（计算机应用技术专业论文）电流模式射频接收机前端设计.pdf

t h ed e s i g no fc u r r e n tm o d er fr e c e i v e rf r o n te n d b y m a m i n g l i n p h d ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 011 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f d o c t o ro f e n g i n e e r i n g l n c o m p u t e rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rw a n gc h u n h u a j u n e ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 作者签名：豸弘加取日期：2 。1 1 年6 月7 日 学位论文版权使用授权书 作者签名： 导师签名： 珈石耘 气 日期：2 0 11 年6 月7 日 日期2 0 1 1 年6 月_ 7 日 电流模式射频接收机前端设计 摘要 随着近年来关于射频收发机结构及其单元电路研究的不断深入，特别是在蓝 牙和8 0 2 1 1 无线局域网领域，低电压、低功耗、低成本的要求不断提高。低噪声 放大器、混频器、振荡器是现代通信系统中射频接收机前端的基本模块。就传统 的电压模式低噪声放大器和混频器而言，他们之间采用电压耦合的方式相互连接， 低噪声放大器的输入跨导管将电压信号转化成电流信号进行放大，但是在其负载 端又通过负载将电流信号转化成电压信号作为后续混频器的输入信号。混频器再 一次将电压信号转化成电流信号再进行电流换向混频，最终通过混频器的负载将 电流信号转化成电压信号传输给下级电路。不难看出，在低噪声放大器输出端的 电流到电压转换电路和混频器输入端的电压到电流转换电路其实不是必须的。 电压模式电路以电压为信号，导致电路中间节点需要高阻抗以得到大摆幅电 压信号，这与低电压设计的愿望是相违背的。本论文中提出的电流模式射频接收 机前端电路的核心模块低噪声放大器和混频器以电流为信号采用电流模式设计方 法进行设计。电流模式电路具有很多优点，例如：带宽更宽；更容易实现加法、 减法、乘法操作；电路结构更加简单；动态范围更宽；工作更稳定；更适合低电 压、低功耗、低成本设计。 本论文提出的电流模式低噪声放大器和混频器作为一个整体进行设计。它包 含一个差分跨导低噪声放大器和一个差分电流模式下混频器。单端跨导低噪声放 大器包含一个m o s 管、两个电容、两个电感。栅源之间并联的电容能减小栅极匹 配电感的取值。电流模式下混频器由四个开关电流镜组成，调节开关电流镜输入 输出管宽度的比值能增加混频器的增益，从而增加整个接收机前端的增益。提出 的电流模式射频接收机前端电路工作电压为l v 。该接收机通过c h a r t e r e d0 1 8 9 m c m o s 艺进行流片。整个电流模式射频接收机前端低噪声放大器和混频器部分测 量增益l7 4 8d b 、输入三阶互调点( i i p 3 ) 7 0 2d b m 。总的噪声系数4 5d b 、功耗 1 4 m w 。本论文提出的电流模式低噪声放大器和混频器不需要常规电压模式低噪 声放大器和混频器中电压与电流的相互转换电路。相对于折叠型的低噪声放大器 和混频器，本设计的增益更大。相对于电流镜耦合型的低噪声放大器和混频器， 本设计具有更低的工作电压。 要实现低成本的单片集成设计，意味着射频收发机要采用零中频或低中频的 结构。本设计采用结构简单的零中频结构，这要求接收机中振荡器为正交振荡器 实现镜像抑制和解调。本论文提出正交振荡器采用二次谐波电容耦合的方式实现 正交输出。其优点是在耦合的过程中不增加额外的噪声和功耗。另外作为耦合器 博f ：学位论文 件的电容在射频集成电路中易于实现，并且所占芯片面积不大。为了实现低电压 设计，本论文中被耦合的振荡器采用折叠结构实现。本论文提出的折叠型负阻l c 正交振荡器具有很好的相位噪声性能。在距离中心频率1 0 0k h z 处相位噪声为 一9 4 1 4d b c h z ，在距离中心频率1m h z 处相位噪声为一1 2 2 9d b c h z 。整个正交 振荡器的工作电压为0 8v ，振荡器的直流偏置为7 4m a 。该振荡器适用于要求 低电压低相位噪声的应用。 