CN105871389A

CN105871389A - 一种电流型发射机结构

Info

Publication number: CN105871389A
Application number: CN201610212816.XA
Authority: CN
Inventors: 罗彦彬; 刘启; 陈浪; 钱敏; 甘业兵; 乐建连
Original assignee: HANGZHOU ZHONGKE MICROELECTRONIC CO Ltd
Current assignee: HANGZHOU ZHONGKE MICROELECTRONIC CO Ltd
Priority date: 2016-04-07
Filing date: 2016-04-07
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2036-04-07
Also published as: CN105871389B

Abstract

本发明涉及一种发射机(Transmitter)结构，尤其适合频率较高的应用，具体地说是一种电流型发射机结构(Current‑mode Transmitter)，属于射频集成电路的技术领域。按照本发明提供的技术方案，所述的电流型发射机，包括本振信号产生的锁相环电路，电压到电流的转换电路，E类电流型功率放大器，功率合成器，发射天线。电压到电流的转换电路将基带电压信号转换成电流信号，进而控制E类电流型功率放大器，然后由本振信号直接作为输入信号驱动E类功率放大器提高了功率放大器的效率，功率合成器将差分信号转化为单端信号并通过天线发射出去。本发明结构简单紧凑，降低电路复杂度，并能有效地提高发射机的效率和线性度，完全可以满足无线发射机***对效率和线性度的要求。

Description

一种电流型发射机结构

技术领域

本发明涉及一种发射机(Transmitter)结构，具体地说是一种电流型发射机结构(Current-mode Transmitter)，属于射频集成电路的技术领域。

背景技术

本发明可应用的领域非常广泛，特别是在频率比较高的应用中优势特别明显，传统的发射链路结构框图如图1所示，主要由以下几个部分组成：包含压控振荡器VCO的小数频率综合器PLL,产生载波频率的上混频器MIXER1，实现信号调制的混频器MIXER2,功率放大器PA以及发射天线。在发射机设计中，为了避免频率牵引效应，通常压控振荡器不会振荡在载波频率处，对于较低射频频率的应用中，可以振荡在两倍频处再通过分频得到所需的载波频率，然而对于高频应用，比如5.8GHz的发射机中，一般不会将振荡器谐振频率设计为两倍频，而可以振荡在载波频率的2/3处，然后通过增加一个上混频器得到所需要的载波频率，如图1所示的MIXER1由两路由PLL输出的本振信号输入共同产生所需要的载波频率信号。基带输入信号通过一些整形处理后，输出的模拟信号输入到MIXER2，进而在输出端将基带信号调制到载波上，最后该调制信号经过PA放大后，由天线发射出去。

传统的发射机结构比较复杂，链路很长，特别是对于较高射频频率，链路过长很容易产生信号损耗大，发射功率太小，效率太低的问题。在射频芯片的设计中占主要面积的器件通常为电感，一般占用射频芯片将近50％甚至更高的面积，减小射频芯片中电感的个数和电感的面积是通常作为减小芯片面积降低芯片成本主要有效的方式，而如图1所示的传统发射机结构中PLL，MIXER1，MIXER2以及PA中均有电感，四个电感占用了几乎大部分的芯片面积。减小芯片面积，降低成本是射频收发机研发过程中非常重要的研究方向。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种电流型发射机结构，其结构紧凑，减短了发射机信号链路，降低电路的复杂度，减少了射频芯片中电感的个数，降低芯片成本，并能提高信号的发射功率，提高发射效率，安全可靠。

按照本发明提供的技术方案，一种电流型发射机结构，其特征是：包括本振信号产生的锁相环电路，基带电压信号到电流信号的转换电路，电流型功率放大器，功率合成器和发射天线；其特征是：所述锁相环电路产生差分本振信号，第一差分信号和第二差分信号分别为VIP_LO,VIN_LO，所述的电压信号到电流信号的转换电路有差分基带电压信号的第一输入端和第二输入端，分别是VIP_BB,VIN_BB，并有两个输出端，第一输出端VBP和第二输出端VBN；所述的电流型功率放大器设有差分本振信号的第一输入端和第二输入端，分别输入第一差分信号和第二差分信号VIP_LO,VIN_LO，以及以差分基带电压信号的第一输出端VBP和第二输出端VBN分别作为偏置电压的第一输入端和第二输入端，输出端为差分信号，连接所述功率合成器的输入端，所述的功率合成器的输出端一端接地，另一端与所述发射天线相连。

