CMOS射頻接收機(jī)系統(tǒng)與電路

引 言

在過去幾年中，便攜式無(wú)線通信系統(tǒng)市場(chǎng)得到了快速增長(zhǎng)，因而大大增加了對(duì)小型、輕便、便宜和更高性能的便攜式無(wú)線器件的需求。同樣，這種需求也驅(qū)動(dòng)IC設(shè)計(jì)者改進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)射頻接收機(jī)IC的指標(biāo)是：低功耗、高靈敏度、寬動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)盡量減少電路中片外無(wú)源組件的數(shù)量來(lái)降低成本。

CMOS技術(shù)很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)一直是數(shù)字電路的主要器件&然而隨著柵極長(zhǎng)度的不斷縮小，CMOS在射頻集成電路（RFICs）中的應(yīng)用也越來(lái)越得到人們的重視。截止頻率fT是射頻集成電路中的重要參數(shù)，CMOS器件尺寸的按比例縮小可以大大提高截止頻率。隨著器件尺寸的縮小，電路消耗的電流也逐漸減小，因此，射頻接收機(jī)幾個(gè)主要組件，如低噪聲放大器LNAs、混頻器、壓控振蕩器（VCOs）等，正在逐漸用CMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)。采用CMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的電感、電容等無(wú)源元件的Q值性能的提高也使CMOS成為射頻應(yīng)用的可行方案。

本文主要討論目前無(wú)線裝置中接收機(jī)的幾種典型結(jié)構(gòu)，接收機(jī)的工作特性和其主要參數(shù)，最后介紹CMOS射頻接收機(jī)芯片的最新研究成果和未來(lái)射頻接收機(jī)設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。

接收機(jī)的結(jié)構(gòu)

這部分描述了三種常見接收機(jī)結(jié)構(gòu)：外差式接收機(jī)、零差式接收機(jī)和象頻干擾抑制接收機(jī)（imagereject receivers），這三種結(jié)構(gòu)有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)射頻接收機(jī)電路時(shí)，結(jié)構(gòu)選擇的主要標(biāo)準(zhǔn)為，復(fù)雜性、成本、功耗和外部組件的數(shù)量等。在過去，外差式結(jié)構(gòu)主要用于設(shè)計(jì)便攜式設(shè)備，然而，隨著IC制程和技術(shù)的提高，其他的方法，如零差式結(jié)構(gòu)，也已成為解決設(shè)計(jì)難題的可靠的解決方法。

外差式接收機(jī)
外差式接收機(jī)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單框圖，如圖1所示。從天線進(jìn)來(lái)的射頻信號(hào)首先通過帶通濾波器濾除不需要的帶外的信號(hào)。然后經(jīng)過低噪聲放大器（LNA），LNA可以抑制來(lái)自后級(jí)的噪聲。LNA的輸出信號(hào)由象頻干擾抑制濾波器來(lái)濾除象頻干擾。輸出的信號(hào)在被混頻器解調(diào)到中頻前，會(huì)有一個(gè)來(lái)自希望的信道信號(hào)的兩個(gè)中頻的偏差。因此，在通過解調(diào)和檢測(cè)來(lái)恢復(fù)信號(hào)前，用信道選擇濾波器在中頻進(jìn)行信道的選擇。



然而，這種單中頻電路會(huì)導(dǎo)致比較嚴(yán)重的靈敏度和選擇性之間的折衷。如果中頻足夠高，產(chǎn)生的映像信號(hào)會(huì)與所期望得到的信號(hào)偏離很大，并且容易被帶通濾波器的截止特性所抑制。然而，通道選擇濾波器要求很高的品質(zhì)因數(shù)Q（Q定義為中心頻率與3dB帶寬的比值），而設(shè)計(jì)具有較高Q值的濾波器比較困難。如果中頻較低，信道選擇會(huì)有比較寬松的要求，但是獲得適當(dāng)?shù)挠诚駢嚎s會(huì)變得比較難。圖2顯示了高中頻、低中頻的難題。

