一种超宽带、高线性度正交调制器_吴舒桐.pdf

第 43卷 第 1期2023年 2月Vol.43，No.1Feb.，2023固体电子学研究与进展RESEARCH&PROGRESS OF SSE一种超宽带、高线性度正交调制器吴舒桐 张礼怿 戚福伟 刘雪莲（中国电子科技集团公司 第五十八研究所，江苏，无锡，214072）20220507收稿，20220818收改稿摘要：基于 SiGe工艺设计了一款超宽带、高线性度的正交调制器电路，主要包含本振移相模块、混频器模块和输出模块。其中本振正交信号产生电路采用 RC多相滤波器结构，在超宽带下生成正交信号，并采用限幅放大器对信号的幅度和相位进行校准；混频器采用 Gilbert双平衡混频器电路结构，并使用电阻负反馈结构和电感峰化技术，可满足超宽带、高线性度、高镜像抑制的设计要求；输出模块采用有源巴伦实现差分转单端功能。芯片供电电压为5 V，工作频率范围为 50 MHz6 GHz，输出 1 dB 压缩点最高可达到 14.7 dBm2 GHz，边带抑制为-60 dBc，载波泄露为-44.8 dBm，噪底可低至-166 dBm/Hz。可广泛应用于各类接收机和通信系统中。关键词：超宽带；高线性度；低噪声；正交调制器中图分类号：TN761 文献标识码：A 文章编号：10003819(2023)01003406A Wideband and High Linearity IQ ModulatorWU Shutong ZHANG Liyi QI Fuwei LIU Xuelian（The 58th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Wuxi，Jiangsu，214072，CHN）Abstract:A wideband and high linearity IQ modulator based on the SiGe process was proposed in this paper.Polyphase filter，mixer and output unit were included in this module.The RC polyphase filter was adopted to generate the local IQ signal under wideband.The limiting amplifier was used to calibrate the amplitude and phase of the signal.The Gilbert double balanced mixer was modified by the resistance feedback method and the inductance peaking technique，in order to improve the bandwidth，linearity and image rejection behavior.The output unit used the active balun to realize single end to differential function.A 50 MHz6 GHz IQ modulator under 5 V supply voltage designed using the presented modifications was fabricated and measured.The chip achieves 14.7 dBm output 1 dB compression point at 2 GHz，a-60 dBc sideband suppression，a-44.8 dBm carrier feedthrough and a-166 dBm/Hz noise floor.This design could stratify the need in the transceiver and communication system.Key words：wideband；high linearity；low noise；IQ modulator引 言 随着射频集成电路技术的飞速发展，射频电路的应用越来越广泛，尤其是在无线通信领域，射频电路参数直接决定了系统性能，已成为通信系统核心部分。在射频通信电路中，正交调制器是发射机中最为核心的模块之一，作为发射链路的第一级，一个高线性度的上变频混频器可以提高整个发射机的动态工作范围。同时，混频器需要提供一定的增益，这样能降低对后级放大器的增益需求，并且有利于改善电路的信噪比1。射频微波与太赫兹联系作者：E-mail:DOI:10.19623/ki.rpsse.2023.01.0011期吴舒桐等：一种超宽带、高线性度正交调制器混频器可分为有源混频器和无源混频器，虽然无源混频器可以实现较好的线性度2，但是无法提供一定的输出功率，而且需要相对更高的本振驱动功率。有源混频器可以为发射链路提供所需的增益，但线性度不如无源混频器，为了使其线性度、镜像抑制等性能满足应用要求，有多种优化方案。常见的有源混频器结构是基于吉尔伯特单元进行设计优化，在跨导级增加源级退化电阻3或电感4是一种非常简单又有效的优化方案，采用电流注入结构提高增益、降低噪声5，也可采用折叠式混频器降低功耗68。相比于 CMOS 工艺的混频器，采用 SiGe BiCMOS工艺虽然成本更高，功耗也较大，但带宽更宽、噪声更低、线性度性能也更优越1。本文提出了一款基于 SiGe 工艺的正交调制器电路，具有较高的集成度，集成了本振移相电路、吉尔伯特单元的双平衡混频器和输出差分转单端有源巴伦。可实现从 50 MHz6 GHz 的超宽带工作频率范围，具有极低的噪底和优秀的线性度，同时具有良好的边带抑制和载波馈通，可实现高精度调制功能。1 整体电路结构 正交调制器的基本原理就是将 I/Q 两路基带信号调制（混频）到需要的两路正交载波上再输出。