（电路与系统专业论文）018μm+cmos工艺正交混频器和多相滤波器的设计.pdf

摘要 快速增长的无线通信市场产生了对低成本，低功耗和高性能的r f 收发器的巨大需求。传统的基于 分立元件和简单集成电路的r f 前端不再适合这些应片j ，因为其成本高，能耗高，体积大。把射频收发 器集成在一个单：卷片或封装罩，以减少成本和尺寸是一个发展趋势。基于片上系统( s o c ：s y s t e mo n c h i p ) 和系统封装( s i p ：s y s t e mi np a c k a g e ) 的解决方案变得越来越有吸引力，并已成为业界研究的重 点。和s i p 相比，s o c 更具吸引力，因为s o c 通常具有更小的尺。、j 和更低的成本。 本文的重点是研究用于射频接收机的正交混频器和多相滤波器设计和实现，这些电路都是s o c 的 主要模块。在电路设计的领域，主要有两种类型的多相滤波器，它们是无源r c 非对称多相滤波器( p p f ： p a s s i v er ca s y m e t r i cp o l y p h a s ef i l t e r ) 和有源多相滤波器。有源多相滤波器可以通过运放或g m c 电路 实现。通过使用正交混频器和多相滤波器，可以有效地抑制射频接收器中镜像信号。 本文基于对两个芯片设计项目的参与，设计了应用于不同的场合的多相滤波器和正交混频器，并研 究了通过正交混频器和多相滤波器抑制镜像信号和进行信道选择的技术。第一个项目是企业合作项目， 内容是开发d v b - t 数字电视接收机射频前端：醛片中的无源r c 多相滤波器。第二个项目为国家8 6 3 项 目的子课题，内容是设计用于单片无线传感网( w s n ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ) 接收芯片的正交混频 器和有源多相滤波器，本文给出了该芯片的设计方法、电路图、仿真结果、版图和测试结果。 文中的两款芯片均采用0 1 8 9 mc m o s 工艺设计。对于用于d v b t 数字电视接收机芯片的r c 多 相滤波器，论文中推导了它在两种应用中电压和功率增益的优化，以及对每一级滤波器匹配程度的要求， 该芯片实现了5 8 d b 的镜像抑制比。对于用于w s n 收发器芯片的正交混频器和有源多相滤波器，论文 中对正交混频器的混频增益进行了优化设计，通过推导等效电路，得出该混频增益与混频管的偏置电压 密切相关；文中也给出了有源多相滤波器的详细设计流程，讨论了其中跨导单元的原理、跨导值计算、 输出摆幅和噪声等特性，并设计了调节滤波器中心频率和带宽的方法。该芯片r f l 于集成了止交混频器和 有源多相滤波器，可以同时实现镜像的抑制和信道的选择。经测试，该芯片具有3 9 d b 的i r r ，4 5 d b 的 邻带抑； ；0 比，其测试结果均满足设计要求。该课题的研究成果小仅可以应用j ：w s n ，也日j 以用于g p s 等要求低功耗单片集成的射频接收机中。 关键词： 多相滤波器，正交混频器，镜像抑制，复数滤波器，低中频，c m o s ，射频接收机 a b s t r a c t t h ef a s tg r o w i n gw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm a r k e tg i v e sr i s et ot h eg r e a td e m a n df o rl o wc o s t ，l o wp o w e r a n dh i g hp e r f o r m a n c er ft r a n s c e i v e r s t r a d i t i o n a lr ff r o n t e n dd e s i g nb a s e do nd i s c r e t ec o m p o n e n t sa n di c s i sn o ts u i t a b l ef o rt h e s ea p p l i c a t i o n sd u et oi t sh i i g hc o s t , h i g hp o w e rc o n s u m p t i o n ，a n db i gs i z e i ti sat r e n df o r t h ei ci n d u s t r yt oi