（微电子学与固体电子学专业论文）超低压cmos混频器设计.pdf

摘要摘要随着集成电路技术与无线通信设备的迅速发展，低压低功耗模拟集成电路设计逐渐成为一项热门技术，尤其是两者的交叉学科一射频集成电路技术的研究更成为热点中的热点。作为接收机中非常重要的一部分，混频器性能的好坏，直接影响整个通信机的性能。本文介绍了接收机的各种结构，如超外差接收机、零中频接收机、低中频接收机，对各种接收机的性能进行了分析比较，在此基础上详细介绍了混频器的各种结构、工作原理和主要性能参数。选择双平衡g i l b e r t 型c m o s 混频器作为基础，利用衬底驱动技术设计出一种超低压c m o s 混频器。基于c s m c0 5 1 a m c m o s 工艺b s i m 3 v 3 模型，采用h s p i e e 对设计的电路进行了仿真。仿真结果表明，该混频器在1 v 的单电源电压下，可以实现对3 0 0 m h z 正弦信号的混频，转换增益为1 4 7 d b ，三阶输入截止点的值为3 2 6 d b 。对基于准浮栅技术的低压混频器也做了仿真分析，结果表明准浮栅也是一种有效的低压技术。关键词：衬底驱动超低压混频器c m o sa b s t r a c ta b s t r a c tw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e g r a t e dc i r c u i tt e c h n o l o g ya n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n se q u i p m e n t , l o w - v o l t a g ea n dl o w - p o w e ra n a l o gi n t e g r a t e dc i r c u i td e s i g nb e c o m e sap o p u l a rt e c h n o l o g yg r a d u a l l y p a r t i c u l a r l y , t h ec r o s s i n gc o u r s eo ft h e s et w of i e l d s - r fi n t e g r a t e dc i r c u i tt e c h n o l o g yh a sb e c o m eah o ti nt h i si s s u e t h ep e r f o r m a n c eo fm i x e r , a sav e r yi m p o r t a n tp a r to fr e c e i v e r , d i r e c t l ya f f e c t st h ep e r f o r m a n c eo f t h ee n t i r ec o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t i nt h i sp a p e r , t h er e c e i v e r s ，s u c ha st h es u p e rh e t o r o d y n er e c e i v e r s ，z e r o - i fr e c e i v e r sa n dl o w i fr e c e i v o r sw e r ei n t r o d u c e d t h ef u n c t i 0 1 1 5o fa l lk i n d so fr e c e i v e r sw e r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d t h es t r u c t u r eo fm i x e r s ，t h ep r i n c i p l eo fw o r ka n dt h em a i np e r f o r m a n c ep a r a m e t e rw o r ei n t r o d u c e di nd e t a i l o nt h eb a s i so fg i l b e r td o u b l e - b a l a n c e dc m o s - m i x e r , a l lu l t r a - l o wv o l t a g em i x e ri sp r o p o s e du s i n gt h eb u l k - d r i v e nt e c h n i q u e u s i n gh s p i c es i m u l a t o ra n db s i m 3 v 3m o d e l sf o rc s m c0 5 p r oc m o sp r o c e s s ，t h em i x e rw a ss i m u l a t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h em i x e rc a nw o r kp r o p e r l ya t3 0 0 m h zf r e q u e n c y 谢t