所述的本振信号产生的锁相环电路中使用的压控振荡器的工作频率设置在发射信号载波频率。

所述的基带电压信号到电流信号的转换电路包括供电端AVDD18和接地端AGND18，两个输入端VIP_BB和VIN_BB和两个输出端VBP和VBN，还包括晶体管，MN1、MN2、MN3、MN4、MN5、MN6、MN7和MP1、MP2、MP3、MP4；晶体管MN1、MN2的栅极分别连接两个输入端VIP_BB和VIN_BB，源级分别连接MN3、MN4的漏极；MN3、MN4、MN5的栅极分别互相连接，并连接供电端，源级都与接地端连接，并连接MN5，MN6和MN7的源级；MN6和MN7的栅极均与各自的漏极相连，并且分别与输入端VBP和VBN相连，并分别连接MP3和MP4的漏极；MN1和MN2的漏极分别连接MP1和MP2的栅极和漏极，并且分别与MP3和MP4的栅极相连；MP1、MP2、MP3、MP4的源级分别连接供电端。

所述的基带电压信号到电流信号的转换电路，将基带电压信号VIP_BB和VIN_BB通过MN1和MN2转化为电流信号，再通过电流镜对MP1与MP3和MP2与MP4转化为电流信号IBP和IBN，然后通过二极管连接的MN6和MN7产生偏置电压，作为下一级的电流镜电路。

在所述基带电压信号到电流信号的转换电路中的晶体管MN1和MN2的源级通过串联的电阻R1和R2相连。

所述的电流型功率放大器包括晶体管MN8、MN9、MP5、MP6、MP7、MP8和射频晶体管MN1_RF、MN2_RF、MN3_RF、MN4_RF、MN5_RF、MN6_RF、MN7_RF、MN8_RF、MN9_RF、MN10_RF、MN11_RF、MN12_RF，还包括与基带电压信号到电流信号的转换电路输出端VBP和VBN分别相连的两个输入端，与锁相环的本振信号输出端VIP_LO和VIN_LO分别相连的两个输入端，第一电源端AVDD18和第二电源端AVDD33；

MN6_RF和MN12_RF的栅极分别连接本振信号输出端VIP_LO，MN5_RF和MN11_RF的栅极分别连接本振信号输出端VIN_LO；MN5_RF、MN6_RF，MN11_RF、MN12_RF的漏极均接地；基带电压信号到电流信号的转换电路输出端VBP和VBN分别连接MN8和MN9的栅极，MN8和MN9的源级均接地；MN4_RF和MN5_RF的栅极连接电源端AVDD18，源级均接地；MN1_RF、MN2_RF、MN7_RF、MN8_RF、MN9_RF的源级分别连接MN4_RF、MN5_RF，MN10_RF、MN11_RF、MN12_RF的漏极；MN2_RF和MN3_RF的栅极相连，并通过电阻R3与MN1_RF的栅极相连；MN8_RF和MN9_RF的栅极相连，并通过电阻R4与MN7_RF的栅极相连；MN1_RF和MN7_RF的栅极分别和各自的漏极相连，并分别连接MP6和MP8的漏极；MP5、MP6、MP7、MP8的源级分别连接第二电源端AVDD33；MP5和MP7的栅极分别和各自的漏极相连，并分别连接MN8和MN9的漏极，MN2_RF和MN9_RF的漏极相连并连接所述功率合成器的第一输入端，MN3_RF和MN8_RF的漏极相连并连接所述功率合成器的第二输入端。

