具有非对称匹配网络的收发器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明总体涉及用于射频传输的收发器，并且更具体地，涉及收发器内的阻抗匹配优化。
【背景技术】
[0002]片上系统(SoC)是一个由来已久的概念；基本方法是将越来越多的功能集成到一个给定器件上。这种集成能够采用硬件或解决方案软件的形式。很多SoC设计将微处理器内核或多个内核与各种外围器件和存储器电路配对。
[0003]射频(RF)收发器可以包括在SoC内，并且可以包括完全集成的CMOS低噪声放大器(LAN)和功率放大器(PA)。差分电路通常被选择用于降低LNA电路中的接地噪声效应并在相同电源电压下加倍PA的输出功率电平。然而，天线通常是单端的，并因此可能需要转换阻抗以便将单端天线接合到片上差分电路的匹配网络。
[0004]蓝牙标准被设计用于实现提供1m距离处的IMb/s的数据速率的划算的无线通信。注定成为柔性电缆的主要替换物，蓝牙领域已经迅速成长。为了帮助全面集成芯片集解决方案，已经放松了该标准的规格。因此，这个标准非常适于SoC方法。很多平台已经可用于蓝牙SoC快速发展市场，并且可用于原型法以缩短设计周期并限制设计团队范围。蓝牙RF收发器需要若干系统元件:正交频率合成器、低噪声放大器(LNA)、提供从RF频率到基带的频率转换的混频器和放大器。
【附图说明】
[0005]图1是包括本发明的一个实施例的片上系统(SoC)中的收发器的一部分的功能性框图；
[0006]图2是图1的收发器中使用的自偏置AB类TX驱动器的原理图；
[0007]图3是图1的SoC中使用的收发器模块的更详细框图；
[0008]图4是示例说明图3的非对称匹配电路的细节的原理图；
[0009]图5是一种调谐电容器的更详细原理图；
[0010]图6和图7是可配置接收器LNA的实施例的原理图；
[0011]图8是说明具有非对称匹配网络的收发器的配置的流程图；以及
[0012]图9是包括可配置收发器的一个示例SoC的框图。
【具体实施方式】
[0013]示例实施例提供能够在单端和差分配置之间被重新配置并针对每个配置被优化的前端。PA级可以使用自偏置AB类拓扑。在一个实施例中，接收器LNA (低噪声放大器)是单端的，而PA是差分的，因此名称是“非对称”。对于另一应用，LNA还能够被配置成差分的。该方法允许通过使用单端PA将公共前端设计用在具有最少外部元件的一个应用中；以及允许使用差分PA、通过添加两个元件以得到3dB (理论上)更高的输出功率将公共前端设计用在另一应用中。
[0014]在大体积和低成本市场中，由于更少数量的元件使得它更容易处理终端解决方案和完成评估模块，所以低的外部元件数量是优选的，并因此需要更少的时间进入客户市场。通过允许各种天线设计易于与收发器接合，提供可配置收发器前端为终端用户提供灵活性。
[0015]因此，期望一种能够在单端和差分配置之间被重新配置的前端。单端RF能够与单端LNA连用，而单端PA (功率放大器)需要更低的外部元件数量(低成本)。差分前端接口能够提供组合两个TXPA(发射器功率放大器)输出的输出功率的能力，因此相比于单端接口获得理论上3dB更高的Pout (输出功率)。这种功率组合允许PA级以较低电源电压运行，并因此为了传递更高的功率，不需要电源电压变得更高。这能够与DC-DC变换器兼容，获得更高效率。
[0016]低成本、低功率收发器需要最少数量的外部元件，同时提供合理的电压变换增益以节省RF(射频)前端中的电流并满足发射频谱屏蔽(transmit spectrum mask)的严格规定。在很多应用中，客户更青睐最低可能的外部BOM(物料清单)以及大的RF信号的带外谐波的滤波。现代收发器先前需要多个匹配网络元件来实现该目的。高效切换PA通常产生谐波，这需要很多外部高Q(品质因子)元件来滤除谐波，并且可能需要附加滤波器级，导致大的系统成本。品质因子(也称为Q因子)是无量纲参数，其描述振荡器或谐振器的欠阻尼情况或等效地表征谐振器相对于其中心频率的带宽。更高的Q指示谐振器的能量损耗相对于其存储的能量的较低速率；因此，振荡更缓慢地消失。更高的Q还意味着匹配网络内出现的更小电阻性损失，这导致更高的输出功率从发射器到达天线，以及更强的接收信号到达接收器，因此改善接收器灵敏度。