关键词：电流模式；开关电流镜；电容耦合 i l l 电流模式射频接收机前端设计 a bs t r a c t t h ed e m a n do fl o wc o s t ，l o wp o w e ra n ds m a l ls i z ec i r c u i t sh a sb e e ni n c r e a s i n g w i t he x t e n s i v er e s e a r c h e so nt r a n s c e i v e r sa r c h i t e c t u r ea n dr fc i r c u i t d e s i g n ， e s p e c i a l l yi nb l u e t o o t ha n d8 0 2 11w l a na r e a s f u r t h e r m o r e ，l n a ，m i x e r ，o s c i l l a t o r a r et h ee s s e n t i a l b u i l d i n g b l o c k so fm o d e r nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s f o ra c o n v e n t i o n a lv o l t a g em o d el n aa n dm i x e r , t h el n ai n p u tf e tc o n v e r t st h e i n c o m i n gs i g n a li n t oc u r r e n t ，w h i c ht h e nb e c o m e sav o l t a g ea c r o s st h el o a d t h i s v o l t a g ed r i v e st h et r a n s c o n d u c t a n c ei n p u to ft h em i x e r , w h i c ho n c ea g a i nc o n v e r t st h e s i g n a l i n t o c u r r e n t f i n a l l y , t h em i x e rd i f f e r e n t i a lp a i r sc o m m u t a t et h i sc u r r e n t ， t r a n s l a t i n gi ti nf r e q u e n c y , t ob er e a do f fa tt h em i x e ro u t p u ta sv o l t a g e w ec a ns e e ， t h ei v ( t r a d i t i o n a ll n ao u t p u t ) a n dv - i ( g i l b e r tm i x e ri n p u t ) c o n v e r s i o na r e u n n e c e s s a r y v o l t a g em o d ec i r c u i t so p e r a t ew i t hh ig hi m p e d a n c en o d e ss u c ht h a tv o l t a g e s w i n g sa r el a r g e h e r e ，w ep r o p o s eac u r r e n tm o d er ff r o n te n dp r o c e s s i n go fc u r r e n t s i g n a l c u r r e n tm o d ea p p r o a c hh a ss o m ea d v a n t a g e s ，s u c ha se x t e n d e db a n d w i t h ，e a s e o fa d d i t i o n ，s u b t r a c t i o na n dm u l t i p l i c a t i o no fs i g n a l s ，s i m p l ec i r c u i ts t r u c t u r e ，h i g h e r d y n a m i cr a n g e ，s u i t a b i l i t yo fo p e r a t i o ni nr e d u c e dp o w e rs u p p l ye n v i r o n m e n t ，l o w p o w e rc o n s u m p t i o n ，l o wv o l t a g eo p e r a t i o n ，m i c r o - m i n i a t u r i z a t i o n i nt h i sp a p