一种CMOS集成毫米波自匹配接收机前端电路

一种cmos集成毫米波自匹配接收机前端电路
技术领域
1.本发明涉及射频集成电路技术领域，具体为一种cmos集成毫米波自匹配接收机前端电路。


背景技术：

2.毫米波通信链路一般具备高的数据速率(多gb/s)而逐渐获得人们的兴趣和关注，它一般在30ghz～300ghz的频率范围内，有着极宽的频谱。本质上，高的数据速率，必然对应到足够大的带宽覆盖，另外，线性度与大带宽需求具有相同的重要性，因而，对于毫米波接收机前端电路而言，大带宽、好的线性度为最有挑战性的设计指标，此外，噪声、增益等性能指标也能达到适当水平，满足基本应用需求。
3.参见如下文献[1]给出了一款60ghz射频接收机前端电路，其优势在于通过优化mos管的宽长比来实现低的噪声系数，但该结构的带宽只有57～64ghz，而带内的iip3更差，只有-3dbm。
[0004]
再参见如下文献[2]中给出了一款二极管调谐的60ghz宽带接收机前端电路，其优势在于在耦合器和混频器之间插入低通型匹配电路且使用变容二极管来实现镜像抑制，从54ghz到66ghz(65ghz除外)，它以低于1.1db的增益衰减成本提供了3.1～21.4db的镜像抑制(irr)。整体的性能也不是很好，且带宽也只有几个g，其使用hemet工艺，无法和硅工艺片上集成，功耗高达278mw，使用场合十分局限。
[0005]
基于上述现有技术可知，以往技术报道都具有带宽狭窄的特点，不能满足毫米波的高速通信需求增长，进一步地，上述传统技术，在匹配设计上依赖第一级的低噪声放大器输入阻抗，工艺的偏差难免造成匹配的偏移，甚至对片外元器件的辅助匹配要求，另外，毫米波通信对于镜像抑制比、线性度要求也使得以往的技术不能胜任的问题。
[0006]
综上所述，为此，我们提出了一种cmos集成毫米波自匹配接收机前端电路。


技术实现要素：

[0007]
本发明的目的在于提供一种cmos集成毫米波自匹配接收机前端电路，解决了现有的问题。
[0008]
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种cmos集成毫米波自匹配接收机前端电路，包括：第一正交耦合器、第二正交耦合器、第一无源混频器、第二无源混频器、第一路第一级放大器、第一路第二级放大器、第二路第一级放大器、第二路第二级放大器、本振，以及输入端v
rf
、输入端lo
in
、、第一路信号、第二路信号、本振信号lo1、本振信号lo2；
[0009]
所述输入端v
rf
单端输入射频信号，所述输入端v
rf
连接第一正交耦合器的输入端in；所述第一正交耦合器的iso端连接电阻r1，所述电阻r1接地，所述第一正交耦合器的thru端连接第二无源混频器的输入端v
in2
，所述第一正交耦合器的coupl端连接第一无源混频器的输入端v
in1
；，
[0010]
所述输入端lo
in
单端输入本振信号，经过marchandbalun、匹配网络、传输线后产生
一对差分信号v
lo1
、v
lo2
，所述本振信号的输出端v
lo1
分别连接第一无源混频器的输入端lo1和第二无源混频器的输入端lo1，所述本振信号的输出端v
lo2
分别连接第一无源混频器的输入端lo2和第二无源混频器的输入端lo2。
[0011]
第一路信号经过第一无源混频器的输入端与输入本振信号lo1和本振信号lo2相乘，得到一个中频的电压信号；所述第一无源混频器的输出端v
o1
和输出端v
o2
均分别连接第一路第一级放大器的负输入端v
in5
和正输入端v
in6
，所述第一路第一级放大器的输出端v
o5
和输出端v
o6
均分别连接第一路第二级放大器的负输入端v
in9
和正输入端v
in10
，所述第一路第二级放大器的输出端v
o9
和输出端v
o10
分别连接第二正交耦合器的thru2和thru1；
[0012]
第二路信号经过第二无源混频器的输入端与输入本振信号lo1和本振信号lo2相乘，得到一个中频的电压信号；所述第二无源混频器的输出端v
o1
和输出端v
o2
均分别连接第二路第一级放大器的负输入端v
in3
和正输入端v
in4
，所述第二路第一级放大器的输出端v
o3
和输出端v
o4
均分别连接第二路第二级放大器的负输入端v
in7
和正输入端v
in8
，所述第二路第二级放大器的输出端v
o7
和输出端v
o8
分别连接第二正交耦合器的coupl2和coupl1；
[0013]
所述第二正交耦合器的输出端iso1和iso2均分别连接电阻r2和电阻r3的一端，所述电阻r2和电阻r3的另一端接地，所述第二正交耦合器的输出端vo1和vo2作为中频输出电压信号bb_i。
[0014]
优选的，所述第一正交耦合器和第二正交耦合器的结构相同，均包括：变压器t1、电容c1、电容c2；
