如何用可重构射频前端重构是什么意思简化LTE设计复杂性

集成电路设计与应用
ICDesignandApplication
DOI:10.3969/j.issn.1003―353x.2011.06.010
一种多频带高线性度CMOS单边带混频器
孙敏,张海英,王云峰,李志强,郭瑞
(中国科学院微电子研究所,北京100029)
摘要:基于TSMC
0.18斗m
CMOS工艺,设计实现了一种多频带高线性度的单边带(SSB)混
频器。该混频器以经典的电流换向结构为基础,采用电阻负载以满足多频带工作、高线性度和高带内增益平坦度要求,并节省了面积。通过集成有源巴伦将混频器输出差分信号转换成单端信号,提高了发射机的系统集成度且有利于降低功耗。测试结果表明:在2.3―2.4GHz及3.4―
GHz工作频带内,/PldB大于0dBm,带内增益平坦度小于0.5dB,本振泄漏小于一47
镜像信号抑制大于36dB,为LTE标准的无线射频前端芯片的进一步研究提供了参考。
关键词:多频带;高线性度;有源巴伦;带内平坦度;单边带混频器中图分类号:TN773
文献标识码:A
文章编号:1003―353X(2011)06―0455―04
Multi?Band
HighLinearity
CMOSSSB-Mixer
SunMin,ZhangHaiying,WangYunfeng,LiZhiqiang,GuoRui(InstituteofMicroelectronics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China)
Abstract:Amulti―band,highlinearitySSB-mixer
CMOStechnology.Thecircuitmeet
designedbased
theTSMC。0.18¨mcommutatedtype
resistors鹊theloadbasedthetypical
current
therequirementsofmulti?band,highlinearityandgoodin―bandgainflatnesscharacteristicandalsoarea.On―chipactivebalun
single?ended,SO
wasto
adoptedinthepurposeoftransformingdifferentialmixeroutput
improvethat
integrationandthe
operating
lower
powerconsumption
ranges
ofthewhole
signalsinto
transmitter.Theresultsshow
frequency
of2.3―2.4GHzand
3.4―3.6GHz,/PIdBisabove0dBm,in―bandgainflatnessislowerthan0.5dB,LOthan一47dBmandimageisprovided.
leakageislower
rejection
isabove36dB.ThereferenceforfurtherresearchofLTEtransmitter
words:multi―band;highlinearity;activebalun;in―bandflatness;SSB-mixer
EEACC:1250
高性能、低成本的射频收发机芯片是现代无线
源混频器结构,实现了较好的本振信号隔离、较高的镜像信号抑制和高的带内增益平坦度,同时创新地将混频后的差分信号通过片上有源巴伦转换成单端信号,提高了发射机的系统集成度。
通信系统的核心组成部分,而上变频器作为射频发射前端电路中的模块,其功能是将基带信号的频率调制到载波频率。随着移动通信系统逐步向3G以及4G演进的同时,射频收发机芯片也由单模窄带向多模多频以及宽带多模多路可重构发展…。本文针对LTE标准开展射频前端芯片研究,设计了适用于发射机部分的SSB混频器模块,采用IQ电流换向型有
基金项目:国家科技重大专项(2009ZX03007-002,
20lOZX03007?002)
系统及电路结构设计埋J
LTE标准的工作频段是2.3―2.4GHz和3.4―GHz。本文中的发射机整体模块框图如图1所
示,采取直接变频结构,电路结构相对简单,避免多次变频降低发射链路的线性度。本文的主要工作集中在SSB混频器和片上有源巴伦的设计实现,如图1中虚线框所示。
SemiconductorTechnologyVoL36Na6
孙敏等:一种多频带高线性度CMOS单边带混频器
图1发射机系统框图
Fig.1
Architectureofthe
transmittersystem
混频器的设计
采用无线收发机模拟前端中最常用的结构――
电流换向型有源混频器¨1,其电路原理图如图2所示,通过IQ两支路混频并对输出信号相减,以实现单边带变频操作。
SSB混频器电路
Fig.2
Circuit
ofSSB-mixer
单边带上变频原理:当本振信号足够强,晶体管M,。一M。。可以近似为理想开关,则1支路双平衡混频器的差分输出电流,叫为
,oI=sgn[COS(toLot)]g。t)IFCOS(toIFt)
式中:∞L0为本振信号频率;g。为输入管M。。和M:。的跨导;t,。,为中频输入信号幅度;to。,为频率。将方波信号sgn[COS(to。。t)]进行傅里叶变换后得
to。:掣。,主k=l百sin(k竹/2){COS[(如∞Ⅵ,)t]+C08[(ktoLO―tOIF)t]}
类似分析可得Q支路的差分输出电流,o。为
‰-gm‰塞警{cos[(‰飞F)t].