e rw eh a v ed e s i g n e dt h ec u r r e n tm o d el n aa n dm i x e ri n t e g r a l l ya sa w h o l e i tc o n t a i n sad i f f e r e n t i a lt r a n s c o n d u c t a n c el o wn o i s ea m p l i f i e r ( g b m b l n a ) a n dad i f f e r e n t i a lc u r r e n t - m o d ed o w nc o n v e r t e dm i x e r t h es i n g l e t e r m i n a lo ft h e g m l n aj u s tc o n t a i n so n em o s t r a n s i s t o r ，t w oc a p a c i t o r sa n dt w oi n d u c t o r s t h e g a t e s o u r c es h u n tc a p a c i t o r sm a k et h eg a t ei n d u c t a n c el b gl ，2 bt ob ec h o s e nv e r y s m a l lv a l u e t h ec u r r e n t - m o d em i x e ri sc o m p o s e db yf o u rs w i t c h e dc u r r e n tm i r r o r s a d ju s t i n gt h er a t i oo ft h ed r a i nc h a n n e ls i z e so ft h es w i t c h e dc u r r e n tm i r r o r sc a n i n c r e a s et h e g a i no ft h em i x e r ，a n di n c r e a s et h eg a i no fr fr e c e i v e rf r o n t - e n d a c c o r d i n g l y t h i sr ff r o n t - e n do p e r a t e su n d e r1vs u p p l yv o l t a g e t h er e c e i v e rr f i c w a sf a b r i c a t e di nac h a r t e r e d0 18 1 a mc m o sp r o c e s s t h ei n t e g r a t e dr fr e c e i v e r f r o n t e n dh a sam e a s u r e dp o w e rc o n v e r s i o ng a i no f17 4 8d b ，a ni n p u tr e f e r r e d t h i r d o r d e ri n t e r c e p tp o i n t ( i i p 3 ) o f 一7 0 2d b m t h et o t a ln o i s ef i g u r ei s4 5d ba n d t h ep o w e ri so n l y14 r o w t h i sw o r kd o e s n tn e e dt h ei - va n dv - ic o n v e r s i o nu s e di n c o n v e n t i o n a ll n aa n dm i x e rc o u p l e db yv o l t a g e c o m p a r e dt of o l d e dl n aa n dm i x e r ， t h eg a i no ft h i sw o r ki sb i g g e r c o m p a r e dt ot h el n aa n dm i x e rc o u p l e db yc u r r e n t l v 博 j 学位论文 m i r r o r ，v o l t f i g es u p p l yo ft h i sw o r ki sl o w e r t h ed e v e l o p m e n to f s i n g l e c h i p r fc i r c u i t si sd e s i r a b l et oe n a b l e i m p l e m e n t a t i o n