一種自適應寬帶正交移相電路的製作方法

2024-03-06 04:11:15 1

專利名稱：一種自適應寬帶正交移相電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及無線通訊及集成電路技術領域，尤其涉及一種自適應寬帶正交移相電 路，應用於無線通訊及集成電路中的無線收發機。
背景技術：
無線收發機廣泛用於射頻信號傳輸中。在無線通訊領域，收發機常用於接收和發 送射頻信號，接收機將射頻信號轉換為所需的中頻信號並傳輸給後續的基帶電路進行數字 信號處理，發射機將基帶信號轉換為所需的射頻信號發送出去。一般接收機的結構分為超 外差式、低中頻式和零中頻式。發射機的結構分為超外差式和直接上變頻式。超外差式接收機主要存在鏡像信號抑制問題和相鄰信道幹擾問題，為了解決這兩 個問題，一般需要高性能的鏡像抑制濾波器和信道選擇濾波器，而在現有的集成電路工藝 下無法實現，只能依靠分立器件，這就降低了集成度，提高了成本。低中頻式接收機則是通過正交下變頻器來抑制鏡像信號，下變頻後的信號處於一 個較低的中頻。零中頻式接收機也是通過正交下變頻器來抑制鏡像信號，不同點只是下變 頻後的信號處於基帶。這兩種結構一方面解決了鏡像信號抑制問題，另一方面，下變頻後中 頻信號處於較低頻率，也就降低了信道選擇濾波器的設計難度。因此，低中頻和零中頻結構 成為目前主流的接收機結構。超外差式發射機的集成度主要受到鏡像抑制濾波器的影響，為了不幹擾其他信道 的信號，發射機對鏡像信號應具有足夠的抑制率，故這種結構對濾波器具有很高的要求，一 般不能將鏡像抑制濾波器集成在晶片上。直接上變頻發射機將基帶信號直接正交上變頻到載波頻段，在上變頻過程中不會 產生鏡像信號，從而避免了鏡像抑制問題。在低中頻和零中頻接收機以及直接上變頻發射機結構中，都需要正交信號來實現 正交變頻，正交信號的質量直接決定了收發機對於鏡像信號的抑制能力。目前主要有三種 方式產生正交信號工作於兩倍頻率的VCO級聯除2電路、正交VCO和VCO級聯正交移相網 絡。第一種方法需要VCO工作在兩倍頻率處，這不僅增加了功耗，而且也會惡化相位噪聲， 對於較高頻率的正交信號，還會受到工藝水平的影響，無法通過這種方法實現。第二種方法 需要的晶片面積較大，此外相位噪聲也會較差。第三種方法在窄帶應用中較常見，其在某一 個頻點上可以產生理想的正交信號。在一些寬帶應用場合，如果使用VCO級聯正交移相網絡來產生正交信號，一般需 要採取級聯多級正交移相網絡的方法來實現。級聯的級數越多，帶寬越寬，但是隨著級聯級 數的增加，正交移相網絡的損耗和面積也越大。一般要實現GHz以上帶寬的正交信號，需要 3級以上的移相網絡，這就增加了產生正交信號的成本。因此，需要有一種電路，可以在不增加功耗和面積的前提下，產生GHz以上寬帶正 交信號的電路。本發明的主旨即在於提供了這種電路的設計思想和實現方法。

發明內容
(一)要解決的技術問題本發明的主要目的在於提供一種自適應寬帶正交移相電路及利用該電路對電容 進行調節的方法。(二)技術方案為達到上述目的，本發明提供了一種自適應寬帶正交移相電路，該自適應寬帶正 交移相電路由一個帶壓控變容管的正交移相電路、四個並行的峰值檢測器、兩個並行的低 通濾波器、一個運算放大器和四個並行的單位增益放大器依次連接而成，且四個並行的單 位增益放大器還連接於該帶壓控變容管的正交移相電路，構成一個環狀網絡；該自適應寬 帶正交移相電路能夠根據同相信號和正交信號輸出幅度差來控制該帶壓控變容管的正交 移相電路中的壓控變容管，調節該壓控變容管的電容值，使該壓控變容管在較寬頻帶內能 夠輸出幅度相等、相位相差90度的正交信號。