實(shí)際上，常常采用多級(jí)中頻混頻器來(lái)緩解靈敏度與選擇性之間的矛盾。例如，在一個(gè)雙中頻外差式接收機(jī)中，射頻信號(hào)首先下變頻成一個(gè)足夠高的中頻信號(hào)使得可以比較容易獲得映像的壓縮。然后，經(jīng)過第二級(jí)變頻得到比第一級(jí)中頻信號(hào)低的第二級(jí)中頻來(lái)滿足信道的選擇性要求。

零差式接收機(jī)
在零差式接收機(jī)或直接變頻接收機(jī)中，進(jìn)來(lái)的射頻信號(hào)經(jīng)過與具有相同高的振蕩器的輸出頻率混頻，直接變頻成基帶信號(hào)（零頻）。得到的基帶信號(hào)經(jīng)過低通濾波器選擇所期望的信道信號(hào)。零差式接收機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

零差式接收機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是，進(jìn)來(lái)的射頻信號(hào)沒經(jīng)過中頻級(jí)而直接被下變頻成基帶信號(hào)（零頻），而沒有映像問題；另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它的簡(jiǎn)單性。由于零差式接收機(jī)不要求任何高頻帶通濾波器，而超外差式接收機(jī)為了得到適當(dāng)?shù)倪x擇性，常常需要片外高頻帶通濾波器，因此零差式接收機(jī)需要的外部元件較少。然而，零差式接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)問題比較突出。其主要缺點(diǎn)是，當(dāng)來(lái)自振蕩器的泄漏與本地振蕩器的信號(hào)相混頻時(shí)，就會(huì)使混頻器的輸出產(chǎn)生嚴(yán)重的支流偏差。這樣會(huì)使后面幾級(jí)產(chǎn)生飽和，影響信號(hào)的正常檢測(cè)過程。由于混頻器的輸出是一個(gè)基帶信號(hào)，很容易被混頻器的閃爍噪聲破壞，尤其進(jìn)來(lái)的射頻信號(hào)比較弱時(shí)。

象頻干擾抑制接收機(jī)
盡管外差式接收機(jī)中的映像可以通過用象頻干擾抑制濾波器濾除信號(hào)來(lái)得到抑制，象頻干擾抑制濾波器必須工作在高頻狀態(tài)，濾波器需要較好的截止特性，尤其在較低中頻的系統(tǒng)中使用時(shí)。正如前面所講，這樣對(duì)象頻干擾抑制濾波器的品質(zhì)因數(shù)提出了嚴(yán)格要求。為了簡(jiǎn)化接收機(jī)的設(shè)計(jì)，采用象頻干擾抑制結(jié)構(gòu)。

一種類型的象頻干擾抑制接收機(jī)是Hartley結(jié)構(gòu)，模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。射頻信號(hào)首先與本地振蕩信號(hào)的正交位移相混頻。用一個(gè)低通濾波器濾波后，得到信號(hào)中的一個(gè)被相移90度。因此，兩個(gè)最終信號(hào)相加取消了映像帶，得到所期望的信號(hào)，然而，二者的差移走期望頻帶而選擇象頻干擾。這種結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是接收機(jī)受本地振蕩器信號(hào)的相位誤差的影響很大，引起取消象頻干擾不完整。而且，在Hartley結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)時(shí)，由于制程變化而引起的兩個(gè)信道的電阻和電容的失配，影響了取消象頻干擾的過程。

另一種類型的象頻干擾抑制接收機(jī)是Weaver結(jié)構(gòu)，如圖5所示。







Weaver結(jié)構(gòu)與Hartley結(jié)構(gòu)十分相近，但在其中一個(gè)信號(hào)路徑的fT度相移由兩個(gè)信號(hào)通道的混合所代替。與Hartley接收機(jī)十分相似，如果兩個(gè)本地振蕩器信號(hào)的相位差不是恰好90度，象頻干擾將得不到完全的抑制。

接收機(jī)的工作特性

為了更好的理解射頻接收機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選擇，一些標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)用來(lái)評(píng)價(jià)在相應(yīng)應(yīng)用中接受機(jī)的性能。對(duì)于所有的集成電路而言，除了功耗，一個(gè)射頻接收機(jī)由靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍來(lái)表現(xiàn)其性能。描述接收機(jī)靈敏度的一個(gè)參數(shù)是最小可檢測(cè)信號(hào)（MDS）。它與系統(tǒng)的帶寬和接收機(jī)的噪聲有關(guān)：

