Схема усилителя радиоприемника, схема радиочастотного смесителя и содержащий их радиоприемник

 

Изобретение относится к структуре, ориентированной на радиосвязь, в частности, к структуре КМОП-микросхем для цифрового приемопередатчика радиосвязи. Предложена схема усилителя радиоприемника, реализованная на основе КМОП-микросхемы, включающая в себя два канальных полевых униполярных транзистора (КПУ-транзистора) с общим затвором и два входных КПУ-транзистора со стандартными пороговыми напряжениями, на которые подается входной сигнал, причем входные КПУ-транзисторы соединены с напряжением питания и с "землей", а КПУ-транзисторы с общим затвором соединены по каскадной схеме между входными КПУ-транзисторами, при этом КПУ-транзисторы с общим затвором имеют уменьшенные пороговые напряжения по сравнению с стандартными пороговыми напряжениями входных КПУ-транзисторов. Также предложена схема радиочастотного смесителя, содержащая два передаточных вентиля, каждый из которых включает в себя два КПУ-транзистора, причем соответствующие сигналы гетеродина подаются на затворы транзисторов, а входной сигнал подается на входы передаточных вентилей, при этом транзисторы передаточных вентилей имеют уменьшенные пороговые напряжения по сравнению с транзисторами, имеющими стандартные пороговые напряжения, которые используются для генерирования сигналов гетеродина. Предлагаемый радиоприемник реализован на основе указанных КМОП-микросхем усилителя и смесителя. В результате повышается эффективность функционирования КМОП-микросхем при низких напряжениях питания. 3 с. и 1 з. п. ф-лы, 4 ил.

Область техники Это изобретение относится к структуре, ориентированной на радиосвязь, в частности к структуре КМОП (комплементарного металло-оксидного полупроводника) (CMOS) для цифрового приемопередатчика радиосвязи.

Уровень техники В области цифровой мобильной телефонной связи необходимо осуществлять передачу и прием радиосигналов, которые содержат в себе цифровые сигналы. Кроме того, в предпочтительном варианте приемопередатчик мобильной связи должен быть небольшим и легким, насколько это возможно, и иметь низкое энергопотребление. Целесообразно реализовать цифровые компоненты приемопередатчика, например цифровой процессор сигнала, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) с использованием КМОП-технологий изготовления. Это означает, что с точки зрения изготовления также целесообразно реализовать аналоговые компоненты приемопередатчика, например усилители, смесители и т.д. с использованием тех же самых КМОП-технологий изготовления. Структура такого типа раскрыта в публикации "Набор КМОП-микросхем с низким энергопотреблением для связи с разнесением сигнала по спектру" "A Low-Power CMOS Chipset for Spread-Spectrum Communications"), с. Шенга (S. Sheng) и др., Международная конференция по полупроводниковым схемам (International Solid-State Circuits Conference), 1996.

Однако КМОП-транзисторы обычно предназначены для функционирования в качестве переключателей с низкими токами утечки. Следствием этого является то, что такие транзисторы менее пригодны для использования в аналоговых ВЧ-схемах. Например, они обычно имеют низкие значения крутизны характеристики, особенно при низких напряжениях смещения, что приводит к низкому коэффициенту усиления и к высоким (фазовым) шумам.

В патенте США 5407849 раскрыт способ изготовления схемы КМОП, в которой пороговое напряжение некоторых транзисторов (полевых транзисторов (ПТ)) уменьшают, например, так, чтобы оно было близким к нулю вольт.

Краткое описание изобретения Таким образом, если для реализации всех схем решено использовать технологии КМОП, то структура для радиосвязи на известном уровне техники предусматривает наличие компромисса при функционировании устройства. Между тем, в патенте США 5407849 раскрыт способ снижения порогового напряжения некоторых полевых транзисторов в схеме с КМОП, но не раскрыто то, как это может быть использовано в структуре для радиосвязи.

Изобретение включает в себя использование транзисторов с различными пороговыми напряжениями в различных частях интегральной схемы для цифрового радио.

В предпочтительном варианте изобретение включает в себя использование транзисторов с высокими или нормальными пороговыми напряжениями в схемах, которые осуществляют обработку цифровых сигналов, и транзисторов с уменьшенными пороговыми напряжениями в схемах, которые осуществляют обработку аналоговых сигналов.

Кроме того, изобретение может также включать в себя использование в схемах входного каскада приемопередатчика радиосвязи некоторого количества транзисторов с высокими или нормальными пороговыми напряжениями и некоторого количества транзисторов с уменьшенными пороговыми напряжениями. Такой приемопередатчик может представлять собой КМОП-устройство или же в нем могут быть использованы только n-МОП (МОП-структура с каналом n-типа) (NMOS) или р-МОП (МОП-структура с каналом р-типа) (PMOS) устройства.