上述方案中，所述帶壓控變容管的正交移相電路，由四個可變容值的壓控電容、四 個固定容值的電容和四個電阻構成，用來接收差分信號，將接收的差分信號轉換為正交信 號，並輸出給峰值檢測器。上述方案中，所述峰值檢測器由兩個PMOS管構成，第一個PMOS管作為電流源，第 二個PMOS管作為源跟隨器，該峰值檢測器連接在正交移相電路和低通濾波器之間，用來檢 測正交移相電路輸入的正交信號的幅度，並將檢測後的信號輸出給低通濾波器。上述方案中，所述低通濾波器由一個電阻和一個電容構成，連接在峰值檢測器和 運算放大器之間，用來濾除峰值檢測器輸入的信號的高頻分量，得到一個與正交信號輸出 幅度相關的低頻分量，然後輸出給運算放大器。上述方案中，所述運算放大器由若干個NMOS管、PMOS管、電阻和電容構成，連接在 低通濾波器和單位增益放大器之間，用來比較低通濾波器輸出信號的大小，並向單位增益 放大器輸出一個反饋信號，以調節正交移相電路中壓控變容管的電容值。上述方案中，所述單位增益放大器由若干個NMOS管和PMOS管構成，連接在運算放 大器和帶壓控變容管的正交移相電路之間，用來將運算放大器輸出的反饋信號，分別送往 該帶壓控變容管的正交移相電路的四個支路，調節其中壓控變容管的電容值。為達到上述目的，本發明還提供了一種寬帶正交信號產生電路，該寬帶正交信號 產生電路至少包括所述的自適應寬帶正交移相電路。為達到上述目的，本發明還提供了一種無線收發機，該無線收發機至少包括所述 的寬帶正交信號產生電路。為達到上述目的，本發明還提供了一種對電容進行調節的方法，應用於所述的自 適應寬帶正交移相電路，該方法將信號的幅度信息通過峰值檢測器，轉換為與信號幅度大 小相關的電壓信號，這個信號通過低通濾波器濾除高頻分量後送入運算放大器進行誤差放 大，得到的輸出信號再通過單位增益放大器反饋回正交移相網絡，控制可變電容的電容值， 最終使自適應寬帶正交移相電路輸出的同相信號和正交信號的幅度相等，相位相差90度。(三)有益效果本發明提供的這種自適應寬帶正交移相電路，可以在不增加功耗和面積的前提 下，產生GHz以上寬帶正交信號的電路，可以用於無線收發機中，為其產生正交信號，實現
4收發機的正交變頻功能。


結合相應的附圖，下文對典型實施例的描述將使本發明的優點顯而易見。圖1為寬帶正交移相網絡電路示意圖；圖2為傳統RC正交移相網絡；圖3為移相網絡作為正交信號產生器；圖4為帶壓控變容管的正交移相網絡；圖5為峰值檢測器；圖6為一階RC低通濾波器；圖7為運算放大器；圖8為單位增益放大器。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照 附圖，對本發明進一步詳細說明。本發明採用反饋機制，通過正交移相網絡輸出信號的幅度差來調節該網絡中壓控 電容的電容值，使得正交移相網絡輸出的同相信號和正交信號幅度相等，相位相差90度。 電路示意圖如圖1所示。主要包括正交移相網絡100，峰值檢測器200，低通濾波器300， 運算放大器400和單位增益放大器500。本發明採用傳統的RC正交移相網絡作為設計原型，如圖2所示。該網絡對於負極 性序列輸入的開路電壓傳輸函數因此該網絡的電壓傳輸函數與輸入多相信號的序列極性有關，它能分辨出輸入多 相信號的序列極性，在某一個特定頻率範圍內，該網絡能傳輸某一種極性序列的多相信號， 而對另一種極性序列的多相信號卻具有抑制作用。當該移相網絡作為正交信號產生器使用時，如圖3所示。輸出的四相信號為νλοω^{Η{ω) + Τ{ω))V2out =~]^{Η{ω)-Τ{ω))
V(3)對於正核
對於正極性序列輸入的開路電壓傳輸函數
Vaoui^ ]^{Η{ω)-Τ{ω))令V1 = V1,0Ut-V3,。ut (同相信號)，Vq = V2,0Ut-V4,。ut (正交信號)，那麼V1 = ν(Η(ω)+Τ(ω))Vq = -jV (H ( ω ) -T ( ω ))(4)那麼一個單級RC正交移相網絡的同相輸出信號與正交輸出信號之間的比值為 VJs)—~ = SRC(^Sn)
