CN104779917A - 一种基于集成电感噪声相消技术的接收机前端电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于集成电感噪声相消技术的接收机前端电路，属于射频与毫米波集成电路设计领域，该电路包括两个相同的支路，均由低噪声放大器、I路和Q路混频器、跨阻放大器组成；其中，输入信号分为两路分别与两支路的低噪声放大器的输入端相连，各支路的低噪声放大器的输出端接该支路的I路和Q路混频器的公共输入端；两支路中的I路混频器的本振端分别与整个电路的I路本振输入端相连；两支路中的Q路混频器的本振端分别与整个电路的Q路本振输入端相连；一支路中I路混频器的差分输出端与另支路中Q路混频器的差分输出端相连，并与该支路中的跨阻放大器的差分输入端相连。本发明可以极大地消除集成电感产生的热噪声。

Description

一种基于集成电感噪声相消技术的接收机前端电路
技术领域
本发明属于射频与毫米波集成电路设计领域，特别涉及高性能、低噪声系数(NoiseFigure:NF)的接收机前端电路设计。
背景技术
随着CMOS(互补金属-氧化物-半导体：Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)高速无线通讯电路与***的发展，和用户对通信质量和速度体验等要求的不断提高，信息交换速率不断增长，尤其是室内高速通信需求变得越来越为重要。据Mason预测，到2016年，全球无线通信数据量的80％将由室内产生。在这样的背景下，无线局域网(Wireless LocalArea Network:WLAN)技术突飞猛进，其中以IEEE 802.11系列标准最具代表性，目前该标准已经发展到第五代802.11ac，通信数据率将可以达到Gbps(Giga-bit-per-second)及以上，因而吸引了学术界和工业界人士的广泛关注。
具体到工作在射频波段的无线接收机***，需要在满足低成本、低功耗的同时实现高增益、低噪声，以实现接收机前端***在高频下的损耗与噪声系数。随着无线局域网技术的发展，数据传输率不断提高，调制的矢量星座图(Constellation diagram)越来越密集，对接收机的噪声系数也越来越高。为了减少片外元件的数量，降低成本，电路里面会大量使用集成电感。但集成电感由于品质因子(Quality Factor)较低，含有的寄生电阻较大，这将产生大量的热噪声，严重影响接收机前端电路的噪声性能。
目前，传统的应用于接收机前端电路的电感主要有两种形式。一种是使用片外的电感，利用其高品质因子的特性以降低噪声。如参考文献《Yuan-Hung Chung,etc.,“A 4-in-1(WiFi/BT/FM/GPS)connectivity SoC with enhanced co-existence performance in 65nmCMOS,”IEEE ISSCC Dig.Tech.Papers,pp.172,174,19-23 Feb.2012》与《Ming He,etc.,“20.5A 40nm dual-band 3-stream 802.11a/b/g/n/ac MIMO WLAN SoC with 1.1Gb/s over-the-airthroughput,”IEEE ISSCC Dig.Tech.Papers,pp.350,351,9-13 Feb.2014》。这样的做法增加了电路制造成本，并且影响了集成度；另一种是使用普通的片内集成电感，如参考文献《SanghoonJoo,Tae-Young Choi,and Byunghoo Jung,“A 2.4-GHz Resistive Feedback LNA in0.13-μm CMOS,”IEEE J.Solid-State Circuits,vol.44,no.11,pp.3019-3029,Nov.2009》。这种方案不可避免地引入了很高的热噪声。