Краткое описание чертежей Фиг. 1 представляет собой принципиальную блок-схему приемопередатчика радиосвязи в соответствии с изобретением.

Фиг. 2 представляет собой принципиальную электрическую схему входного каскада в соответствии с изобретением.

На фиг. 3 показана первая общепринятая схема, поясняющая преимущества настоящего изобретения.

На фиг. 4 показана вторая общепринятая схема, поясняющая преимущества настоящего изобретения.

Подробное описание вариантов осуществления Как показано на фиг. 1, приемопередатчик 2 радиосвязи, используемый в телефонном аппарате мобильной связи, имеет приемную антенну 4 для приема радиосигналов и малошумящий усилитель 6 для восстановления принятых сигналов до пригодных для использования уровней. Усиленные сигналы поступают к смесителю 8, где осуществляют преобразование их частоты из высокой в более низкую промежуточную частоту, а затем фильтрацию в фильтре 10. Отфильтрованные сигналы поступают в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 12, который преобразовывает сигналы в цифровой вид, в котором они могут быть обработаны процессором 14 сигнала, после которого осуществляют их вывод по линии 16.

Сигналы для передачи подают в цифровой форме по линии 18 в процессор 14 сигнала, а затем после обработки подают в цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 20. После преобразования в аналоговый вид сигналы передают в модулятор 22 для преобразования в высокую частоту, а затем - в усилитель 24 мощности и на передающую антенну 26 (которая может быть объединена с приемной антенной 4) для передачи в виде радиосигнала.

Общая структура приемопередатчика, описанная в общих чертах выше, известна для специалиста в данной области техники, и для него очевидно, что возможны различные видоизменения и модификации.

Кроме того, было предложено, что целесообразно было бы объединить схемы в одной микросхеме.

Авторами настоящего изобретения здесь было признано, что приемопередатчик, показанный на фиг. 1, включает в себя схемы двух различных типов, которые предъявляют различные требования, и что эти противоречивые требования могут быть удовлетворены путем использования в различных типах схемы транзисторов с различными пороговыми напряжениями. Это позволяет оптимизировать характеристики приемопередатчика, предоставляя, однако, возможность сформировать радиосхемы в одиночной монолитной интегральной схеме, которая имеет преимущества с точки зрения размера и веса телефонного аппарата.

В частности, цифровые компоненты схемы, например аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) в предпочтительном варианте формируют с использованием КМОП-транзисторов со стандартными (иногда упоминаемыми здесь как высокие) пороговыми напряжениями, например, в области +1 В для n-МОП устройства или -1 В для р-МОП устройства. Таким образом, величина порогового напряжения в каждом случае превышает 0,5 В. В отличие от этого, аналоговые компоненты ВЧ-схемы, например усилители, в предпочтительном варианте формируют с использованием КМОП-транзисторов с уменьшенными пороговыми напряжениями, имеющими величину менее 0,5 В. В результате это может привести к уменьшению потребляемой мощности, снижению шумов и большей ширине полосы частот. Пороговые напряжения в предпочтительном варианте уменьшают до величины, близкой к нулю, или даже за пределы нуля. Таким образом, n-МОП-транзисторы могут иметь малые отрицательные пороговые напряжения, а р-МОП транзисторы могут иметь малые положительные пороговые напряжения.

Пунктирная линия 28 на фиг.1 показывает одно разделение схемы, которое является предпочтительным в настоящее время. Схемы справа от линии 28 могут иметь транзисторы с высокими пороговыми напряжениями, в то время как схемы слева от линии 28 имеют транзисторы с низкими пороговыми напряжениями. Однако возможны и другие разделения, а транзисторы с различными пороговыми напряжениями действительно можно использовать в различных частях одной и той же схемы.

Как раскрыто в патенте США 5407849, возможно достичь различных пороговых напряжений в различных транзисторах посредством изменения доз пороговой имплантации в выбранных частях полупроводникового прибора либо путем использования существующих масок, либо путем добавления дополнительных масок.

Таким образом, в нем раскрыта структура для радиосвязи, которая может быть объединена в единой микросхеме без ухудшения функциональных характеристик.

