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(lái)終將成為主流射頻收發(fā)器的CMOS射頻電路的體系結構和電路設計，設計實(shí)例將展示CMOS射頻電路的良好性能，并預示CMOS射頻集成電路取代砷化鎵和SiGe電路實(shí)現系統集成。

引言

　　根據今年國際固體電路年會(huì )的報告，集成電路(IC)的最大市場(chǎng)莫過(guò)于網(wǎng)絡(luò )設備，移動(dòng)電話(huà)和消費類(lèi)電子。中國已經(jīng)是IC第三大市場(chǎng)，潛在的市場(chǎng)令世人矚目，其中移動(dòng)電話(huà)用戶(hù)數量在世界上占第一位。藍牙技術(shù)是短距離無(wú)線(xiàn)控制和通信，無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)是近距離數據通信，移動(dòng)電話(huà)和全球定位系統是無(wú)線(xiàn)通信最主要應用市場(chǎng)。由于對信噪比和發(fā)送功率要求低，藍牙和無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)收發(fā)器已經(jīng)采用CMOS電路，但是用于移動(dòng)電話(huà)的無(wú)線(xiàn)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(shí)驗室的研究已經(jīng)達到了商用的性能，CMOS射頻電路在手機上的商用已經(jīng)清晰可見(jiàn)。

CMOS射頻收發(fā)器體系結構

　　傳統的射頻收發(fā)電路普遍采用超外差結構，這種成熟的體系結構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低中頻或直接轉換體系結構(如圖1所示)只需要采用一級混頻，同時(shí)能節省片外聲表面濾波器。但是直接轉換的體系結構需要克服直流失調等問(wèn)題。

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

CMOS射頻IC電路設計

　　采用直接轉換的CMOS射頻IC主要有低噪聲放大器、混頻電路、功率驅動(dòng)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載的設計，片上電感作為負載可以獲得較高的增益和頻率特性，為了抑制共模電平，差分結構的低噪聲放大器也經(jīng)常采用。國內已有CMOS混頻器報導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(xiàn)性度，在提高線(xiàn)性度方面，目前有人采用電感負載和共源極電流耦合輸入。功率驅動(dòng)電路一般會(huì )采用二級功率放大的電路(如圖4所示)，為了滿(mǎn)足不同射頻系統的需要和保證輸出功率，功率驅動(dòng)電路需要考慮增益控制電路和封裝、連線(xiàn)及引腳的分布參數。為了得到低噪聲時(shí)鐘和低相位噪聲的正交信號，采用片上電感和變容二極管的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分數分頻能夠進(jìn)一步降低VCO的相位噪聲。

設計實(shí)例

　　根據上述的電路選擇，本文分別設計了低中頻(2MHz中心頻率)體系結構和直接轉換的藍牙、無(wú)線(xiàn)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(shí)鐘產(chǎn)生電路，右下角是功率放大電路，右上角是復數濾波器。

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

 
參考文獻：

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’半導體學(xué)報，Vol.24,472,May 2003.