[0017]由于衬底串扰和其他共模噪声问题，片上优选差分RF信号。然而，差分前端需要差分匹配网络，而最终地它们需要经由无源L/C元件连接从而形成到天线的单端接口。
[0018]本发明的各种实施例包含下列解决方法以实现低成本、低功率收发器前端。
[0019]图1是包括一个示例实施例的片上系统(SoC) 100中的收发器的一部分的功能框图。除了收发器(本文将更详细地描述)之外，SoC可以包含已知的其他系统元件(诸如处理器和存储器、各种外围设备、计时器、控制器等)。此实施例组合单端RX前端140和差分TX前端120、130的优势。接口引脚102、103将来自SoC 100的两个收发器信号耦合到匹配网络160，匹配网络160接着耦合到天线170。合成器和混频器电路110根据参考频率合成射频，混频将要发射的数据，并将调制的RF信号提供到前置放大器(PPA) 120，该信号进一步由PA 130放大并接着发射到天线170上。天线170上接收的RF信号由LNA 150放大，并接着被耦合到接收器混频器电路120以用于解调。
[0020]单端LNA 150提供出色的每单元电流消耗的线性度，同时差分PA结构130允许通过组合SoC接口引脚102、103上的两个低功率差分端子获得更高输出功率的可能性。发射器前端前置放大器120和功率放大器130使用两级、自偏置AB类放大器，其能够被编程以在全差分模式下运行从而获得更高输出功率和改善的滤波，以及在单端模式下运行以获得更低输出功率。两级能够独立地被编程以控制输出功率和输出谐波的电平。AB类级的输出端子132直接连接到RX LNA 150输入端，并接着经由SoC接口引脚102连接到ESD (静电放电保护装置)和匹配网络。PA 130的第二输出端子131经由SoC接口引脚103连接到ESD和匹配网络160。LNA 150使用共源共栅拓扑，其中变压器负责(loading)单端到差分变换。
[0021]蓝牙使用所谓的跳频扩频无线电技术，其细分正在发送的数据，并在2400-2483.5MHz的范围内(允许防护频带)、在多达79个频带(每个频带IMHz ；以2402-2480MHZ为中心)上发射数据的数据块。该范围处于国际上无需授权的工业、科学和医学(ISM) 2.4GHz短程射频带内。它通常每秒执行800次跳跃(hop)，其中启用自适应跳频(AFH)。最初，高斯频移键控(GFSK)调制是唯一可用的调制方案；随后，由于蓝牙的引入，还可以在兼容设备之间使用2.0+EDR，JT /4-DQPSK和8DPSK调制。据称利用GFSK发挥作用的设备以基本速率(BR)模式运行，其中IMbit/s的瞬时数据速率是可能的。术语增强数据速率(EDR)用于描述π/4-DPSK和8DPSK方案，每个方案分别提供2Mbits/s和3Mbits/s。在蓝牙射频技术中，这些(BR和EDR)模式的组合被归类为“BR/EDR无线电”。图1的收发器的各种实施例可以经设计以支持这些蓝牙版本以及其他传输标准。
[0022]图2是PPA 120和PA 130的原理图，其示出在每个PPA 120和PA 130中使用的自偏置AB类TX驱动器。在类A放大器中，使用输入信号的100 %。有源元件保持导电并被偏置以在所有时间都工作在其“线性”范围内。在不考虑效率的情况下，最小信号线性放大器被设计为A类。A类放大器通常比其他类型放大器更线性并且没有其他类型的放大器复杂，但是效率非常低。这类放大器最常用于小信号级或用于低功率应用中，如驱动耳机。在B类放大器中，使用输入信号的50%，并且有源元件在一半时间工作在其线性范围内，并在另一半时间被或多或少地关闭。在大多数B类放大器中，存在两个输出