MDS（dBm）=-174dBm+10logBW+NF+SNR

式中BW代表整個(gè)系統(tǒng)的帶寬。NF是接收機(jī)噪聲系數(shù)，定義為輸出端總噪聲與由激勵(lì)源在輸出端產(chǎn)生的噪聲的比值。SNR是信噪比，在解調(diào)器或檢測(cè)器的輸入來(lái)獲得一個(gè)可接受的位錯(cuò)率，典型值為10^-3。

關(guān)于接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍，有兩種動(dòng)態(tài)范圍的定義：無(wú)寄生動(dòng)態(tài)范圍（Spurious-free Dynamic Range，SFDR）和模塊化動(dòng)態(tài)范圍（Blocking Dynamic Range，BDR），如圖6所示。SFDR是從噪聲基數(shù)到產(chǎn)生互調(diào)積等于噪聲功率的輸入功率的一段輸入信號(hào)范圍，而BDR是從噪聲基數(shù)到1dB壓縮點(diǎn)p-1dB的一段輸入功率范圍?；フ{(diào)積是由接收機(jī)組件的非線性引起的不需要的諧波，如低噪聲放大器和混頻器的非線性引起的諧波失真。在大多數(shù)射頻接收機(jī)中，三階交調(diào)點(diǎn)（IP3）是基本頻率組件增益曲線與三階諧波增益曲線的交點(diǎn)。在零拍系統(tǒng)中，偶數(shù)階失真是非常嚴(yán)重的FE1，二階交調(diào)點(diǎn)（IP2）也被詳細(xì)說明。1dB增益壓縮點(diǎn)對(duì)應(yīng)于線性增益壓縮到1dB時(shí)的輸入功率。上面的參數(shù)之間的相互聯(lián)系可以由下面方程給出：



因此，整個(gè)接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍由每一個(gè)單個(gè)的組件的噪聲系數(shù)和互調(diào)交點(diǎn)確定。例如，一個(gè)有三Cascade級(jí)的系統(tǒng)的Cascade噪聲系數(shù)和交點(diǎn)可以由下面兩個(gè)方程計(jì)算得到：


式中A_vi代表第i級(jí)的增益，NF_i表示第i級(jí)的噪聲系數(shù)，IIP3_i代表第i級(jí)的三階交調(diào)點(diǎn)。




射頻接收機(jī)集成電路

如前所述，過去大部分蜂窩式無(wú)線電話采用超外差式結(jié)構(gòu)。然而，盡管零拍式接收機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是因?yàn)槠渲绷髌屏康膯栴}很少被采用。由于一些新出現(xiàn)的應(yīng)用要求，特性和功能與過去的要求不同，零拍式結(jié)構(gòu)和一些其它的結(jié)構(gòu)正在變得更加利于實(shí)際的制作。在這部分，主要討論最近發(fā)表的三種不同的射頻接收機(jī)集成電路的例子。

第一個(gè)例子是一個(gè)2GHz寬帶WCDMA接收機(jī)。它是直接變頻接收機(jī)，結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示。


與調(diào)制方案（如二進(jìn)制頻移鍵控）不同，直流切口（DC notch）不能應(yīng)用于WCDMA便攜式系統(tǒng)中。然而，由于采用偽隨機(jī)的順序進(jìn)行擴(kuò)頻操作，一個(gè)信息位的損失在一個(gè)周期上僅為一個(gè)平均數(shù)，所以這樣一個(gè)寬帶擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)對(duì)直流組件的取消并不敏感。正如圖8中所示整個(gè)基帶電路帶有伺服系統(tǒng)反饋環(huán)，因此直流偏置并沒有被取消。雙邊帶噪聲系數(shù)為5.1dB，IIP3和IIP2分別為-9.5dB和B=+38dB。整個(gè)接收機(jī)的工作電壓是2.7V，工作電流是128mA。

