近年來(lái)，有關(guān)將CMOS工藝在射頻（RF）技術(shù)中應(yīng)用的可能性的研究大量增多。深亞微米技術(shù)允許CMOS電路的工作頻率超過(guò)1GHz,，這無(wú)疑推動(dòng)了集成CMOS射頻電路的發(fā)展。目前,，幾個(gè)研究組已利用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝開發(fā)出高性能的下變頻器,、低相位噪聲壓控振蕩器（VCO）和雙模數(shù)預(yù)分頻器（prescaler）。這些研究表明,，在無(wú)須增加額外器件或進(jìn)行調(diào)整的條件下,，可以設(shè)計(jì)出完全集成的接收器和VCO電路。低噪聲放大器,、上行轉(zhuǎn)換器,、合成器和功率放大器的深入研究，將可能設(shè)計(jì)出電信應(yīng)用的完全集成收發(fā)器CMOS 射頻電路,。
無(wú)線通信及其應(yīng)用技術(shù)的迅猛發(fā)展,，很大程度上得益于無(wú)線通信中的數(shù)字編碼和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的引入。數(shù)字技術(shù)發(fā)展是高性能低成本CMOS技術(shù)發(fā)展的結(jié)果,，因?yàn)镃MOS技術(shù)使得在單塊裸片上集成大量的數(shù)字功能成為可能,。這樣，利用先進(jìn)的調(diào)制技術(shù),、復(fù)雜的解調(diào)算法,，以及高質(zhì)量的錯(cuò)誤檢測(cè)和糾錯(cuò)系統(tǒng)，其結(jié)果是產(chǎn)生了高性能無(wú)損耗的數(shù)字通信信道,。
目前,，數(shù)字技術(shù)發(fā)展以及無(wú)線市場(chǎng)的高速增長(zhǎng)已經(jīng)極大地改變了模擬收發(fā)器前端設(shè)備。前端設(shè)備是天線與無(wú)線收發(fā)器的數(shù)字調(diào)制解調(diào)器之間的接口,，前端設(shè)備必須檢測(cè)頻率高達(dá)1GHz至2GHz微伏級(jí)的微弱信號(hào),。同時(shí)，還必須以相同的高頻率發(fā)射功率在2W左右的信號(hào),。因此,，這需要能在天線和A/D轉(zhuǎn)換以及數(shù)字信號(hào)處理之間轉(zhuǎn)換頻帶的高性能模擬電路，如濾波器,、放大器和混頻器,。低成本和低功耗要求使得模擬前端設(shè)備成為未來(lái)射頻設(shè)計(jì)的瓶頸，集成度的進(jìn)一步提高將顯著降低裸片大小,、成本和功耗,。在過(guò)去幾年中，已經(jīng)提出了許多進(jìn)一步增強(qiáng)接收器,、發(fā)送器和合成器集成度的不同技術(shù),。
在進(jìn)一步提升集成度的同時(shí)，研究人員也力圖采用CMOS工藝集成射頻電路,。雖然CMOS技術(shù)主要應(yīng)用于數(shù)字電路的集成,，但如果能在高性能模擬電路中應(yīng)用CMOS技術(shù),，將使性能得到很大提高，其優(yōu)勢(shì)將更為明顯：可在單塊芯片上集成完整的收發(fā)器系統(tǒng),，即同一裸片上既集成模擬前端器件,，又集成數(shù)字解調(diào)器。這種需求只能利用CMOS或BiCMOS工藝實(shí)現(xiàn),，BiCMOS工藝能提高模擬設(shè)計(jì)的性能,，但成本也相應(yīng)提高，這不僅因?yàn)閱挝幻娣e的成本增加,，而且需要為數(shù)字電路部分預(yù)留更大的芯片空間,。隨著在CMOS工藝上的投資遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出雙極性器件，普通CMOS工藝將逐步消除BiCMOS器件與采用深亞微米CMOS工藝的NMOS器件,，甚至消除采用相同BiCMOS工藝的NMOS器件之間的性能差異,。NMOS器件的ft參數(shù)將逐漸接近NPN器件的ft。
盡管多年前就展開了一些有關(guān)采用CMOS工藝的射頻設(shè)計(jì)研究,，但直到最近幾年人們才真正關(guān)注實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的可能性,。目前，業(yè)界有幾個(gè)研究組正從事該主題的研究,。由于雙極性器件固有的特性優(yōu)于CMOS器件,，因此一些研究人員認(rèn)為射頻CMOS只適用于具有較低性能標(biāo)準(zhǔn)，如ISM等低性能系統(tǒng),，或者可以通過(guò)改進(jìn)CMOS工藝,，如蝕刻電感器下面的基底來(lái)提高其性能。射頻CMOS技術(shù)將可能采用普通的深亞微米工藝對(duì)高性能應(yīng)用,，如GSM,、DECT和DCS1800中的收發(fā)器進(jìn)行完全集成。
CMOS技術(shù)
出于對(duì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高以及實(shí)現(xiàn)更高集成度DSP電路的考慮,，亞微米技術(shù)目前已被視為標(biāo)準(zhǔn)的CMOS技術(shù),。該技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)甚至向深亞微米技術(shù)發(fā)展，如規(guī)格為0.1微米或更小的晶體管,。而Ft接近100GHz的晶體管最近也出現(xiàn)在0.1微米的深亞微米工藝中,。
