一種適於納米尺度工藝的高線性度射頻前端的製作方法
2023-05-27 02:03:06 4
專利名稱：一種適於納米尺度工藝的高線性度射頻前端的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種適用於納米尺度工藝的軟體無線電高線性度射頻前端，屬於射頻集成電路領域。
背景技術：
軟體無線電(Software-Defined Radio, SDR)作為一種預期中的通用的射頻收發機，已經成為科研和產業界關注的重要方向。個人移動終端的功能趨於多樣化，如目前的部分智慧型手機已包含2G、3G通信、藍牙通信、Wi-Fi和數字移動電視等功能。對於兼容多種通信標準的移動終端，目前的主流解決方案為針對不同的標準使用不同的晶片，並在天線後方加入高Q值的表面聲波(Surface acoustic wave, SAW)濾波器預先濾除幹擾信號後再對有用信號進行處理。這種方案的缺點是晶片和SAW濾波器的成本高昂，並且不利於系統的小型化。因而，無論是從成本、功耗還是從減小設備體積增強便攜性等方面來考慮，設計一種寬帶、兼容多標準的射頻前端晶片勢在必行。順應這一趨勢，無線傳輸已由最初的模擬無線電向軟體無線電全面發展，由單一的、定製的向數字的、可編程的方向發展。SDR的特點在於適用於較寬帶的可配置的頻率範圍，傳統的在天線後接寬帶低噪聲放大器(Low Noise Amplifier, LNA)的SDR架構作為一個寬帶系統，無法區分有用頻帶和幹擾信號，在同時放大了有用信號和幹擾後，將對LNA後的後級混頻器等提出了線性度上過於苛刻的要求。文獻 M. Soer, et al, "A 0. 2~to~2. OGHz 65nm CMOS Receiver without LNA Achieving >lldBm IIP3 and <6. 5 dB NF", IEEE ISSCC Dig. Tech. Papers, Feb. 2009報導了一種無需LNA直接使用無源混頻器作為輸入匹配、放大和下變頻的技術， 有效地增強了幹擾抑制能力和接收機的頻率工作範圍。文獻C. Andrews, et al, "A Passive Mixer-First Receiver with Digitally Controlled and Widely Tunable RF Interface", IEEE J. Solid-State Circuits VOL. 45，NO. 12，DEC. 2010 則闡述了按一定頻率工作的開關對基帶阻抗在頻域上的變換；利用該技術，可以作高Q值的窄帶匹配與濾波，從而達到濾除帶外幹擾的目的。專利文獻US20100317311A1和EP2270982A2基於阻抗變化技術，採用一種統一的 LO頻率，實現了一種無需SAW濾波器、抗幹擾能力強的射頻前端，但該架構接收機的諧波抑制能力並不理想。
發明內容
針對上述現有技術中的缺點，本發明的目的在於提供一種架構簡單、幹擾抑制能力強、 可配置性的射頻前端，在晶片的匹配網絡、負載阻抗等不同應用中採用不同的LO頻率完成阻抗變換，在大幅提升諧波抑制能力的同時顯著增強了系統的可配置性，具有功耗低、鏡像抑制比高、帶外線性度好、增益可配置性強、無需片外SAW濾波器等優點，適用於未來多功能集成射頻晶片的應用。
為了實現本發明的目的，本發明採用的技術方案概述如下
