CMOS射频电路的发展趋势

根据今年国际固体电路年会的报告，集成电路(IC)的最大市场莫过于网络设备，移动电话和消费类电子。中国已经是IC第三大市场，潜在的市场令世人瞩目，其中移动电话用户数量在世界上占第一位。蓝牙技术是短距离无线控制和通信，无线局域网是近距离数据通信，移动电话和全球定位系统是无线通信最主要应用市场。由于对信噪比和发送功率要求低，蓝牙和无线局域网的无线收发器已经采用CMOS电路，但是用于移动电话的无线收发电路对信噪比要求高，目前商用的仍然采用双极电路和砷化镓电路。但是实验室的研究已经达到了商用的性能，CMOS射频电路在手机上的商用已经清晰可见。

CMOS射频收发器体系结构

传统的射频收发电路普遍采用超外差结构，这种成熟的体系结构需要采用二级混频和片外声表面滤波器，成本高。正在研发的CMOS低中频或直接转换体系结构(如图1所示)只需要采用一级混频，同时能节省片外声表面滤波器。但是直接转换的体系结构需要克服直流失调等问题。



图1 CMOS低中频蓝牙射频收发器系统结构

采用CMOS射频收发电路的最大优点是可以和基带处理器(数字电路)及A/D、D/A转换器(混合信号电路)集成于一个芯片。单片集成的含射频、基带及模数、数模转换电路使电路可靠性好，功耗低和成本低。单片集成CMOS无线通信电路是目前研究热点，正走上商业化。

CMOS射频IC电路设计

采用直接转换的CMOS射频IC主要有低噪声放大器、混频电路、功率驱动电路和频率综合电路等射频单元组成。在射频领域，我们更多注意的是功率传输和放大，其中低噪声放大器的电路图如图2所示。



图2 低噪声放大器线路图   

它的核心技术是输入阻抗匹配和输出负载的设计，片上电感作为负载可以获得较高的增益和频率特性，为了抑制共模电平，差分结构的低噪声放大器也经常采用。国内已有CMOS混频器报导采用吉尔布特乘法单元的混频电路如图3所示，混频器的性能主要是线性度，在提高线性度方面，目前有人采用电感负载和共源极电流耦合输入。功率驱动电路一般会采用二级功率放大的电路(如图4所示)，为了满足不同射频系统的需要和保证输出功率，功率驱动电路需要考虑增益控制电路和封装、连线及引脚的分布参数。为了得到低噪声时钟和低相位噪声的正交信号，采用片上电感和变容二极管的LC信频压控器(VCO)(如图5)及二分频正交信号产生器是一种好的选择。



图3 采用吉尔布特乘法单元的混频电路



图4 射频功放驱动电路和它的偏置电路  


  
图5 采用片上电感的LC压控振荡器   

采用倍频VCO可以减少射频信号对VCO的牵引和VCO对信号的泄漏。Sigma-Delta分数分频能够进一步降低VCO的相位噪声。

设计实例

根据上述的电路选择，本文分别设计了低中频(2MHz中心频率)体系结构和直接转换的蓝牙、无线局域网和WCDMA射频电路。图6是单片集成的CMOS射频收发电路芯片照片，芯片左上角是正交时钟产生电路，右下角是功率放大电路，右上角是复数滤波器。



图6 单片集成的CMOS射频发收电路芯片照片

本电路在深亚微米CMOS工艺线流片后，对各功能块进行测试，电路达到了设计的要求，能够满足蓝牙接收芯片必须的功耗和性能。