一种噪声消除宽带射频接收前端的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于集成电路领域，尤其涉及一种宽带射频接收前端设计技术。
【背景技术】
[0002] 软件无线电源于军事领域对通信系统灵活性的特殊需要。1994年，在美国国防部 高级研宄项目局的主持下，世界首个军用软件无线电系统SPEAKeasy进行了第一阶段的展 示。进而，该项目的第二阶段也完成了 15种军用无线电系统的软件实现。SPEAKeasy的进 展直接催化出了软件无线电论坛MMITS(modularmultifunctioninformationtransfer systems)的成立及其日益活跃，也直接促进了软件无线电在民用通信领域的应用研宄。
[0003] 软件无线电技术，在民用市场也促使无线通信的发展经历了由固定到移动，由模 拟到数字，由硬件到软件的三次变革。与传统无线电系统相比，软件无线电系统的A/D、D/A 变换移到了中频，并尽可能靠近射频端，对整个系统频带进行采样。而且，软件无线电以可 编程力强的DSP器件代替专用数字电路，使系统硬件结构与功能相对独立。这样就可基于 一个相对通用的硬件平台，通过软件实现不同的通信功能，并对工作频率、系统带宽、调制 方式、信源编码等进行编程控制，系统灵活性大为增强。对应地，该技术对宽带射频收发技 术的研发变得日益迫切。同时注意到伴随着CMOS工艺的等比例缩减，CMOS晶体管的线性 度却由于电源电压递减和迀移率的退化而恶化。
[0004] 随着射频集成电路工作频率越来越高，在高速和低压低功耗的应用环境中，传统 的电压模式电路设计方法已不能很好地应对电路信号的处理，非线性等缺点逐渐暴露出 来。而以电流为信号变量表征载体的电流模式电路可以解决电压模式电路在速度、带宽、低 压、低功耗方面的瓶颈。近年来，电流模式电路在模拟/混合信号处理中的潜在优势正逐渐 被挖掘，并快速推动基于电流域工作的电路设计技术的发展。目前，在射频集成电路领域以 电流模式工作的电路比较有代表性的如电流镜式低噪声放大器，电流换向型混频器等。
[0005] 近年来，注意到以低噪声跨导器、电流换向型无源混频器、带滤波功能的基带放 大器为基本组成单元的射频接收前端，以良好的噪声、线性特性引发了学术界和产业界 的广泛研发投入。如图1所示，该跨导器位于接收链路的第一级，其噪声至关重要，所以 在宽带内的噪声优化问题成为了宽带接收技术的首要难点。面向如是的射频接收前端 架构，对其中的低噪声跨导器的研发普遍借鉴了低噪声放大器的设计技术。典型代表如 图2所示，为德州农工大学使用噪声消除技术设计的基于电压域放大的低噪声跨导器 (H.M.Geddada,et.al. , "Wide-bandinductorlesslow-noisetransconductanceamp lifierswithhighlarge-signallinearity,"IEEEtrans.microwavetheoryand techn.,vol. 62,no. 7,2014)。该研宄取得了优越的噪声性能，以及良好的线性特性。但 是该电路结构存在较多的电压-电流转换，制约了其线性性能。我们也注意到澳门大 学的研宄者直接使用电阻反馈的NM〇S、PM0S反相器结构作为跨导器（ZhichengLin; Pui-InMak；Martins, 1. 4-mff59. 4-dB-SFDR2. 4-GHzZigBee/WPANReceiverExploiting a''Split-LNTA+50%L0"Topologyin65-nmCMOS,IEEEtrans.microwavetheoryand techn.，Volume:62,Issue:7. 2014)。注意到此结构存在输入匹配和噪声的紧密相关关系， 使得两个性能之间很难同时满足设计需求。