has i n g l ep o w e rs u p p l yo f1 v t h ec o n v e r s i o ng a i no ft h i sm i x e ri s - 1 4 7 d b ，a n dt h et h i r d - o r d e ri n p u ti n t e r c e p tp o i n ti s3 2 6 d b t h el o w - v o l t a g em i x e rb a s e do nq u a s i - f l o a t i n gg a t et r a n s i s t o r sw a sa l s os i m u l a t e d t h er e s u l ts h o w si t sv a l i d i t y k e y w o r d ：b u l k - d r i v e nu l t r a - l o wv o l t a g em i x e rc m o s西安电子科技大学学位论文独创性( 或创新性) 声明秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，本人声明所呈交的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中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技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做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。本人签名：蚕丝墨一一日期西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。本人签名：聋丝垒导师签名：每炸日期三堕：! ：丝日期塑墨：i ：竺l第一章绪论第一章绪论1 1 论文的背景和研究意义近年来，无线通信技术得到了飞速的发展。据统计，截至今年6 月，我国移动电话用户已有6 亿多，己经远远超过美国跃居世界第一位，而且还在迅速增长。随着第三代移动通信的蓬勃发展和蓝牙技术的日益普及，集成电路的市场前景将变得十分广阔。面对这一巨大的市场，全世界的半导体和电子系统制造公司都投入了巨大的人力和资金进行无线通信系统的开发。无线通信设备正朝着小体积，低功耗的趋势发展。这些都使低压低功耗技术受到了极大的关注和挑战。因此，低压低功耗集成电路技术应用广泛，意义重大，影响深远，成为了目前国内外研究的热点。混频器作为接收机的关键模块，其低压低功耗c m o s 设计技术的研究也是非常重要的课题之一。混频器位于低噪声放大器( l n a ) 之后，直接处理l n a 放大后的射频信号。为实现混频功能，混频器还需要接收来自压控振荡器的本振( l o ) 信号，其电路完全工作在射频频段。混频器的主要作用是实现两个信号相乘，从而得到频率的和或差。值得注意的是混频器技术及工艺得到迅速发展，现在其频率可以达到1 0 0 g h z 以上，灵敏度对于混频器依然是最重要的【1 1 。混频器的设计通常需要考虑转换增益、线性度、噪声系数、端口之间的隔离度以及功耗等性能指标。1 ) 为了弥补中频滤波器的损耗，以及降低混频器后续电路噪声对系统噪声的贡献，混频器需要有一定的转换增益，但是，增益太大又会影响混频器的输出。2 ) 混频器的线性度是各项性能中最重要的性能，直接决定接收机的动态范围。当射频输入信号的功率过大，超过混频器的l d b 压缩点时，中频输出信号的功率就会比预期值有大幅度的衰减，偏离原来的线性轨迹：由于混频器存在三次非线性项，相邻频道的射频信号造成的三阶互调量会对中频输出信号造成严重的干扰，通常用i i p 3 ( i n p u tt h i r d - o r - d e rh l t e r c e p tp o m t ) 或0 i p 3 ( o u t p u tt h i r d - o r d e ri n t e r c e p t p o i n t ) 来表征混频器对三阶互调量的抑制能力。3 ) 为了降低系统噪声及减轻l n a 的设计压力，混频器应该具有较低的噪声系数。4 ) 混频器中的本振信号l 0 摆幅通常比较大，很容易造成信号馈通引起干扰，特别是馈通到射频输入端，影响其他接收机或引起自混频( 对零中频接收机的性能影响非常大) 。因此，混频器需要具有良好的隔离度。5 ) 功耗是所有模块必须考虑的问题，降低混频器的功耗，可有效地降低系统功耗。2超低压c m o s 混频器设计因此，上述原因使得对混频器的设计提出了多方面的挑战。使得现在的设计人员必须在低压低功耗、高线性度、高转换增益、低噪声指数等方面实现最为理想的平衡。1 2 射频集成电路发展现状1 9 0 1 年英国科学家马克尼成功地实现了无线电信号横越大西洋，可以认为从那时起射频电子技术正式诞生。马克尼的成功使人们认识到可以利用电波通过“以太代替电线来传输电话、电报等信息。这是非常激动人心的。无线通信发展到今天，使得千百万用户可以同时利用段无线电频谱进行双向通信，而且无线通信机可以放在身上、拿在手上，更重要的是使得许多人能够买得起、用褥起这种无线通信设备【2 】。