n t e g r a t ea l lt h ec i r c u i t sr e q u i r e df o rt h et r a n s c e i v e ri nas i n g l ec h i po rp a c k a g et or e d u c et h e c o s ta n ds i z e s o l u t i o n sb a s e do ns y s t e mo nc h i p ( s o c ) a n ds y s t e mi np a c k a g e ( s i p ) b e c o m em o r ea n dm o r e a t t r a c t i v ea n dh a v eb e e nar e s e a r c hf o c u sf o ry e a r s s o ci sm o r ea t t r a c t i v es i n c ei tg e n e r a l l yh a sas m a l l e rs i z e a n dl o w e rc o s tt h a ns i p t h ef o c u so ft h i sa r t i c l ei st h ed e s i g no ft h eq u a d r a t u r em i x e ra n dp o l y p h a s ef i l t e r sf o rt h er fr e c e i v e r s ， w h i c ha l et h em a i nc o m p o n e n t sf o rs o cr e c e i v e r s t h e r ea r et w ot y p e so fp o l y p h a s ef i l t e r si nt h ed o m a i no f e l e c t r o n i cc i r c u i td e s i g n ，t h e ya r et h ep a s s i v er ca s y m m e t r i cp o l y p h a s ef i l t e r ( p p f ) a n dt h ea c t i v ep o l y p h a s e f i l t e r t h ea c t i v ep o l y p h a s ef i l t e r sa r ea l s oc a l l e dc o m p l e xf i l t e r s ，a n dc a nb er e a l i z e de i t h e rb yo p ao rb y g m - cc i r c u i t s b yc o m b i n i n gt h eq u a d r a t u r em i x e ra n dt h ep o l y p h a s ef i l t e r s ，t h ei m a g es i g n a lc a nb e e f f e c t i v e l yr e j e c t e di nr fr e c e i v e r s t h et h e s i si sb a s e do nt w op r o j e c t st h a tt h ea u t h o rh a dp a r t i c i p a t e d o n eo ft h ep r o j e c t si st h ed e s i g no f t h ep p ff o rad v b - t ivr ff r o n t - e n dc h i p a n dt h eo t h e ro n ei sf u n d e db ys t a t e8 6 3p r o j e c t , a n di sa i m e dt o d e s i g nt h eq u a d r a t u r em i x e ra n dt h ea c t i v ep o l y p h a s ef i l t e rf o rt h es i n g l ec h i pw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) t r a n s c e i v e r t w od e s i g n so fp o l y