CMOS射頻接收機(jī)系統(tǒng)與電路
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關(guān)于接收機(jī)的動態(tài)范圍，有兩種動態(tài)范圍的定義：無寄生動態(tài)范圍（Spurious-free Dynamic Range，SFDR）和模塊化動態(tài)范圍（Blocking Dynamic Range，BDR），如圖6所示。SFDR是從噪聲基數(shù)到產(chǎn)生互調(diào)積等于噪聲功率的輸入功率的一段輸入信號范圍，而BDR是從噪聲基數(shù)到1dB壓縮點(diǎn)p-1dB的一段輸入功率范圍?；フ{(diào)積是由接收機(jī)組件的非線性引起的不需要的諧波，如低噪聲放大器和混頻器的非線性引起的諧波失真。在大多數(shù)射頻接收機(jī)中，三階交調(diào)點(diǎn)（IP3）是基本頻率組件增益曲線與三階諧波增益曲線的交點(diǎn)。在零拍系統(tǒng)中，偶數(shù)階失真是非常嚴(yán)重的FE1，二階交調(diào)點(diǎn)（IP2）也被詳細(xì)說明。1dB增益壓縮點(diǎn)對應(yīng)于線性增益壓縮到1dB時的輸入功率。上面的參數(shù)之間的相互聯(lián)系可以由下面方程給出：
因此，整個接收機(jī)的動態(tài)范圍由每一個單個的組件的噪聲系數(shù)和互調(diào)交點(diǎn)確定。例如，一個有三Cascade級的系統(tǒng)的Cascade噪聲系數(shù)和交點(diǎn)可以由下面兩個方程計(jì)算得到：
式中Avi代表第i級的增益，NFi表示第i級的噪聲系數(shù)，IIP3i代表第i級的三階交調(diào)點(diǎn)。
射頻接收機(jī)集成電路
如前所述，過去大部分蜂窩式無線電話采用超外差式結(jié)構(gòu)。然而，盡管零拍式接收機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單，但是因?yàn)槠渲绷髌屏康膯栴}很少被采用。由于一些新出現(xiàn)的應(yīng)用要求，特性和功能與過去的要求不同，零拍式結(jié)構(gòu)和一些其它的結(jié)構(gòu)正在變得更加利于實(shí)際的制作。在這部分，主要討論最近發(fā)表的三種不同的射頻接收機(jī)集成電路的例子。
第一個例子是一個2GHz寬帶WCDMA接收機(jī)。它是直接變頻接收機(jī)，結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示。
與調(diào)制方案（如二進(jìn)制頻移鍵控）不同，直流切口（DC notch）不能應(yīng)用于WCDMA便攜式系統(tǒng)中。然而，由于采用偽隨機(jī)的順序進(jìn)行擴(kuò)頻操作，一個信息位的損失在一個周期上僅為一個平均數(shù)，所以這樣一個寬帶擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)對直流組件的取消并不敏感。正如圖8中所示整個基帶電路帶有伺服系統(tǒng)反饋環(huán)，因此直流偏置并沒有被取消。雙邊帶噪聲系數(shù)為5.1dB，IIP3和IIP2分別為-9.5dB和B=+38dB。整個接收機(jī)的工作電壓是2.7V，工作電流是128mA。
第二個例子是一個雙頻帶CMOS接收機(jī)。它采用了Weaver象頻干擾抑制結(jié)構(gòu)，工作在900MHz和1.8GHz頻帶。圖9顯示了該接收機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖。從圖9中我們可以看到，它利用象頻干擾抑制接收機(jī)輸出信號的相加和相減來選擇信號頻帶高于中頻還是低于本地振蕩器的頻率。采用雙工機(jī)的兩個分立的設(shè)置、LNA 和第一級中頻混頻器來獲得兩個不同的信號工作頻帶。頻帶選擇控制有效的降低了功耗。第一級中頻混頻器的輸出經(jīng)過兩個帶通濾波器濾除不需要的信號，第二個混頻器產(chǎn)生I和Q基帶輸出。帶選擇控制通過相加或相減，選擇所希望得到的信號。由于第一級的中頻在900MHz和1.8GHz之間，在映像和有用信號之間的900MHz的帶寬允許對映像進(jìn)行實(shí)質(zhì)的抑制。該接收機(jī)的性能參數(shù)：在900MHz時，噪聲系數(shù)4.7dB，IIP3為8dB；在1.8GHz時， 噪聲系數(shù)4.9dB，IIP3為6dBm。工作電壓3V時， 整個接收機(jī)的功耗是75mW。
第三個例子是一個采用最小平均平方（LMS）校準(zhǔn)技術(shù)的象頻干擾抑制結(jié)構(gòu)接收機(jī)，該接收機(jī)采用Weaver結(jié)構(gòu)，工作在2GHz頻帶。接收機(jī)的組成框圖如圖10所示。
該種類型接收機(jī)采用了增益和相位校準(zhǔn)電路，如圖10所示。結(jié)構(gòu)中的LMS適應(yīng)電路可以調(diào)整第二級變頻的增益和相位，而不影響射頻混頻器或第一級的本地振蕩器。進(jìn)行校準(zhǔn)時，在射頻輸入端口加一個鏡象信號，調(diào)整系數(shù)W1、W2直到y(tǒng)（t）等于零。該接收機(jī)的性能參數(shù)：在2GHz時，噪聲系數(shù)5.2dB，IIP3為-17dB。工作電壓2.5V時，整個接收機(jī)的功耗是55mV。
圖10 采用最小平均平方校準(zhǔn)技術(shù)的象頻干擾抑制接收機(jī)的簡單框圖
未來的射頻接收機(jī)
隨著新的無線標(biāo)準(zhǔn)的引進(jìn)，如藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)和3G標(biāo)準(zhǔn)，未來的射頻接收機(jī)不僅需要處理聲音信號，而且需要以較高的比特率來處理大量的數(shù)據(jù)信號。為了滿足這些新應(yīng)用的要求，要求接收機(jī)具有高性能和更高的精確度，這樣給射頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)帶來許多挑戰(zhàn)。人們希望在同一芯片上具有集成多種標(biāo)準(zhǔn)的功能，這就要求來用具有成本效益，同時具有更高的集成度的方式采設(shè)計(jì)多標(biāo)準(zhǔn)、多頻帶接收機(jī)。正如前面的討論和射頻接收機(jī)集成電路的例子看到的一樣，減小片外組件的數(shù)量和芯片的面積需要做很多工作，并且正在努力對接收機(jī)的結(jié)構(gòu)和電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行新的創(chuàng)新來達(dá)到上面的目標(biāo)。
與當(dāng)前高頻領(lǐng)域中的III-V族、SiGe電路相比，CMOS充分利用Si技術(shù)的成熟、低成本特性，具有成本低、集成度高、技術(shù)成熟等特點(diǎn)。CMOS技術(shù)在保持系統(tǒng)性能不變的同時，降低高頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制作成本，因此正在得到廣泛研究和應(yīng)用。
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