[0006] 另一方面，加州大学洛杉矶分校（UCLA)的研宄人员提出了一种噪声消除结构的 接收机，如图3所示，该结构不同于图1所示的结构。在借鉴噪声消除原理的基础上，该电 路结构通过采用两路的混频，基带滤波放大，在基带输出端口实现射频输入端的噪声消除。 对应地，图示中的跨导器也是基于反相器原理实现，不具有图2结构的噪声消除功能。为了 取得好的频谱特性，该电路使用过采样技术，搭建多路的混频、基带放大通道，增加了硬件 开销和技术难度。
【发明内容】
[0007] 本发明所要解决的技术问题在于提供一种能够获得低噪声指数、高线性、又具有 低功耗的宽带射频接收前端电路。如图4所示，本发明提出了一种基于电流模式的噪声消 除宽带射频接收前端原理框图。核心单元如框图内阴影部分所示，它的噪声消除特性使得 该电路具有良好的噪声性能。电流域放大使之兼有良好的线性度。负阻技术和电流复用技 术，更节约了电路功耗。
[0008] 本发明采用以下技术手段解决上述技术问题的：如图5所示，一种噪声消除宽带 射频接收前端，包括电容交叉耦合反馈共栅输入级、电流镜放大级、负阻级、主路径开关对、 辅助路径开关对、辅助路径反相器级，整体上可视为一种低噪声放大器和混频器的融合结 构；
[0009] 射频差分信号两路信号均由电容交叉耦合反馈共栅输入级输入，每一路信 号分为主路径及辅助路径两路信号流向：主路径上，输入信号经过电容交叉耦合反馈输入 级转化为电流信号，然后经过电流镜放大级的放大、主路径开关对的混频和负阻级的倍增 作用，信号传递到输出节点C;辅助路径上，输入信号经过辅助路径开关对的混频、辅助路 径反相器的转化后，转为电流信号传递到输出节点C，和主路径输出信号同向叠加产生输出 信号IFout;
[0010] 所述共栅输入级包括NM0S晶体管Mnl、Mnl，，谐振电感L#PLs，，反馈电容CjpCc，； 电流镜放大级包括PM0S晶体管Mpl、Mp2、Mpl，、Mp2,;辅助路径反相器级包括NM0S管晶体管Mn2 和Mn2,、PM0S晶体管凡4和Mp4,;负阻级包括晶体管Mp3、Mp3,;主路径开关对Msw，maiI^括四个 相同尺寸的NM0S开关管Mn3、Mn4、Mn3,、Mn4，，辅助路径开关对Msw，aux包括四个相同尺寸的NMOS 开关管Mn5、Mn6、Mn5,、Mn6,;所述开关管均工作在三极管区；
[0011] 于主路径方向，共栅输入晶体管Mnl的源极通过节点A连接至电感Ls，的正极，节点 A通过耦合电容C。，连接到晶体管Mnl，的栅极；晶体管Mnl的栅极通过耦合电容C。连接到晶 体管Mnl，的源极，其漏极接至晶体管MP1的漏极，晶体管Mnl，的漏极连接至晶体管MP1，的漏 极；晶体管MP1，的栅极连接至晶体管Mp3，的漏极，晶体管MP1，的栅极直接与晶体管MP1，的漏 极相连，其源极连接至电源VDD;晶体管MP1的栅极直接与MP1的漏极相连，其源极连接至电源 VDD；
[0012] 于负阻级，Mp3的漏极通过节点B连接至Mpl的漏极，Mp3的栅极连接至Mp3，的漏极， Mp3的源极连接至电源VDD;Mp3，的栅极连接至节点B，Mp3，的源极连接至电源VDD;
[0013] 节点B与开关管Mn3、Mn4的源极连接，开关管Mn3,、Mn4，的源极与Mpl，的栅极连接， Mn3，的漏极与Mn4的漏极连接，Mn4，的漏极与Mn3的漏极连接，Mn3，的栅极与Mn3的栅极共同连 至差分本振信号L0-的输入端，Mn4，的栅极与Mn4的栅极共同连至差分本振信号L0+的输入 端；晶体管Mp2的源极连接至电源VDD，其栅极连接到开关管Mn3,、Mn4的漏极，其漏极则连接到 节点C;晶体管Mp2，的源极连接至电源VDD，其栅极连接到开关管Mn4,、Mn3的漏极，其漏极连接 至节点C' ；
