应用于超宽带系统的单端输入差分输出的射频前端电路技术方案

本发明专利技术属于射频无线接收机集成电路技术领域，具体为一种应用于超宽带系统的单端输入差分输出的射频前端电路。它由低噪声放大器（ＬＮＡ）和正交混频器（Ｍｉｘｅｒ）组成。其中低噪声放大器采用单端输入差分输出结构，由两级构成，以适用于超宽带系统所要求的较大的输入信号范围；正交混频器由Ｉ、Ｑ两路构成，且两路公用输入放大管，同时该混频器采用电流注入技术，并且将电流注入管作为输入放大管的一部分以提高混频器性能。ＬＮＡ和Ｍｉｘｅｒ之间通过一个单位增益缓冲器连接，以减小Ｍｉｘｅｒ较大的输入电容对ＬＮＡ负载的影响。本发明专利技术结构简单，增益可变，功耗低，使用频带宽，且芯片面积小，减少片外元件的使用，便于实现单芯片集成。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于射频无线接收机集成电路
，具体涉及一种应用于超宽 带(UWB) 3.广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)o
技术介绍
近年来，随着各种移动通信系统和无线数据传输技术如IEEE802. lla/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。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balim，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。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术设计了 一种射频前端电路，可应用于满足 UffB(3. Γ10. 6GHz)标准的全频段或部分频段的接收机中。本专利技术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。本专利技术设计的前端电路，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。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。本专利技术中，LNA和Mixer通过一个单位增益的缓冲器(buffer)连接，如图4所示。 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。相对于传统的前端电路的结构，本专利技术主要做了如下突出改进 首先，对LNA进行了改进。如前面“
技术介绍
”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。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其中L。g代表第一级输入电感，gfflCg代表输入共栅管M。g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gm。g和输入电感L。g。对于增益， 则由两级共同决定，其表达式为 上式中gm。g和gm。s分别表示第一级LNA中共栅管和共源管的跨导，R。g、Rcs和L。g、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gml、gm2和gm3则分别表 示第二级LNA的输入放大管Ml、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。 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上式中gm。g和gm。s分别表示第一级LNA中共栅管和共源管的跨导，Zop和Z。n分别表示 共栅支路和共源支路的负载阻抗，而R。p和R。n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50 Ω。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。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。 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。本专利技术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。附图说明图1为本专利技术前端电路整体结构及应用环境示意图。图2为本专利技术前端电路所使用的LNA电路结构示意图。图3为本专利技术前端电路所使用的Mixer电路结构示意图。图4为连接LNA和Mixer的单位增益buffer示意图。图5为本专利技术具体实施例的输入匹配仿真图。图6为本专利技术具体实施例的转换增益仿真图。图7为本专利技术具体实施例的噪声仿真图。图8为本专利技术具体实施例的输入参考三阶交调点仿真图。具体实施例方式下面结合附图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用于ＵＷＢ系统的单端输入差分输出的射频前端电路，其特征在于：由单端输入差分输出的低噪声放大器和Ｉ／Ｑ两路合并的正交混频器两部分组成，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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李巍，周锋，张楷晨，李宁，任俊彦，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：31