一種噪聲消除寬帶射頻接收前端的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于集成電路領域，尤其涉及一種寬帶射頻接收前端設計技術。
【背景技術】
[0002] 軟件無線電源于軍事領域對通信系統靈活性的特殊需要。1994年，在美國國防部 高級研宄項目局的主持下，世界首個軍用軟件無線電系統SPEAKeasy進行了第一階段的展 示。進而，該項目的第二階段也完成了 15種軍用無線電系統的軟件實現。SPEAKeasy的進 展直接催化出了軟件無線電論壇MMITS(modularmultifunctioninformationtransfer systems)的成立及其日益活躍，也直接促進了軟件無線電在民用通信領域的應用研宄。
[0003] 軟件無線電技術，在民用市場也促使無線通信的發展經歷了由固定到移動，由模 擬到數字，由硬件到軟件的三次變革。與傳統無線電系統相比，軟件無線電系統的A/D、D/A 變換移到了中頻，并盡可能靠近射頻端，對整個系統頻帶進行采樣。而且，軟件無線電以可 編程力強的DSP器件代替專用數字電路，使系統硬件結構與功能相對獨立。這樣就可基于 一個相對通用的硬件平臺，通過軟件實現不同的通信功能，并對工作頻率、系統帶寬、調制 方式、信源編碼等進行編程控制，系統靈活性大為增強。對應地，該技術對寬帶射頻收發技 術的研發變得日益迫切。同時注意到伴隨著CMOS工藝的等比例縮減，CMOS晶體管的線性 度卻由于電源電壓遞減和迀移率的退化而惡化。
[0004] 隨著射頻集成電路工作頻率越來越高，在高速和低壓低功耗的應用環境中，傳統 的電壓模式電路設計方法已不能很好地應對電路信號的處理，非線性等缺點逐漸暴露出 來。而以電流為信號變量表征載體的電流模式電路可以解決電壓模式電路在速度、帶寬、低 壓、低功耗方面的瓶頸。近年來，電流模式電路在模擬/混合信號處理中的潛在優勢正逐漸 被挖掘，并快速推動基于電流域工作的電路設計技術的發展。目前，在射頻集成電路領域以 電流模式工作的電路比較有代表性的如電流鏡式低噪聲放大器，電流換向型混頻器等。
[0005] 近年來，注意到以低噪聲跨導器、電流換向型無源混頻器、帶濾波功能的基帶放 大器為基本組成單元的射頻接收前端，以良好的噪聲、線性特性引發了學術界和產業界 的廣泛研發投入。如圖1所示，該跨導器位于接收鏈路的第一級，其噪聲至關重要，所以 在寬帶內的噪聲優化問題成為了寬帶接收技術的首要難點。面向如是的射頻接收前端 架構，對其中的低噪聲跨導器的研發普遍借鑒了低噪聲放大器的設計技術。典型代表如 圖2所示，為德州農工大學使用噪聲消除技術設計的基于電壓域放大的低噪聲跨導器 (H.M.Geddada,et.al. , "Wide-bandinductorlesslow-noisetransconductanceamp lifierswithhighlarge-signallinearity,"IEEEtrans.microwavetheoryand techn.,vol. 62,no. 7,2014)。該研宄取得了優越的噪聲性能，以及良好的線性特性。但 是該電路結構存在較多的電壓-電流轉換，制約了其線性性能。我們也注意到澳門大 學的研宄者直接使用電阻反饋的NM〇S、PM0S反相器結構作為跨導器（ZhichengLin; Pui-InMak；Martins, 1. 4-mff59. 4-dB-SFDR2. 4-GHzZigBee/WPANReceiverExploiting a''Split-LNTA+50%L0"Topologyin65-nmCMOS,IEEEtrans.microwavetheoryand techn.，Volume:62,Issue:7. 2014)。注意到此結構存在輸入匹配和噪聲的緊密相關關系， 使得兩個性能之間很難同時滿足設計需求。