一種適於納米尺度的高頻率選擇性射頻前端，包括具有高頻輸入匹配網絡、低噪聲跨導、負載網絡以及無源混頻器三個部分，無源混頻器配置在輸入匹配網絡或低噪聲跨導或負載網絡輸出節點，所述輸入匹配網絡和負載網絡都採用阻抗轉換實現高Q值和高頻率選擇性，用於濾除頻帶外幹擾；射頻信號經由高Q值輸入匹配網絡濾波後，由輸入跨導與高Q 值經阻抗變換後的負載網絡負載實現放大；由無源混頻器將高頻信號下變頻為低頻信號交由模擬或數字基帶處理。進一步地，天線接入的射頻信號經電感轉換為差分信號，後級結構均為全差分結構。進一步地，高Q輸入匹配網絡由本地振蕩信號(Local-Oscillator，L0)驅動的 NMOS開關和基帶阻抗構成，該網絡將基帶阻抗以一定的比例搬移到有用射頻信號頻率忍形成高Q帶通網絡(該結構以下簡述為高Q帶通阻抗)。進一步地，所需的LO信號為N(N=4，8)路信號，每一路的佔空比為1/N，相位上依次延遲1/N個LO周期；實際電路可根據噪聲、匹配帶寬等要求選取4路或8路LO信號。進一步地，基帶阻抗由一個電阻和電容並聯形成並表現出低通特性。進一步地，直接變頻系統的所述輸入匹配網絡的LO信號頻率為/乂2，滑動中頻系統的輸入匹配網絡的LO信號頻率為忍/3，調整電阻值實現阻抗實部的匹配(一般地，匹配到天線阻抗50 Ω )，調整電容值用以改變該匹配網絡的Q值，從而決定匹配帶寬與幹擾抑制效果。進一步地，輸入跨導應具備的特點為高輸入阻抗、低噪聲。前者高輸入阻抗的特點不改變高Q阻抗變換網絡的匹配特性，後者低噪聲的特點在提供一定增益的同時可壓制後級的噪聲。進一步地，輸入跨導的負載為一類似於匹配網絡的高Q帶通阻抗，其LO信號頻率為f0,並可根據實際需要選取4路或8路LO來驅動。進一步地，上述輸入跨導和負載網絡可級聯兩級以保證增益和噪聲。進一步地，無源混頻器由NMOS開關與有源負載構成，亦可通過陣列的方式形成諧波抑制效果。與現有技術相比，本發明具有如下優點
(1) 結構簡單。本發明主要由阻抗變換網絡的衍生和反覆應用構成，電路原理明晰，晶片面積小。(2)成本低廉。該架構一方面可滿足目前相當部分無線通信標準的性能要求，另一方面，無需表面聲波濾波器，大幅度節約了晶片的應用成本。(3) 匹配網絡與信號通道分離。匹配網絡和信號通道的分離給設計增加了自由度，使得匹配網絡在不顯著影響信號通路性能可自由調節。(4) 具有高的諧波抑制比，本發明在輸入匹配和負載網絡分別採用fjl和& 的頻率，2 4、3 4、4 &等諧波處的幹擾信號均相對於傳統結構有大幅度的抑制。(5) 增益的配置靈活。本發明所述存在多級放大和混頻，在不同的節點抽出信號可以得到不同增益的射頻信號或是基帶信號。根據實際狀況對於噪聲、抗幹擾能力等指標的要求，可在不同節點抽取射頻或基帶信號，增益的配置極為靈活。
4
(6) 帶外線性度好。由於匹配網絡和負載網絡的高Q特點，帶外信號的濾除作用明顯，因而帶外線性度可以達到很高的水平。(7) 適用於納米尺度工藝，集成度高。由於該架構只包含開關、電容、電阻和有源電晶體器件，不需要電感和高密度電容結構，因此在納米尺度工藝下，消耗面積更小， 功耗更低，更適合未來與納米尺度標準CMOS工藝兼容。
圖1是本發明中所使用的本地振蕩信號的時序圖； 圖2是基帶阻抗在頻域上的變換示意圖3是用於直接變頻系統的高頻率選擇性射頻前端的結構圖； 圖4是用於滑動中頻系統的高頻率選擇性射頻前端的結構圖； 圖5是輸入跨導的一種實現方式電路圖。