所述的电流型功率放大器中的MN8与MN9分别和MN6与MN7构成电流镜，并通过电流镜对MP5与MP6和MP7与MP8使得电流信号I1＝I3＝IBP以及I2＝I4＝IBN；差分本振信号VIP_LO和VIN_LO作为输入的开关信号，控制MN5_RF、MN6_RF、MN11_RF、MN12_RF的导通与否，进而控制差分输出端的通过电流。

所述的功率合成器是采用片上Transformer实现的，采用两条相互耦合的线圈，通过电磁感应现象将输出差分信号耦合变成单端的输出信号，再驱动负载天线。

所述基带电压信号到电流信号的转换电路的供电电压AVDD18为1.8V，而所述电流型功率放大器的供电电压AVDD33为3.3V。

本发明的优点：

1、本振信号产生的锁相环电路中的压控振荡器振荡频率直接为载波频率，减少了传统结构中的一个上变频器，减小芯片面积。

2、将基带电压信号转化为电流信号进行控制电流型功率放大器，减短了信号通路链路，可以提高信号的通信质量，同时减少了传统结构中本振信号与基带信号相混频的混频器，进一步减小了芯片面积。

3、采用电流型E类功率放大器发射信号，采用电流型差分结构可以保证信号的线性度，不会改变信号的调制深度，而采用开关类功率放大器可以提高发射效率，在发射功率一样的情况下，降低了芯片的功耗。

4、使用片上Transformer实现功率合成器，可以进一步提高发射效率，同时也可以减少***匹配以及差分转单端器件，降低整个***的成本。

5、基带电压信号到电流信号的转换电路和电流型功率放大器采用不同的供电电压和参考地电位，在不影响发射功率和发射效率的情况下，低电压会降低其他电路部分的功耗。同时采用不同的参考低电位，可以减少功率放大器与其他不同模块之间的信号串扰。

附图说明

图1为传统发射机结构框图。

图2为本发明电流型发射机结构框图。

图3为本发明中使用的基带电压信号到电流信号的转换电路图。

图4为本发明中使用的电流型功率放大器。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图2所示，为本发明电流型发射机结构框图，包括本振信号产生的锁相环电路，基带电压信号到电流信号的转换电路，电流型功率放大器，功率合成器，发射天线。

所述锁相环电路产生差分本振信号，其中差分本振信号包括第一差分信号和第二差分信号，分别为VIP_LO,VIN_LO，所述的电压信号到电流信号的转换电路有差分基带电压信号的第一输入端和第二输入端(分别是VIP_BB,VIN_BB)，并有两个输出端，第一输出端VBP和第二输出端VBN，所述的电流型功率放大器设有差分本振信号的第一输入端和第二输入端(分别输入第一差分信号和第二差分信号VIP_LO,VIN_LO)，以及以差分基带电压信号的第一输出端VBP和第二输出端VBN分别作为偏置电压的第一输入端和第二输入端，输出端为差分信号，连接所述功率合成器的输入端，所述的功率合成器的输出端一端接地，另一端与所述发射天线相连。

所述的本振信号产生的锁相环电路直接为电流型功率放大器提供本振信号，锁相环电路部分有两个差分输出端口，VIP_LO和VIN_LO，与下一个电路模块电流型功率放大器的两个差分输出端口相连接，锁相环电路可采用常规的小数分频的锁相环电路，电路结构不再做赘述，在本应用中可将锁相环电路中的压控振荡器振荡频率直接谐振到发射信号载波频率，不需要与其他发射机中使用的锁相环类似需要将压控振荡器的振荡频率设置到其他频率以避免发生频率牵引效应。因此锁相环中可以节省一个上变频器以节省面积。

所述的基带电压信号到电流信号的转换电路内部的具体连接方式如图3所示，所述的基带电压信号到电流信号的转换电路包括1.8V的供电端AVDD18和接地端AGND18，两个输入端(VIP_BB和VIN_BB)和两个输出端(VBP和VBN)，还包括晶体管，MN1、MN2、MN3、MN4、MN5、MN6、MN7和MP1、MP2、MP3、MP4。晶体管MN1和MN2的栅极分别连接两个输入端(VIP_BB和VIN_BB)，源级分别连接MN3和MN4的漏极；MN3、MN4、MN5的栅极分别互相连接，并连接供电端，源级都与接地端连接，并连接MN5、MN6和MN7的源级；MN6和MN7的栅极均与各自的漏极相连，并且分别与输入端VBP和VBN相连，并分别连接MP3和MP4的漏极；MN1和MN2的漏极分别连接MP1和MP2的栅极和漏极，并且分别与MP3和MP4的栅极相连；MP1、MP2、MP3、MP4的源级分别连接供电端。