通常，按照电路结构来划分，一个无线移动通信机可分为射频级和基带级两大部分。基带级处理基带信号，射频级处理射频信号。从规模角度看来，基带部分远比射频部分庞大，但是现代无线手机设计的难点在射频方面。因为无线移动信道情况太恶劣，它对射频级设计提出了非常苛刻的性能指标要求，人们要通过复杂的电路设计来达到这些要求。这些要求包括：( 1 ) 良好的选择性。因为移动通信使用开放的无线信道，移动接收机要从空间无数的无线电波干扰信号中选出所需要的信号，必须要求接收机有良好的选择性。( 2 ) 低噪声、高动态范围。由于手机的移动性使得接收到的信号电平具有很宽的变化范围。当输入信号小时，主要考虑放大器的低噪声特性，当输入信号大时，则对放大器的非线性有很高要求。( 3 ) 接收机对于杂散频率信号有良好的抑制能力。由于一般采用超外差接收机和频率合成，接收机中多次频率变换会产生各种可能的杂散频率信号混入到所需信号中，形成干扰，为了保证接收质量，必须抑制和滤除这些杂散信号分量。( 4 ) 本振信号应该具有很低的相位噪声。( 5 ) 发射机必须严格限制带外辐射。( 6 ) 射频级必须低功耗。因为对于接收机来说，射频部分往往是常开的，不像基带可以处以休眠状态。( 7 ) 发射机的功率放大器要求有高的功率增加效率。射频集成电路( r f i c ) 在近十年内得到了广泛的重视，并在无线通信领域得到快速发展。在工艺制作方面，由于工作在几百兆到几千兆赫兹的射频条件下，收发前端设备和器件必须具备足够高的工作速度，其生产成本和功耗都制约着无线通信技术的进一步发展。射频电路传统的实现方法是用g a a s ，s i g e 等工艺制第一章绪论3造出分立的单片器件( 如功率放大器p a ，低噪声放大器l n a ，混频器m i x e r 和本振信号发生器l o 等) ，再混合集成为无线前端收发器，而基带电路一般是采用c i o s工艺，这种工艺上的区别造成r f 电路和基带电路必须分开制造，再加上在射频电路中一般都采用分立式元件，使得r f 部分的体积和功耗都比较大，价格也比较昂贵，难以满足现代通信的需要。所以只有实现c m o s 集成射频前端，才能真正实现单片集成电路的移动通信产品。随着深亚微米和超深亚微米c m o s 工艺的发展，单管的截止频率己经达到几十g h z ，特征频率等表征射频参数的指标已经能够胜任当前对射频电路的要求。利用c m o s 工艺的射频电路集成已经成为可能，使得c m o s工艺完全可以用于制造射频器件和电路，并有可能和基带数字电路集成在一起，这种低成本和低功耗c m o s 收发电路已经成为国内外的研究热点。最近几年，世界各国的研究人员在c m o s 射频集成电路的设计和制作方面进行了大量的研究，使c m o s 射频集成电路的性能不断得到提高。国外不少大学和研究机构己经利用先进的c m o s 工艺设计出混频器、低噪声放大器、振荡器等电路。此外，无线接收机小型化和低价格的发展趋势，推动着收发机射频电路和基带电路的单片集成。在这方面硅工艺特别是c m o s 工艺较砷化镓有很强的优势，乐观的估计，在最近几年里，c m o s 射频集成电路将彻底改变无线通信的面貌。1 3 本文主要工作讨论分析了混频器和衬底驱动m o s f e t 的工作原理。并在此技术上设计一个低压模拟混频器。基于c s m c0 5 9 m c m o s 工艺b s i m 3 v 3 模型，采用h s p i c e 对整个电路进行仿真。本文共分五章。第一章，主要介绍背景，讨论分析了射频集成电路发展现状。由此引出本文得研究意义。第二章，介绍了低压模拟集成电路设计的基础知识，包括电路功耗的分析、模拟低压设计的主要制约因素、目前电路设计的主要方法及其思路等。第三章，对无线接收机系统的各种方案进行比较分析，包括超外差式接收机、零中频接收机、低中频接收机以及镜像抑制结构。第四章，首先介绍混频器的主要功能、工作原理和性能参数，然后介绍目前常用的几种混频器结构，如单端结构、单平衡结构、双平衡结构混频器等等，比较分析它们的优缺点，选择一种基于衬底驱动m o s 技术的改进的双平衡g i l b e r t型c m o s 混频器结构。第五章，主要介绍了衬底驱动技术的工作原理和性能特性，分析和仿真其低压特性。并基于衬底驱动技术，实现超低压c m o s 混频器。基于c s m c0 5 l x m 工艺的b s i m 3 v 3 模型，利用h s p i c e 对所设计的c m o s 混频器进行了模拟仿真分析。第二章低压低功耗技术5第二章低压低功耗技术2 1 概述过去，无论是考虑到极度复杂的制作工艺，还是加工所需得高昂成本，都使得采用c m o s 和b i c m o s 技术的低功耗电路设计及其应用，只能局限在电子表、袖珍起搏器等这样的对低功耗要求极为苛刻的产品中。然而时至今日，低压低功耗设计已经成为所有高性能电子设备所必须遵循的规范，因此功耗设计是影响设计的最重要的一个因素【3 】。造成这种趋势的一个重要原因就是便携式电子设备的问世。便携式已经成为电子设备必不可少的特征。便携式电子产品设计的最终目标就是实现系统所需电池的最小化，因为电池极大地影响了产品的重量和便携性，而电池的容量和电路的功耗又最终共同决定了产品中所需电池的大小。