p h a s ef i l t e r sa n daq u a d r a t u r em i x e ri n0 18 岬c m o sa l ep r e s e n t e di nt h i s t h e s i s , a n dt h es c h e m a t i c s ，s i m u l a t i o nr e s u l t sa n dm e a s u r e m e n tr e s u l t sa r eg i v e n a nr ca s y m m e t r i cp p fh a sb e e nd e s i g n e df o rd v b tr e c e i v e r ，t h ev o l t a g eg a i na n dp o w e rg a i no ft h e p p fi nt w oa p p l i c a t i o n sa n dt h em a t c h i n gr e q u i r e m e n tf o re a c hs t a g eo ft h ep p fa r ed e r i v e da n do p t i m i z e d t h ec h i ps h o w sah i g hi r ro f5 8 d b t h eq u a d r a t u r em i x e ra n dt h ea c t i v ep o l y p h a s ef i l t e rf o rw s nf r o n t - e n d c h i ph a v eb e e nd e s i g n e d t h ec o n v e r s i o ng a i no ft h eq u a d r a t u r em i x e rh a sb e e no p t i m i z e db yd e r i v i n gt h e e q u i v a l e n tc i r c u i t t h ed e s i g nf l o wf o rt h ea c t i v ep o l y p h a s ef i l t e rh a sp r e s e n t e d ，a n dt h et r a n s c o n d u c t o ru s e di n t h ef i l t e ri sd i s c u s s e di nd e t a i la r o u n di t st r a n s c o n d u c t a n c ec a l c u l a t i o n ，o u t p u ts w i n g ，a n dn o i s ep e r f o r m a n c e a m e t h o do fa d j u s t i n gt h ef i l t e rr e s p o n s eh a sb e e nd e s i g n e df o rf i l t e rt u n i n g s i n c et h ed e s i g n e dc h i pi sa c o m b i n a t i o no ft h eq u a d r a t u r em i x e ra n dp o l y p h a s ef i l t e r ，i tc a nr e j e c tt h ei m a g ea n da l s os e l e c tt h ed e s i r e d c h a n n e lo u t t h ef a b r i c a t e dc h i pe x h i b i t sa3 9 d bi r ra n da4 5 d ba d j a c e n tc h a n n e lr e j e c t i o n ；a l lt h e m e a s u r e m e n tr e s u l t sh a v ea c h i e v e dt h ed e s i g ng o a l s t h er e s e a r c hr e s u l t si nt h i sp a p e rm a ya l s oa p p l yt oo t h e r l o w - p o w e r ，s i n g l ec h i pf r o n t - e n d ss u c ha sg p sr e c e i v e r s k e yw o r d s ：p o l y p h a s ef i l t e r , q u a d r a t u r em i x e r , i m a g er e j e c t i o n ，c o m p l e xf i l t e r , l o w i fc m o s ，r f r e c e i v e r 插图 图2 1 典型的超外差接收机系统框图。