因此，需要发明新的电路结构，妥善解决电路的设计成本以及噪声性能这对矛盾，同时满足接收机前端***的集成度和性能。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于集成电感噪声相消技术的接收机前端，在使用集成电感的基础上，通过全新的电路结构，消除电感贡献的噪声，保证整个接收机的低噪声系数，满足无线通信标准对接收机前端的性能要求，并提高整个接收机前端***的集成度。
为实现以上目的，本发明一种基于集成电感噪声相消技术的接收机前端电路，其特征在于，该电路包括两个相同的支路，第一支路由第一低噪声放大器、第一I路和Q路混频器、第一跨阻放大器组成，第二支路由第二低噪声放大器、第二I路和Q路混频器、第二跨阻放大器组成组成；其中，输入信号分为两路分别与第一支路的低噪声放大器和第二支路的低噪声放大器的输入端相连，第一支路的低噪声放大器的输出端接第一支路的I路和Q路混频器的公共输入端；第二支路的低噪声放大器的输出端接第二支路的I路和Q路混频器的公共输入端；第一支路I路混频器的本振端和第二支路I路混频器的本振端分别与整个电路的I路本振输入端相连；第一支路和第二支路中的Q路混频器的本振端分别与整个电路的Q路本振输入端相连；第一支路中I路混频器的差分输出端与第二支路中Q路混频器的差分输出端相连，并与第一支路中的跨阻放大器的差分输入端相连；第一支路中跨阻放大器的差分输出端为整个接收机前端的I路差分输出端；第二支路中I路混频器的差分输出端与第一支路中Q路混频器的差分输出端相连，并与第二支路中的跨阻放大器的差分输入端相连，第二支路中跨阻放大器的差分输出端为整个接收机前端的Q路差分输出端。
所述第一支路中的第一低噪声放大器，可由栅电感Lg、nMOS管M1、电感Ls和电感Ld组成；其中，栅电感Lg的一端接输入端，另一端接nMOS管M1的栅端，nMOS管M1源极接电感Ls的一端，电感Ls的另一端接地GND；M1的漏极接输出端和电感Ld的一端，Ld的另一端接电源VDD。
所述第二支路中的第二低噪声放大器，可由nMOS管M2n、pMOS管M2p组成；其中，nMOS管M2n和pMOS管M2p的栅端接在一起并接输入端，nMOS管M2n源极接地GND，pMOS管M2p源极接电源VDD，nMOS管M2n和pMOS管M2p的漏端接在一起并接输出端。
所述第一支路和第二支路中混频器相同，均可包含有I路和Q路两个混频器。本发明的技术特点及有益效果：
本发明针对集成电感热噪声过大的问题，采用了新的电路结构，引入了噪声相消技术，消除了集成电感贡献的噪声，实现了改进的噪声性能，解决了接收机***集成电感和噪声性能不能同时解决的矛盾，同时实现低噪声和片上高集成度，有效地避免了传统设计方法在噪声和集成度之间的取舍问题，提高了整个接收机前端***性能并保证了电路的设计可靠性与静电鲁棒性。
附图说明
图1为本发明提出的基于集成电感噪声相消技术的接收机前端的电路图；
图2为本发明实施例中的基于集成电感噪声相消技术的接收机前端(I路)的工作原理图；
图3为本发明以输入信号频率范围为5.001GHz–5.1GHz，混频器本振频率为5GHz，接收机前端电路为实施例对输出频率范围为1MHz-100MHz的噪声系数的仿真结果。
图4为本发明对以输入信号频率为5.01GHz，混频器本振频率为5GHz，接收机前端电路实施例的输出频率为10MHz的噪声分析，即栅电感贡献的噪声功率占支路1所贡献噪声功率的比例；
图5为本发明对以输入信号频率为5.01GHz，混频器本振频率为5GHz，接收机前端电路实施例的输出频率为10MHz的噪声分析，即栅电感贡献的噪声功率占整个电路噪声功率的比例。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和特点更加清楚明确，下面结合附图对具体实施方式进行详细说明与描述。
本发明提出了一种基于集成电感噪声相消技术的接收机前端电路，在使用集成电感的基础上，采用全新的电路结构，通过前馈的方式将集成电感贡献的热噪声消除，保证了低噪声系数，满足无线通信标准对接收机前端的性能要求，并提高整个接收机前端***的集成度。