sa tl o wc o s t t h ef u l li n t e g r a t i o no ft r a n s c e i v e r si m p l i e st h eu s eo f l o wi n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y ( i f ) o rz e r o - i fa r c h i t e c t u r e st h a tr e q u i r eq u a d r a t u r el o c a l o s c i l l a t o r ( l o ) s i g n a l sf o ri m a g er e j e c t i o na n dd e m o d u l a t i o n t h eq u a d r a t r eo s c i l l a t o r ， i nt h i sw o r k ，u s e st h es u p e r h a r m o n i ec a p a c i t o rc o u p l i n gm e t h o d i th a st h ea d v a n t a g e t h a tn oe x t r an o i s es o u r c e sa n dp o w e rc o n s u m p t i o na r ei n t r o d u c e dt ot h ec i r c u i ti nt h e c o u p l i n gp r o c e s s w h a t sm o r e ，t h ec o u p l i n gc a p a c i t o ri se a s yt ob ei m p l e m e n t e di n r fi n t e g r a t e dc i r c u i tw i t hs m a l ld i ea r e a t o g e tl o ws u p p l yv o l t a g e ，c o u p l e d o s c i l l a t o r sa r ef o l d e d t h e f o l d e d t y p eq u a d r a t u r el co s c i l l a t o rh a sa c h i e v e d e x c e l l e n tn o i s ep e r f o r m a n c e t h ep h a s en o i s eo f f s e t10 0k h zf r o mt h ec a r r i e ri s - 9 4 1 4d b c h za n do n l y 一1 2 2 9d b c h zo f f s e t1m h zf r o mt h ec a r r i e r t h ec i r c u i t d r a w so n l y7 4m af r o ma0 8 - vs u p p l yf o ra p p l i c a t i o n sr e q u i r i n gl o wp h a s en o i s e a n dl o ws u p p l yv o l t a g e k e yw o r d s ：c u r r e n tm o d e ；s w i t c h e dc u r r e n tm i r r o r ；c a p a c i t o rc o u p l i n g v 电流模式射频接收机前端设计 目录 学位论文原创性声明及学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i v 第l 章绪论l 1 1 射频集成电路的发展1 1 2 电流模式设计方法的发展2 1 3 电流模式射频接收机的研究现状3 1 4 第2 章 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 第3 章 1 3 1 电流模式低噪声放大器的研究现状3 1 3 2 电流模式混频器的研究现状4 1 3 3 正交振荡器的研究现状5 1 3 4 电流模式射频接收机前端的研究现状7 本论文研究内容和结构8 射频接收机前端设计的基本理论9 射频接收机前端的性能参数9 2 1 1 灵敏度9 2 1 2 噪声9 2 1 3 失真13 2 1 4 动态范围l5 2 1 5 功率增益1 5 射频接收机的系统结构1 7 2 2 1 超外差接收机1 7 2 2 2 零中频接收机一1 8 2 2 3 低中频接收机1 9 系统级联分析2 0 2 3 1 