[0006] 另一方面，加州大學洛杉磯分校（UCLA)的研宄人員提出了一種噪聲消除結構的 接收機，如圖3所示，該結構不同于圖1所示的結構。在借鑒噪聲消除原理的基礎上，該電 路結構通過采用兩路的混頻，基帶濾波放大，在基帶輸出端口實現射頻輸入端的噪聲消除。 對應地，圖示中的跨導器也是基于反相器原理實現，不具有圖2結構的噪聲消除功能。為了 取得好的頻譜特性，該電路使用過采樣技術，搭建多路的混頻、基帶放大通道，增加了硬件 開銷和技術難度。
【發明內容】
[0007] 本發明所要解決的技術問題在于提供一種能夠獲得低噪聲指數、高線性、又具有 低功耗的寬帶射頻接收前端電路。如圖4所示，本發明提出了一種基于電流模式的噪聲消 除寬帶射頻接收前端原理框圖。核心單元如框圖內陰影部分所示，它的噪聲消除特性使得 該電路具有良好的噪聲性能。電流域放大使之兼有良好的線性度。負阻技術和電流復用技 術，更節約了電路功耗。
[0008] 本發明采用以下技術手段解決上述技術問題的：如圖5所示，一種噪聲消除寬帶 射頻接收前端，包括電容交叉耦合反饋共柵輸入級、電流鏡放大級、負阻級、主路徑開關對、 輔助路徑開關對、輔助路徑反相器級，整體上可視為一種低噪聲放大器和混頻器的融合結 構；
[0009] 射頻差分信號兩路信號均由電容交叉耦合反饋共柵輸入級輸入，每一路信 號分為主路徑及輔助路徑兩路信號流向：主路徑上，輸入信號經過電容交叉耦合反饋輸入 級轉化為電流信號，然后經過電流鏡放大級的放大、主路徑開關對的混頻和負阻級的倍增 作用，信號傳遞到輸出節點C;輔助路徑上，輸入信號經過輔助路徑開關對的混頻、輔助路 徑反相器的轉化后，轉為電流信號傳遞到輸出節點C，和主路徑輸出信號同向疊加產生輸出 信號IFout;
[0010] 所述共柵輸入級包括NM0S晶體管Mnl、Mnl，，諧振電感L#PLs，，反饋電容CjpCc，； 電流鏡放大級包括PM0S晶體管Mpl、Mp2、Mpl，、Mp2,;輔助路徑反相器級包括NM0S管晶體管Mn2 和Mn2,、PM0S晶體管凡4和Mp4,;負阻級包括晶體管Mp3、Mp3,;主路徑開關對Msw，maiI^括四個 相同尺寸的NM0S開關管Mn3、Mn4、Mn3,、Mn4，，輔助路徑開關對Msw，aux包括四個相同尺寸的NMOS 開關管Mn5、Mn6、Mn5,、Mn6,;所述開關管均工作在三極管區；
[0011] 于主路徑方向，共柵輸入晶體管Mnl的源極通過節點A連接至電感Ls，的正極，節點 A通過耦合電容C。，連接到晶體管Mnl，的柵極；晶體管Mnl的柵極通過耦合電容C。連接到晶 體管Mnl，的源極，其漏極接至晶體管MP1的漏極，晶體管Mnl，的漏極連接至晶體管MP1，的漏 極；晶體管MP1，的柵極連接至晶體管Mp3，的漏極，晶體管MP1，的柵極直接與晶體管MP1，的漏 極相連，其源極連接至電源VDD;晶體管MP1的柵極直接與MP1的漏極相連，其源極連接至電源 VDD；
[0012] 于負阻級，Mp3的漏極通過節點B連接至Mpl的漏極，Mp3的柵極連接至Mp3，的漏極， Mp3的源極連接至電源VDD;Mp3，的柵極連接至節點B，Mp3，的源極連接至電源VDD;
[0013] 節點B與開關管Mn3、Mn4的源極連接，開關管Mn3,、Mn4，的源極與Mpl，的柵極連接， Mn3，的漏極與Mn4的漏極連接，Mn4，的漏極與Mn3的漏極連接，Mn3，的柵極與Mn3的柵極共同連 至差分本振信號L0-的輸入端，Mn4，的柵極與Mn4的柵極共同連至差分本振信號L0+的輸入 端；晶體管Mp2的源極連接至電源VDD，其柵極連接到開關管Mn3,、Mn4的漏極，其漏極則連接到 節點C;晶體管Mp2，的源極連接至電源VDD，其柵極連接到開關管Mn4,、Mn3的漏極，其漏極連接 至節點C' ；