[0015]
所述变压器t1的in端与电容c1的一端连接，所述变压器t1的coupl端与电容c1的另一端连接，所述变压器t1的iso端与电容c2的一端连接，所述变压器t1的thru端与电容c2的另一端连接。
[0016]
优选的，所述第一无源混频器和第二无源混频器的结构相同，均包括：nmos管m
n1
、nmos管m
n2
、电容c9、电容c
10
、电容c
28
、电阻r4、电阻r5、电阻r6；
[0017]
所述电容c
28
的一端接输入射频信号rfq，同样的，另一路重叠的输入端为rfi；所述电容c
28
的另一端与电阻r4的一端和nmos管m
n1
的源端和nmos管m
n2
的源端连接，所述电阻r4的另一端接偏置直流电压v
rfdc
；所述nmos管m
n1
的栅端与电阻r6的一端和电容c9的一端连接，所述电阻r6的另一端接偏置直流电压v
lodc1
，所述电容c9的另一端接本振信号lo
p
；所述nmos管m
n2
的栅端与电阻r5的一端和电容c
10
的一端连接，所述电阻r5的另一端接偏置直流电压v
lodc2
，所述电容c
10
的另一端接本振信号lon；所述nmos管m
n2
的漏端和nmos管m
n1
的漏端作为输出信号ifq，同样的，另一路重叠的输出端为ifi。
[0018]
优选的，所述第一路第一级放大器和第二路第一级放大器的结构相同，均包括：nmos管m
n3
、nmos管m
n4
、nmos管m
n5
、nmos管m
n6
、nmos管m
n7
、nmos管m
n8
、nmos管m
n9
、nmos管m
n10
、nmos管m
n11
、nmos管m
n12
、电阻r7、电阻r8、电阻r9、电阻r
10
、电阻r
11
、电阻r
13
、电阻r
14
、电阻r
15
、电阻r
16
、电容c
11
、电容c
12
、电容c
13
、电容c
14
、电容c
15
、电容c
16
、电容c
17
、电容c
18
、电容c
19
、电容c
29
、电容c
30
、电感l5以及电感l6；
[0019]
所述电感l5的c端接电源电压v
dd
，所述电感l5的a端与电阻r7的一端和电容c
15
的一端和nmos管m
n3
的漏端连接，作为第一级放大器的输出端if
avop
；所述nmos管m
n3
的栅端接偏置直流电压v
bc1
，所述nmos管m
n3
的源端与nmos管m
n4
的漏端和nmos管m
n5
的漏端和nmos管m
n6
的漏端和nmos管m
n7
的漏端连接，所述nmos管m
n4
的源端与电感l6的a端和电容c
30
的一端连接，所
述nmos管m
n4
的栅端与电容c
29
的一端连接，并通过电阻r
11
接偏置直流电压v
b1
；还通过电容c
14
与电容c
11
的一端和电容c
12
的一端和电容c
13
的一端连接作为第一级放大器的输入端if
avn
；所述nmos管m
n5
的栅端与电容c
13
的另一端连接，并通过电阻r
10
接偏置直流电压v
b2
，所述nmos管m
n5
的源端接地；所述nmos管m
n6
的栅端与电容c
12
的另一端连接，并通过电阻r9接偏置直流电压v
b3
，所述nmos管m
n6
的源端接地；所述nmos管m
n7
的栅端与电容c
11
的另一端连接，并通过电阻r8接偏置直流电压v
b4
，所述nmos管m
n7
的源端接地。
[0020]
优选的，所述电感l5的b端与电阻r7的另一端和电容c
15
的另一端和nmos管m
n8
的漏端连接，作为第一级放大器的输出端if
avon
；所述nmos管m
n8
的栅端接偏置直流电压v
bc2
，所述nmos管m
n8
的源端与nmos管m
n9
的漏端和nmos管m
n10
的漏端和nmos管m
n11
的漏端和nmos管m
n12
的漏端连接，所述nmos管m
n9
的源端与电感l6的b端和电容c
29
的另一端连接，所述电感l6的c端接地；所述nmos管m
n9
的栅端与电容c
30
的另一端连接，并通过电阻r
16
接偏置直流电压v
b1
；还通过电容c
16
与电容c
19
的一端和电容c
18
的一端和电容c
17
的一端连接作为第一级放大器的输入端if
avp
；所述nmos管m
n10
的栅端与电容c
17
的另一端连接，并通过电阻r
15
接偏置直流电压v
b2
，所述nmos管m
n10
的源端接地；所述nmos管m
n11
的栅端与电容c
18
的另一端连接，并通过电阻r
14
接偏置直流电压v
b3
，所述nmos管m
n11
的源端接地；所述nmos管m
n12
的栅端与电容c
19
的另一端连接，并通过电阻r
13
接偏置直流电压v
b4
，所述nmos管m
n12
的源端接地。
[0021]
优选的，所述第一路第二级放大器和第二路第二级放大器的结构相同，均包括：nmos管m
