CMOS射頻電路的發(fā)展趨勢

2004年8月A版

摘  要：本文介紹目前正在研發(fā)、將來終將成為主流射頻收發(fā)器的CMOS射頻電路的體系結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計，設(shè)計實例將展示CMOS射頻電路的良好性能，并預(yù)示CMOS射頻集成電路取代砷化鎵和SiGe電路實現(xiàn)系統(tǒng)集成。

引言

　　根據(jù)今年國際固體電路年會的報告，集成電路(IC)的最大市場莫過于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，移動電話和消費(fèi)類電子。中國已經(jīng)是IC第三大市場，潛在的市場令世人矚目，其中移動電話用戶數(shù)量在世界上占第一位。藍(lán)牙技術(shù)是短距離無線控制和通信，無線局域網(wǎng)是近距離數(shù)據(jù)通信，移動電話和全球定位系統(tǒng)是無線通信最主要應(yīng)用市場。由于對信噪比和發(fā)送功率要求低，藍(lán)牙和無線局域網(wǎng)的無線收發(fā)器已經(jīng)采用CMOS電路，但是用于移動電話的無線收發(fā)電路對信噪比要求高，目前商用的仍然采用雙極電路和砷化鎵電路。但是實驗室的研究已經(jīng)達(dá)到了商用的性能，CMOS射頻電路在手機(jī)上的商用已經(jīng)清晰可見。

CMOS射頻收發(fā)器體系結(jié)構(gòu)

　　傳統(tǒng)的射頻收發(fā)電路普遍采用超外差結(jié)構(gòu)，這種成熟的體系結(jié)構(gòu)需要采用二級混頻和片外聲表面濾波器，成本高。正在研發(fā)的CMOS低中頻或直接轉(zhuǎn)換體系結(jié)構(gòu)(如圖1所示)只需要采用一級混頻，同時能節(jié)省片外聲表面濾波器。但是直接轉(zhuǎn)換的體系結(jié)構(gòu)需要克服直流失調(diào)等問題。

　　采用CMOS射頻收發(fā)電路的最大優(yōu)點是可以和基帶處理器(數(shù)字電路)及A/D、D/A轉(zhuǎn)換器(混合信號電路)集成于一個芯片。單片集成的含射頻、基帶及模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路使電路可靠性好，功耗低和成本低。單片集成CMOS無線通信電路是目前研究熱點，正走上商業(yè)化。

CMOS射頻IC電路設(shè)計

　　采用直接轉(zhuǎn)換的CMOS射頻IC主要有低噪聲放大器、混頻電路、功率驅(qū)動電路和頻率綜合電路等射頻單元組成。在射頻領(lǐng)域，我們更多注意的是功率傳輸和放大，其中低噪聲放大器的電路圖如圖2所示。

　　它的核心技術(shù)是輸入阻抗匹配和輸出負(fù)載的設(shè)計，片上電感作為負(fù)載可以獲得較高的增益和頻率特性，為了抑制共模電平，差分結(jié)構(gòu)的低噪聲放大器也經(jīng)常采用。國內(nèi)已有CMOS混頻器報導(dǎo)采用吉爾布特乘法單元的混頻電路如圖3所示，混頻器的性能主要是線性度，在提高線性度方面，目前有人采用電感負(fù)載和共源極電流耦合輸入。功率驅(qū)動電路一般會采用二級功率放大的電路(如圖4所示)，為了滿足不同射頻系統(tǒng)的需要和保證輸出功率，功率驅(qū)動電路需要考慮增益控制電路和封裝、連線及引腳的分布參數(shù)。為了得到低噪聲時鐘和低相位噪聲的正交信號，采用片上電感和變?nèi)荻O管的LC信頻壓控器(VCO)(如圖5)及二分頻正交信號產(chǎn)生器是一種好的選擇。

　　采用倍頻VCO可以減少射頻信號對VCO的牽引和VCO對信號的泄漏。Sigma-Delta分?jǐn)?shù)分頻能夠進(jìn)一步降低VCO的相位噪聲。

設(shè)計實例

　　根據(jù)上述的電路選擇，本文分別設(shè)計了低中頻(2MHz中心頻率)體系結(jié)構(gòu)和直接轉(zhuǎn)換的藍(lán)牙、無線局域網(wǎng)和WCDMA射頻電路。圖6是單片集成的CMOS射頻收發(fā)電路芯片照片，芯片左上角是正交時鐘產(chǎn)生電路，右下角是功率放大電路，右上角是復(fù)數(shù)濾波器。

　　本電路在深亞微米CMOS工藝線流片后，對各功能塊進(jìn)行測試，電路達(dá)到了設(shè)計的要求，能夠滿足藍(lán)牙接收芯片必須的功耗和性能。

 
參考文獻(xiàn)：

1.  Yrjoe Neuvo，‘Cellular-Phones as Embedded Systems’ Proceeding of ISSCC 2004, PP. 32-37

2.  Chi Baoyong, Shi Bingxue,‘CMOS Mixers for 2.4GHz WLAN Transceivers’半導(dǎo)體學(xué)報，Vol.24,472,May 2003.