[0014] 于輔助路徑方向，節點A與開關管Mn5、Mn6的源極連接，開關管Mn5,、Mn6，的源極與諧 振電感Ls的正極連接，諧振電感L3的正極與晶體管Mnl，的源極連接，諧振電感Ls負極與Ls， 負極均接地；4個開關管Mn5、Mn6、Mn5,、Mn6，之間的連接方式與開關管Mn3、Mn4、Mn3,、Mn4，之間的 連接方式相同：開關管Mn5對應于Mn3,Mn6對應于Mn4,Mn5，與Mn6，分別對應于Mn3，與Mn4,；
[0015] 開關管Mn6、Mn5，的漏極通過隔直電容Cb連接到Mn2的柵極，Mn2的源極接地，Mm的 漏極通過節點C連接至Mp4的漏極，Mp4的柵極通過隔直電容Cbl連接至M&的柵極，Mp4的源 極連接至電源VDD;開關管Mn5、Mn6，的漏極通過隔直電容Cb，連接到M&，的柵極，晶體管M^、 Mp4，及隔直電容Cb2之間的連接關系與晶體管及隔直電容Cbl之間的連接關系相同： 晶體管Mn2,、Mp4，分別對應于晶體管Mn2、Mp4，隔直電容Cb2對應于隔直電容Cbl，節點C'對應于 節點C;輸出節點C連接到電阻Rwt的負極，輸出節點C'連接到電阻R_，的正極；電阻R_， 的負極連接電阻Rwt的正極，且電阻Rwt，的負極連接到運算放大器的負極，參考信號V接 所述運算放大器的正極，運算放大器的輸出連接到電阻Rb、Rb，的正極，電阻Rb的負極連接 到晶體管Mn2的柵極，電阻Rb，的負極連接到晶體管M&，的柵極；
[0016] 射頻差分信號RFin由電感L5和Ls，的正極輸入，電阻R_，的正極、R_的負極產生 差分輸出信號IF^并連接至輸出節點。
[0017] 本發明一種噪聲消除寬帶射頻接收前端射頻差分信號RFin*L#PLs，的正極輸入。 就Ls，正極輸入的一支信號，又分為兩路的信號流向：主路徑上，經過Mnl轉化為電流信號， 然后經過電流鏡Mpl和Mp2的放大、Mn3和Mn4的下變頻和負阻管Mp3的倍增作用，基帶電流信 號傳遞到輸出節點C;輔助路徑上，輸入信號經過Mn5和Mn6的下變頻、反相器Mn2和Mp4的轉 化，轉為信號電流傳遞到輸出節點C，主路徑和輔助路徑的信號電流產生同向疊加；
[0018] 就Ls正極輸入的一支信號，其傳遞過程同上所述，其中Mnl，相當于Mnl，Mpl，Mp2，相當 于MplMp2、Mn3，Mn4，相當于Mn3Mn4,Mp3，相當于Mp3,Mn5，Mn6,等同于^況2%4，等同于^為4，節 點C'相當于節點C，節點C'、C產生差分輸出信號IF。#
[0019] 作為進一步優化的，本發明一種噪聲消除寬帶射頻接收前端的噪聲消除原理可以 如是理解：如圖5所示，Mnl的溝道熱噪聲在節點B產生正向的熱噪聲電壓，該噪聲電壓經過 主路徑上，電流鏡MplMp2的放大、Mn3Mn4的下變頻和負阻管Mp3的倍增作用，噪聲電流被反向 傳遞到輸出節點C;在輔助路徑上，A節點的反向熱噪聲電壓同時經過Mn5Mn6的下變頻、反相 器Mn2Mp4的轉化，轉為正向的噪聲電流傳遞到輸出節點C。通過設計，這兩個噪聲電流信號 為等幅反向，于是Mnl的溝道熱噪聲在輸出端口得以消除。
[0020] 作為優化的結構，本發明一種噪聲消除寬帶射頻接收前端還包含了共模反饋電 路，所述共模反饋電路通過檢測輸出信號IFwt的共模電壓，并與VDD/2的參考電壓VMf做比 較，進而動態調整晶體管Mn2、Mn2，的柵極電壓，使得IF_的靜態偏