n14
、nmos管m
n15
、nmos管m
n16
、nmos管m
n17
、pmos管m
p1
、pmos管m
p2
、pmos管m
p3
、pmos管m
p4
、电阻r
17
、电阻r
18
、电阻r
19
、电阻r
20
、电阻r
21
、电阻r
22
、电阻r
23
、电阻r
24
、电阻r
25
、电容c
20
、电容c
21
、电容c
22
、电容c
23
、电容c
24
、电容c
25
、电容c
26
、电容c
27
以及共模反馈cmfb；
[0022]
所述电容c
26
的一端与电容c
27
的一端和电容c
20
的一端和电容c
21
的一端和电容c
22
的一端和电容c
23
的一端和电容c
24
的一端和电容c
25
的一端连接作为第二级放大器的输入端if
gmp
，同样的，另一路重叠的输入端为if
gmn
；所述电容c
27
的另一端与nmos管m
n14
的栅端连接，并通过电阻r
18
接偏置直流电压v
bn1
，所述nmos管m
n14
的源端接地；所述nmos管m
n14
的漏端与pmos管m
p1
的漏端和电阻r
25
的一端和nmos管m
n15
的漏端和pmos管m
p2
的漏端和nmos管m
n16
的漏端和pmos管m
p3
的漏端和nmos管m
n17
的漏端与pmos管m
p4
的漏端连接，作为第二级放大器输出端if
gmon
，同样的，另一路重叠的输出端为if
gmop
；所述pmos管m
p1
的源端接电源电压v
dd
，所述电阻r
25
的另一端与共模反馈cmfb的正输入端连接，所述共模反馈cmfb的负输入端电源电压v
dd
/2，所述共模反馈cmfb的输出端vo通过电阻r
17
与电容c
26
的另一端和pmos管m
p1
的栅端连接。
[0023]
优选的，所述电容c
21
的另一端与nmos管m
n15
的栅端连接，并通过电阻r
20
接偏置直流电压v
bn2
，所述nmos管m
n15
的源端接地，所述pmos管m
p2
的源端接电源电压v
dd
，所述电容c
20
的另一端与pmos管m
p2
的栅端连接，并通过电阻r
19
接偏置直流电压v
bp1
。
[0024]
优选的，所述电容c
23
的另一端与nmos管m
n16
的栅端连接，并通过电阻r
22
接偏置直流电压v
bn3
，所述nmos管m
n16
的源端接地，所述pmos管m
p3
的源端接电源电压v
dd
，所述电容c
22
的另一端与pmos管m
p3
的栅端连接，并通过电阻r
21
接偏置直流电压v
bp2
。
[0025]
优选的，所述电容c
25
的另一端与nmos管m
n17
的栅端连接，并通过电阻r
24
接偏置直流电压v
bn4
，所述nmos管m
n17
的源端接地，所述pmos管m
p4
的源端接电源电压v
dd
，所述电容c
24
的另一端与pmos管m
p4
的栅端连接，并通过电阻r
23
接偏置直流电压v
bp3
。
[0026]
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
[0027]
本发明的第一、第二级放大器即为中频放大器，其采用导数叠加结构，实现了4～12dbm的较高线性度，并且输入输出均使用正交耦合器结构，实现输入输出端口阻抗自匹配效果，保证了输入输出端良好的匹配。
[0028]
本发明输入、输出端口都使用了正交耦合器结构，实现了输入输出端口的自匹配，保证了良好的匹配效果。
[0029]
本发明也不需要添加任何片外匹配元件以及网络，为cmos集成化提供了解决方案。
[0030]
在本发明的接收方式上，对于固定点频的中频频率，上、下边带射频输入信号分别被传递到输出端口的in、iso两个端口上，从而实现了镜像抑制效果。
[0031]
本发明采用无源混频器前置的架构，去掉了传统接收机结构中的低噪声放大器，中频两级放大器采用导数叠加线性化电路结构，减少了小信号跨导gm的二阶导分量，方案有效提高了电路的线性度。
附图说明
[0032]
图1为本发明的电路示意图；
[0033]
图2为本发明的本振匹配电路；
[0034]
图3为本发明的无源混频器；
[0035]
图4为本发明的第一级放大器；
[0036]
图5为本发明的第二级放大器；
[0037]
图6为本发明s参数信号流图；
[0038]
图7为本发明的电路输入反射系数结果图；
[0039]
图8为本发明的电路增益结果图；
[0040]
图9为本发明的电路第一级放大器的晶体管的gm的二阶导数结果图；
[0041]
图10为本发明的电路镜像抑制比、噪声系数、输入压缩点结果图；
[0042]
图11为本发明的电路线性度结果图。
具体实施方式
[0043]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0044]