目前电池技术的发展远远跟不上i c 与电子系统的发展，从心脏起搏器到助听器、移动电话和各种各样p d a 产品都对电子产品的供电电压和功耗提出了严格的限制。截至目前为止，即使考虑到能源技术的进步，例如，采用太阳能电池、燃料电池或设想中的微波电源来替代今天的电池，但这些新能源要求电路工作在更低的工作电压下，例如单片太阳能电池提供的电压在0 5 v 的数量级，远低于目前使用的任何电池，甚至低于目前电路中m o s 晶体管的阈值电压，这些都对低压技术的发展提出了尤为苛刻的要求。功耗问题还包含可靠性和生产非便携式高端应用设备成本等诸方面问题。微处理器飞速提高的集成密度、时钟频率及计算能力不可避免的导致功耗的增加。另外，随着现代办工环境中计算和通信设备对电池的使用程度与日俱增，低压低功耗设计也与日益提高的全球性环境保护意识直接联系起来【3 】。2 2 低压低功耗设计的限制因素随着集成电路技术的不断发展，未来的集成电路应该是数字集成电路技术与模拟集成电路技术的完美混合。由于c m o s 工艺的成熟和在现代处理器技术中的成功应用，通常要求系统中的模拟集成电路工艺要与标准c m o s i c 工艺兼容；同时，模拟i c 的低压低功耗研究需要迎接诸多挑战，遇到的困难比数字集成电路和纯数字系统更大。因此，低压低功耗模拟集成电路的研究引起了广泛的重视与关注。6超低压c m o s 混频器设计2 2 1 电源电压从电子设备设计人员的角度看，有一种说法即“电源电压越低越好 。尽管动态功率主要取决于电源电压、杂散电容和工作频率，但总电源电压的影响还是居于主导的地位。由于电路的动态功耗正比于电源电压的平方，静态功耗正比于电源电压，因此，降低电源电压是减少电路功耗的有效方法。然而，电压的降低也会随之引起一系列的问题。在c m o s 电路中，m o s f e t 的运算性能将会降低，信号将被减弱，而阈值电压变化将更加受限。在b i c m o s 电路中，电源电压的缩放比例将会对电路的性能产生更为严重的约束作用。所以，在设计新的方法时必须着眼于如何降低电源电压这一问题来进行【3 1 。2 2 2 闽值电压与电源电压相关的另一个因素就是阈值电压。在低电源电压的情况下，较低的阈值电压有利于保持性能的变化趋势。然而，阈值电压的降低会导致切断电流的剧烈增加，因此阈值电压的下限设计应该充分考虑到电路的运算稳定性以及功耗等制约因素。此外，闽值电压耗尽对噪声容限，备用电源功率以及瞬时电压功耗都将产生一定影响。可见，阈值电压的限制是模拟电路低压设计的一个主要限制【3 1 。阈值电压减小缓慢或根本不减小使得低压模拟电路设计者面临有限电压余度的困难和挑战，某些只能在较高电源电压下才能达到所希望高性能的电路，在低压下无法应用。例如在模拟电路中广泛使用的共源共栅结构，有着很高的输出阻抗，可以在不降低频率响应下提高电压增益，但此结构在低压下无法应用。因此必须研究这些高性能电路甚至系统拓扑结构的替代电路结构。2 2 3 其它在深亚微米时代，集成电路的功耗越来越多是由于互连线路造成的，出现这一增长的主要原因就是些全局线路。再加上相对大的输入输出电容，将严重影响模拟放大器的转换速率、增益带宽等参数，导致模拟电路工作速度的降低。低压下，集成电路性能的损失需要依靠i c 工艺的进步和电路设计技巧的提高来弥补。通过工艺的改进可以减小芯片寄生电容和封装电容，在一定程度上减少电路的功耗和延迟，但是由于金属互连线的厚度几乎没有随着工艺尺寸缩小而减小，所以金属层和衬底的侧壁电容变化不大，由工艺改进引起的电容减小并不如我们想象的那么明显。采用s o i 技术能减少寄生电容和体效应的影响，从而降低功耗，但缺点是价格昂贵。第二章低压低功耗技术72 3 低压低功耗集成电路设计技术目前，国内外研究人员主要从两个角度实现低压低功耗模拟集成电路设计，一方面，从改变工艺的角度，如采用b i c m o s 和多阈值电压等工艺，但是这些方法其成本较昂贵而且后者的再制造性较差：另一方面，从电路设计技术的角度出发，在不改变现有工艺的情况下实现低压低功耗模拟电路的设计，如亚阈值区工作电路，浮栅准浮栅m o s 电路、衬底驱动技术、衬底偏置技术、自级联电路、电平移位技术、电流模式电路等，这些技术大部分已比较成熟，然而由于这些技术有着自身的缺点，因此它们各自的应用范围受到一定的限制。下面我们就逐一介绍这几种低压技术。2 3 1 亚阈值技术对模拟i c 而言，m o s 管通常工作在强反型区，这就意味着电路需要较高的电源电压，而且要消耗更多的功率。因此，为了在最小功耗与最小电路面积之间寻求最佳平衡点，必须探索电路在非传统工作区工作的可能性【4 】。在分析m o s f e t 时，我们一直假设：当、r g s 下降到低于v n i 时器件会突然关断，实际上，当栅源电压低于阈值电压时，m o s 管会工作于一个不同区域，即亚阈区，此时漏极电流与栅源电压之间由强反型时的平方律关系转为指数关系：k ：；i 的e x p ( q 臻) ( 2 - 1 )式中，聆是亚阈值倾斜因子，一般取1 2 - 2 ，d o 是由制造工艺决定的参量。一般把由工作在亚阈区的m o s 管所构成的电路称为亚阈区电路。亚阈区电路有以下特点：1 ) 由于当v g ：s l 。此时，复合管的等效跨导g m , e f f c c t i v 。为g m 2 m ，也就等于m 1 的跨导g m l 。