系统级联后的功率增益一2 0 2 3 2 系统级联后的噪声系数2 2 2 3 3 系统级联后的互调点2 3 阻抗匹配2 4 2 4 1 阻抗匹配的重要性2 4 2 4 2 阻抗匹配方法2 6 c m o s 简介3 0 电流模式射频接收机前端电路结构3 3 博 ：学位论文 3 1 电流模式射频接收机整体结构3 3 3 2 电流模式射频接收机前端单元电路3 4 3 2 1 电流模式低噪声放大器和混频器3 4 3 2 2 折叠型负阻l c 正交振荡器3 7 3 3 本章小结3 7 第4 章电流模式低噪声放大器和混频器设计3 9 4 1 电流模式l n a 设计3 9 4 1 1 电流模式l n a 的阻抗匹配4 0 4 1 2 电流模式l n a 的噪声分析4 l 4 1 3 双输入四输出电流模式低噪声放大器4 4 4 2 电流模式混频器设计4 4 4 2 1 开关电流镜4 5 4 2 2 电流模式混频器4 9 4 2 3 电流模式混频器开关管的偏置5 0 4 2 4 电流模式混频器混频的实现5 2 4 2 5 电流模式混频器的噪声分析一5 3 4 3 电流模式低噪声放大器和混频器的耦合一5 5 4 4 电流模式l n a 和混频器的仿真结果5 7 4 4 1 瞬态仿真5 7 4 4 2s 参数仿真5 8 4 4 3 噪声仿真一5 9 4 4 4 线性度仿真6 1 4 5 本章小结6 4 第5 章折叠型负阻l c 正交振荡器设计6 6 5 1l c 振荡器6 7 5 2 折叠型负阻l c 正交振荡器7 1 5 2 1 低电压设计7 l 5 2 2 电流偏置7 2 5 2 3 二次谐波7 3 5 2 4 正交输出7 5 5 2 5 参数设置7 6 5 2 6 噪声分析7 8 5 3 本章小结7 9 第6 章版图设计和芯片测量8 0 6 1 版图设计的一般技巧8 0 v l l 电流模式射频接收机前端设计 6 2 正交振荡器版图设计8 3 6 3 l n a 和混频器版图设计一8 4 6 4 芯片测量8 5 6 4 1l n a 和混频器测量8 8 6 4 2 正交振荡器测量8 9 6 5 本章小结9 0 第7 章 总结9l 7 1 本论文的工作总结91 7 2 未来工作的展望一9 2 参考文献9 3 致谢l0 2 附录攻读博士期间所发表的文章：1 0 3 v l l i 博l j 学位论文 第1 章绪论 射频接收机前端设计要考虑诸多方面的问题，首先我们要考虑到射频集成电 路的不断发展给射频接收机设计带来了哪些新的设计要求；其次，本论文提出采 用电流模式的方法设计射频接收机前端，所以电流模式设计方法的优势和它在射 频接收机设计中的具体应用也是我们关注的重要内容。本章主要对这三个方面进 行综述。 1 1 射频集成电路的发展 现如今无线通信产品已经渗透到了人们生活的方方面面，其中包括各式各样 的电子产品和日常必需的电子工具【l q l l 。这些产品分布在很多领域，例如工作在 1 5 g h z 频段的g p s ( 全球定位系统) 、工作在9 0 0 m h z 和2 4 g h z 频段的r f i d ( 无 线射频识别) 以及工作在2 4 g h z 和5 g h z 频段的w l a n ( 无线局域网) 等。 2 4 g h z 无线局域网( w l a n ) 发展非常迅猛，很快进入了消费市场。w l a n 的 标准非常灵活，具有可重构性，这使得它能广泛应用于办公楼、医院、工厂等场 所，其速率可以达到几兆至几十兆比特每秒l l 引。本论文中，2 4 g h z 频段被选作 研究电流模式射频接收机的工作频段。 近年来，随着深亚微米工艺技术的不断发展，c m o s ( 互补金属氧化物半导体1 管的特征频率和最大振荡频率得到明显的增加，这样使采用c m o s 工艺实现射频集 成电路成为可能。由于其低成本及易于和数字电路集成的特性，使得c m o s 工艺非 常适合大规模生产高集成度的射频集成电路，特别适合应用于无线局域网、全球定 位系统、手机等个人无线通信领域【l 引。无线收发机的发展趋势是成本更低、功耗更 小、体积更小。基于c m o s 工艺能将射频电路和数字电路集成在同一块芯片上实现的 特点，它几乎成为了实现上述三个目标的单片集成方案的最合适的工艺选择【1 2 1 4 】。 随着c m o s 器件尺寸不断缩小，设计的集成电路的供电电压的不断降低，采 用传统电路拓扑结构设计的电路的电压裕度越来越小，这导致了射频集成电路性 能的严重恶化。为了克服电压裕度的限制，大量c m o s 射频集成电路低电压技术 的研究工作已经展开。 普遍采用的一种低电压技术就是采用折叠级联结构。它的主要思想是把直流 和交流都串联的电路连接方式改为直流独立、交流级联的连接方式。