下面结合附图1到附图11对本发明的实施例作详细描述：
[0045]
如图1所示，一种cmos集成毫米波自匹配接收机前端电路，包括：第一正交耦合器、第二正交耦合器、第一无源混频器、第二无源混频器、第一路第一级放大器、第一路第二级放大器、第二路第一级放大器、第二路第二级放大器、本振；
[0046]
输入的本振信号由输入端loin单端输入，经过marchandbalun、匹配网络、传输线后产生一对差分信号vlo1、vlo2。所述本振信号的输出端vlo1与第一无源混频器的输入端lo1和第二无源混频器的输入端lo1相连。所述本振信号的输出端vlo2与第一无源混频器的输入端lo2和第二无源混频器的输入端lo2相连。
[0047]
第一路信号经过第一无源混频器的输入端与输入本振信号lo1和本振信号lo2相
乘，得到一个中频的电压信号；所述第一无源混频器的输出端vo1和输出端vo2均分别与第一路第一级放大器的负输入端vin5和正输入端vin6相连，第一路第一级放大器的输出端vo5和输出端vo6均分别与第一路第二级放大器的负输入端vin9和正输入端vin10相连，第一路第二级放大器的输出端vo9和输出端vo10分别与第二正交耦合器的thru2和thru1相连；
[0048]
第二路信号经过第二无源混频器的输入端与输入本振信号lo1和本振信号lo2相乘，得到一个中频的电压信号；所述第二无源混频器的输出端vo1和输出端vo2均分别与第二路第一级放大器的负输入端vin3和正输入端vin4相连，第二路第一级放大器的输出端vo3和输出端vo4均分别与第二路第二级放大器的负输入端vin7和正输入端vin8相连，第二路第二级放大器的输出端vo7和输出端vo8分别与第二正交耦合器的coupl2和coupl1相连；
[0049]
所述第二正交耦合器的输出端iso1和iso2均分别通过电阻r2和电阻r3接地，所述第二正交耦合器的输出端vo1和vo2作为中频输出电压信号bb_i。
[0050]
本发明通过前后正交耦合器电路，实现了输入阻抗的阻抗的自匹配，达到了40～60ghz的超宽输入匹配，且实现了高的镜像抑制比；另外通过设计具有线性化电路的中频放大器，来获得好的线性度。
[0051]
参见附图1所示，所述第一正交耦合器和第二正交耦合器的结构相同，均包括：变压器t1、电容c1、电容c2；
[0052]
所述变压器t1的in端与电容c1的一端连接，所述变压器t1的coupl端与电容c1的另一端连接，所述变压器t1的iso端与电容c2的一端连接，所述变压器t1的thru端与电容c2的另一端连接。
[0053]
参见附图3所示，所述第一无源混频器和第二无源混频器的结构相同，均包括：nmos管mn1、nmos管mn2、电容c9、电容c10、电容c28、电阻r4、电阻r5、电阻r6；
[0054]
所述电容c28的一端接输入射频信号rfq，同样的，另一路重叠的输入端为rfi；所述电容c28的另一端与电阻r4的一端和nmos管mn1的源端和nmos管mn2的源端连接，所述电阻r4的另一端接偏置直流电压vrfdc；所述nmos管mn1的栅端与电阻r6的一端和电容c9的一端连接，所述电阻r6的另一端接偏置直流电压vlodc1，所述电容c9的另一端接本振信号lop；所述nmos管mn2的栅端与电阻r5的一端和电容c10的一端连接，所述电阻r5的另一端接偏置直流电压vlodc2，所述电容c10的另一端接本振信号lon；所述nmos管mn2的漏端和nmos管mn1的漏端作为输出信号ifq，同样的，另一路重叠的输出端为ifi。
[0055]
参见附图4所示，所述第一路第一级放大器和第二路第一级放大器的结构相同，均包括：nmos管mn3、nmos管mn4、nmos管mn5、nmos管mn6、nmos管mn7、nmos管mn8、nmos管mn9、nmos管mn10、nmos管mn11、nmos管mn12、nmos管mn13、电阻r7、电阻r8、电阻r9、电阻r10、电阻r11、电阻r13、电阻r14、电阻r15、电阻r16、电容c11、电容c12、电容c13、电容c14、电容c15、电容c16、电容c17、电容c18、电容c19以及电感l5；
[0056]
所述电感l5的c端接电源电压vdd，所述电感l5的a端与电阻r7的一端和电容c15的一端和nmos管mn3的漏端连接，作为第一级放大器的输出端ifavop；所述nmos管mn3的栅端接偏置直流电压vbc1，所述nmos管mn3的源端与nmos管mn4的漏端和nmos管mn5的漏端和nmos管mn6的漏端和nmos管mn7的漏端连接，所述nmos管mn4的源端与电感l6的a端和电容c30的一端连接，所述nmos管mn4的栅端与电容c29的一端连接，并通过电阻r11接偏置直流