流过m l 和m 2 的漏电流i d 可由下式求得：l = 跏帆一巧) 2 2r ，气、p 蝴= p i p 2 | 婶、+ p 2 、)m图2 6 自级联结构电流镜i 铲0 5 m a厂：i f 0 4 m a；，一i m = o 3 m a。j 纩。i m = o 2 m ai 。矿i 庐0 i m a扩。j输出电压( v )图2 7 自级联电流镜的输出电流转换特性当m 1 时，展撕屈。由于m l 的源漏电压非常小，复合管和单管之间的v d s a t 相差不是很大，因而自级联结构适合用于低压电路中。通常，级联结构电路的工作电压要远远高于自级联结构。能够在获得与级联结构相同输出阻抗的同时，对电压的要求和单管电路相同，正是自级联结构同级联结构相比的一大优点。利用自级联结构实现的电流镜如图2 6 所示。图2 7 给出了电流镜的输出电流转换特性，由图可以看出电流镜的输出阻抗非常的大。654321mm良叭mm v m v 螺锄丑簿k第二章低压低功耗技术2 3 4 电平移位技术电平移位电路( l e v e ls h i i l e r ) 也是一种常用的低电压电路结构。下面以电流镜为例，分析其工作原理。传统电流镜正常工作时的输入电压必须大于阈值电压，采用电平移位原理的电流镜( 如图2 8 ) ，可明显降低对输入电压的要求【_ 7 1 。与传统电流镜相比，电平移位电流镜增加了一个b j t 射极跟随器，接在传统电流镜的输入级和栅极之间，起电平移动的作用，从而降低了电流镜对输入电压大小的要求。从图2 8 中可以分析出电平移位电流镜的输入电压为圪= 。一；( 2 4 )由于严附j ，删，玢大约为7 0 0 - - - 8 0 0 m v ，而双极型硅晶体管的圪劭大约为7 0 0 m v ，所以电平移位电流镜就不一定像普通电流镜一样要求输入电压必须大于阈值电压时才能工作，而当输入电压小于v t 时它也能正常工作。输入电压要求低，相应地，对电源电压的要求就低。另外，电平移动电路还具有单位增益带宽高、r a i l - t o - r a i l 共模电压输入输出等优点，因此，电平移位电流镜也是一种符合低电压要求的较好的电路结构。但电平移位电路存在一个很大的缺陷，即电平移位晶体管增加了系统的失调电流，也增加了额外功耗。v d dn+- = =图2 8 电平移位电流镜2 3 5 电流模式电路运算放大器等传统模拟电路都是电压模电路，电压信号决定了电路的性能，但是，随着i c 设计技术的发展，电压模式电路的缺点逐渐变得明显，一方面，c m o s电路的工作电压不断降低，但阈值电压不变，使得电压模式模拟电路的动态范围受到很大的限制，甚至导致电路功能无法实现；另一方面，由于电路中存在各种固有电容和寄生电容，当输入电压突然变化时，输出电压不会立即改变，因此，电压模电路的带宽较低、压摆率不高，不适合工作在高频、宽电压输出的场合。近二十年来，以电流为信号变量的电路逐渐被认识并被挖掘出来，促进了电流模式电路的发展。电流模式电路可以定义为：选用电流而不是电压作为电路中1 2超低压c m o s 混频器设计的信号变量，并通过处理电流变量来决定电路的功能。用电流作为处理信号，能在一定程度上降低对电源电压大小的要求，电流模电路的敏感节点是低阻抗的节点，电压在这里的变化小，低时间常数的电路可以有更高的带宽和压摆率。常用的电流型电路单元有a b 类电流镜、电流运算放大器、跨导器等。运算放大器常常要求有高跨导增益和大范围共模电压输入输出，而电流型a b 类跨导器则能最好地实现此要求，它能将输入电压信号转变为电流信号进行处理，并且使输出电流与输入电压呈线性关系，实现恒定的跨导。它常常作为运算放大器或者跨导放大器的输入级，代替传统的差分对管输入来实现更高的性能【8 】。电流模式电路可以解决电压模式电路所遇到的一些难题，在速度、带宽、动态范围等方面获得更加优良的性能，较适用于低电源电压的工作条件，且有利于减小功耗，是一种值得关注的低压低功耗模拟i c 技术。但电流模电路需要许多偏置电路来产生控制电压，电路较复杂，电路的调整较困难。第三章接收机的系统结构1 3第三章接收机的系统结构3 1 引言目前，无线数字通信的应用越来越广泛。接收机作为通信系统的重要组成部分，正面临着高工作频率、高集成度、低电压、低功耗、低价格的挑战。要提高接收机的集成度，关键是提高接收机中模拟前端的集成度。目前常见的接收机前端结构有超外差、零中频、低中频、宽带中频和镜像抑制接收机。不同结构的接收机有不同的特性。在实际应用中究竟采用哪种方案取决于系统要求的性能指标、复杂程度，功耗和成本。在设计r f i c 电路前，首先对各种结构进行分析和比较，然后根据系统实际应用选择最合理的结构模型。随着微电子技术的发展，接收机系统集成化的要求越来越高，高的集成不仅使得接收机系统低功耗，同时，随着更多的功能集成在系统中，也使得实现适应于不同通信标准的接收机系统成为可能。3 2 超外差式接收机3 2 1 超外差式接收机结构超外差式接收机是传统的接收机结构，在处理信号过程中使用中频，因此又称为中频接收机。它具有成熟的理论基础和实践背景，获得广泛的应用9 1 。图3 1 是其方框图。l o图3 1 超外差式接受机结构图超外差接收机工作原理为：射频信号被天线接收以后，经过一个频带选滤波器滤除射频频率血附近的噪声和干扰信号。