K(S)⑶從上式可以看出，儘管同相輸出和正交輸出之間在所有頻率上相位都相差90°，
但是，僅當信號頻率為▲時，同相輸出和正交輸出的幅度才是相等的。也就是說，僅在單頻
KL·
點上，同相輸出和正交輸出之間才是完全理想正交的，這就限制了該網絡僅能應用於窄帶 中。因為同相信號和正交信號幅度和相位的偏差，直接通過下式影響到收發機對於鏡像信 號的抑制率。
4IRR^-——7(6)
ε +Θ其中，ε和θ分別為幅度和相位的偏差程度。若ε = 1%、θ =5°，鏡像抑制 率僅能達到27. IdB0一般為了使該網絡在寬頻帶內可以得到幅度相等，相位相差90度的正交信號，通 常採用級聯多級正交移相網絡的方式，但是這樣的代價常常是增加晶片的功耗和面積。本 發明採用反饋機制，使該網絡可以根據不同頻率自動調節RC正交移相網絡中電容的容值， 滿足(5)式的要求，在寬頻帶內實現，同相信號與正交信號幅度相等，相位相差90度。本發明提出了帶壓控變容管的移相網絡，如圖4所示。在該圖中，固定容值的電容 117，118，119，120和壓控變容管113，114，115，116 一起組成傳統RC正交移相網絡中的電 容。其中，固定容值的電容主要起到隔直流的作用，而傳統正交移相網絡中電容值的調節主 要通過調節可變電容實現。對於單級的RC正交移相網絡，只有在某一個頻點上公式(5)才滿足，輸出的同相 信號和正交信號的輸出幅度才相等，當輸入頻率偏離這一頻點時，輸出信號會存在幅度誤 差。因此正交移相網絡後面需要接一個可以檢測同相和正交信號輸出幅度的電路。由於正 交移相網絡的輸入信號具有相同的直流電壓，通過該網絡後，輸出信號也具有相同的直流 電壓。因此可以用峰值檢測代替幅度檢測，這裡採用如圖5所示的峰值檢測電路。圖5中的峰值檢測電路的輸入信號從PMOS管202的柵極輸入，從其源極輸出。隨 著輸入信號峰值的增加，PMOS管201的VDS增加，輸出電壓Vout減小。因此，輸入信號峰 值越大，峰值檢測電路的輸出電壓越小，實現了檢測峰值的作用，由於峰值檢測電路輸出的波形帶有很多高頻分量，因此在將該信號送到運算放大 器之前，需要加入一個低通濾波器，濾除高頻分量。低通濾波器採用一階RC結構，如圖6所 示。圖6中第一個低通濾波器301的輸入信號為I和ΙΒ，由於I和IB相位相差180°，I 和IB信號中的高頻分量可以抵消一部分，再經過低通濾波器，使得Idc只包含I和IB信號 的低頻分量。這個低頻分量的大小與四相網絡的輸出幅度有關。圖6中第二個低通濾波器302的工作原理與第一個相同。兩個濾波器輸出的信號Idc和Qdc送入運算放大器進行誤差放大，其中Idc信號 連接到運算放大器的VIN端，Qdc信號連接到運算放大器的VIP端。運算放大器的結構如 圖7所示。運算放大器與正交移相網絡，峰值檢測電路，低通濾波器和單位增益放大器一起 組成反饋迴路。為了提高反饋迴路的增益，運算放大器採用兩級的形式來實現高增益，其中 的電阻402和電容401用來對兩級放大器進行頻率補償。運算放大器輸出的反饋信號，通過單位增益放大器送入正交移相網絡，調節變容 管的電容值，使得正交移相網絡在很寬的頻帶範圍內都可以輸出幅度相等，相位相差90度 的正交信號。由於此處的放大器只起到電壓複製的作用，不需要很大的增益，因此採用單級 結構。單位增益放大器的結構如圖8所示。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡 在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保 護範圍之內。