电压vb1；还通过电容c14与电容c11的一端和电容c12的一端和电容c13的一端连接作为第一级放大器的输入端ifavn；所述nmos管mn5的栅端与电容c13的另一端连接，并通过电阻r10接偏置直流电压vb2，所述nmos管mn5的源端接地；所述nmos管mn6的栅端与电容c12的另一端连接，并通过电阻r9接偏置直流电压vb3，所述nmos管mn6的源端接地；所述nmos管mn7的栅端与电容c11的另一端连接，并通过电阻r8接偏置直流电压vb4，所述nmos管mn7的源端接地；
[0057]
所述电感l5的b端与电阻r7的另一端和电容c15的另一端和nmos管mn8的漏端连接，作为第一级放大器的输出端ifavon；所述nmos管mn8的栅端接偏置直流电压vbc2，所述nmos管mn8的源端与nmos管mn9的漏端和nmos管mn10的漏端和nmos管mn11的漏端和nmos管mn12的漏端连接，所述nmos管mn9的源端与电感l6的b端和电容c29的另一端连接，所述电感l6的c端接地；所述nmos管mn9的栅端与电容c30的另一端连接，并通过电阻r16接偏置直流电压vb1；还通过电容c16与电容c19的一端和电容c18的一端和电容c17的一端连接作为第一级放大器的输入端ifavp；所述nmos管mn10的栅端与电容c17的另一端连接，并通过电阻r15接偏置直流电压vb2，所述nmos管mn10的源端接地；所述nmos管mn11的栅端与电容c18的另一端连接，并通过电阻r14接偏置直流电压vb3，所述nmos管mn11的源端接地；所述nmos管mn12的栅端与电容c19的另一端连接，并通过电阻r13接偏置直流电压vb4，所述nmos管mn12的源端接地。
[0058]
参见附图5所示，所述第一路第二级放大器和第二路第二级放大器的结构相同，均包括：nmos管mn14、nmos管mn15、nmos管mn16、nmos管mn17、pmos管mp1、pmos管mp2、pmos管mp3、pmos管mp4、电阻r17、电阻r18、电阻r19、电阻r20、电阻r21、电阻r22、电阻r23、电阻r24、电阻r25、电容c20、电容c21、电容c22、电容c23、电容c24、电容c25、电容c26、电容c27以及共模反馈cmfb；
[0059]
所述电容c26的一端与电容c27的一端和电容c20的一端和电容c21的一端和电容c22的一端和电容c23的一端和电容c24的一端和电容c25的一端连接作为第二级放大器的输入端ifgmp，同样的，另一路重叠的输入端为ifgmn；所述电容c27的另一端与nmos管mn14的栅端连接，并通过电阻r18接偏置直流电压vbn1，所述nmos管mn14的源端接地，所述nmos管mn14的漏端与pmos管mp1的漏端和电阻r25的一端和nmos管mn15的漏端和pmos管mp2的漏端和nmos管mn16的漏端和pmos管mp3的漏端和nmos管mn17的漏端与pmos管mp4的漏端连接，作为第二级放大器输出端ifgmon，同样的，另一路重叠的输出端为ifgmop，所述pmos管mp1的源端接电源电压vdd，所述电阻r25的另一端与共模反馈cmfb的正输入端连接，所述共模反馈cmfb的负输入端电源电压vdd/2，所述共模反馈cmfb的输出端vo通过电阻r17与电容c26的另一端和pmos管mp1的栅端连接。
[0060]
所述电容c21的另一端与nmos管mn15的栅端连接，并通过电阻r20接偏置直流电压vbn2，所述nmos管mn15的源端接地，所述pmos管mp2的源端接电源电压vdd，所述电容c20的另一端与pmos管mp2的栅端连接，并通过电阻r19接偏置直流电压vbp1。
[0061]
所述电容c23的另一端与nmos管mn16的栅端连接，并通过电阻r22接偏置直流电压vbn3，所述nmos管mn16的源端接地，所述pmos管mp3的源端接电源电压vdd，所述电容c22的另一端与pmos管mp3的栅端连接，并通过电阻r21接偏置直流电压vbp2。
[0062]
所述电容c25的另一端与nmos管mn17的栅端连接，并通过电阻r24接偏置直流电压
vbn4，所述nmos管mn17的源端接地，所述pmos管mp4的源端接电源电压vdd，所述电容c24的另一端与pmos管mp4的栅端连接，并通过电阻r23接偏置直流电压vbp3。
[0063]
本发明所述的第一、第二级放大器即为中频放大器，其采用导数叠加电路结构，实现了4～12dbm的较高线性度，并且末级正交耦合器基于电容耦合的原理，使输出的差分信号能够完美的正交，实现输入阻抗自匹配，保证了输入端良好的输入匹配。
[0064]
四端口正交耦合器采用集总lc元件实现，理想的s参数在(1)中显示，其中c为耦合系数。
[0065][0066]