这种电路拓 扑结构的最大缺陷是为了保证交流级联，两级电路分别需要一个交流高阻单元， 这部分一般采用电感实现，因为电感不需要占用直流电压，但对交流而言呈高阻 特性。该方法的缺点是，单级电路变两级电路，增加了电路的电流消耗。 电流模式射频接收机前端设计 另一种普遍采用的低电压低功耗技术就是采用互补偿型电流复用结构【l 引。它 的主要思想是让互补偿的n m o s 和p m o s 共享偏置电流，n m o s 和p m o s 都采 用栅源电压进行直流偏置，这样既保证了低电压工作，又共享了直流电流，实现 了低电压和低功耗的双重目的。更值得一提的是，在这种结构中如果把n m o s 单 元的交流输出通过电容耦合到p m o s 单元的交流输入，就实现了双级放大的目的。 该方法需要使用多个级间电感进行匹配。 第三种常用低电压技术就是采用变压器进行交流耦合【1 6 18 1 。这样以混频器为 例，就可以把跨导单元和电流换向单元分离开来，分别直流偏置，很明显可以降 低整个电路的供电电压。 前面提到的三种低电压技术都有一个缺点，就是需要增加额外的电感。但是 电感在集成电路中难以实现，并需要占用大量的芯片面积。 1 2 电流模式设计方法的发展 现如今，c m o s 工艺不断发展，m o s 管的阀值电压和供电电压不断降低，这 给电压模式电路带来了巨大的影响。具体来说，信号的动态范围变小了，低噪声 容限变小了。随着供电电压的降低、操作速度的提升，加上近年来，通信、计算 机特别是超大规模集成电路技术迅猛发展，不管是工业界还是学术界，电流模式 的电路设计方法逐渐兴起，成为了微电子学、射频集成电路等领域的研究热点之 一f 1 9 啦】。对于电流模式电路而言，电路中信号由支路电流表示，而电压模式电路 中采用节点电压表示信号。 4 0 多年以前，电流模式电路的概念就已经提出来了【2 6 ，2 8 】，但是这些年来，电 压模式电路受到了更多的关注，得到了更广泛的应用。其原因主要在于：( 1 ) 在不 改变电路拓扑结构、不影响电路的操作的前提下，节点电压很容易测量；而支路 电流测量起来就不那么方便了，经常需要对电路的配置进行一些改变或者添加一 些辅助电路。( 2 ) 对于m o s 管来说，从栅极看过去阻抗极高，从而被作为实现电 压模式电路的理想器件。( 3 ) 以前工艺不发达的时候，所有电路的供电电压都很高， 低电压设计自然不会成为大家关注的问题。( 4 ) 当供电电压比较高的时候开关噪声 也不是很严重的问题。( 5 ) 低速电路设计对节点充放电时间长短的要求也不高。 相对于电压模式电路而言，电流模式电路具有很多特点：更小的节点时间常 数、更高的电流摆幅、更小的供电电压、更小的失真、对开关噪声更低的敏感度、 很小的输入阻抗、很高的输出阻抗等。 到目前为止，采用电流模式方法设计出来的基本模拟电路主要有：电流镜、 电流传输器、跨导运算放大器( o t a ) 等电路。其中第一代电流传输器应该可以算 是第一个理想的电流模式电路。第一代电流传输器一般用符号c c i ：i ：表示。此电流 传输器具有三个端口：输入端口、控制端口、输出端口。输入端口和控制端口电 博：卜学位论文 压相等、电流相等，输出端口电流大小跟随输入端口电流大小。该电流传输器符 合理想电流模式电路的特点，从输入端口和控制端口看过去，阻抗为零，从输出 端口看过去，阻抗无穷大。为了实现的方便，后来对第一代电流传输器进行了很 多的改进，例如把控制模式从电流控制改为电压控制而得到的第二代电流传输器 等。这些电流模式基本电路已经开始广泛应用于有源滤波器、阻抗转换、测量放 大器和振荡器设计等低频领域。 1 3 电流模式射频接收机的研究现状 在射频接收机的研究与设计中，电流模式的设计方法还没有被广泛采用。在 已有的电流模式射频接收机电路中，全电流模式方法设计的电路更是少见。本论 文提及的电流模式电路是广义的电流模式电路。这意味着一个单元电路的某些部 分采用电流模式方法进行优化设计，我们也称之为电流模式电路。本论文研究的 是电流模式射频接收机前端电路，一个射频接收机前端包含三个主要的电路模块： 低噪声放大器、混频器、振荡器。接下来我们从电流模式低噪声放大器、电流模 式混频器、正交振荡器、电流模式射频接收机前端四个方面对电流模式射频接收 机的研究现状进行综述。 1 3 1 电流模式低噪声放大器的研究现状 电流模式l n a ( 低噪声放大器) 一般包括控制部分、输入部分、输出部分三个 部分。现有的电流模式低噪声放大器主要有如下三类：一是控制变量为电流的电 流模式低噪声放大器，即低噪声放大器控制电路采用电流模式方法进行设计；二 是输入变量为电流的电流模式低噪声放大器，这种结构的低噪声放大器一般采用 共基放大器或者共栅放大器；三是输出变量为电流的电流模式低噪声放大器，即 低噪声放大器与下级电路之间的耦合环节采用电流模式的设计方法进行设计。 