具體實施例方式本發明所述的高頻率選擇性射頻前端的具體實施方案如下
圖1是本發明中所使用的本地振蕩信號的時序圖。對於N(N=4，8)路LO信號，要求LO 信號為方波，每路信號的佔空比為(1/N)，且依次延遲1/N個周期。圖1以4路LO信號為例，要求4路信號均為25%佔空比，且每路相對延遲1/4個周期。對於8路LO信號為例，則要求LO信號均為12. 5%佔空比，且每路相對延遲1/8個周期。圖2是NMOS開關對基帶阻抗在頻域上的變換作用示意圖。基帶阻抗在頻率為 A且滿足圖1要求的LO信號的開關作用下，在頻域發生搬移。若以表示表示發生轉換作用後的阻抗，數學運算證明，在滿足上述要求的4路LO和開關作用下，該阻抗可以表示為
權利要求
1.一種適於納米尺度的高頻率選擇性射頻前端，其特徵在於，包括具有高頻輸入匹配網絡、低噪聲跨導、負載網絡以及無源混頻器三個部分，無源混頻器配置在輸入匹配網絡或低噪聲跨導或負載網絡輸出節點，所述輸入匹配網絡和負載網絡都採用阻抗轉換實現高Q 值和高頻率選擇性，用於濾除頻帶外幹擾；射頻信號經由高Q值輸入匹配網絡濾波後，由輸入跨導與高Q值經阻抗變換後的負載網絡負載實現放大；由無源混頻器將高頻信號下變頻為低頻信號交由模擬或數字基帶處理。
2.如權利要求1所述的射頻前端，其特徵在於，天線接入信號經電感或變壓器轉換為差分信號，輸入匹配網絡、輸入跨導、輸入跨導負載結構均為全差分結構。
3.如權利要求1所述的射頻前端，其特徵在於，輸入匹配網絡由本地振蕩信號LO驅動的NMOS開關和基帶阻抗構成。
4.如權利要求3所述的射頻前端，其特徵在於，所述的本地振蕩信號LO為N路信號，每一路的佔空比為1/N，相位上依次延遲1/N個LO周期，N=4, 8。
5.如權利要求3所述的射頻前端，其特徵在於，所述基帶阻抗由一個電阻和電容並聯形成並表現出低通特性。
6.如權利要求3所述的射頻前端，其特徵在於，直接變頻系統的所述輸入匹配網絡的 LO信號頻率為/乂2，滑動中頻系統的輸入匹配網絡的LO信號頻率為忍/3。
7.如權利要求3所述的射頻前端，其特徵在於，所述輸入跨導具備高輸入阻抗和低噪聲。
8.如權利要求1所述的射頻前端，其特徵在於，所述輸入跨導負載的LO信號頻率為&， 根據實際需要選取4路或8路LO來驅動。
9.如權利要求1所述的射頻前端，其特徵在於，所述輸入跨導和負載網絡級聯兩級。
10.如權利要求1所述的射頻前端，其特徵在於，所述無源混頻器由NMOS開關與有源負載構成，亦可通過陣列的方式構成。
全文摘要
本發明提供一種適於納米尺度的高頻率選擇性射頻前端，包括具有高頻輸入匹配網絡、低噪聲跨導、負載網絡以及無源混頻器三個部分，無源混頻器配置在輸入匹配網絡或低噪聲跨導或負載網絡輸出節點，所述輸入匹配網絡和負載網絡都採用阻抗轉換實現高Q值和高頻率選擇性，用於濾除頻帶外幹擾；射頻信號經由高Q值輸入匹配網絡濾波後，由輸入跨導與高Q值經阻抗變換後的負載網絡負載實現放大；由無源混頻器將高頻信號下變頻為低頻信號交由模擬或數字基帶處理。本發明提供的射頻前端具有功耗低、鏡像抑制比高、帶外線性度好、增益可配置性強、無需片外SAW濾波器等優點，適用於未來多功能集成射頻晶片的應用。
文檔編號H03H19/00GK102201798SQ201110084328
公開日2011年9月28日 申請日期2011年4月6日 優先權日2011年4月6日
發明者葉樂, 廖懷林, 王川, 陳龍, 黃如 申請人:北京大學