其中在具体的应用，基带过来的信号VIP_BB和VIN_BB是有直流偏置(比如1V)的中低频差分信号。晶体管MN5、MN4、MN3构成电流镜，分别为两条支路提供固定的直流偏置电流，然后晶体管MN1和MP1、晶体管MN2和MP2分别构成一个电压电流转换器，基带信号输入到达栅极，然后晶体管MN1或MN2将电压信号通过跨导作用转为流过晶体管MN1或MN2的电流，而MP1与MP3，MP2与MP4分别构成电流镜，由电压转换过来的电流再传递给二极管连接方式的晶体管MN6和MN7，然后产生两个偏置电压VBP和VBN，在这里，晶体管MN6和MN7分别与下一级的电流型功率放大器中的晶体管MN8和MN9构成电流镜结构，进而再去控制电流型功率放大器的电流大小。通过这个过程将基带电压信号转为电流信号，并传递到下一级电流型功率放大器中。

在很多带调制信号的应用中，由于基带信号是直流偏置为1V，调制深度为0.5～1的信号，一般情况下会在1V-1.5V变化，电压的变化范围较大，而转化后的电流也需要跟随电压线性地变化，在基带电压信号到电流信号的转换电路中的晶体管MN1和MN2的源级通过串联的电阻R1和R2相连，可以增强基带电压信号到电流信号的转换电路的线性度，拓宽电路的输入电压范围。

所述的电流型功率放大器的具体的连接方式如图4中所示。所述的电流型功率放大器包括晶体管MN8、MN9、MP5、MP6、MP7、MP8和射频晶体管MN1_RF、MN2_RF、MN3_RF、MN4_RF、MN5_RF、MN6_RF、MN7_RF、MN8_RF、MN9_RF、MN10_RF、MN11_RF、MN12_RF，还包括与基带电压信号到电流信号的转换电路输出端(VBP和VBN)分别相连的两个输入端，与锁相环的本振信号输出端VIP_LO和VIN_LO分别相连的两个输入端，第一电源端AVDD18和第二电源端AVDD33。

MN6_RF和MN12_RF的栅极分别连接本振信号输出端VIP_LO；MN5_RF和MN11_RF的栅极分别连接本振信号输出端VIN_LO；MN5_RF、MN6_RF、MN11_RF、MN12_RF的漏极均接地；基带电压信号到电流信号的转换电路输出端(VBP和VBN)分别连接MN8和MN9的栅极，MN8和MN9的源级均接地；MN4_RF和MN5_RF的栅极连接电源端AVDD18，源级均接地；MN1_RF、MN2_RF、MN7_RF、MN8_RF、MN9_RF的源级分别连接MN4_RF、MN5_RF、MN10_RF、MN11_RF、MN12_RF的漏极；MN2_RF和MN3_RF的栅极相连，并通过电阻R3与MN1_RF的栅极相连；MN8_RF和MN9_RF的栅极相连，并通过电阻R4与MN7_RF的栅极相连；MN1_RF和MN7_RF的栅极分别和各自的漏极相连，并分别连接MP6和MP8的漏极；MP5、MP6、MP7、MP8的源级分别连接第二电源端AVDD33；MP5和MP7的栅极分别和各自的漏极相连，并分别连接MN8和MN9的漏极；MN2_RF和MN9_RF的漏极相连并连接所述功率合成器的第一输入端；MN3_RF和MN8_RF的漏极相连并连接所述功率合成器的第二输入端。