3 图2 2 一款典型的零中频接收机的系统框图。4 图2 3 镜像抑制结构一h a r t l e y 结构5 图2 4 镜像抑制结构一w 潮惯结构6 图2 5 双正交混频结构6 图2 6 双正交混频输入输出频谱示意图6 图3 1 镜像抑制混频器系统框图lo 图3 2 采用2 级p p f 级联生成正交信号：1 0 图3 3 两级p p f 的kv s 归一化的v o 吡a x l l 图3 4 用于镜像抑制的3 级多相滤波器电路1 2 图3 5kv s 归一化的y 如沁，当k 8 时可以取得较好的电压增益1 3 图3 6kv s n f 、归一化的鲥和14 图3 7 不同级数p p f 级联的n f ：1 4 图3 8 用于镜像抑制的单级p p f 1 5 图3 9 级联p p f 不会改善i r r ( a ) 失配度为0 1 的单级p p f ( b ) 失配度为0 1 的三级p p f 的蒙特卡罗 仿真，在极点频率处得到了和单级同样的i r r 1 6 图3 1 0 失配的p p f 极点频率处残余的镜像信号是一个逆时针相位序列的信号，它不可以被后面各级抑 制，在非极点频率处的残余信号是顺时针相序和逆时针相序信号的线性叠加1 6 图3 1l 器件失配度和在极点频率处的l r r 。1 7 图3 1 2 单级p p f 的频率v s i r r ，在，主处还需要4 4 d b 的抑制量1 7 图3 1 3 两级p p f 的频率v s i r r ，在 处还需要2 3 d b 的抑制量18 图3 1 4 三级p p f 的蒙特卡罗仿真1 8 图3 1 5 最终的r fp p f 和l op p f 的电路图1 9 图3 16i fp p f 的电路图19 图3 1 7 使用i fp p f 的混频器不同工艺角下的i r r 2 0 图3 1 8 由精度为0 1 的器件构成的i fp p f 的镜像抑制混频器的混频增益的蒙特卡罗仿真结果一2 0 图3 1 9 在片测试的芯片照片2 l 图3 2 0 混频器的通带和阻带增益测量结果。2 l 图3 2 l 混频器i r r 测量结果2 2 图4 1 正交混频器和多相滤波器的系统框图2 3 图4 2 ( a ) 正交混频器的电路框图( b ) 图( a ) 中用到的无源混频单元电路2 4 图4 3 ( a ) 无源混频器等效电路( b ) 该混频器可以等效为一个时变的导纳和它的戴维宁等效电路。2 5 图4 4 无源混频器的等效系统框图2 6 图4 5 本振偏置和混频系数m 仂的关系2 6 图4 6 混频晶体管栅极偏置电压和仿真出的混频增益的关系曲线2 6 图4 7 混频器电路图2 7 图4 8 混频器中o p a 的电路图和符号表示2 8 图4 9 低通滤波器原型2 9 图4 1 0 有源多相滤波器中使用的低通滤波器电路原型的电路原理图3 0 图4 1 l 通过跨导单元和电容实现有源电感3 0 图4 1 2 该单端口有源电感的差分实现。3 l 图4 1 3 悬浮电感的实现3 l 图4 1 4g m c 滤波器中将电容的极点搬移3 2 图4 1 5 采用互相交叉耦合的跨导来通过搬移极点将低通滤波器变为带通滤波器3 3 图4 1 6 整个滤波器的结构框图- 3 3 图4 1 7n a u t a 发明的跨导单元3 4 图4 1 8 用于调节滤波器带宽的中心频率的两组电源。3 5 图4 1 9n a u t a 的跨导单元的电路图3 7 图4 2 0 滤波器顶层电路图3 9 图4 2 1 元件g m 0 的电路图和符号表示4 0 图4 2 2 元件g m 的电路图和符号表示4 l 图4 2 3 元件g m l 的电路图和符号表示4 2 图4 2 4 元件g m 2 的电路图和符号表示4 3 图4 2 5 元件g m 3 的电路图和符号表示4 4 图4 2 6 元件g mc c 的电路图和符号表示。