[0014] 于辅助路径方向，节点A与开关管Mn5、Mn6的源极连接，开关管Mn5,、Mn6，的源极与谐 振电感Ls的正极连接，谐振电感L3的正极与晶体管Mnl，的源极连接，谐振电感Ls负极与Ls， 负极均接地；4个开关管Mn5、Mn6、Mn5,、Mn6，之间的连接方式与开关管Mn3、Mn4、Mn3,、Mn4，之间的 连接方式相同：开关管Mn5对应于Mn3,Mn6对应于Mn4,Mn5，与Mn6，分别对应于Mn3，与Mn4,；
[0015] 开关管Mn6、Mn5，的漏极通过隔直电容Cb连接到Mn2的栅极，Mn2的源极接地，Mm的 漏极通过节点C连接至Mp4的漏极，Mp4的栅极通过隔直电容Cbl连接至M&的栅极，Mp4的源 极连接至电源VDD;开关管Mn5、Mn6，的漏极通过隔直电容Cb，连接到M&，的栅极，晶体管M^、 Mp4，及隔直电容Cb2之间的连接关系与晶体管及隔直电容Cbl之间的连接关系相同： 晶体管Mn2,、Mp4，分别对应于晶体管Mn2、Mp4，隔直电容Cb2对应于隔直电容Cbl，节点C'对应于 节点C;输出节点C连接到电阻Rwt的负极，输出节点C'连接到电阻R_，的正极；电阻R_， 的负极连接电阻Rwt的正极，且电阻Rwt，的负极连接到运算放大器的负极，参考信号V接 所述运算放大器的正极，运算放大器的输出连接到电阻Rb、Rb，的正极，电阻Rb的负极连接 到晶体管Mn2的栅极，电阻Rb，的负极连接到晶体管M&，的栅极；
[0016] 射频差分信号RFin由电感L5和Ls，的正极输入，电阻R_，的正极、R_的负极产生 差分输出信号IF^并连接至输出节点。
[0017] 本发明一种噪声消除宽带射频接收前端射频差分信号RFin*L#PLs，的正极输入。 就Ls，正极输入的一支信号，又分为两路的信号流向：主路径上，经过Mnl转化为电流信号， 然后经过电流镜Mpl和Mp2的放大、Mn3和Mn4的下变频和负阻管Mp3的倍增作用，基带电流信 号传递到输出节点C;辅助路径上，输入信号经过Mn5和Mn6的下变频、反相器Mn2和Mp4的转 化，转为信号电流传递到输出节点C，主路径和辅助路径的信号电流产生同向叠加；
[0018] 就Ls正极输入的一支信号，其传递过程同上所述，其中Mnl，相当于Mnl，Mpl，Mp2，相当 于MplMp2、Mn3，Mn4，相当于Mn3Mn4,Mp3，相当于Mp3,Mn5，Mn6,等同于^況2%4，等同于^為4，节 点C'相当于节点C，节点C'、C产生差分输出信号IF。#
[0019] 作为进一步优化的，本发明一种噪声消除宽带射频接收前端的噪声消除原理可以 如是理解：如图5所示，Mnl的沟道热噪声在节点B产生正向的热噪声电压，该噪声电压经过 主路径上，电流镜MplMp2的放大、Mn3Mn4的下变频和负阻管Mp3的倍增作用，噪声电流被反向 传递到输出节点C;在辅助路径上，A节点的反向热噪声电压同时经过Mn5Mn6的下变频、反相 器Mn2Mp4的转化，转为正向的噪声电流传递到输出节点C。通过设计，这两个噪声电流信号 为等幅反向，于是Mnl的沟道热噪声在输出端口得以消除。
[0020] 作为优化的结构，本发明一种噪声消除宽带射频接收前端还包含了共模反馈电 路，所述共模反馈电路通过检测输出信号IFwt的共模电压，并与VDD/2的参考电压VMf做比 较，进而动态调整晶体管Mn2、Mn2，的栅极电压，使得IF_的静态偏