为实现以上目的，本发明的一种基于集成电感噪声相消技术的接收机前端电路，采用零中频架构，整个接收机前端电路分为两个相同的支路，如图1所示，包括：第一支路由低噪声放大器1、I路和Q路混频器1、跨阻放大器1组成,第二支路由低噪声放大器2、I路和Q路混频器2、跨阻放大器2组成；
其中，输入信号分为两路分别与支路1、2的低噪声放大器1、2的输入端相连，支路1的低噪声放大器1的输出端接支路1的I路和Q路混频器1的公共输入端；输入端在支路2中接低噪声放大器2的输入端，低噪声放大器2的输出端接支路2中I路和Q路混频器的公共输入端；支路1和支路2中I路混频器的本振端分别与整个电路的I路本振输入端相连，支路1和支路2中的Q路混频器的本振端分别与整个电路的Q路本振输入端相连；支路1中I路混频器的差分输出端与支路2中Q路混频器的差分输出端相连，并与支路1中的跨阻放大器1的差分输入端相连，支路1中跨阻放大器1的差分输出端为整个接收机前端的I路差分输出端；支路2中I路混频器的差分输出端与支路1中Q路混频器的差分输出端相连，并与支路2中的跨阻放大器2的差分输入端相连，支路2中跨阻放大器2的差分输出端为整个接收机前端的Q路差分输出端。
上述支路1中的低噪声放大器1，其具体电路结构如图1所示，由栅电感Lg、nMOS管M1、电感Ls和电感Ld组成；其中，栅电感Lg的一端接输入端，另一端接nMOS管M1的栅端，nMOS管M1源极接电感Ls的一端，电感Ls的另一端接地GND；M1的漏极接输出端和电感Ld的一端，Ld的另一端接电源VDD。
支路2中的低噪声放大器2，其具体电路结构如图1所示，由nMOS管M2n、pMOS管M2p组成；其中，nMOS管M2n和pMOS管M2p的栅端接在一起并接输入端，nMOS管M2n源极接地GND，pMOS管M2p源极接电源VDD，nMOS管M2n和pMOS管M2p的漏端接在一起并接输出端。
本电路各部件的工作原理说明如下：
集成电感的热噪声可以等效为和一个理想电感与噪声电压源的串联，以I路输出为例，如图2所示。支路1的低噪声放大器是传统的源简并结构，其输入端为串联谐振网络，因此，施加在nMOS管栅端和源端之间的电压为Vgs，理想情况下为90°；而栅电感产生的噪声，由于其噪声源的位置不同，栅端和源端的噪声相位，理想情况下为-90°。支路2的低噪声放大器是一个独立的反相器结构，输入信号经过反相之后不会有90°的相移；对于噪声而言，同样不会有90°相移。支路1和支路2中的信号和噪声分别达到低噪声放大器1和低噪声放大器2的输出端后，其相位反相。在理想情况下，支路1的信号和噪声的相位分别为-90°和90°；支路2的信号和噪声的相位均为180°。
支路1和支路2中混频器相同，均包含有I路和Q路两个混频器，总共采用4个相同的常规有混频器。分别接收两个低噪声放大器1、2输出的的信号和噪声，以电流形式输出，如图2所示。支路1中I路混频器的本振输入端为I路本振，支路2中Q路混频器的本振输入端为Q路本振。因此在经过下变频后，支路1的信号和噪声的相位仍然分别为-90°和90°，而支路2中信号和噪声的相位，经过混频移相后，均为-90°。支路1和支路2的信号和噪声在跨阻放大器的输入端以电流模式的方式相加，合并为一路。通过图1所示的跨阻放大器将电流转变为电压，最终产生I路输出。从信号和噪声的相位的关系可以看到，信号以同相方式叠加，而噪声以反相的方式相消。Q路输出的情况及具体描述可以通过与I路输出类似的方式得到，不同点为，此时支路1中为Q路混频器，而支路2中为I路混频器。低噪声放大器1和低噪声放大器2的具体实施方式与I路输出的情况相同。
跨阻放大器1与跨阻放大器2完全相同，在实施例中均采用常规的全差分式跨阻放大器实现。