COS[(如Lo+∞lF)t]}
在输出端将IQ支路的输出电流相减,即得总
,o。=29。口。,∑cos[(kto。。+OJIF)t]
由于采用线性负载,因此输出仅包含∞。。及其
456半导体技术第36卷第6期
奇次谐波与输人中频信号的和频成分。电阻负载和输出节点的寄生电容构成R-C低通滤波特性,能有效抑制比有用信号频率(∞L0+∞球)更高的干扰信号,同时后级的放大电路因其窄带选通特性,能对干扰信号进一步抑制,从而使天线输出信号满
足通信标准的频谱要求。
与大多数混频器采用电感作负载不同,本文针对LTE标准宽频带、较高线性度和频带内较高平坦度的特殊要求,采用电阻作负载,并侧重线性度指标来优化输入跨导管和开关管尺寸。用电阻代替电感作负载除了大大减小版图面积外,另一重要优点是极大提升了频带内增益平坦度。因为£一C作负载时形成谐振峰,只有通过降低Q值才能提高平坦度,但同时增益也大大降低,而通常为了获得一定的增益,带内平坦度都会比较差,如大于2
采用电阻负载实质上是R.C低通滤波,其中C是输出寄生电容,通过减小C很容易增大带宽从而实现好的增益平坦度,本电路通过合理设计R-C的值,其带内平坦度在2.3―2.4GHz频段小于
0.3dB,在3.4―3.6GHzA、于0.5dB。
1.2电平转换电路及有源巴伦的设计
由于LTE标准的中频信号最低有效频率(180kHz)较低,为避免使用大容值的隔直电容,混频器与发射机前级模块VGA采取直流耦合方式连接,但VGA输出直流点(0.65V)和混频器输入的直流点(1.2V)并不相符。因此需要额外的
直流电平转换电路,其电路结构如图3(a)所示,其实质是二级管连接的PMOS管作负载的共源放大
电路,通过负载管的K。来钳制输出直流电平。同时该电路还能减小VGA输出直流失调引起的混频器输入直流失调,从而有效减小因直流失调因素引起的本振泄漏。
(I)电平转换电路(b)有源巴伦电路
电平转换及有源巴伦电路
Fig.3
Circuitsoflevel?shiftand
active
2011年6月
与传统的混频器差丹箱…■同本进汁n:混频器后加^丁有∞E伦电路4
如嘲3(b)所Ⅲ:
r..作为输^时.M:为∞&随器.输出信0与r..硎向.t。作为输^时M.却共∞放大器.输出fi口与r.反向,从m反相辅^信号n:辅m端同相相加实现差分信号到单端的转换%翱器甲端输出有利f后缎PA驱动器的设计提高T发射机系统的集成度并降低丁功耗。除此之外目为3,1,和M=将%
频器输m与负载电窖隔离.能减缓大负拽电容引起的混频器带宽T降,从而进一步提高频带内的增益
2芯片版图和测试结果
幸设计作为射频收发机整体芯片的一部分.与奉振信号提供电路VCO、鳙级电路VGA以厦后级电路
PA驱动器均直接连接,“完成对发射机链路的整体测试。同时基f奉模块芯片单独测试考虑,版图中目出独立的电源、地“厦其他测试端口。茁片的版圈如
图4所示,整十电路的自积为0
45mmXft25…
(不含PAD).其中包括基准电源带隙的0
mm,在电源电压为l
v温度为27℃时,测
得整个电路直流电流为1l7mA,与后仿结果吻台。
『】曙訇囹三二=型..
憎焉葶剥阐
Lay,,ulofihechip在频段23~2
Gnz“显34―3
cHz内对增
益、带内平坦度、线性匿、本振泄漏“厦镜像信}抑
制等指标进行测试。测试所需IO口路本振信号自收
发机芯片中的VCO模块提供,呻口蹄,}-顺情号由
A#ilentFA438C产生输m射频信口(测盘缓冲器有
lo曲的衰减)瑚Al‘ile.1
E4440AⅧ憾。
当本振信口%率为2
z、功牢odBm、巾
顿信号频率为18
MHz、功率一36
dRm时所得
辅出信号频谱如刚5所i,可见本振泄漏小于
dBm镜像价号“】制约为36
9dⅡ∽2_。
。埘蝌州啼…
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Char8cte删】_t……rH7#&ⅡFF#m&
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『日"埘芯H的“他性旋指怀.知增益、噪声小T。一47?I”m_镜像f二母抑制凡于36dB.缓也路适用fI.TE拆准的鞋射n%坑
系教等均进行rff细测试洋细的测试结果如^I
所*丧中:N为面税.1为电瓣电Ⅸ.,为消耗电漉:c为增益.胪。.为ldB/I一缩点;『,为本叛
参考文献:
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瀚沁;腑为镜像抑制.wF为噪一系敦(在巾颠信
0频帛lOMHz时的测试结巢);Gk"为增旌平坦度
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SSB混频器的蔼试结果(t=27t)
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可重构微波射频前端技术研究
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