随后进入到下一级的低噪声放大器( l n a ) 进一步放大射频信号并抑制噪声的干扰。镜像消除滤波器的作用在于降低镜像噪声信号对有用信号的影响，接着射频信号经过混频器与本地振荡信号进行调制，在混频器的输出端得到下混频后的中频信号( i n t e r m e d i a t ef r c q u a a c y , i f ) ，再通1 4超低压c m o s 混频器设计过一个通道选择滤波器送到下一级。中频信号的频率值由设计者根据通信协议和具体需要而定。外差式接收机最重要的特征是它的选择性，它可以将很微弱的信号从强干扰中选出来，并加以处理。接收机通过两次频率变换，从而使得信号的选择发生在较低的频率上，利用q 值不必太高的滤波器即可实现信号的选择。外差式接收机的另一个显著特点是：每一次的频谱下变换都会把载频贮附近的有用信号和载频f c + 2 f l ( 或f c 2 f 1 ) 附近的镜像信号同时变换到中频f l ( 如果采用高( 或低) 的本振的话) ，从而使得有用信号在中频被严重恶化，因此必须在每次混频之前进行镜频抑制。在双变换结构中，往往是在每次混频前采用专门的镜像抑制滤波器来实现镜像抑制，或者在中频使用信道选择滤波器来同时实现镜像抑制和信道选择。由于有用信号和镜像信号的能量的强弱关系是不可预知的，为了在最坏的情况下保持好的性能，必须对镜像信号有很好的抑制，外差式接收机一般要求对镜像信号能量的抑制比达到6 0 7 0 d b 。如果载频与下变换后的中频比f c f i 约等于1 0 ，则必须要高频滤波器的q 值接近1 0 0 ( q 值定义为中心频率除以3 d b 带宽，经验公式：所需的q - 1 0 x ( f e f i ) ) 。其结果是：1 ) 为了达到这q 值，若采用高频有源滤波器实现单片集成，至少要在6 阶以上，并且还需要有可调的中心频率，这使得电路的复杂性大大提高，难以集成；2 ) 这种有源滤波器的功耗与它的q 值的平方成正比，因此，即使能够集成，其功耗代价也难以接受；3 ) 由于上述困难，往往采用片外的无源的高频或中频滤波器来实现镜像抑制( s a w 滤波器) ，而采用无源的片外元件的代价是：元件昂贵，板级成本增加( 需要更大的p c b 面积) ，芯片管脚增加( 封装成本增加) ，外接元件的寄生电容很大，寄生电容很大又造成芯片驱动外接元件和外接元件驱动芯片管脚时都必须是驱动低阻抗节点( 典型5 0 0 ) ，否则无法工作在这么高的工作频率( 近似有f = 1 瓜c ) ，而驱动低阻抗节点又直接导致电路功耗的增加；4 ) 为了使得所需滤波器的q 值不会太高而难以实现，并且为了使得高频滤波器无需调谐，一般设计时f c f i = 5 。因此，一般取一个高中频i f 逐级下变换，这就必然导致了多级变换结构，而这种结构显然无论从复杂度、代价、功耗( 每级下变换都需要外接元件驱动低阻抗节点) 等方面来说都是不利于集成的【1 1 】。超外差式接收机的最大缺点是组合干扰频率点多。这是因为变频器往往并不是一个理想乘法器，而是一个能完成相乘功能的非线性器件，它将进入的有用信号( o r f 和本振信号f o l d ，以及混入的干扰信号( 如频率为c o l 与她干扰信号) 通过变频器非线性特性中的某一高次方项组合产生组合频率，如：p t o t o - + - q m l u f ：或者：p c o t o - - e ：( m 0 0 1 - i - 1 ( _ 0 2 ) ：，若他们落在中频频带内，就会形成有用信号的干扰。通常把这些组合频率引起的干扰称为寄生通道干扰。第三章接收机的系统结构3 2 2 镜像干扰在寄生通道干扰中，其中镜像干扰最为严重。镜像干扰由镜像频率而来，即在镜像频率上有一个干扰信号，经过混频器与本地振荡信号调制，使得在中频频率产生一个由下变频而来的镜像干扰噪声，进而间接影响了欲接收信号的品质。换句话说，降低了接收信号的信号噪声比( s n r ) 。i 、嬲1镡一，。= ：。ii一b。：i-i哪口图3 2 镜像干扰如图3 2 所示，假设射频信号为c o s c o r f t ，本振信号c o s c o l o t ，中频信号c o s c o t ，镜像信号为c , o s c o d d t ，其中乃，= 一如l = 一如i( 3 - 1 )所以有用中频为：c o s f = c o s 瘦k f c o s 攻k f1= 寺【c o s ( 一o ) l o ) + c o s ( + 吃d ) 幻( 3 - 2 )j o1= 二 c o s + e o s ( c o 盯+ 吼o ) 幻j 0镜像中频为：c o s f2c o s ( o i m t c o s t o m t1= 二 c o s ( 一吃d ) + c o s ( + 吃口) 力( 3 3 )j -1= 去【c o s + c o s ( c o 倒+ o g 工o ) t 】二由上面两式可知，射频信号和干扰信号经过混频器后，虽然其他的高频信号与和频信号可以由频带选择滤波器滤除，但是两者的中频项都重叠在同一频率上，如果附近频率的干扰噪声功率比欲接收的信号功率大时，镜像频率对中频信号的干扰也相应增加。要消除镜像频率干扰的唯一办法是不让它进入交频器，这要靠变频器前面的滤波器b p f l 滤除。