4 5 图4 2 7 元件g m lc c 的电路图和符号表示4 5 图4 2 8 元件g m 2c c 的电路图和符号表示4 6 图4 2 9 元件g m 3c c 的电路图和符号表示4 6 图4 3 0 元件b u f 的电路图和符号表示4 7 图4 3 l 混频器混频增益的仿真环境4 8 图4 3 2 混频器端输出接不同负载的混频增益仿真结果( 实线：接5 0 q 负载；点状线：不接负载) 。4 9 图4 3 3 系统混频增益的仿真环境5 0 图4 3 4 系统的混频增益仿真结果。5 0 图4 3 5 时域仿真测量输入l d b 压缩点的流程图5 i 图4 3 6 混频器1 d b 压缩点的仿真结果5 2 图4 3 7 系统的输入ld b 压缩点。5 2 图4 3 8 滤波器增益仿真结果。5 3 图4 3 9 滤波器内部的信号处理c a ) 输入正交信号( b ) 输入相同信号5 3 图4 4 0 不同工艺角下的滤波器响应5 4 图4 4 l 系统的混频增益随着不同工艺角变化情况的仿真结果5 5 图4 4 2 探针测试端的布局5 7 图4 4 3 电源走线的示意图。5 8 图4 4 4 芯片版图5 8 图4 4 5 系统混频增益的前仿真和后仿真结果。5 9 图4 4 6 系统噪声系数后仿真结果5 9 图4 4 7 系统温度后仿真结果6 0 图5 1 正在进行在片测试的芯片6 l 图5 2 混频增益的测量环境配置示意图6 2 图5 3 混频器混频增益和输入ld b 压缩点的测量结果6 2 图5 4 系统的混频增益和输入l d b 压缩点的测量结果6 3 图5 5 系统增益的测量结果6 3 图5 6 滤波器的测试环境“ 图5 7 滤波器在v d dy = 1 5 v 和v d dp o l o - - - 1 5 v 时的s 参数测量结果6 5 图5 8 通过s 参数得到的滤波器在v d df = i 5 v 和v d dp o l e = 1 5 v 时的电压增益6 5 表格巧ki h 表3 1r fp p f 和l op p f 的元件参数1 9 表3 2i fp p f 电路中的元件参数1 9 表3 3 基于p p f 的混频器测试结果总结2 2 表4 1 设计指标2 3 表4 2 在节点+ 和一看到的差模和共模阻抗3 6 表4 3 滤波器的元器件设计参数3 8 表4 4 在不同控制电压下的中心频率和带宽5 4 表4 5 系统在不同温度下的仿真结果5 5 表4 6 仿真总结5 6 表4 7 前后仿真对比6 0 表5 1 在不同控制电压下的滤波器特性。6 6 表5 2 芯片的功耗6 6 表5 3 芯片仿真和测量结果的对比6 6 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名： 盘：! 牢日期：堡丛 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电予文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电二f 文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：立啦导师签名：缉日期： 第1 章概述 1 1 研究背景 第1 章概述 快速增长的无线通信市场产生了对低成本，低功耗和高性能的r f 收发器的巨大需求。传统的基于 分立元件和简单集成电路的r f 前端设计因为其成本高，能耗高，体积大等原因不再适合这些应用。把 收发器所需的所有的电路集成在一个单芯片或封装里，以减少成本和尺寸是l c 设计的一个发展趋势。 基于片上系统( s o c ：s y s t e mo nc h i p ) 和系统封装( s i p ：s y s t e mi np a c k a g e ) 的解决方案变得越来越有 吸引力，并已成为业界研究的重点。s o c 更具吸引力，因为通常其尺寸比s i p 更小，成本更低。 对于射频接收芯片的设计，必须首先确定系统结构。在射频接收机几种基本结构中，低中频架构消 除了零中频接收机的直流残余和闪烁噪声的问题，同时可以高度集成【l 】。低中频接收机的一个重要的缺 点的是镜像的出现，并且该镜像很难被r f 滤波器过滤掉，因为它非常接近期望的信号。因此，在低中 频的设计中必须使用镜像抑制技术。 本论文基于对两个芯片设计项目的参与，研究通过正交混频器和多相滤波器抑制镜像信号和进行信 道选择的技术。