为了验证本发明提出的基于集成电感噪声相消技术的接收机前端的正确性与实效性，采用65nm CMOS工艺针对工作在5GHz射频波段的无线接收机前端电路实施例进行电路仿真验证，其电路原理图于图1中给出，其中射频信号经低噪声放大器放大通过零中频的方式变频到基带，混频器的I路本振和Q路本振信号由片外提供，并经片上巴伦转换为差分信号，接入混频器本振输入端，基带电流信号经跨阻放大器转换为电压信号，有用信号的0.1dB带宽约为100MHz。图2中参数与指标于下表中列出：
其中，元件Ls感值较小，在实际电路中可用导线取代。
其余部分的电路如混频器、跨阻放大器，均采用标准的电路结构实现。
本发明对接收机前端电路的关键指标噪声系数进行了仿真分析，其结果随频率变化的曲线分别于图3、图4和图5中给出。图3中实心圆圈代表单独支路1的噪声系数随频率的关系，实心三角代表单独支路2的噪声系数随频率的关系，实心方块代表两支路同时工作时总体噪声系数随频率的关系。图4中的阴影部分代表单独对支路1进行噪声系数分析后，在输出频率为10MHz频点，栅电感所贡献的噪声功率占支路1噪声功率的比例。图5中的阴影部分代表对两路支路并联进行总体噪声系数分析后，在输出频率为10MHz频点，栅电感所贡献的噪声功率占所有噪声功率的比例。
从结果来看，本发明提出的基于集成电感噪声相消技术的接收机前端的实施例实现了工作在5GHz频率时，最低1.53dB的噪声系数，相比支路1单独工作时，噪声系数改善了1dB左右，并且经过采用本发明提出的噪声相消技术，在本实施例中，栅电感的噪声对整个电路噪声的贡献由68％降低到了31％。该实施例相对于传统技术，通过引入支路2，在贡献信号增益的同时，消除了集成栅电感的热噪声。在不影响线性度指标、不明显增加功耗的前提下，实现了很好的噪声性能。
总之，以上所述仅为本发明在具体CMOS工艺下与具体5GHz射频波段下无线接收机前端的验证实例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于集成电感噪声相消技术的接收机前端电路，其特征在于，该电路包括两个相同的支路，第一支路由第一低噪声放大器、第一I路和Q路混频器、第一跨阻放大器组成，第二支路由第二低噪声放大器、第二I路和Q路混频器、第二跨阻放大器组成组成；其中，输入信号分为两路分别与第一支路的低噪声放大器和第二支路的低噪声放大器的输入端相连，第一支路的低噪声放大器的输出端接第一支路的I路和Q路混频器的公共输入端；第二支路的低噪声放大器的输出端接第二支路的I路和Q路混频器的公共输入端；第一支路I路混频器的本振端和第二支路I路混频器的本振端分别与整个电路的I路本振输入端相连；第一支路和第二支路中的Q路混频器的本振端分别与整个电路的Q路本振输入端相连；第一支路中I路混频器的差分输出端与第二支路中Q路混频器的差分输出端相连，并与第一支路中的跨阻放大器的差分输入端相连；第一支路中跨阻放大器的差分输出端为整个接收机前端的I路差分输出端；第二支路中I路混频器的差分输出端与第一支路中Q路混频器的差分输出端相连，并与第二支路中的跨阻放大器的差分输入端相连，第二支路中跨阻放大器的差分输出端为整个接收机前端的Q路差分输出端。
2.如权利要求1所述前端电路，其特征在于，所述第一支路中的第一低噪声放大器，由栅电感Lg、nMOS管M1、电感Ls和电感Ld组成；其中，栅电感Lg的一端接输入端，另一端接nMOS管M1的栅端，nMOS管M1源极接电感Ls的一端，电感Ls的另一端接地GND；M1的漏极接输出端和电感Ld的一端，Ld的另一端接电源VDD。
3.如权利要求1所述前端电路，其特征在于，所述第二支路中的第二低噪声放大器，由nMOS管M2n、pMOS管M2p组成；其中，nMOS管M2n和pMOS管M2p的栅端接在一起并接输入端，nMOS管M2n源极接地GND，pMOS管M2p源极接电源VDD，nMOS管M2n和pMOS管M2p的漏端接在一起并接输出端。
4.如权利要求1、2或3所述前端电路，其特征在于，所述第一支路和第二支路中混频器相同，均包含有I路和Q路两个混频器。
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