1 ) 控制变量为电流的电流模式l n a 在文献l j 卅中，l i n il e e 、s s j a m u a r 等提出了一种可变增益电流模式l n a 。 该低噪声放大器的主体结构为常规的电压模式低噪声放大器。采用源简并电感的 跨导输入结构可以得到较好的低噪声性能；l c 谐振腔的输出负载结构保证了低 噪声放大器的较高增益；共源共栅结构又实现了输入输出的很好隔离。该低噪声 放大器的增益控制部分采用电流控制的方法，不需要改变供电电压。在低电流的 情况下获得了高的增益。但是对于l n a 本身来说它还是一个电压输入电压输出 的单元电路，不能实现电流模式电路整体低电压设计的目标。 2 ) 输入变量为电流的电流模式l n a 在文献【3 4 j 中，k e v i nw k o b a y a s h i 采用了发射极为输入端的共基输入型l n a ， 该结构的低噪声放大器在实际应用当中，最小噪声大概在3 d b 左右。 3 电流模式射频接收机前端设计 在文献【3 5 3 7 】中，共栅输入的电流模式l n a 被采用，由于共栅输入的m o s 管 就是一个电流增益为1 的电流放大器，并且其阻抗匹配很容易实现，一般用于超 宽带设计，对于窄带应用而言，噪声相对来说有点大，另外其电流增益太小。 文献【3 8 】中，a n t o n i ol i s c i d i n i 等提出了变压器反馈型共栅输入l n a ，电流增 益大于l ，具体方法是将变压器的两个电感线圈分别设置在共栅输入管的源极和 漏极，漏源偏置电流依次从两个线圈的同名端和非同名端流入，射频输入电流从 输入m o s 管源极和源极电感之间注入，如此形成一个正反馈电路。但是变压器 不易于集成实现，并且需要占用较大的芯片面积。 不管是否加入变压器形成正反馈电路，此类电流模式低噪声放大器一般都需 要采用两级放大的方法提高整体增益。这种方法需要增加额外的级间匹配电路和 二级功耗。另外，作为射频接收机核心模块的第一级电路，首要要求就是尽量降 低噪声，这就要求我们必须采用跨导输入结构。 3 ) 输出变量为电流的电流模式l n a 在文献【3 9 1 中，g a u r a vc h a n d r a 提出了一种电流模式低噪声放大器。该放大器 采用常规的共源共栅结构，其跨导的输出电流不转化为电压而直接耦合到混频器 作为混频器的输入电流。这一类型的l n a 面临的困境就是对于后级的混频器来 说，电流的直接输入没有经过跨导的二级放大，其混频器部分的增益会比较小， 所以采用此类结构，其输出电流部分应重新设计，改善电流增益。同时，为了实 现电流耦合，该低噪声放大器必须提供交流高阻负载，而此负载一般为电感，芯 片面积随之明显增大。 1 3 2 电流模式混频器的研究现状 前面我们根据电流模式方法应用的部位不同对电流模式低噪声放大器进行了 分类。从广义的电流模式来讲，电流模式混频器的研究更深入，已经出现了根据 不同原理设计的电流模式混频器。这些混频器主要有四类：其一，根据常规g i l b e r t 混频器进行简单改造而成的电流模式g i l b e r t 混频器；其二，采用具有混频功能的 电流模式单元电路组合而成的基于乘法器的混频器；其三，本振电流注入的并联型 混频器；其四，类似于电压模式无源混频器的横向换流型电流模式无源混频器。 1 ) 电流模式g i l b e r t 混频器 g i l b e r t 混频器是一种很常见的混频器，广泛应用于电压模式电路。但是 g i l b e r t 混频器本质上属于电流换向有源混频器，所以只要将其输入或者输出改为 电流信号，就变成了一个电流模式的混频器【4 0 。4 2 1 。此类型的混频器可以称之为半 电流模式混频器。此类混频器存在与电流模式射频接收机其它电流模式模块的接 口问题。另外常规模式的g i l b e r t 换流混频器具有纵向叠加的跨导级、开关级、负 载级的三层电路结构，难以实现低电压设计。 4 博上学位论文 2 ) 基于乘法器的混频器 在文献1 4 3 j 中，一种基于m o s 管在饱和工作状态下平方特性的乘法器电路被 k l a a sb u l t 和h a n sw a l l o n g a 提出，乘法器的平方特性很适合用来实现信 号的混频。在文献【4 4 】中， w e n c h i e hw a n g 依据此乘法器电路设计了一个 1 v - 2 3 g h z 低电压低功耗电流模式的发射机。该发射机的核心模块低噪声放大器 和混频器属于全电流模式设计。