第一个项目是企业合作项目，开发d v b t 数字电视接收机射频前端芯片。为了将数字 电视射频接收芯片实现单片集成，挑战在于要实现高于5 0 d b 的镜像抑制比( i r r ：i m a g er e j e c t i o n r a t i o ) ，本文通过采用r c 无源多相滤波器配合双正交混频技术实现该要求。第二个项目为国家8 6 3 项 目的子课题，设计用于单片无线传感网( w s n ) 接收芯片的止交混频器和有源多相滤波器。通过采用 正交混频器和有源多相滤波器组合的低中频架构，同时实现镜像抑制和信道选择的功能。 1 2 工艺的选择 本文主要讨论基于c m o s 工艺的设计，这是由于它造价低廉，并且有很多代工厂可以加工。目前 国内已经有中芯国际，台机电以及无锡上华等多家c m o s 芯片加工厂。对于不进行量产的大学或研究 机构，采用多项目晶圆( m p w ) 的形式流片可以极大降低成本和风险，本项目就是通过m p w 的方式 实现的。 ”如果能用c m o s 设计，就应该用c m o s 设计”，本文中所有的电路均采用0 1 8 p mr fc m o s 工艺 设计、仿真和加工，该工艺提供6 层金属和2 层多晶硅以及m i m 电容并且提供导通电压不同的各种晶 体管，可根据电路的需要选用。同时，该： 艺也提供数字标准单元用，r 设计数字电路，这样就可以在同 一个芯片上实现数模混合s o c 。 1 3 研究内容 本文的重点是用于低中频接收机的镜像抑制混频器和滤波器设计。一般来说，镜像信号可以通过正 交混频技术和多相滤波器消除1 2 1 。多相滤波器的定义是传输函数依赖于各输入信号的相位序列关系的滤 波器1 3 l 。在电子电路设计的领域，有两种类型的多相滤波器，它们是无源r c 非对称多相滤波器( p p f ： p a s s i v er ca s y m e t r i cp o l y p h a s ef i l t e r ) 和有源多相滤波科3 】【4 j 。有源多相滤波器也称为复数滤波器，它 可以通过运放或g m - c 电路实现。通过使用正交混频器和多相滤波器，可以有效地抑制低中频接收器中 东南大学硕士学位论文 镜像信号【3 】。有源多相滤波器同时也是一个可用于信道选择的带通滤波器，在无线传感器网，蓝牙和 g p s 接收机中非常具有应用价值f 5 j 1 6 】1 7 】。 本文设计了应用于两个不同的场合的多相滤波器和正交混频器。用于d v b t 接收器芯片的r c 多 相滤波器( 在第3 章中简称为p p f ) ，实现了非常高的i r r 。而设计的用于无线传感器网收发器芯片的混 频器和有源多相滤波器同时实现了镜像抑制和信道的选择。在对r c 多相滤波器的设计中，详细讨论了 通带增益的优化、镜像抑制对各级失配度的要求、电路的设计流程以及元件的取值等问题，并推导出一 系列有助于设计的公式；在对混频器和有源多相滤波器设计中，详细讨论了混频器混频增益的优化、混 频器电路结构、有源多相滤波器的g m c 的实现形式和设计流程、元件参数的选择、版图的设计和电路 的测试方法。各电路的设计指标参见对应章节。 1 4 论文概览 第l 章是概述。 第2 章回顾了射频接收机的构架。 第3 章讨论了用于镜像抑制混频器的r c 多相滤波器的设计。 第4 章讨论正交混频器和有源g m - c 滤波器的电路图设计、前仿真、版图设计和后仿真1 8 1 。 第5 章提供了正交混频器和有源g m c 滤波器的测量结果。 第6 章为总结和展望。 2 第2 章射频接收机构架的回顾 2 1 简介 第2 章射频接收机构架的回顾 第一个证明可行的无线通信系统是1 8 9 5 年的马可尼( m a r c o n i ) 的无线电系统，1 0 0 多年后的今天， 无线电系统和当时的已经截然不同。早期的设备非常简陋，灵敏度也很低【9 l ，当前接收机的性能有了很 大的改进，应用非常广泛。世界无线通信市场在过去的几年里的大幅增长使得对无线收发器的需求大大 增加低成本，低功耗和小尺寸是现代接收机的主要要求。为了达到这些要求，接收机架构发挥着重要 作用。人们提出了不同的接收机架构，如超外差接收机，零中频接收机，低中频接收机，双变频接收器。 数字中频接收器和接收器直接数字化等架构。目前，只有少数的架构被用于实际的产品。本章将简单探 讨不同架构的接收机的重要特点，更详细的讨论参见文献【埘。 