推薦的前端電路

前端電路含有兩個重要的電路，如 LNA 和 MIXER。LNA 之設計我們僅採用了一般 單端輸入電路，不過為了讓此 LNA 有良好的接地特性，我們將此接地特別接一支腳到 外部來。MIXER

之設計則採行常用的雙端 Gilbert cell 之電路。由於本論文主要目的是在探討 RFIC 的內 建測試機制，故對詳細的功能電路未能深入著墨[3][4][5][6][7][9]，但亦將 LNA、MIXER 和 Poly phase shift 之電路圖繪出如下，接著我們進入主題來討論此測試機制。

推薦的前端電路結構如下圖(圖 3.3.3-1)，它與傳統的電路差別是：多了一些偏壓電 流選擇機制，如標上顏色的方塊。

有了這個機制，在 RF IC 製作完成後，我們就可以使用這些機制來調整此前端電路 的性能，一直到最符合需求為止。值得一提的是，這個方法幾乎不會劣化此前端電路的 性能，因為這個方法並沒有干擾信號路徑，僅控制此前端電路的偏壓電流。

(圖 3.3.3-1) 推薦的前端電路方塊及控制圖

LNA(低雜信)電路設計考量說明：

此電路主要需求為：求取雜訊與增益的平衡，以達到表 2.2.2 所示增益為 18dB 以上 雜訊為 2.5dB 以下的需求。

LNA(低雜信)電路動作簡要說明：

NM3、NM2 為一 Cascoding Amplifier circuit，此種電路的優點為可以減少米勒效應 (Miller effect)及擁有好的輸出、輸入絕緣性。我們從 LNA 電路設計^[6]中得知電晶體最佳 寬度 W opt=(2/3)(LCaxωoRsQs,opt)之觀念再配合模擬以設計出雜訊與增益平衡的 LNA 電路。

從圖 3.3.3-2 中我們可以看到有一個電流輸出 PORT(ib_lna)，這個 PORT 是連接到此 電路的 ibias_lna，以便控制此 LNA^[17]的偏壓電流，使得此 LNA 的特性得以被改變，以 達到比傳統設計更多特性的優勢。NM5、NM3_lna 為偏壓電流電路。LNAOUT PORT 是 接到 MIXER 的輸入端。

圖 3.3.3-5~為此電路之增益及雜訊模擬結果，增益為 18dB 及雜訊為 2.5dB

(圖 3.3.3-4) LNA Core circuit

(圖 3.3.3-5) LNA Gain simulation result

(圖 3.3.3-6) LNA Noise simulation result

電流選擇電路簡要說明：

我們為了調整前端電路的性能，故設計此一電流選擇機制。我們可以操作 LNAIBA 及 LNAIBS 的邏輯狀態，來決定 ib_lna 之電流大小，並調整前端電路的性能(ib_lna 是 接到 LNA 之電流境 ibias_lna)。

當邏輯輸入為 1,0 時則送到 LNA 的偏壓電流為最小(70uA)，如(表 3.3.4 模擬結果) 所示。若邏輯輸入為 0,1 時則送到 LNA 的偏壓電流為最大(180uA)。如此我們即可擁有改 變 LNA 特性的四個機會，比傳統的單一特性機會多了三個。

(圖 3.3.3-2) 推薦的前端電路----LNA 的電流選擇機制

MIXER 電路設計考量說明：

此電路主要需求為：求取高的轉換增益。依表 2.2.2 所示需要 11dB 的功率增益，唯 因系統上使用了兩組 MIXER 電路，所以單一 MIXER 電路需要 8dB 以上的增益即可滿足 系統需求。(兩組電路之振幅為一組的兩倍，所以可以增加 3dB)

我們使用 P1dB 來衡量此電路的線性工作範圍。假設 LNA 端的輸入信號小於 -40dBm，則此電路之 P1dB 為-20dBm 即可滿足系統所需。

MIXER 電路簡要說明：

此為傳統的主動式混波器[17]，NM 6、NM7、NM7、NM10 為混波器，NM11、NM12 連接到 LNA 的輸出端。因為 LNA 為單端輸出所以 NM11 的閘級用電容接地，以便將此 單端信號轉換成雙端信號。

(圖 3.3.3-7) MIXER Core circuit

從下二圖中我們可以看出此 Mixer，具有 8.4dB 的轉換增益性能。它的 P1dB

約在-10dBm。我們將以此 Mixer 擔任降 RF 到 IF 的工作。

(圖 3.3.3-8) Simulation result for MIXER conversion gain

MIXER OUT P1dB

-35

MIXER I/P (dBm)

MIXER O/P (dBm)

MIXER O/P

1dB/dB

(圖 3.3.3-9) Simulation result for MIXER P1dB=-10dBm P1dB= -10dBm

Poly phase shifter^[17]電路動作簡要說明：

此為傳統的相位 90°移動器^[17]。它將輸入信號轉 90°後輸出。它的信號損失約為 1dB。

(圖 3.3.3-6) Poly phase shifter Core circuit

Buffer 電路簡要說明：

此電流選擇機制是調整 vbp、vbn 的電壓，進而調整輸出電路的驅動能力。此電路 有兩個操作狀態，即是設定 BUFIBA 為邏輯 high 或 low.當邏輯 High 時 Buffer(Core diff amp) 則消耗比較大的電流，若為邏輯 Low 時 Buffer(Core diff amp)則消耗比較小的電流。如此 我們又擁有兩個不同的電路特性了。

組合 LNA 與 Buffer 兩種電路特性，我們總共可以得到八個特性，比傳統單一特性 的做法多了七個特性。

在使用最經濟電流之下，它的電壓增益約為 1dB。剛好補足 Poly phase shifter^[17]電 路的損失。

(圖 3.3.3-3) 推薦的前端電路---Buffer of Mixer 的電流選擇機制