b p f 能否有效滤除镜像频率，关键看b p f l 的q 值。设信号频1 6超低压c m o s 混频器设计率是9 0 0 m h z ，中频是1 0 7 m h z ，则镜像频率是9 2 1 4 m h z 。若b p f l 用单调谐l c回路，中心频率调谐在9 0 0 m h z ，要求回路对镜像频率衰减6 0 d b ，则可估算出回路q 值是：6 0 d b 2 0 l o g( 3 4 )得到q = 2 1 x 1 0 4 ，这么高的q 值用l c 回路很难做到的。不过在很多场合，b p f l不是用l c 调谐回路，而是用其他类型的无源滤波器，这些滤波器的引入必然增加信号的损耗。一般l n a 的增益约选1 5 d b ，那么滤波器b p f l 的损耗不应超过几分贝【l o 】。在有限的q 值范围内要有效的衰减镜像频率，就必须增大中频频率。所以超外差式接收机的一个重要问题就是选择中频频率。3 2 3 中频频率的选择我们知道，中频频率的设定与镜像抑制滤波器的规格有关，这是因为在两高低不同的中频频率，若使用相同的镜像抑制滤波器，镜像干扰噪声的消除与中频频率干扰的抑制之间，存在着折q b ( t r a d e o f 0 的关系。在设计超外差接收机时，将经过混频器得到的中频设为高中频时，则此接收机对于消除镜像干扰有较好的性能，但同时无法有效的消除邻近频率的干扰，这是因为其中频频率较高，难以实现高q 值的通道选择滤波器有效地消除邻近频率的干扰。为了解决超外差接收机中，中频频率的选择问题，往往采用多次降频的方法。3 3 零中频接收机在零中频拓扑结构中，有用信号被直接下变频到基带。这样，镜像信号是有用信号本身，但是这样并没有消灭镜像抑制的问题。信号的上下边带将被叠加到一起，成为不可分离的，因此，除非信号的上下边带完全一致，否则仍然要采取镜像抑制措施。这个问题可以采用两次下变频的方法来解决，一次和s i n e 信号混频，第二次和c o s i n e 信号混频，这个拓扑的简单结构如图3 3 所示。零中频接收机的特点是：1 ) 由于零中频接收机的镜像信号是有用信号本身，镜像信号与有用信号能量相同，所以对镜像信号抑制的要求大大减轻，但是在高质量接收机中，3 0 d b 的镜像信号抑制度还是需要的。对镜像信号的抑制是通过彼此正交的本振信号与射频信号混频来消除的。2 ) 由于不需要难以集成的高q 值的射频或者中频带通滤波器，消除了外差式接收机的主要缺点。但为了减小对下变频器的动态范围的要求并且阻止带外射频信号与本振信号的高次谐波分量混频第三章接收机的系统结构1 7而产生落在有用信号带内的干扰，大多数接收机还是在前端放置了一个高频滤波器，对这个滤波器的性能要求是很低的，而且也不要求频率可调节。3 ) 混频后的低通滤波器很容易用模拟集成电路来实现单片集成。4 ) 由于有用信号被直接下变频到基带，这样对a d 转换器的要求大大降低了。综上所述，零中频接收机是一种易于集成的接收机拓扑结构，并且由于外接元件大大减少，功耗可以显著降低p o o调谐到射频，j零中频图3 3 零中频接收机结构3 4 低中频接收机零中频接收机的直流寄生失调和1 噪声都存在于低频，为了避开它们的干扰，一种简单的思路就是把它们和需要的信号从频谱上分开。这时，接收的信号不再变频到基带，而是到一个较低的中频。这种接收机的结构称为低中频接收机，它与超外差式接收机相比，不需要高频的带通滤波器，集成度好，功耗更低：它与零中频接收机相比，克服了直流失调等低频干扰。因此成为集成接收机设计的选择结构之一。但是，将下变频后的频率从基带变成低中频，带来了镜像信号抑制和双路信号匹配的问题。在零中频接收机中，镜像信号就是自身，因此对镜像抑制的要求比较低。而在低中频接收机中，镜像信号可能比有用信号高很多，需要大镜像抑制和双路信号的精确匹配，这是该结构的最大缺点。一般的正交结构只能提供2 6 d b左右的镜像抑制，远远不能达到要求，所以需要一定的算法加以校正，或者采用匹配精度更高的电路结构在校正算法上，有g r a m s c h c m i t s 重正交算法；借助导频校正幅度和相位失配的算法；利用i q 通路失配时存在的相关性的自适应算法等。在电路实现上，可以采用双平衡正交下变频结构。该结构在不需要额外校正电路情况下，可以达n o 3 的相位精度。另外，低中频接收机中频的选择有一定限制。一方面，中频要尽量高一些，以减小直流失调和1 f 噪声的干扰，另一方面，为了减小接收信号的动态范围，中频频率越低越好，所以两者之间存在权衡【1 2 1 。超低压c m o s 混频器设计对于g s m 和d c s 等窄带通信系统，低中频结构是一种比较好的选择。g s m 的信道带宽是2 0 0 k h z ，选择输出中频为1 0 0 k h z ，则镜像信号即为第一邻带信号。根据标准，第一邻带信号比带内信号功率最多高9 d b 这样，送给模数转换器的接收信号的动态范围增加不大，直流失调问题减小，接收机的集成度提高，所以低中频接收机是最佳选择。对于蓝牙标准，它使用g f s k 调制信号，低频分量携带信息，不宜用零中频接收机；而该标准对射频部分的指标要求又不高，因此也适用于低中频结构。低中频接收机有较好的集成度，并克服了零中频接收机中存在的低频干扰问题。它适用于信号本身在中心频率携带信息，但对镜像信号的抑制要求不高的场合。