CMOS射頻接收機(jī)系統(tǒng)與電路
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在過去幾年中，便攜式無線通信系統(tǒng)市場得到了快速增長，因而大大增加了對小型、輕便、便宜和更高性能的便攜式無線器件的需求。同樣，這種需求也驅(qū)動IC設(shè)計(jì)者改進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)射頻接收機(jī)IC的指標(biāo)是：低功耗、高靈敏度、寬動態(tài)范圍，同時盡量減少電路中片外無源組件的數(shù)量來降低成本。
CMOS技術(shù)很長時間以來一直是數(shù)字電路的主要器件然而隨著柵極長度的不斷縮小，CMOS在射頻集成電路（RFICs）中的應(yīng)用也越來越得到人們的重視。截止頻率fT是射頻集成電路中的重要參數(shù)，CMOS器件尺寸的按比例縮小可以大大提高截止頻率。隨著器件尺寸的縮小，電路消耗的電流也逐漸減小，因此，射頻接收機(jī)幾個主要組件，如低噪聲放大器LNAs、混頻器、壓控振蕩器（VCOs）等，正在逐漸用CMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)。采用CMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的電感、電容等無源元件的Q值性能的提高也使CMOS成為射頻應(yīng)用的可行方案。
本文主要討論目前無線裝置中接收機(jī)的幾種典型結(jié)構(gòu)，接收機(jī)的工作特性和其主要參數(shù)，最后介紹CMOS射頻接收機(jī)芯片的最新研究成果和未來射頻接收機(jī)設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢。
接收機(jī)的結(jié)構(gòu)
這部分描述了三種常見接收機(jī)結(jié)構(gòu)：外差式接收機(jī)、零差式接收機(jī)和象頻干擾抑制接收機(jī)（imagereject receivers），這三種結(jié)構(gòu)有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。當(dāng)設(shè)計(jì)一個射頻接收機(jī)電路時，結(jié)構(gòu)選擇的主要標(biāo)準(zhǔn)為，復(fù)雜性、成本、功耗和外部組件的數(shù)量等。在過去，外差式結(jié)構(gòu)主要用于設(shè)計(jì)便攜式設(shè)備，然而，隨著IC制程和技術(shù)的提高，其他的方法，如零差式結(jié)構(gòu)，也已成為解決設(shè)計(jì)難題的可靠的解決方法。
外差式接收機(jī)
外差式接收機(jī)結(jié)構(gòu)的簡單框圖，如圖1所示。從天線進(jìn)來的射頻信號首先通過帶通濾波器濾除不需要的帶外的信號。然后經(jīng)過低噪聲放大器（LNA），LNA可以抑制來自后級的噪聲。LNA的輸出信號由象頻干擾抑制濾波器來濾除象頻干擾。輸出的信號在被混頻器解調(diào)到中頻前，會有一個來自希望的信道信號的兩個中頻的偏差。因此，在通過解調(diào)和檢測來恢復(fù)信號前，用信道選擇濾波器在中頻進(jìn)行信道的選擇。
然而，這種單中頻電路會導(dǎo)致比較嚴(yán)重的靈敏度和選擇性之間的折衷。如果中頻足夠高，產(chǎn)生的映像信號會與所期望得到的信號偏離很大，并且容易被帶通濾波器的截止特性所抑制。然而，通道選擇濾波器要求很高的品質(zhì)因數(shù)Q（Q定義為中心頻率與3dB帶寬的比值），而設(shè)計(jì)具有較高Q值的濾波器比較困難。如果中頻較低，信道選擇會有比較寬松的要求，但是獲得適當(dāng)?shù)挠诚駢嚎s會變得比較難。圖2顯示了高中頻、低中頻的難題。
實(shí)際上，常常采用多級中頻混頻器來緩解靈敏度與選擇性之間的矛盾。例如，在一個雙中頻外差式接收機(jī)中，射頻信號首先下變頻成一個足夠高的中頻信號使得可以比較容易獲得映像的壓縮。然后，經(jīng)過第二級變頻得到比第一級中頻信號低的第二級中頻來滿足信道的選擇性要求。
零差式接收機(jī)