从图6的信号流图可以看出，如果端口4匹配(γ4＝0)且γ
l2
＝γ
l3
＝γ
l
，则输入反射系数(γ
in
)计算为
[0067][0068]
这表明无论耦合端口和直通端口的负载阻抗如何变化(任意γ
l
)，只要输入功率在耦合端口和直通端口之间平均分配，输入端口的良好匹配就会保持不变，这通过模拟加载不同阻抗的正交耦合器结构的s11来证明，如图7显示出良好的端口自匹配性能，可以覆盖40～60ghz的带宽，类似的，因为四端口正交耦合器的互易性，也容易证明，在输出端口也存在着良好自匹配的特性。
[0069]
参考图1，对于上、下边带输入的射频信号，经过正交耦合器的变换，分离为同向，正交双路信号，进一步经过混频和放大后，再经过中频处的正交耦合器的信号合成，使得上、下边带输入的射频信号被分别传递到in、iso两个端口上，鉴于in、iso两个端口天然的隔离度优势，得到的上、下边带信号的镜像抑制度也高。
[0070]
本实施例采用40nmfd-soicmos工艺设计实现，在1.2v供电电压下，功耗约为40mw，晶体管的设计尺寸参见图4和图5标注，且中频频率为4ghz；图8给出了电路在40～60ghz射频输入频率下的增益输出结果，可以看到取得了15db的峰值增益，且-3db增益带宽范围约为17ghz；图9给出中频放大器中mos管的gm的二阶导数结果，可以看到，经过几个mos管的gm的二阶导叠加后，整体的gm的二阶导在偏置电压0.5～0.7v时，二阶导被消除，有效提高了电路的线性度；图10给出了电路在带宽内的镜像抑制比、噪声系数、输入压缩点的结果，可以看到，镜像抑制比irr高达20～35db，噪声系数nf在9.5～13.5db，输入压缩点p1db在-7～-9dbm；图11展示了线性度随着双音信号频率间距的变化趋势，可以看到，随着双音频率δf增加，线性度逐渐提高，其性能在4～12dbm。
[0071]
整体上，本发明给出了一种可以在40～60ghz频段内工作的接收机前端电路，具有端口自匹配下的大带宽范围，镜像抑制比高、线性度高等的特点，可广泛应用于毫米波通信的设备中。
[0072]
参考文献：
[0073]
文献[1]，【r.ciocoveanu，r.weigel and v.issakov a highly-integrated60ghz receiver for radar applications in 28nm bulk cmos，in proc.ieee int.conf.microw.，antennas，commun.electron.syst.(comcas)，tel-aviv，israel，nov.2019】。
[0074]
文献[2]，【j.kim，w.choi，y.park，and y.kwon，60ghz broadband image rejection receiver using varactor tuning，in proc.ieee radio freq.integr.circuits symp.，may2010】。

技术特征：
1.一种cmos集成毫米波自匹配接收机前端电路，其特征在于，包括：第一正交耦合器、第二正交耦合器、第一无源混频器、第二无源混频器、第一路第一级放大器、第一路第二级放大器、第二路第一级放大器、第二路第二级放大器、本振，以及输入端v
rf
、输入端lo
in
、、第一路信号、第二路信号、本振信号lo1、本振信号lo2；所述输入端v
rf
单端输入射频信号，所述输入端v
rf
连接第一正交耦合器的输入端in；所述第一正交耦合器的iso端连接电阻r1，所述电阻r1接地，所述第一正交耦合器的thru端连接第二无源混频器的输入端v
in2
，所述第一正交耦合器的coupl端连接第一无源混频器的输入端v
in1
；所述输入端lo
in
单端输入本振信号，经过marchandbalun、匹配网络、传输线后产生一对差分信号v
lo1
、v
lo2
，所述本振信号的输出端v
lo1
分别连接第一无源混频器的输入端lo1和第二无源混频器的输入端lo1，所述本振信号的输出端v
lo2
分别连接第一无源混频器的输入端lo2和第二无源混频器的输入端lo2；第一路信号经过第一无源混频器的输入端与输入本振信号lo1和本振信号lo2相乘，得到一个中频的电压信号；所述第一无源混频器的输出端v
o1
和输出端v
o2
均分别连接第一路第一级放大器的负输入端v
in5
和正输入端v
in6
，所述第一路第一级放大器的输出端v
o5
和输出端v
o6
均分别连接第一路第二级放大器的负输入端v
in9
和正输入端v
in10
，所述第一路第二级放大器的输出端v
o9
和输出端v
o10
分别连接第二正交耦合器的thru2和thru1；第二路信号经过第二无源混频器的输入端与输入本振信号lo1和本振信号lo2相乘，得到一个中频的电压信号；所述第二无源混频器的输出端v
