[发明专利]具有宽温工作增益自动控制功能的CMOS射频接收前端

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有宽温工作增益自动控制功能的CMOS射频接收前端，在基于CMOS工艺实现的射频接收前端芯片中，采用基于带隙基准源的电流偏置技术、温度自适应增益调节方法实现宽温范围内整个芯片的增益自动控制，适用于各类无线电接收机射频前端电路。

背景技术

无线电接收机射频前端一般包括低噪声放大器、混频器、可变增益放大器、中频放大器等基本电路，采用CMOS工艺进行这些基本电路单元设计时，其等效增益可以表示为：

G=A·g_{m_eff}·R_L

其中，A为与电路类型相关的系数，如放大器电路中A一般为1，吉尔伯特（Gilbert）混频器电路中A一般为2/π；g_{m_eff}为电路等效跨导；R_L为等效负载电阻。

在CMOS射频集成电路设计中，MOS管的过驱动电压V_GS-V_T一般取200mV左右，MOS管工作状态接近弱反型区，这在低电压、低功耗设计中更为明显。此时电路的等效跨导g_{m_eff}随着工作稳定的升高而降低，在弱反型区等效跨导与工作温度近似成反比。另外，对于采用对于负载电阻R_L，RF CMOS工艺中通常采用多晶硅电阻，其温度系数可能高达3000ppm/℃以上，在-55～+85℃工作温度范围内其阻值可能变化±20%以上。

基于上述原因，电路的等效跨导g_{m_eff}和等效负载电阻RL都随温度变化而变化，使得电路的增益G随着工作温度的变化而改变。尤其是在射频前端电路一般由多个基本电路单元级联而成，这就使得整个接收前端电路的增益随温度起伏很大（一般在2dB以上），进而影响整个无线收发系统的性能。

常规电路设计中解决这一问题的办法主要有以下两类：

第一类是对于电路的跨导单元采用恒跨导结构，即对电路中起放大作用的MOS管采用特殊设计的偏置电路，使其等效跨导几乎不随温度变化而改变；同时，对于负载电阻R_L，根据CMOS工艺中多晶硅电阻的温度系数与掺杂浓度相关的特点，设计选取随温度变化阻值起伏很小的多晶硅电阻。这种方法主要存在以下几个问题：

1)恒跨导结构中的偏置电路设计较为复杂，通常需要启动电路，电路失配等因素会影响跨导保持效果；

2)偏置电路一般会引入额外的噪声，不利于射频集成电路低噪声设计要求；

3)设计中需要所选择的工艺中有温度系数很小的多晶硅电阻可用，使得工艺选择有一定的局限性。

另一类解决增益随温度起伏变化的方法是根据等效跨导g_{m_eff}随温度增加而减小的特点，设计中选用随温度增加而增加的负载电阻R_L进行补偿，从而使电路增益宽温工作条件下保持稳定。这种方法设计简单，不会引入额外的噪声，不消耗额外的功耗，然而其局限性在于：为了补偿高温时跨导减小所带来的增益损失，R_L采用正温度系数电阻，高温时，其阻值通常增加20%左右，使得高温时电路的工作带宽降低，这在多模块级联时显得更为明显。

发明内容

本发明的目的是针对射频接收前端电路增益随温度起伏变化这一问题，克服常规解决方法所带来的设计难度增加、噪声性能恶化、对工艺选择具有局限性、影响电路的工作带宽等不足之处，提出采用采用基于带隙基准源的电流偏置技术、温度自适应增益调节方法实现宽温工作范围内整个芯片的具有宽温工作增益自动控制功能的CMOS射频接收前端。