本章首先介绍了几种经典的接收机结构，然后，为了解决低中频带来的镜像问题，介绍了几种镜像 抑制结构，最后，本章末给出了总结 2 2 接收机构架 2 2 1 超外差接收机 超外差接收机在第一次世界大战期间的1 9 1 8 年发明。超外差接收机是当代射频接收机最常用的架 构。如图2 i 所示，超外差接收机使用基本的器件将射频信号下变频到较低的中频。核心的器件是本振 和混频器，以及其后的中频滤波器和放大器。在多次变频的构架中，系统总放大倍数可以被分配到不同 的频率上，这样可以提高稳定性并且可能提高系统总增益。超外差接收机可以处理被接收频段内的其他 信号包围的高频窄带信号，非超外差接收机处理这种信号都会遇到很大的问题，由于超外差接收机处理 这种信号的优势，超外差接收机一直都很流行【9 l 。 图2 1 典型的超外差接收机系统框图 尽管如此，超外差接收机也有一些缺点。首先，在下变频的过程中，接收机产生了很多毛刺和互调 分量，其中一些分量落入了期望接收的频率范围从而影响了接收性能。其次，超外差需要一些射频和中 频滤波器来抑制镜像信号，而当代的片上技术难以实现这些滤波器。因此，必须使用片外滤波器，这将 大大增加接收机成本和体积。超外差接收机的另一个缺点是低噪声放大器( l n a ) 必须实现5 0 q 的输 3 东南大学硕士学位论文 出阻抗，这是因为使用了片外的射频滤波器，而片外滤波器的特征阻抗通常都是5 0 q ? 阻抗不匹配将使 滤波器的传输函数变差。再次，由于采用了片外器件，片上系统的功耗可能会增加。 尽管存在这些缺点，超外差仍然是射频接收机的主导构架，因为它最好地折衷了系统的性能和简洁 度。 2 2 2 零中频接收机 镜像抑制问题是超外差接收机的普遍问题，因此，为了彻底消除镜像，零中频结构将中频设为零。 该类结构的接收机叫做零中频接收机，也叫做直接变频接收机( d c r ) 或者h o m o d y n e 接收机。这是一 种将射频直接下变频到基带的策略。零中频和超外差相比具有一些优点。首先，不存在镜像问题，因为 中频为零。其次，低噪放可以不提供5 0 f l 的输出阻抗，因为省略了片外的镜像抑制滤波器。最后，也 省略了中频带通滤波器，取而代之的是一个低通滤波器，这样整个芯片非常简洁，而且可以实现很低的 功耗。该架构也可以很好的实现单片多标准接收机。图2 2 显示了一款典型的零中频接收机的系统框图。 、 图2 2 一款典型的零中频接收机的系统框图 虽然零中频和超外差相比具有很多优点，它仍然有一些缺点。最主要的缺点是它存在直流偏移，闪 烁噪声，偶次谐波失真，本振泄漏和自混频等问题【1 1 。但是，零中频接收机是非常具有潜力的接收机， 目前市场上的一些数字电视接收机芯片就是采用的零中频的架构，因为它具有高度集成性和极低的功 耗，也很适合未来无线的通信设备。 2 2 3 低中频接收机 低中频接收机和零中频很相似，只是低中频接收机不是将射频变频到基带，而是变到一个很低的中 频，因此一个带通滤波器可以用来实现信道的选择。低中频结构很有吸引力，因为它功耗很低，并且在 具有和零中频一样的简单的架构的同时，可以避免零中频的一些缺点。 低中频存在很大的镜像干扰问题。因为中频很低，所以镜像信号和期望接收的信号离得很近。这样， 前端的射频滤波器就很难将信号滤除。该问题的解决方案是采用镜像抑制混频和滤波技术，这将在后面 详细讨论。 2 3 镜像抑制技术 镜像信号始终伴随着混频器出现。因为在大多数射频接收机中的混频器都是吉尔伯特混频器，这样 不仅期望的频率为无o 磊的信号会被混到中频，频率为以dt - 厶的镜像信号也会被混到中频如果 4 像抑制滤波器要有很好的选择性才能维持i r r ，但是，对于单片集成方案，这对于当前的半导体技术很 难实现。幸运的是，通过采用镜像抑制混频技术，没有镜像抑制滤波器也可以抑制镜像 2 3 1h a r t l e y 结构 一种常用的镜像抑制结构为h a r t l e y 结构，如图2 3 所示 图2 3 镜像抑制结构一h a n l e y 结构 如果射频信号可以表达为知c 。s ( c o 灯f ) + 彳删c 。s ( 删f ) ，其中如和分别为射频和镜像的信 g - 巾哥1 1 。混频器的输出则为： 彳= 【缸c o s ( o ) 肛，) + 锄c o s ( o ) 肼f ) 】。s i n ( o 工o t ) j 马譬s i n ( 一+ 争如( 吼o - - o ) m 弦 b = 【如fc o s ( o 盯t ) + c o s 扣脚r ) 】c o s ) 马等竽c o s ( c o 加- - o ) 肛y + 等笋c o s ( c o l d 一肼) ， a 处的信号被移相了9 0 。