具有宽温工作增益自动控制功能的cmos射频接收前端的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有宽温工作增益自动控制功能的CMOS射频接收前端，其包括射频单端-差分转换电路、本振单端-差分转换电路、吉尔伯特（Gilbert）混频电路、可变增益放大器、输出驱动电路、基于带隙基准源的电流偏置电路、增益自动控制电路。射频单端-差分转换电路、本振单端-差分转换电路分别将输入的单端接收信号和本振信号转换为差分信号，驱动Gilbert混频电路的差分输出接到可变增益放大器，然后通过输出驱动电路进行差分-单端转换，最后中频输出。电流偏置电路输出五路基准电流Iref1～Iref5，分别送至Gilbert混频电路、可变增益放大器、输出驱动电路、增益自动控制电路的尾电流管电路进行电流偏置。
【专利说明】具有宽温工作增益自动控制功能的CMOS射频接收前端
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有宽温工作增益自动控制功能的CMOS射频接收前端，在基于CMOS工艺实现的射频接收前端芯片中，采用基于带隙基准源的电流偏置技术、温度自适应增益调节方法实现宽温范围内整个芯片的增益自动控制，适用于各类无线电接收机射频前端电路。
【背景技术】
[0002]无线电接收机射频前端一般包括低噪声放大器、混频器、可变增益放大器、中频放大器等基本电路，采用CMOS工艺进行这些基本电路单元设计时，其等效增益可以表示为:
[0003]G=A ? gm eff ? Rl
[0004]其中，A为与电路类型相关的系数，如放大器电路中A—般为1，吉尔伯特(Gilbert)混频器电路中A —般为2/ ;gm rff为电路等效跨导；&为等效负载电阻。
[0005]在CMOS射频集成电路设计中，MOS管的过驱动电压Ves-VT —般取200mV左右，MOS管工作状态接近弱反型区，这在低电压、低功耗设计中更为明显。此时电路的等效跨导gm—eff随着工作稳定的升高而降低，在弱反型区等效跨导与工作温度近似成反比。另外，对于采用对于负载电阻&，RF CMOS工艺中通常采用多晶硅电阻，其温度系数可能高达3000ppm/°C以上，在-55~+85°C工作温度范围内其阻值可能变化±20%以上。
[0006]基于上述原因，电路的等效跨导gm eff和等效负载电阻RL都随温度变化而变化，使得电路的增益G随着工作温度的变化而改变。尤其是在射频前端电路一般由多个基本电路单元级联而成，这就使得整个接收前端电路的增益随温度起伏很大(一般在2dB以上)，进而影响整个无线收发系统的性能。
[0007]常规电路设计中解决这一问题的办法主要有以下两类:
[0008]第一类是对于电路的跨导单元采用恒跨导结构，即对电路中起放大作用的MOS管采用特殊设计的偏置电路，使其等效跨导几乎不随温度变化而改变；同时，对于负载电阻&，根据CMOS工艺中多晶硅电阻的温度系数与掺杂浓度相关的特点，设计选取随温度变化阻值起伏很小的多晶硅电阻。这种方法主要存在以下几个问题:
[0009]I)恒跨导结构中的偏置电路设计较为复杂，通常需要启动电路，电路失配等因素会影响跨导保持效果；
[0010]2)偏置电路一般会引入额外的噪声，不利于射频集成电路低噪声设计要求；
[0011]3)设计中需要所选择的工艺中有温度系数很小的多晶硅电阻可用，使得工艺选择有一定的局限性。
[0012]另一类解决增益随温度起伏变化的方法是根据等效跨导gm eff随温度增加而减小的特点，设计中选用随温度增加而增加的负载电阻&进行补偿，从而使电路增益宽温工作条件下保持稳定。这种方法设计简单，不会引入额外的噪声，不消耗额外的功耗，然而其局限性在于:为了补偿高温时跨导减小所带来的增益损失，&采用正温度系数电阻，高温时，其阻值通常增加20%左右， 使得高温时电路的工作带宽降低，这在多模块级联时显得更为明显。
【发明内容】
[0013]本发明的目的是针对射频接收前端电路增益随温度起伏变化这一问题，克服常规解决方法所带来的设计难度增加、噪声性能恶化、对工艺选择具有局限性、影响电路的工作带宽等不足之处，提出采用采用基于带隙基准源的电流偏置技术、温度自适应增益调节方法实现宽温工作范围内整个芯片的具有宽温工作增益自动控制功能的CMOS射频接收前端。