3 5 本章小结每种接收机架构都有其优缺点，必须进行折衷考虑。通过前面对各种接收机结构的比较和分析，可知为了实现低成本，就要减少使用外部元件，如滤波器等。一般而言，无源滤波器通常会增加损耗，引入噪声。虽然超外差结构经典，可获得良好的镜像抑制，但其集成度很低，需要很多片外高q 分立元件，制造成本昂贵且功耗大，难于集成，不符合低成本要求。虽然直接变频接收机结构简单，易于集成，没有镜像干扰，但它有直流交调和闪烁噪声等问题，对弱信号形成强干扰，甚至使接收机无法正常工作。要采用直接变频结构，必须在片上解决l o 泄漏、d c直流偏移和闪烁噪声等问题，对设计提出较高要求；同时f q 两路要求高度匹配，使电路实现较为困难。低中频结构基本没有直流偏移问题，而且不需要高q 元件，易于片上集成，但在片上存在镜像干扰问题，要在低中频结构中获得较好的镜像抑制比是设计要面临的关键问题。当射频信号频率极高时，通常采用双中频结构，可以获得较好的性能。子采样和数字中频结构的接收机将模拟信号用数字信号处理方式处理。由于子采样和数字中频结构的接收机对a d 转换器的要求极高，高速高精度的a d 转换器设计困难，工艺要求高，对设计提出了较高的要求。从规模成本来看，目前在国际上，民用及消费类产品在批量生产时倾向于选择低中频和零中频架构。如果再考虑到电路复杂性等问题，用低中频结构，可以得到低价格、低功耗的实现方案。根据q 锄b w ，可知在低中频段滤波器的q 值将远小于载频段滤波器的q 值，因此完全可以采用c m o s i 艺实现片上滤波。射频接收机的射频接收端收到的信号一般较弱，需要射频接收部分提供极高的增益，通常在载频范围内做到高增益放大比较困难，而采用低中频结构，可以将总增益分散到高频、中频和基带三个频段上。在低中频段做窄带的高增益放大比较稳定且容易实现。在低中频架构中，仅需要一级限幅器来处理接收信号的电平变化，不需要a g c 。镜像干扰问题可通过镜像抑制结构解决。因此，带片上滤波器的低中频架构就成为第三章接收机的系统结构1 9一种最佳选择【1 3 1 。目前在射频通信应用领域中常用的工艺有：双极、c m o s 、g a a s 、b i c m o s 和s i g e 等。g a a s q t 艺是高频器件的主要工艺，工作频率高达6 0 g h z ，但加工成本高，集成度低且与其他工艺不兼容。近年来，双极工艺被广泛用于射频前端模块，它能以较低的成本生产出速度和集成度较高的器件，但不适合同时集成大规模数字电路。随着b i c m o s 和c m o s 工艺的发展，用低功耗的c m o s 工艺来制各高于2 g h z c m o s 器件也已成为可能。用c m o s 实现射频模块，可以大大降低产品成本，利于集成。因此，在确定结构时也应考虑工艺因素。第四章混频器简介2 l4 1 1 引言第四章混频器简介4 1 概述为了用电磁波将信息传播到目的地，无线通信要求把含有信息的基带信号搬移到适于电磁波传播的频率上。在目的地再将这个过程逆转，把接收到的射频信号搬回基带，以恢复信息中所含的信息。这种频率搬移过程称为“混频”。尽管混频器在无线发射与接收中同样重要，但在传统上的混频器主要是指接收端的混频器。因为混频器首先是应用在频域。在接收机中，把需要进行频率搬移的信号加在混频器的射频口，把搬移频率的功率或电压加在混频器的本振口，在混频器的中频( m ) 口就可以得到两个输出。如果需要中频信号的频率比射频低，那么这个混频器就是下变频器；否则是上变频器。对于一个给定的射频信号，具有理想本振的理想混频器只产生两个中频输出；一个是射频和本振之和，另一个是两者之差。滤波能用来选出希望的中频信号，而抑制不需要的中频。这个不需要的信号有时称中频镜像。4 1 2 混频器工作原理混频是频谱的线性搬移过程。完成频谱的线性搬移功能的关键是要获得两个输入信号的乘积，能找到这个乘积项，就可完成所需的线性搬移功能。设输入到混频器中的输入已调信号v 。和本振电压v l 分别为：匕= 圪c o s d t c o s o j 。t( 4 1 )叱= 吒c o s c o l t( 4 - 2 )这两个信号的乘积为屹吃= 巧巧c o s d t c o s w c t c o s c o l t：要圪圪c o s q f b s ( 吼+ 吐 + c o s ( 吼一国。】4 - 3 若中频力= 无一无，上式经带通滤波器取出所需边带，可得中频电压为 ，= 巧c o s f 2 t c o s o ) ，t( 4 _ 4 )由此可得完成混频功能的原理框图，如图4 1 ( a ) 所示。也可用非线性器件来完成，如图4 1 ( b ) 所示【1 4 】。超低压c m o s 混频器设计可lv l( a ) 利用乘法器实现的混频器( b ) 利用非线性器件实现的混频器图4 i 混频器的组成框图下面从频域看混频过程。设、对应的频谱为只( 缈) 、五( c o ) 它们是“，和u 工的傅氏变换。由信号分析可知，时域的乘积对应于频域的卷积，输出频谱昂沏) 可用c ) 与吒 ) 的卷积得到。本振为单一频率信号，其频谱为最( c o ) = 牙 万( 国一吐) + 8 ( c o + o j 。) 】( 4 - 6 )输入信号为已调波，其频谱为e ) ，则f o ( 缈) = 去只沏) 幸瓦