，在c 点得到的信号为： c = a r fc o s ( o ) - - o ) 冗f y 一暑笋c o s ( o ) , o 一缈埘y 毒1 信号和c 信号合并霜，抵消镜像信号达到镜像抑制的目的。其中9 0 。的移相器通常由r c 。- c r 。， 成，五果是差分结构，则通常由多相滤波器构成。在模拟电路中，由于h a r t l e y 结构中信号幅度和相位 的失配使得镜像信号有一部分残余泄漏到输出端，所以镜像信号无法被彻底地抑制。 2 3 2w e a v e r 结构 如图2 一所示，w e a v e r 结构采用一对混频器来实现h a n l e y 结构中9 0 。的相移。但是，由于存在第 二级混频器，这就存在一个二次镜像问题，其频率是2 吐一+ 2 。，为了避免一次镜像，在第二个混 频器之前需要有选择特性足够好的滤波器将镜像滤除。该结构另外一个缺点是它只能在以镜像频率为中 心的很窄的带宽内实现镜像抑制，所以它不适合使用在中频较宽的应用中 5 东南大学硕士学位论文 图2 4 镜像抑制结构一w b a v e r 结构 在模拟电路中，由于w e a v e r 结构中信号幅度和相位的失配使得镜像信号有一部分残余泄漏到输出 端，所以镜像信号无法被彻底的抑制。 2 3 3 双正交混频结构 q i f i l oq 图2 5 双正交混频结构 镜像抑制的效果可以通过将h a r t l e y 结构中的正交混频器和移相器改为双正交混频器和多相滤波器 改善( 图2 5 ) ，同时将射频信号改为正交的。为了将射频的正交信号分别和本振的正交信号混频，需要 四个混频器。射频和本振( l o ) 信号包含2 个分支( i 和q ) ，1 分支代表信号的实部，q 分支代表信号 的虚部。一个包含实部和虚部的复数信号可以被表示为一个包含正频率和负频率的指数函数的叠加i 。 对于双正交混频器的分析，射频信号被表示为复频域的一个正频率和负频率的叠加： 1 c o s ( c o 肝t ) = 去0 + p 吖蚧) ( 2 1 ) 三d 珏7 od b 图2 6 双正交混频输入输出频谱示意图 6 第2 章射频接收机构架的回顾 一个完美的本振正交信号只应该包含正频率而不包含负频率。相位和幅度的失配会导致符号相反的 频率的产生。对于一个q l 曼d , 的相位和幅度失配，正频率和负频率的幅度差为1 1 1 】： 铲4 南卜 ( 2 2 ) 其中。是相位失配，以弧度为单位4 是相对幅度失配，4 = 2 ( 4 一如) ( 4 + 如) ，4 是i 路的 幅度，如是q 路的幅度。图2 6 显示了本振信号失配的影响。在双正交混频器的输出，期望的信号被 搬移到正频率，镜像信号被搬移到负频率，多相滤波器可以将正负频率的信号区分开，因此它可用于抑 制镜像信号，并使得期望的信号通过。在经典的正交混频器( 单正交混频器) 中将会被混频到中频的镜 像信号，在双正交混频器中在下变频之前就会被抑制。抑制的大小( p p ) 由射频信号的正交失配度决定。 如果经典的正交混频器要求本振信号幅度和相位的失配度小于0 1 ，那么对于相同的镜象抑制性能， 双正交混频器只要求本振和射频的正交匹配度为3 。混频器对镜像信号的混频增益将与射频和本振信 号中正频率和负频率的信号幅度差相等( ，n + 。f ) u 1 ) 。 为了获得较高的l r r ，用于中频的多相滤波器必需要仔细设计，因为它的失配度决定了i r r 。 2 4 结论 在本章中，分析和比较了三种接收机构架。为了实现无片外滤波器的低中频接收机的单片集成，必 须使用镜像抑制混频技术。h a r t l e y 和w e a v e r 结构可以省略混频器前的射频镜像抑制滤波器，但是电 路的失配会导致输出端出现镜像信号。由于双正交混频技术对射频和本振的正交信号匹配程度要求较 低，所以该结构和经典的单正交混频技术相比在对于i r r 要求很高的场合更具有吸引力，但是，高的 i r r 对中频多相滤波器的失配度要求仍然很高，因此在版图设计的时候仍然需要仔细设计。 7 第3 章用于镜像抑制混频器的r c 非对称多相滤波器的设计和实现 第3 章用于镜像抑制混频器的r c 非对称多相滤波器的设计和实现 3 1 简介 r c 非对称多相滤波器( p p f ) 在通讯电路中被广泛的应用于镜