第二個(gè)例子是一個(gè)雙頻帶CMOS接收機(jī)。它采用了Weaver象頻干擾抑制結(jié)構(gòu)，工作在900MHz和1.8GHz頻帶。圖9顯示了該接收機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖。從圖9中我們可以看到，它利用象頻干擾抑制接收機(jī)輸出信號(hào)的相加和相減來(lái)選擇信號(hào)頻帶高于中頻還是低于本地振蕩器的頻率。采用雙工機(jī)的兩個(gè)分立的設(shè)置、LNA 和第一級(jí)中頻混頻器來(lái)獲得兩個(gè)不同的信號(hào)工作頻帶。頻帶選擇控制有效的降低了功耗。第一級(jí)中頻混頻器的輸出經(jīng)過兩個(gè)帶通濾波器濾除不需要的信號(hào)，第二個(gè)混頻器產(chǎn)生I和Q基帶輸出。帶選擇控制通過相加或相減，選擇所希望得到的信號(hào)。由于第一級(jí)的中頻在900MHz和1.8GHz之間，在映像和有用信號(hào)之間的900MHz的帶寬允許對(duì)映像進(jìn)行實(shí)質(zhì)的抑制。該接收機(jī)的性能參數(shù)：在900MHz時(shí)，噪聲系數(shù)4.7dB，IIP3為8dB；在1.8GHz時(shí)， 噪聲系數(shù)4.9dB，IIP3為6dBm。工作電壓3V時(shí)， 整個(gè)接收機(jī)的功耗是75mW。

第三個(gè)例子是一個(gè)采用最小平均平方（LMS）校準(zhǔn)技術(shù)的象頻干擾抑制結(jié)構(gòu)接收機(jī)，該接收機(jī)采用Weaver結(jié)構(gòu)，工作在2GHz頻帶。接收機(jī)的組成框圖如圖10所示。

該種類型接收機(jī)采用了增益和相位校準(zhǔn)電路，如圖10所示。結(jié)構(gòu)中的LMS適應(yīng)電路可以調(diào)整第二級(jí)變頻的增益和相位，而不影響射頻混頻器或第一級(jí)的本地振蕩器。進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，在射頻輸入端口加一個(gè)鏡象信號(hào)，調(diào)整系數(shù)W1、W2直到y(tǒng)（t）等于零。該接收機(jī)的性能參數(shù)：在2GHz時(shí)，噪聲系數(shù)5.2dB，IIP3為-17dB。工作電壓2.5V時(shí)，整個(gè)接收機(jī)的功耗是55mV。




圖10 采用最小平均平方校準(zhǔn)技術(shù)的象頻干擾抑制接收機(jī)的簡(jiǎn)單框圖


未來(lái)的射頻接收機(jī)

隨著新的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的引進(jìn)，如藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)和3G標(biāo)準(zhǔn)，未來(lái)的射頻接收機(jī)不僅需要處理聲音信號(hào)，而且需要以較高的比特率來(lái)處理大量的數(shù)據(jù)信號(hào)。為了滿足這些新應(yīng)用的要求，要求接收機(jī)具有高性能和更高的精確度，這樣給射頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)帶來(lái)許多挑戰(zhàn)。人們希望在同一芯片上具有集成多種標(biāo)準(zhǔn)的功能，這就要求來(lái)用具有成本效益，同時(shí)具有更高的集成度的方式采設(shè)計(jì)多標(biāo)準(zhǔn)、多頻帶接收機(jī)。正如前面的討論和射頻接收機(jī)集成電路的例子看到的一樣，減小片外組件的數(shù)量和芯片的面積需要做很多工作，并且正在努力對(duì)接收機(jī)的結(jié)構(gòu)和電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行新的創(chuàng)新來(lái)達(dá)到上面的目標(biāo)。

與當(dāng)前高頻領(lǐng)域中的III-V族、SiGe電路相比，CMOS充分利用Si技術(shù)的成熟、低成本特性，具有成本低、集成度高、技術(shù)成熟等特點(diǎn)。CMOS技術(shù)在保持系統(tǒng)性能不變的同時(shí)，降低高頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制作成本，因此正在得到廣泛研究和應(yīng)用。