o1
和输出端v
o2
均分别连接第二路第一级放大器的负输入端v
in3
和正输入端v
in4
，所述第二路第一级放大器的输出端v
o3
和输出端v
o4
均分别连接第二路第二级放大器的负输入端v
in7
和正输入端v
in8
，所述第二路第二级放大器的输出端v
o7
和输出端v
o8
分别连接第二正交耦合器的coupl2和coupl1；所述第二正交耦合器的输出端iso1和iso2均分别连接电阻r2和电阻r3的一端，所述电阻r2和电阻r3的另一端接地，所述第二正交耦合器的输出端vo1和vo2作为中频输出电压信号bb_i。2.根据权利要求1所述的一种cmos集成毫米波自匹配接收机前端电路，其特征在于，所述第一正交耦合器和第二正交耦合器的结构相同，均包括：变压器t1、电容c1、电容c2；所述变压器t1的in端与电容c1的一端连接，所述变压器t1的coupl端与电容c1的另一端连接，所述变压器t1的iso端与电容c2的一端连接，所述变压器t1的thru端与电容c2的另一端连接。3.根据权利要求1所述的一种cmos集成毫米波自匹配接收机前端电路，其特征在于，所述第一无源混频器和第二无源混频器的结构相同，均包括：nmos管m
n1
、nmos管m
n2
、电容c9、电容c
10
、电容c
28
、电阻r4、电阻r5、电阻r6；所述电容c
28
的一端接输入射频信号rf
q
，同样的，另一路重叠的输入端为rf
i
；所述电容c
28
的另一端与电阻r4的一端和nmos管m
n1
的源端和nmos管m
n2
的源端连接，所述电阻r4的另一端接偏置直流电压v
rfdc
；所述nmos管m
n1
的栅端与电阻r6的一端和电容c9的一端连接，所述电阻r6的另一端接偏置直流电压v
lodc1
，所述电容c9的另一端接本振信号lo
p
；所述nmos管m
n2
的栅端与电阻r5的一端和电容c
10
的一端连接，所述电阻r5的另一端接偏置直流电压v
lodc2
，所述电容c
10
的另一端接本振信号lo
n
；所述nmos管m
n2
的漏端和nmos管m
n1
的漏端作为输出信号
if
q
，同样的，另一路重叠的输出端为if
i
。4.根据权利要求1所述的一种cmos集成毫米波自匹配接收机前端电路，其特征在于，所述第一路第一级放大器和第二路第一级放大器的结构相同，均包括：nmos管m
n3
、nmos管m
n4
、nmos管m
n5
、nmos管m
n6
、nmos管m
n7
、nmos管m
n8
、nmos管m
n9
、nmos管m
n10
、nmos管m
n11
、nmos管m
n12
、电阻r7、电阻r8、电阻r9、电阻r
10
、电阻r
11
、电阻r
13
、电阻r
14
、电阻r
15
、电阻r
16
、电容c
11
、电容c
12
、电容c
13
、电容c
14
、电容c
15
、电容c
16
、电容c
17
、电容c
18
、电容c
19
、电容c
29
、电容c
30
、电感l5以及电感l6；所述电感l5的c端接电源电压v
dd
，所述电感l5的a端与电阻r7的一端和电容c
15
的一端和nmos管m
n3
的漏端连接，作为第一级放大器的输出端if
avop
；所述nmos管m
n3
的栅端接偏置直流电压v
bc1
，所述nmos管m
n3
的源端与nmos管m
n4
的漏端和nmos管m
n5
的漏端和nmos管m
n6
的漏端和nmos管m
n7
的漏端连接，所述nmos管m
n4
的源端与电感l6的a端和电容c
30
的一端连接，所述nmos管m
n4
的栅端与电容c
29
的一端连接，并通过电阻r
11
接偏置直流电压v
b1
；还通过电容c
14
与电容c
11
的一端和电容c
12
的一端和电容c
13
的一端连接作为第一级放大器的输入端if
avn
；所述nmos管m
n5
的栅端与电容c
13
的另一端连接，并通过电阻r
10
接偏置直流电压v
b2
，所述nmos管m
n5
的源端接地；所述nmos管m
n6
的栅端与电容c
12
的另一端连接，并通过电阻r9接偏置直流电压v
b3
，所述nmos管m
n6
的源端接地；所述nmos管m
n7
的栅端与电容c
11
的另一端连接，并通过电阻r8接偏置直流电压v
b4
，所述nmos管m
n7
的源端接地。5.根据权利要求4所述的一种cmos集成毫米波自匹配接收机前端电路，其特征在于，所述电感l5的b端与电阻r7的另一端和电容c
15
的另一端和nmos管m
n8
的漏端连接，作为第一级放大器的输出端if
avon
；所述nmos管m
n8
的栅端接偏置直流电压v
bc2
，所述nmos管m
n8
的源端与nmos管m
n9
的漏端和nmos管m
n10
的漏端和nmos管m