提出的正交调制器的系统结构如图 1 所示，主要包括三个模块：移相器模块、上变频混频器单元、差分转单端输出模块。本振输入信号（LOP和 LON）经过移相器电路产生正交差分信号（LOIP、LOIN、LOQP、LOQN），该信号作为开关信号进入上变频混频器。基带信号（BBIP、BBIN、BBQP、BBQN）作为输入信号由外部直接提供给混频器。混频器输出的差分射频信号经过差分转单端模块后，转为单端射频信号（RFout）输出。2 整体电路设计 2.1 移相器结构本文的正交调制器需要采用移相电路将本振信号转换为正交信号，常用的移相电路结构有分频器、多相滤波器、环形振荡器等。若采用分频器生成正交信号，输入信号频率需为输出的正交信号的两倍，增大了生成输入信号的电路（如振荡器等）的设计难度，且由于工艺的限制很难实现，另外当输入信号偏离 50%的占空比时，会引起分频所得信号的相位失衡。环形振荡器采用延迟单元来实现，会消耗较大的功耗、具有较差的相位噪声性能，延迟单元之间也会存在一定的不匹配性，会导致输出正交相位的偏差，从而影响电路性能。考虑到超宽带、噪声等性能要求，本次设计最终采用结构简单、利于集成的 RC 多相滤波器产生正交信号。同时，在多相滤波器后级加入限幅放大器，用于对信号的幅度进行校准。移相器的结构框图如图 2所示。2.1.1 RC多相滤波器不同于 LC 谐振网络、正交全通滤波器电路，RC 多相滤波器结构由电阻、电容组成，避免使用电感，减小了芯片面积，更利于电路的集成9。RC 网络产生正交信号的原理是将信号分别移相45，其原理图如图 3所示。可得到 Vout1和 Vout2之间的关系如式（1）和（2）图 2 移相器结构框图Fig.2 Phase shifter architecture图 3 RC网络原理图Fig.3 Schematic of the RC network图 1 正交调制器结构Fig.1 IQ modulator architecture35固 体 电 子 学 研 究 与 进 展 http:GTDZ43卷所示。Vout1=1/jCR+1/jCVin（1）Vout2=RR+1/jCVin（2）在理想情况下，输出的信号应为幅度相等、相位相差 90的正交差分信号，谐振频率 f与电容电阻的关系如式（3）所示。=2f=1R C（3）但是该结构会受到带宽的限制，实际应用中，需要多级级联来实现宽频带工作，根据镜像抑制要求和工作频率来确定具体级数10。为使得本振正交信号在超宽带的工作频率范围（50 MHz6 GHz）内均取得较好的正交特性和平坦度，采用了一个 3阶的 RC 多相滤波器结构，如图 4 所示，并在工作带宽内选取合适的 f 值，根据版图面积、走线等要求，确定 R、C选值。2.1.2 限幅放大器本文采用的 RC 多相滤波器结构，由于温度和工艺等的变化会引起 RC 绝对值的变化，从而导致本振正交信号幅度和相位存在偏移。本振正交信号的质量，即幅度不平衡和相位误差，将影响调制器电路的边带抑制和载波泄露等指标。为了使得电路在超宽带的工作频率范围内都有较好的调制性能，在多相滤波器后增加两级限幅放大器的结构，对本振信号幅度和相位进行校准，采用的限幅放大器结构如图 5所示。在有/无限幅放大器的情况下，对经过 RC 多相滤波器后生成的本振正交信号的幅度和相位误差进行仿真，其仿真结果如图 6 和图 7 所示。由图中可得，增加了限幅放大器后，对正交信号的幅度和相位误差进行了有效地校准，将幅度不平衡从原来的大于 0.1 dB基本优化至 0.01 dB以下，将相位误差也基本优化至 0.1以下。2.2 正交混频器宽带正交混频器是正交调制器的核心单元，需要兼顾增益、线性度、隔离度等方面的指标。混频器的线性度表征了电路所能处理的最大信号强度。混频器的输入信号能量一般都比较高，所以对线性度有较高要求。本文采用的正交混频器结构如图 8 所示，它由输入跨导级、开关级和电感电阻负载三部分构成。通过采用双平衡吉尔伯特单元，基带、射频和本振图 5 限幅放大器电路Fig.5 Limiting amplifier circuit图 6 有/无限幅放大器时，本振正交幅度不平衡仿真结果Fig.6 The simulation results of LO I/Q magnitude imbalance with/without the limiting amplifier图 7 有/无限幅放大器时，本振正交相位误差仿真结果Fig.7 The simulation result of LO I/Q phase error with/without the limiting amplifier图 4 RC多相滤波器电路Fig.4 RC polyphase filter circuit361期吴舒桐等：一种超宽带、高线性度正交调制器各端口之间均可以实现较高的隔离度，这样可以使得本振射频之间的馈通较小。输入的电压信号（BBIP、BBIN、BBQP、BBQN）被跨导级放大器转换成电流信号，其转换增益近似表示为：G=RL2gm(4)其中，RL是负载阻抗，gm是跨导级放大器的等效跨导，其值表示为：gm=g1+gR(5)其中，g是跨导管 Q25Q28的跨导，R 是跨导管发射极负反馈电阻（电阻 R29R32）。在跨导级晶体管的发射极串联一个无源元件，形成串联负反馈连接，这样能有效提高跨导级的线性度。为了适合宽带应用场合，采用电阻连接实现发射极负反馈电路。跨导级三极管的基极连接电容到地，用于滤除高频信号，减小高频信号到基带输入端的泄露。针对带宽和增益衰减问题，采用电感峰化技术，用于补偿高频时的信号损耗，增大电路的带宽。经过频率变换的 RF信号在负载级完成 IV 转换，负载电路的设计将影响到混频器的增益、带宽与功耗等关键性能参数。本文采用电阻电感串联结构作为混频器负载，一方面能够满足电路的增益要求，另一方面相比有源负载网络而言损耗的压降更小，因而