Фиг.2 представляет собой принципиальную электрическую схему входного каскада радиоприемника в соответствии с изобретением. Как кратко упомянуто выше, эта схема включает в себя транзисторы с различными пороговыми напряжениями. Для ясности на чертеже изображены только транзисторы. На фиг.2 транзисторы, имеющие уменьшенные пороговые напряжения, изображены с утолщенными каналами исток-сток. Как упомянуто выше, пороговые напряжения этих устройств могут быть сильно уменьшены в предпочтительном варианте до величины, близкой к нулю или даже меньшей нуля. Устройства, имеющие пороги ниже нуля, называют устройствами с обеднением. Остальная часть схемы является обычной, а общее проектирование интегральных микросхем для специалиста в данной области техники известно. Транзисторы могут представлять собой КМОП-устройства либо n-МОП-устройства, либо р-МОП-устройства.

В общем случае схема приемника по фиг.2 включает в себя входной усилительный каскад 52, задающие генераторы 54, 56 гетеродина и два смесителя 58, 60. Эта схема образует один балансный входной каскад. Для формирования двойного балансного малошумящего усилителя и смесителя схема может быть объединена с другой идентичной схемой.

Усилительный каскад 52 включает в себя два входных транзистора M1, M4, которые соединены соответственно с "землей" и с напряжением Vdd питания. Входной радиочастотный сигнал RFin подают на затвор первого входного транзистора M1, а на второй входной транзистор M4 его подают в инвертированном виде. Усилительный каскад 52 также включает в себя два транзистора М2, М3 с общим затвором, на затворы которых подают деленное напряжение Vdd/2 питания (инвертированное в случае М3), и каналы истока-стока которых соединены с каналами истока-стока входных транзисторов M1, M4.

Понятно, что каскадные транзисторы М2, М3 с общим затвором являются устройствами с низким порогом.

Выходной сигнал из усилительного каскада 52 подают в синфазный смеситель 58, состоящий из транзисторов М5, М6, и в квадратурный смеситель 60, состоящий из транзисторов М7, М8.

Сигнал синфазного гетеродина LOi подают на затвор транзистора М9, а на затвор транзистора М10 его подают в инвертированном виде, причем транзисторы М9 и M10 подключены между напряжением питания Vdd и "землей" так, что М9 и М10 образуют задающий генератор гетеродина 54. Выходной сигнал от транзисторов М9 и М10 подают на затвор транзистора М8, а на затвор транзистора М5 его подают в инвертированном виде.

Сигнал квадратурного гетеродина LOq подают на затвор транзистора М11, а на затвор транзистора М12 его подают в инвертированном виде, причем транзисторы М11 и М12 подключены между напряжением питания Vdd и "землей" так, что М11 и М12 образуют задающий генератор гетеродина 56. Выходной сигнал от транзисторов М11 и М12 подают на затвор транзистора М6, а на затвор транзистора М7 его подают в инвертированном виде.

Выходной сигнал синфазного смесителя 58 представляет собой синфазный сигнал IFi промежуточной частоты, а выходной сигнал квадратурного смесителя 60 представляет собой квадратурный сигнал IFq промежуточной частоты.

Понятно, что транзисторы М5, М6, М7 и М8 являются устройствами с низким порогом, а транзисторы М9, M10, М11 и M12 задающего генератора гетеродина относятся к типу с обычным порогом. Для транзисторов задающего генератора гетеродина целесообразно, чтобы токи утечки в выключенном состоянии были минимальными, и поэтому предпочтительным является использование транзисторов с обычным порогом. Кроме того, преимущество использования транзисторов с высоким или обычными пороговыми напряжениями в ГУН (генераторе, управляемом напряжением) (VCO) состоит в том, что это приводит к большому "размаху сигнала" в резонаторе и, следовательно, к более низким (фазовым) шумам.

Преимущество использования устройств с низким порогом в каскадной схеме, такой как усилитель 52, будет пояснено со ссылкой на фиг.3. На фиг.3 показаны два каскадных транзистора Q1 и Q2, которые имеют соответствующие напряжения затвор-исток Vgsl и Vgs2. Входной сигнал подают на затвор транзистора Q1, а выходной сигнал получают на стоке транзистора Q2. Напряжение Vgsl затвор-исток заземленного истокового устройства Q1 должно быть, по меньшей мере, достаточно высоким по сравнению с пороговым напряжением Vth, таким что Vgsl-Vth= 1 В. В противном случае устройство не будет работать в радиочастотном диапазоне. Подобные соображения относятся и к Q2, в которых подразумевают, что напряжение затвора транзистора Q2 должно быть установлено, по меньшей мере, около 2,8 В. Это не может быть достигнуто при 3-вольтовом режиме, и почти наверняка не может быть достигнуто при любом режиме с более низким напряжением питания. Однако если бы пороговое напряжение было уменьшено, например, до нуля, то для Q2 было бы достаточным напряжение затвора, равное 2 В.