n11
的漏端和nmos管m
n12
的漏端连接，所述nmos管m
n9
的源端与电感l6的b端和电容c
29
的另一端连接，所述电感l6的c端接地；所述nmos管m
n9
的栅端与电容c
30
的另一端连接，并通过电阻r
16
接偏置直流电压v
b1
；还通过电容c
16
与电容c
19
的一端和电容c
18
的一端和电容c
17
的一端连接作为第一级放大器的输入端if
avp
；所述nmos管m
n10
的栅端与电容c
17
的另一端连接，并通过电阻r
15
接偏置直流电压v
b2
，所述nmos管m
n10
的源端接地；所述nmos管m
n11
的栅端与电容c
18
的另一端连接，并通过电阻r
14
接偏置直流电压v
b3
，所述nmos管m
n11
的源端接地；所述nmos管m
n12
的栅端与电容c
19
的另一端连接，并通过电阻r
13
接偏置直流电压v
b4
，所述nmos管m
n12
的源端接地。6.根据权利要求1所述的一种cmos集成毫米波自匹配接收机前端电路，其特征在于，所述第一路第二级放大器和第二路第二级放大器的结构相同，均包括：nmos管m
n14
、nmos管m
n15
、nmos管m
n16
、nmos管m
n17
、pmos管m
p1
、pmos管m
p2
、pmos管m
p3
、pmos管m
p4
、电阻r
17
、电阻r
18
、电阻r
19
、电阻r
20
、电阻r
21
、电阻r
22
、电阻r
23
、电阻r
24
、电阻r
25
、电容c
20
、电容c
21
、电容c
22
、电容c
23
、电容c
24
、电容c
25
、电容c
26
、电容c
27
以及共模反馈cmfb；所述电容c
26
的一端与电容c
27
的一端和电容c
20
的一端和电容c
21
的一端和电容c
22
的一端和电容c
23
的一端和电容c
24
的一端和电容c
25
的一端连接作为第二级放大器的输入端if
gmp
，同样的，另一路重叠的输入端为if
gmn
；所述电容c
27
的另一端与nmos管m
n14
的栅端连接，并通过电阻r
18
接偏置直流电压v
bn1
，所述nmos管m
n14
的源端接地；所述nmos管m
n14
的漏端与pmos管m
p1
的漏端和电阻r
25
的一端和nmos管m
n15
的漏端和pmos管m
p2
的漏端和nmos管m
n16
的漏端和pmos管m
p3
的漏端和nmos管m
n17
的漏端与pmos管m
p4
的漏端连接，作为第二级放大器输出端
if
gmon
，同样的，另一路重叠的输出端为if
gmop
；所述pmos管m
p1
的源端接电源电压v
dd
，所述电阻r
25
的另一端与共模反馈cmfb的正输入端连接，所述共模反馈cmfb的负输入端电源电压v
dd
/2，所述共模反馈cmfb的输出端v
o
通过电阻r
17
与电容c
26
的另一端和pmos管m
p1
的栅端连接。7.根据权利要求6所述的一种cmos集成毫米波自匹配接收机前端电路，其特征在于，所述电容c
21
的另一端与nmos管m
n15
的栅端连接，并通过电阻r
20
接偏置直流电压v
bn2
，所述nmos管m
n15
的源端接地，所述pmos管m
p2
的源端接电源电压v
dd
，所述电容c
20
的另一端与pmos管m
p2
的栅端连接，并通过电阻r
19
接偏置直流电压v
bp1
。8.根据权利要求6所述的一种cmos集成毫米波自匹配接收机前端电路，其特征在于，所述电容c
23
的另一端与nmos管m
n16
的栅端连接，并通过电阻r
22
接偏置直流电压v
bn3
，所述nmos管m
n16
的源端接地，所述pmos管m
p3
的源端接电源电压v
dd
，所述电容c
22
的另一端与pmos管m
p3
的栅端连接，并通过电阻r
21
接偏置直流电压v
bp2
。9.根据权利要求6所述的一种cmos集成毫米波自匹配接收机前端电路，其特征在于，所述电容c
25
的另一端与nmos管m
n17
的栅端连接，并通过电阻r
24
接偏置直流电压v
bn4
，所述nmos管m
n17
的源端接地，所述pmos管m
p4
的源端接电源电压v
dd
，所述电容c
24
的另一端与pmos管m
p4
的栅端连接，并通过电阻r
23
接偏置直流电压v
bp3
。

技术总结
本发明公开了一种CMOS集成毫米波自匹配接收机前端电路，包括：第一正交耦合器、第二正交耦合器、第一无源混频器、第二无源混频器、第一路第一级放大器、第一路第二级放大器、第二路第一级放大器、第二路第二级放大器、本振，以及输入端V


技术研发人员：郭本青 樊润伍 王海时 陶健 施媛媛 张斌 张志刚 王天宝
受保护的技术使用者：成都信息工程大学
技术研发日：2023.04.18
技术公布日：2023/8/9