在零差式接收機(jī)或直接變頻接收機(jī)中，進(jìn)來的射頻信號經(jīng)過與具有相同高的振蕩器的輸出頻率混頻，直接變頻成基帶信號（零頻）。得到的基帶信號經(jīng)過低通濾波器選擇所期望的信道信號。零差式接收機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。
零差式接收機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是，進(jìn)來的射頻信號沒經(jīng)過中頻級而直接被下變頻成基帶信號（零頻），而沒有映像問題；另一個優(yōu)點(diǎn)是它的簡單性。由于零差式接收機(jī)不要求任何高頻帶通濾波器，而超外差式接收機(jī)為了得到適當(dāng)?shù)倪x擇性，常常需要片外高頻帶通濾波器，因此零差式接收機(jī)需要的外部元件較少。然而，零差式接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)問題比較突出。其主要缺點(diǎn)是，當(dāng)來自振蕩器的泄漏與本地振蕩器的信號相混頻時，就會使混頻器的輸出產(chǎn)生嚴(yán)重的支流偏差。這樣會使后面幾級產(chǎn)生飽和，影響信號的正常檢測過程。由于混頻器的輸出是一個基帶信號，很容易被混頻器的閃爍噪聲破壞，尤其進(jìn)來的射頻信號比較弱時。
象頻干擾抑制接收機(jī)
盡管外差式接收機(jī)中的映像可以通過用象頻干擾抑制濾波器濾除信號來得到抑制，象頻干擾抑制濾波器必須工作在高頻狀態(tài)，濾波器需要較好的截止特性，尤其在較低中頻的系統(tǒng)中使用時。正如前面所講，這樣對象頻干擾抑制濾波器的品質(zhì)因數(shù)提出了嚴(yán)格要求。為了簡化接收機(jī)的設(shè)計(jì)，采用象頻干擾抑制結(jié)構(gòu)。
一種類型的象頻干擾抑制接收機(jī)是Hartley結(jié)構(gòu)，模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。射頻信號首先與本地振蕩信號的正交位移相混頻。用一個低通濾波器濾波后，得到信號中的一個被相移90度。因此，兩個最終信號相加取消了映像帶，得到所期望的信號，然而，二者的差移走期望頻帶而選擇象頻干擾。這種結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是接收機(jī)受本地振蕩器信號的相位誤差的影響很大，引起取消象頻干擾不完整。而且，在Hartley結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)時，由于制程變化而引起的兩個信道的電阻和電容的失配，影響了取消象頻干擾的過程。
另一種類型的象頻干擾抑制接收機(jī)是Weaver結(jié)構(gòu)，如圖5所示。
Weaver結(jié)構(gòu)與Hartley結(jié)構(gòu)十分相近，但在其中一個信號路徑的fT度相移由兩個信號通道的混合所代替。與Hartley接收機(jī)十分相似，如果兩個本地振蕩器信號的相位差不是恰好90度，象頻干擾將得不到完全的抑制。
接收機(jī)的工作特性
為了更好的理解射頻接收機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選擇，一些標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)用來評價在相應(yīng)應(yīng)用中接受機(jī)的性能。對于所有的集成電路而言，除了功耗，一個射頻接收機(jī)由靈敏度和動態(tài)范圍來表現(xiàn)其性能。描述接收機(jī)靈敏度的一個參數(shù)是最小可檢測信號（MDS）。它與系統(tǒng)的帶寬和接收機(jī)的噪聲有關(guān)：
MDS（dBm）=-174dBm+10logBW+NF+SNR
式中BW代表整個系統(tǒng)的帶寬。NF是接收機(jī)噪聲系數(shù)，定義為輸出端總噪聲與由激勵源在輸出端產(chǎn)生的噪聲的比值。SNR是信噪比，在解調(diào)器或檢測器的輸入來獲得一個可接受的位錯率，典型值為10-3。
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