Следовательно, возвращаясь к схеме из фиг.2, можно увидеть, что использование устройств с низким порогом для каскадных транзисторов М2, М3 с общим затвором улучшает динамический диапазон схемы или может дать возможность использовать более низкие напряжения питания.

Одна из возможных проблем, связанных с использованием устройств с низким порогом, состоит в том, что они имеют проводимость (из-за проводимости ниже порога) даже тогда, когда напряжение затвор-исток на них равно нулю. Эта проблема решена в схеме усилителя 52 из фиг.2 таким образом, что входные транзисторы M1, М4 имеют порог обычного типа с малыми токами утечки. Входные транзисторы M1, M4 могут также иметь уменьшенные пороги, но в этом случае для отключения усилителя необходимо отключать ток питания. В этом случае также необходимо осуществить связь транзисторов M1, М4 на входе по переменному току и подавать на них раздельное смещение.

Преимущество использования устройств с низким порогом в передаточном вентиле, а также в смесителях 58, 60 будет объяснено со ссылкой на фиг.4. В частности, на фиг. 4 показан передаточный вентиль, состоящий из двух транзисторов, затвор одного из которых Q3 подключен к напряжению питания Vdd, a затвор другого из которых Q4 заземлен. Для каждого транзистора напряжение затвор-исток равно Vdd/2. Учитывая пороговое напряжение и игнорируя влияние обратного смещения, эффективное напряжение затвора равно Vdd/2-Vth. Для 3-вольтового режима, в котором пороговое напряжение равно 0,8 В, это дает эффективное напряжение затвора около 0,7 В. Чем меньшим становится эффективное напряжение затвора, тем большей становится проблема, возникающая из-за шумов. Кроме того, если бы напряжение питания уменьшить, то эффективное напряжение затвора вряд ли было бы достаточно высоким для того, чтобы вообще включить затвор. Если пороговое напряжение уменьшено до нуля, то эффективное напряжение затвора становится приблизительно равным Vdd/2, то есть около 1,5 В, что приблизительно равно удвоенному значению напряжения при использовании устройств с обычным порогом.

Следовательно, возвращаясь к схеме из фиг.2, можно заметить, что использование устройств с низким порогом для транзисторов М5, М6, М7 и М8 уменьшает шумы, а также уменьшает сопротивление устройств во включенном состоянии. Также становится возможным использование более низкого напряжения питания.

Одна из вероятных проблем, связанных с использованием устройств с низким порогом, состоит в том, что они имеют проводимость (из-за проводимости ниже порога) даже тогда, когда напряжение затвор-исток на них равно нулю. Эта проблема решена в схемах смесителей 58, 60 из фиг.2 таким образом, что каждый из транзисторов может быть соответствующим образом выключен путем подачи отрицательного напряжения затвор-исток, равного рабочему напряжению Vdd/2 и противоположного ему по знаку.

Таким образом, здесь раскрыты схемы приемника, которые могут эффективно функционировать при низких напряжениях питания, не вызывая проблем из-за высоких токов утечки.

Формула изобретения

1. Схема усилителя радиоприемника, реализованная на основе КМОП-микросхемы, включающая в себя два канальных полевых униполярных транзистора (КПУ-транзистора) с общим затвором и два входных КПУ-транзистора со стандартными пороговыми напряжениями, на которые подается входной сигнал, причем входные КПУ-транзисторы соединены с напряжением питания и с "землей", а КПУ-транзисторы с общим затвором соединены по каскадной схеме между входными КПУ-транзисторами, при этом КПУ-транзисторы с общим затвором имеют уменьшенные пороговые напряжения по сравнению с стандартными пороговыми напряжениями входных КПУ-транзисторов.

2. Схема радиочастотного смесителя, реализованная на основе КМОП-микросхемы, содержащая два передаточных вентиля, каждый из которых включает в себя два канальных полевых униполярных транзистора (КПУ-транзистора), причем соответствующие сигналы гетеродина подаются на затворы транзисторов, а входной сигнал подается на входы передаточных вентилей, при этом транзисторы передаточных вентилей имеют уменьшенные пороговые напряжения по сравнению с транзисторами, имеющими стандартные пороговые напряжения, которые используются для генерирования сигналов гетеродина.

3. Схема радиочастотного смесителя по п.2, в котором сигналы гетеродина подаются на передаточные вентили через два задающих генератора гетеродина, каждый из которых образован двумя транзисторами, причем транзисторы задающих генераторов гетеродина имеют стандартные пороговые напряжения.

4. Радиоприемник, реализованный на основе КМОП-микросхем, включающий в себя усилитель по п.1 и схему смесителя по п.2 или 3.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4