[0014]本发明是这样实现的，一种具有宽温工作增益自动控制功能的CMOS射频接收前端，其用于在宽温工作条件下CMOS射频接收前端芯片增益自动控制技术的实现，该具有宽温工作增益自动控制功能的CMOS射频接收前端包括射频单端-差分转换电路、本振单端-差分转换电路、Gilbert混频电路、可变增益放大器、输出驱动电路、基于带隙基准源的电流偏置电路、增益自动控制电路；该射频单端-差分转换电路、该本振单端-差分转换电路分别将输入的单端接收信号和本振信号转换为差分信号，驱动该Gilbert混频电路中所设计的双平衡Gilbert混频器，该混频器的差分输出接到该可变增益放大器，然后通过该输出驱动电路进行差分-单端转换，最后中频输出；该电流偏置电路输出五路基准电流Irefl~Iref5，分别送至该Gilbert混频电路、该可变增益放大器、该输出驱动电路、该增益自动控制电路的尾电流管电路进行电流偏置；该增益自动控制电路包括误差放大器和电压相加电路，该电压相加电路包括电阻R1~R5,该误差放大器包括MOS管M1~M6、双极晶体管Q1^电阻R6~R7、双向常开开关k ；M0S管M6的源极连接该电流偏置电路接收基准电流IMf5，MOS管M6的漏极接地，MOS管M6的栅极连接MOS管M5的栅极，MOS管M5的漏极接地，MOS管M5的源极、MOS管M1的源极、MOS管M2的源极三者连接，MOS管M1的栅极、电阻R6的一端、电阻R7的一端三者连接，电阻R7的另一端电性接地，电阻R6的另一端连接电源VDD，M0S管M1的源极连接MOS管M3的漏极，MOS管M3的源极连接电源VDD，MOS管M3的栅极连接MOS管M3的漏极且还连接MOS管M4的栅极，MOS管M4的源极连接电源VDD，MOS管M4的漏极连接MOS管M2的源极且还连接双向常开开关k的常开触点Ka，M0S管M2的栅极连接双极晶体管Q1的发射极，双极晶体管Q1的基极连接双极晶体管Q1的集电极，双极晶体管Q1的集电极接地，双极晶体管Q1的发射极还连接该电流偏置电路接收基准电流IMf4，电阻R2的两端1、K2分别连接双向常开开关k的常开触点Kb、固定触点Kc，电阻R2的一端K1经由电阻R1连接电源VDD，电阻R2的另一端K2经由电阻R3接地还依次经由电阻R4、电阻R5连接外接电压VC,电阻R4与电阻R5之间引出电压控制端V_t，电压控制端V_t连接该可变增益放大器用于调节该可变增益放大器。
[0015]作为上述方案的进一步改进，电压控制端V_t满足以下公式:
【权利要求】
1.具有宽温工作增益自动控制功能的CMOS射频接收前端，其用于在宽温工作条件下CMOS射频接收前端芯片增益自动控制技术的实现，该具有宽温工作增益自动控制功能的CMOS射频接收前端包括射频单端-差分转换电路、本振单端-差分转换电路、吉尔伯特(Gilbert)混频电路、可变增益放大器、输出驱动电路、基于带隙基准源的电流偏置电路；其特征在于:该具有宽温工作增益自动控制功能的CMOS射频接收前端还包括增益自动控制电路，该射频单端-差分转换电路、该本振单端-差分转换电路分别将输入的单端接收信号和本振信号转换为差分信号，驱动该Gilbert混频电路中所设计的双平衡Gilbert混频器，该混频器的差分输出接到该可变增益放大器，然后通过该输出驱动电路进行差分-单端转换，最后中频输出；该电流偏置电路输出五路基准电流IMfl~IMf5，分别送至该Gilbert混频电路、该可变增益放大器、该输出驱动电路、该增益自动控制电路的尾电流管电路进行电流偏置；该增益自动控制电路包括误差放大器和电压相加电路，该电压相加电路包括电阻R1~R5,该误差放大器包括MOS管M1~M6、双极晶体管Qp电阻R6~R7、双向常开开关k ；M0S管M6的源极连接该电流偏置电路接收基准电流I,ef5，MOS管M6的漏极接地，MOS管M6的栅极连接MOS管M5的栅极，MOS管M5的漏极接地，MOS管M5的源极、MOS管M1的源极、MOS管M2的源极三者连接，MOS管M1的栅极、电阻R6的一端、电阻R7的一端三者连接，电阻R7的另一端电性接地，电阻R6的另一端连接电源VDD，MOS管M1的源极连接MOS管M3的漏极，MOS管M3的源极连接电源VDD，MOS管M3的栅极连接MOS管M3的漏极且还连接MOS管M4的栅极，MOS管M4的源极连接电源VDD，MOS管M4的漏极连接MOS管M2的源极且还连接双向常开开关k的常开触点Ka，M0S管M2的栅极连接双极晶体管Q1的发射极，双极晶体管Q1的基极连接双极晶体管Q1的集电极，双极晶体管Q1的集电极接地，双极晶体管Q1的发射极还连接该电流偏置电路接收基准电流IMf4，电阻R2的两端1、K2分别连接双向常开开关k的常开触点Kb、固定触点Kc，电阻R2的一端K1经由电阻R1连接电源VDD，电阻R2的另一端K2经由电阻R3接地还依次经由电阻R4、电阻R5连接外接电压VC，电阻R4与电阻R5之间引出电压控制端V_t，电压控制端V_t连接该可变增益放大器用于调节该可变增益放大器。
2.如权利要求1所述的具有宽温工作增益自动控制功能的CMOS射频接收前端，其特征在于:电压控制端V_t满足以下公式:
3.如权利要求1所述的具有宽温工作增益自动控制功能的CMOS射频接收前端，其特征在于:该Gilbert混频电路包括CMOS管M7~M14、电阻R8、电阻R9, CMOS管M7、CM0S管M8的栅极分别连接该射频单端-差分转换电路的正输出端与负输出端，CMOS管M7XMOS管M8的漏极均连接CMOS管M14的源极，CMOS管M14的漏极接地，CMOS管M14的栅极连接CMOS管M13的栅极与源极，CMOS管M13的漏极接地，CMOS管M13的源极连接该电流偏置电路接收基准电流Ir6fl，CMOS管M7的源极连接CMOS管M9、CMOS管Mltl的漏极，CMOS管M8的源极连接CMOS管Mn、CMOS管M12的漏极，CMOS管M9、CMOS管M11的源极均经由电阻R8连接电源VDD，CMOS管M1(l、CMOS管M12的源极均经由电阻R9连接电源VDD，CMOS管M1(l、CMOS管M11的栅极均连接于该本振单端-差分转换电路的负输出端，CMOS管M9、CMOS管M12的栅极均连接该本振单端-差分转换电路的正输出端。
4.如权利要求3所述的具有宽温工作增益自动控制功能的CMOS射频接收前端，其特征在于:该可变增益放大器包括CMOS管M15~M2Q、电阻R1(l、电阻Rn、电容C1、电容C2, CMOS管M15的栅极经由电容C1连接CMOS管M9的源极，CMOS管M16的栅极经由电容C2连接CMOS管M12的源极，CMOS管M15、CM0S管M16的漏极均连接CMOS管M20源极，CMOS管M20的漏极接地，CMOS管M2tl的栅极连接CMOS管M19的栅极与源极，CMOS管M19的漏极接地，CMOS管M19的源极连接该电流偏置电路接收基准电流I⑶，CMOS管M15的源极连接CMOS管M17的漏极，CMOS管M16的源极连接CMOS管M12的漏极，CMOS管M17的源极经由电阻Rltl连接电源VDD，CMOS管M18的源极、经由电阻R11连接电源VDD。
5.如权利要求4所述的具有宽温工作增益自动控制功能的CMOS射频接收前端，其特征在于:该输出驱动电路包括CMOS管M21~M24、电阻R12、电容C3、电容C4，CMOS管M21的栅极经由电容C4连接CMOS管M18的源极，CMOS管M22的栅极经由电容C3连接CMOS管M17的源极，CMOS管M21的漏极与CMOS管M22的漏极连接实现中频输出，CMOS管M22的源极经由电阻R12连接电源VDD，CMOS管M21的源极连接CMOS管M24的源极，CMOS管M24的漏极接地，CMOS管M24的栅极连接CMOS管M23的栅极，CMOS管M23的栅极还连接CMOS管M23的源极，CMOS管M23的漏极接地，CMOS管M2 3的源极连接该电流偏置电路接收基准电流IMf3。
【文档编号】H04B1/16GK103647565SQ201310682934
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月13日 优先权日:2013年12月13日
【发明者】段宗明, 李智群, 王曾祺, 王晓东, 马强 申请人:中国电子科技集团公司第三十八研究所