电流型功率放大器采用3.3V的供电电压，所以电路中使用了两种晶体管，一种是1.8V电压下使用的晶体管，主要是开关打开的速度快，还有一种是3.3V电压下的晶体管，主要考虑是耐压，防止功率放大器中的电压瞬间超过3.3V时击穿晶体管造成不可恢复的损害。电路中共有四个信号输入端口，包括基带电压信号到电流信号的转换电路输出端口(VBP和VBN)和锁相环的本振信号输出端口(VIP_LO和VIN_LO)。MN8和MN9的栅极分别与前级基带电压信号到电流信号的转换电路的输出端VBP和VBN相连接，使得通过它们的电流分别与前级电压转换得到的电流相等。晶体管MP5和MP6，晶体管MP7和MP8分别构成电流镜结构，然后将电流IBP和IBN分别复制流过射频晶体管MN1_RF和MN7_RF，然后通过MN1_RF，MN2_RF，MN3_RF组成的电流镜以及MN7_RF，MN8_RF，MN9_RF组成的电流镜使得流过MN2_RF，MN3_RF和MN8_RF，MN9_RF的电流满足：

I₁＝I₃＝I_BP (1)

I₂＝I₄＝I_BN (2)

射频晶体管MN6_RF和MN12_RF的栅极与锁相环的输出端口VIP_LO相连接，而射频晶体管MN5_RF和MN11_RF的栅极与锁相环的输出端口VIN_LO相连接，这四个射频管在本振信号的驱动下相当于开关，而本振信号作为开关信号。开关管在导通时有一定的小电阻，为了与开关管相匹配，在射频晶体管MN1_RF和MN7_RF的源级连接射频晶体管MN4_RF和MN10_RF，射频晶体管MN4_RF和MN10_RF的栅极与电源电压相连接，使得它们一致处于导通状态，使得式(1)和式(2)满足的精度更高。

当本振信号为正半周期的时候，射频晶体管MN6_RF和MN12_RF导通，而射频晶体管MN5_RF和MN11_RF关闭，此时有：

I₅＝I₄＝I_BN (3)

I₆＝I₃＝I_BP (4)

即对应的差分电流为：

I_OUT＝I₅-I₆＝I_BP-I_BN (5)

当本振信号为负半周期的时候，射频晶体管MN5_RF和MN11_RF导通，而射频晶体管MN6_RF和MN12_RF关闭，此时有：

I₅＝I₁＝I_BP (6)

I₆＝I₂＝I_BN (7)

即对应的差分电流为：

I_OUT＝I₅-I₆＝I_BN-I_BP (8)

从式(5)和式(8)可以看到，差分电流只要在基带电压转化为电流为线性就可保持线性状态，不会因为功率放大器是E类的非线性功率放大器而变得非线性。在差分端的输出电流与输出阻抗的乘积即为输出端的电压信号，再将此差分的电压信号送入功率合成器。

所述的功率合成器如图4所示，输入端与电流型功率放大器的差分输出端相连接，输出端一端接地，另一端为功率输出端，驱动负载为50Ω的天线。本发明使用的功率合成器是采用片上Transformer实现的，采用两条相互耦合的线圈，通过电磁感应现象将输出的差分信号耦合变成单端的输出信号。

所述的基带电压信号到电流信号的转换电路和电流型功率放大器，采用不同的供电电压和地参考电位，电源电压分别采用了1.8V和3.3V，保证了功率放大器的发射功率和发射效率，同时又可以降低其他电路模块的功耗，电路还使用了两组参考地电位，这样可以减少通过地线引起的信号串扰，这在高频率的射频设计中尤其重要。

本发明降低了电路的复杂度，建模简单，易于调整电路参数达到电路的设计要求，采用电流型发射机结构，减少了传统电路模块，兼顾了线性度和发射效率的设计，做到了低功耗低成本。

本发明的保护范围，并非局限于本发明描述的实施例。只要各种变化在所附权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的实例均在保护之列。

