摘　要:本文设计了使用CMOS 工艺,单片集成的L 波段数字声广播(DAB) 接收机模拟前端。 接收机前端应用了三种方法来提高镜像抑制度:低中频双正交weaver 结构比一般的同相/ 正交( I/Q) 两路下变频结构具有更高的镜像抑制能力;镜像抑制低噪声放大器(LNA) 提供了额外的镜像信号抑制;具有相位和幅度校正功能的本振驱动器提供了更精确的正交本振信号。仿真显示接收机前端对镜像信号的抑制超过65dB ,其级联噪声指数为4dB ,输出三阶交调指数为22dBm。接收机前端使用TSMC 0.25μm CMOS 工艺制作,版图核心面积为9mm² ,目前正在测试中。

关键词:CMOS;射频;接收机前端;集成;低中频;weaver;镜像抑制;低噪声

　引言

数字声广播(DAB-Digital Audio Broadcasting) 是第三代广播系统,比调幅AM和调频FM广播具有更出色的性能。 它使用OFDM调制方式,信道带宽是1.536MHz。数字声广播具有4 种不同的体制,其中卫星数字声广播工作在L 波段(1452～1492MHz) 。一些文章设计了应用于卫星通信的分立接收机前端,而集成接收机前端将节省芯片面积,减少分立元件接口产生的噪声和干扰,并降低整体功耗。可是因为集成电路难以实现工作在高频率、具有高抑制能力的带通滤波器。因此集成接收机前端和传统的分立超外差接收机前端相比,其镜像信号抑制能力较差。一般集成接收机前端使用同相和正交两路变频将信号变换到基带,然后在数字域中利用有用信号和镜像信号不同的相位将它们分开。但I/Q 两路有限的匹配使得镜像信号的抑制只能达到35dB 左右。另一种方法是使用具有镜像抑制功能的weaver 结构,但它同样对电路的失配十分敏感。

本文设计了具有高镜像抑制能力的CMOS 集成接收机模拟前端,它使用正交weaver 结构克服电路失配对镜像信号抑制的影响。前端的低噪声放大器包括了一个梳状滤波器,进一步起到滤除镜像信号的作用。而本振驱动器中的校正电路则改善了从无源多项滤波器输出的本振信号的正交性。所有这些改进使得接收机前端能够提供65dB 的镜像信号抑制。本文第2 节详细描述了接收机前端的结构特点;第3 节讲述了各个单元电路的设计和仿真结果,包括低噪声放大器、双平衡混频器、本振驱动器、低中频低通滤波器和各级的变增益放大器;第4 节讨论了接收机前端自顶至下的设计方法,并给出了整体仿真结果;第5 节是文章的总结。

　接收机模拟前端结构

零中频接收机具有最好的集成度,但是它受到低频时变的直流失调信号和闪烁噪声(1/f noise) 的干扰。尽管目前已经提出了许多方法来克服这一缺点,但这需要额外的电路和更多的功耗,或者是信号低频信息的损失。如果将信号下变频到非零中频,那么就必须考虑混频造成的镜像信号和有用信号叠加的问题。低中频接收机经过一次变频直接将射频信号下变频到低中频,它对两路信号的失配十分敏感,只能提供有限的镜像抑制。Weaver 接收机虽然理论上可以完全抑制镜像信号,但实际的抑制度依赖于接收机两路信号增益和相位的匹配程度。所以无论是低中频接收机还是weaver 接收机,由于失配的存在,它们的镜像信号抑制都不高。

本文设计了用于L 波段的DAB 集成接收机前端,它使用双正交weaver 结构,如图1 所示。该结构对混频器和本振信号的幅度、相位失配都不敏感,因而具有更好的镜像抑制能力。输出信号位于低中频,从而避免了直流失调和闪烁噪声的干扰。

接收机前端的结构见图1 实线框内的部分。低噪声放大器放大射频信号,并且抑制有用信号相对于射频本振(第一本振信号) 的镜像信号(第一镜像信号) 。然后信号进行双正交下变频,射频信号先被下变频到160MHz 左右的第一中频,再到1.5MHz 的第二中频,如图2 中虚线框所示。接着低通滤波器选择出有用信号。接收机前端的各级中频变增益放大器总共可以提供100dB 以上的增益控制范围。它们起到降低后级电路输入信号动态范围,改善接收机噪声性能的作用。 本振驱动器包括高频放大器、无源多项滤波器和相位/ 幅度校正电路三个部分,用于产生正交射频本振信号。其输出经过8 分频得到中频本振信号。

射频接收信号先被下变频到160MHz 的第一中频。相应的镜像信号落在1.2GHz 左右,在这个频段不存在大功率的公用无线通信信号。另外,第一中频较高有利于使用接收机最前面的片外滤波器滤除位于射频本振频率的干扰信号和第一镜像信号。第一中频信号再经过下变频得到位于1.5MHz 的第二中频信号。 这个信号被滤波、放大直到输出。在中频混频器后的接收链路上并没有使用额外的电路来抑制相对于中频本振(第二本振信号) 的镜像信号(第二镜像信号) 。 这样做是因为有用信号和镜像信号在频域上距离很近,它们之间的功率差不会很大,所以接收机前端需要处理的信号动态范围增加不大,可以接受。而如果使用高阶的无源多项滤波器来实现镜像信号抑制。反而带来很大的插入损耗,还需要额外的增益补偿电路。有用信号和第二镜像信号的分离可以在数字域中实现。

　电路设计

为了降低接收机模拟前端中信号的偶次谐波失真,所有电路模块都使用了全差分设计。各个模块之间交流耦合,既克服了直流失调的传播,又可以各自使用不同的偏置电压。耦合电容和各级直流偏置电阻的大小经过仔细选择,以确定合适的高通拐点频率,避免影响电路的性能。

   镜像抑制低噪声放大器

镜像抑制低噪声放大器的电路如图2 所示,它包括两级电路。第一级是主放大电路,第二级实现镜像抑制功能。电压v - power 通过控制MOS 管的通断使放大器处于关断或正常工作状态。电压v - gain 控制放大器的增益, 增益范围在- 6～23dB 之间。 低噪声放大器的第二级包含梳状滤波器。M11～M14 管和电感L ,电容C1、C2 ,可变电容C3、C4 构成了陷波电路。其中电感L 和电容C1～ C4 构成串连谐振电路,谐振在第一镜像信号所处的频段,从而实现对镜像信号的抑制。可变电容C3 和C4 作为容性源级负反馈阻抗具有负阻特性,可以抵消串连谐振电路产生的损耗。电压v - fc 通过控制变容管电容的大小调整梳状滤波器的陷波频率。电压v - gc 通过改变流过M13 和M14 管的偏置电流的大小控制镜像抑制的程度。图3 是仿真得到的低噪声放大器增益特性曲线, 其中纵坐标是放大器的前向增益S21。在有用信号频段, 最大增益为23dB ; 在镜像信号频段, 镜像信号抑制都大于30dB , 最大可达52dB。低噪声放大器在最大增益时的噪声指数为2.05dB ,输入三阶交调点为- 13dBm。放大器使用2V 电源电压,静态电流为14.4mA。