc1=Cc2=1.4pF，Cc3=Cc4=4.7pF；\n[0036] Rcg=250Ω，Rcs=150Ω，RL1=RL2=110Ω；\n[0037] WMcg=25um， WMcs=62.5um， WM1=WM2=20um， WM3=140um；\n[0038] WM4=28um， WM5=20um；\n[0039] LMcg=LMcs=LM1 =LM2 =LM3 =LM4 =LM5 = 130nm；\n[0040] Vb1=Vb2=550mV，Vb3=600mV，Vb4=1.2V，Vb=600mV；\n[0041] 其中LNA和buffer的总电流为14.5mA，总功耗为17.4mW。\n[0042] 对于图3所示的Mixer：\n[0043] Cc1=Cc2=1.1pF； RL=350Ω；Vbinp=Vbinn=610mV\n[0044] WM1=40um，WM2=30um，WM3=60um；\n[0045] LM1 =LM2 =LM3 =130nm。\n[0046] 电路仿真结果如图5、图6、图7、图8所示，从图示中可以看出在频段6-9 GHz范围内，S11<-12dB，大增益模式下转换增益为23.7~25.1dB，NF在4.6~5.1之间，小增益模式下转换增益为10~12.4dB，线性度IIP3约为-6.76dBm。可以看出，电路具有良好的宽带性能。