Claims

1.一种电流型发射机结构，其特征是：包括本振信号产生的锁相环电路，基带电压信号到电流信号的转换电路，电流型功率放大器，功率合成器和发射天线；所述锁相环电路产生差分本振信号，第一差分信号和第二差分信号分别为VIP_LO,VIN_LO，所述的电压信号到电流信号的转换电路有差分基带电压信号的第一输入端和第二输入端，分别是VIP_BB,VIN_BB，并有两个输出端，第一输出端VBP和第二输出端VBN；所述的电流型功率放大器设有差分本振信号的第一输入端和第二输入端，分别输入第一差分信号和第二差分信号VIP_LO,VIN_LO，以及以差分基带电压信号的第一输出端VBP和第二输出端VBN分别作为偏置电压的第一输入端和第二输入端，输出端为差分信号，连接所述功率合成器的输入端，所述的功率合成器的输出端一端接地，另一端与所述发射天线相连。

2.如权利要求1所述的电流型发射机结构，其特征是：所述的本振信号产生的锁相环电路中使用的压控振荡器的工作频率设置在发射信号载波频率。

3.如权利要求1所述的电流型发射机结构，其特征是：所述的基带电压信号到电流信号的转换电路包括供电端AVDD18和接地端AGND18，两个输入端VIP_BB和VIN_BB和两个输出端VBP和VBN，还包括晶体管，MN1、MN2、MN3、MN4、MN5、MN6、MN7和MP1、MP2、MP3、MP4；晶体管MN1、MN2的栅极分别连接两个输入端VIP_BB和VIN_BB，源级分别连接MN3、MN4的漏极；MN3、MN4、MN5的栅极分别互相连接，并连接供电端，源级都与接地端连接，并连接MN5，MN6和MN7的源级；MN6和MN7的栅极均与各自的漏极相连，并且分别与输入端VBP和VBN相连，并分别连接MP3和MP4的漏极；MN1和MN2的漏极分别连接MP1和MP2的栅极和漏极，并且分别与MP3和MP4的栅极相连；MP1、MP2、MP3、MP4的源级分别连接供电端。

4.如权利要求3所述的电流型发射机结构，其特征是：所述的基带电压信号到电流信号的转换电路，将基带电压信号VIP_BB和VIN_BB通过MN1和MN2转化为电流信号，再通过电流镜对MP1与MP3和MP2与MP4转化为电流信号IBP和IBN，然后通过二极管连接的MN6和MN7产生偏置电压，作为下一级的电流镜电路。

5.如权利要求3所述的电流型发射机结构，其特征是：在所述基带电压信号到电流信号的转换电路中的晶体管MN1和MN2的源级通过串联的电阻R1和R2相连。

6.如权利要求3所述的电流型发射机结构，其特征是：所述的电流型功率放大器包括晶体管MN8、MN9、MP5、MP6、MP7、MP8和射频晶体管MN1_RF、MN2_RF、MN3_RF、MN4_RF、MN5_RF、MN6_RF、MN7_RF、MN8_RF、MN9_RF、MN10_RF、MN11_RF、MN12_RF，还包括与基带电压信号到电流信号的转换电路输出端VBP和VBN分别相连的两个输入端，与锁相环的本振信号输出端VIP_LO和VIN_LO分别相连的两个输入端，第一电源端AVDD18和第二电源端AVDD33；

7.如权利要求6所述的电流型发射机结构，其特征是：所述的电流型功率放大器中的MN8与MN9分别和MN6与MN7构成电流镜，并通过电流镜对MP5与MP6和MP7与MP8使得电流信号I1＝I3＝IBP以及I2＝I4＝IBN；差分本振信号VIP_LO和VIN_LO作为输入的开关信号，控制MN5_RF、MN6_RF、MN11_RF、MN12_RF的导通与否，进而控制差分输出端的通过电流。

8.如权利要求1所述的电流型发射机结构，其特征是：所述的功率合成器是采用片上Transformer实现的，采用两条相互耦合的线圈，通过电磁感应现象将输出差分信号耦合变成单端的输出信号，再驱动负载天线。

9.如权利要求6所述的电流型发射机结构，其特征是：所述基带电压信号到电流信号的转换电路的供电电压AVDD18为1.8V，而所述电流型功率放大器的供电电压AVDD33为3.3V。