權利要求
一種自適應寬帶正交移相電路，其特徵在於，該自適應寬帶正交移相電路由一個帶壓控變容管的正交移相電路、四個並行的峰值檢測器、兩個並行的低通濾波器、一個運算放大器和四個並行的單位增益放大器依次連接而成，且四個並行的單位增益放大器還連接於該帶壓控變容管的正交移相電路，構成一個環狀網絡；該自適應寬帶正交移相電路能夠根據同相信號和正交信號輸出幅度差來控制該帶壓控變容管的正交移相電路中的壓控變容管，調節該壓控變容管的電容值，使該壓控變容管在較寬頻帶內能夠輸出幅度相等、相位相差90度的正交信號。
2.根據權利要求1所述的自適應寬帶正交移相電路，其特徵在於，所述帶壓控變容管 的正交移相電路，由四個可變容值的壓控電容、四個固定容值的電容和四個電阻構成，用來 接收差分信號，將接收的差分信號轉換為正交信號，並輸出給峰值檢測器。
3.根據權利要求1所述的自適應寬帶正交移相電路，其特徵在於，所述峰值檢測器由 兩個PMOS管構成，第一個PMOS管作為電流源，第二個PMOS管作為源跟隨器，該峰值檢測器 連接在正交移相電路和低通濾波器之間，用來檢測正交移相電路輸入的正交信號的幅度， 並將檢測後的信號輸出給低通濾波器。
4.根據權利要求1所述的自適應寬帶正交移相電路，其特徵在於，所述低通濾波器由 一個電阻和一個電容構成，連接在峰值檢測器和運算放大器之間，用來濾除峰值檢測器輸 入的信號的高頻分量，得到一個與正交信號輸出幅度相關的低頻分量，然後輸出給運算放 大器。
5.根據權利要求1所述的自適應寬帶正交移相電路，其特徵在於，所述運算放大器由 若干個NMOS管、PMOS管、電阻和電容構成，連接在低通濾波器和單位增益放大器之間，用來 比較低通濾波器輸出信號的大小，並向單位增益放大器輸出一個反饋信號，以調節正交移 相電路中壓控變容管的電容值。
6.根據權利要求1所述的自適應寬帶正交移相電路，其特徵在於，所述單位增益放大 器由若干個NMOS管和PMOS管構成，連接在運算放大器和帶壓控變容管的正交移相電路之 間，用來將運算放大器輸出的反饋信號，分別送往該帶壓控變容管的正交移相電路的四個 支路，調節其中壓控變容管的電容值。
7.一種寬帶正交信號產生電路，其特徵在於，該寬帶正交信號產生電路至少包括權利 要求1至6所述的自適應寬帶正交移相電路。
8.一種無線收發機，其特徵在於，該無線收發機至少包括權利要求7所述的寬帶正交 信號產生電路。
9.一種對電容進行調節的方法，應用於權利要求1至6所述的自適應寬帶正交移相電 路，其特徵在於，該方法將信號的幅度信息通過峰值檢測器，轉換為與信號幅度大小相關的 電壓信號，這個信號通過低通濾波器濾除高頻分量後送入運算放大器進行誤差放大，得到 的輸出信號再通過單位增益放大器反饋回正交移相網絡，控制可變電容的電容值，最終使 自適應寬帶正交移相電路輸出的同相信號和正交信號的幅度相等，相位相差90度。全文摘要
本發明公開了一種自適應寬帶正交移相電路，該自適應寬帶正交移相電路由一個帶壓控變容管的正交移相電路、四個並行的峰值檢測器、兩個並行的低通濾波器、一個運算放大器和四個並行的單位增益放大器依次連接而成，且四個並行的單位增益放大器還連接於該帶壓控變容管的正交移相電路，構成一個環狀網絡；該自適應寬帶正交移相電路能夠根據同相信號和正交信號輸出幅度差來控制該帶壓控變容管的正交移相電路中的壓控變容管，調節該壓控變容管的電容值，使該壓控變容管在較寬頻帶內能夠輸出幅度相等、相位相差90度的正交信號。
文檔編號H04B1/00GK101964643SQ20091008959
公開日2011年2月2日 申請日期2009年7月22日 優先權日2009年7月22日
發明者張欣旺, 杜佔坤, 閻躍鵬 申請人:中國科學院微電子研究所