低噪声放大器部分，它采用了电流镜实现，但是 文中并没有对放大器的低噪声设计进行详细描述；该发射机的上混频器部分主要 由四个电流平方电路组成，混频后的信号通过电感耦合的方式单端输出电流信号。 至于混频需要的本振电流信号则由常规负阻l c 振荡器通过电压电流转换电路实 现。这种方案的最大缺陷就是本振和射频输入直接接到一起，必然存在很严重的 本振泄露现象，而本振泄露在零中频接收机结构中是要尽量避免的。并且在电路 中采用了多个变压器，增加了电路的设计难度和实现成本。目前尚未发现有用此 方案设计的射频接收机下混频电路。 3 ) 并联型混频器 在文献【45 ，4 6 j 中，所提出的电流模式混频器的本振和射频输入都为电流。文中 混频器电路结构与常规g i l b e r t 混频器有点类似，只是，射频电流输入没有采用跨 导输入结构而采用电流直接注入的方法，另外本振输入电路与混频部分平行分布， 通过电流镜原理影响混频模块各m o s 管的电流。如此一来，输出电流随着直接 注入的射频电流和本振输入电流的变化而周期变化，最终实现了混频功能。整个 电路结构为并联型结构，工作电压较低，但是这种混频器的增益也比较小。另外， 整个电路仍然为三层电路结构，输出端还采用了无源负载( 将带来额外的噪声) ， 如此一来，整个电路的供电电压就不能设计得太低。 4 ) 电流模式无源混频器 在文献【47 ，4 3 】中采用的混频器为电流模式无源混频器。电流模式无源混频器的 原理跟常规g i l b e r t 混频器的原理类似，同样是通过换流实现混频。但是电流模式 无源混频器是横向换流，而常规g i l b e r t 混频器是纵向换流，所以文中电流模式混 频器模块的供电电压比常规g i l b e r t 混频器的要低。横向的换流需要前级电路提供 电流输出，文中采用一般的电容直接耦合结构，这样必然跟常规电压模式无源混 频器一样，具有两个无源混频器的缺点：i ) 所需本振信号功率大；i i ) 没有混频增益。 1 3 3 正交振荡器的研究现状 对振荡器电路而言，采用电流模式方法设计的振荡器电路主要有两类：环形 振荡器和包含电流传输器的振荡器。以电流传输器为主要模块的电流模式振荡器 的工作频率一般都比较低，不适用于射频集成电路。电流模式环形振荡器一般采 用基本电流镜或者差分电流镜取代电压模式环形振荡器里的延时单元设计而成。 电流模式射频接收机前端设计 这样的设计方法并没有从根本上解决环形振荡器相位噪声差的缺点。 本论文提出的电流模式射频接收机前端采用零中频结构。对于零中频结构的 收发机而言，正交振荡器是一个很重要的组成部分。实现j 下交振荡器的方法基本 上有四种：1 ) r c c r 网络法；2 ) 振荡器加除法器法；3 ) 环形振荡器法；4 ) 耦合型 负阻l c 振荡器法。 r c c r 网络法非常简单，一个电压信号分别经过r c 串联支路和c r 串联支 路分压，那么r c 串联支路上电容c 分得的电压和c r 串联支路上电阻r 分得的 电压之间相位正好相差9 0 度。但是要保证这两个分压在幅度上相等就必须保证两 条支路的r c 乘积相等。如果采用r c c r 网络的方法，由于工艺的局限，r c 乘 积容易发生变化导致产生理想正交信号的频率点也会发生变化，故不常采用。除 法器的方法采用主从触发器对占空比为百分之五十的信号进行分频，需要振荡器 工作在两倍期望频率处，增加了设计难度，也不是最佳选择。 环形振荡器的最大优点就是此方法属于无电感设计，设计的振荡器具有面积 小、成本低的优点【4 9 1 。要采用环形振荡器实现正交差分输出，方法也很简单。理 论上，只需要环形振荡器中延时单元的个数为四个，就能产生正交输出【4 9 ，5 们。要 实现差分输出的话也只需采用差分的延时单元即可。 正交环形振荡器由四个差分延时单元构成。其缺点是差分的延时单元往往需 要采用c m l ( 电流模式逻辑电路) 延时单元，这需要一个稳定的电流偏置，而单端 c m o s 反相器型延时单元只在开关的瞬间有功耗，也就意味着c m l 具有更大的 功耗。如果采用单端延时单元，引入前向反馈，能增加振荡器的振荡频率，同时 得到四路差分正交输出【5 l 5 2 j 。 不管是采用四级差分延时单元结构还是单端反相器加前向反馈结构，环形振 荡器的本质缺陷都没有消除。那就是因为没有l c 谐振网络，环形振荡器的相位 噪声比较高。 耦合型负阻l c 振荡器，是射频集成电路中实现正交振荡器最常用的方法。 其耦合方法，主要有晶体管基频电流注入耦合【5 3 ，5 4 1 、二次谐波差分耦合两类【5 5 。5 7 】。 晶体管基频电流注入耦合需要额外的晶体管产生基频信号实现两个相同负阻 l c 振荡器之间的反向耦合。该方法的缺陷在于额外的耦合晶体管的加入，给振 荡器电路引入了额外的功耗和噪声。二次谐波差分耦合l c 正交振荡器可以解决