然而，晶體管中的寄生電容,，包括柵極-漏極交迭電容（gate-drain overlap capacitance）和漏極-體結(jié)電容（drain-bulk junction capacitance）延緩了深亞微米技術(shù)的發(fā)展,。圖1比較了不同技術(shù)的ft和fmax值，這清晰地說(shuō)明了上述結(jié)論,。與ft相比,，fmax更為重要，因?yàn)閒max反映了實(shí)際配置中晶體管的速率極限。如圖中所示,，雖然ft快速增加,，但對(duì)于實(shí)際的電路設(shè)計(jì)（fmax），速度的提高卻并不大,。
最后,，在最近的集成CMOS射頻電路中很清晰地看到，不僅CMOS技術(shù)本身成為了制約因素,，封裝也同樣如此。由于射頻信號(hào)最終將來(lái)源于芯片,，而且由于射頻天線信號(hào)必須進(jìn)入芯片,，因此任何與ESD保護(hù)網(wǎng)絡(luò)相連的PCB、封裝引腳寄生電容將極大地影響,，或使射頻信號(hào)惡化,。
接收器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
超外差（heterodyne）或中頻接收器是最常用的接收器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在中頻接收器中,，期望信號(hào)將下變頻到相對(duì)較高的中頻頻率,。采用高質(zhì)量的無(wú)源帶通濾波器可防止鏡像信號(hào)在中頻頻率上與期望信號(hào)發(fā)生交迭。通過(guò)利用中頻接收器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，尤其是當(dāng)采用多個(gè)中頻級(jí)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)極高的接收器性能,。
由于每一級(jí)濾波都需要在芯片外實(shí)現(xiàn)，并采用分立的帶通濾波器,，因此中頻接收器設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題是不能滿足更高的集成度要求,。這些分立的濾波器和帶有大量引腳的接收器芯片提高了成本，而且功耗也很大（通常分立濾波器需要50Ω的驅(qū)動(dòng)信號(hào)源驅(qū)動(dòng)）,。此外,，在CMOS射頻電路設(shè)計(jì)中，在1GHz的頻率范圍上輸入/輸出的問(wèn)題也很嚴(yán)重,。
作為中頻接收器的替代方案,，零差（homodyne）或零中頻接收器可以實(shí)現(xiàn)極高的集成度。零中頻接收器對(duì)通往基帶的信號(hào)進(jìn)行了直接,、正交的下變頻轉(zhuǎn)換,。期望信號(hào)將自身作為鏡像信號(hào)，因此可以實(shí)現(xiàn)充分的鏡像信號(hào)抑制,，盡管信號(hào)抑制的正交精度有限,。在理論上，零中頻接收器中根本不需要分立的高頻帶通濾波器,，可以實(shí)現(xiàn)完全集成的接收器,，尤其是當(dāng)下變頻在單級(jí)中執(zhí)行時(shí)。例如，直接從900MHz變換到基帶信號(hào),。
與中頻接收器相比,，零中頻接收器的缺點(diǎn)在于其較低的性能。零中頻接收器對(duì)寄生基帶信號(hào)非常敏感,，如DC偏移電壓以及由射頻和LO自混頻產(chǎn)生的串?dāng)_分量,。這些缺點(diǎn)限制了零中頻接收器在無(wú)線應(yīng)用系統(tǒng)中的廣泛使用，因此零中頻接收器常用在低性能要求的應(yīng)用中,，如尋呼機(jī)和ISM中,。在這些應(yīng)用中，可以對(duì)編碼進(jìn)行擾碼處理,，因此可以插入高通濾波器,，從而避免DC偏移問(wèn)題。零中頻接收器的另一個(gè)應(yīng)用是用作中頻-零中頻混合接收器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的第二級(jí),。通過(guò)采用由DSP實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)非線性DC糾錯(cuò)算法,，零中頻拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可應(yīng)用于高性能應(yīng)用系統(tǒng)，如GSM和數(shù)字增強(qiáng)型無(wú)繩電話（DECT）中,。
近年來(lái),，高性能要求的應(yīng)用中也引入了新的接收器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如準(zhǔn)中頻（quasi-IF）或?qū)拵е蓄l接收器,，以及低中頻接收器,。寬帶中頻接收器首先對(duì)中頻頻率進(jìn)行正交下變頻，接著再對(duì)基帶進(jìn)行正交下變頻,。信道選擇則由中頻頻率處的第二級(jí)本地振蕩器實(shí)現(xiàn),，這樣有利于第一級(jí)本地振蕩器保持固定的頻率。然而,，必須注意第一級(jí)正交下變頻器的精度,，因?yàn)槿魏蜗辔徽`差都將導(dǎo)致鏡像信號(hào)的抑制能力下降，這時(shí)就必須利用高頻濾波器提高鏡像信號(hào)抑制,。此外,，還需要較高的中頻頻率，以使中頻頻率與整個(gè)頻帶的比例足夠高,。否則,，第二級(jí)VCO的可調(diào)節(jié)能力就必須非常大。另一方面,，混頻器第一級(jí)也不可能是真正的下變頻混頻器,，因?yàn)橄伦冾l混頻器仍然需要寬帶輸出帶寬，而這正是產(chǎn)生系統(tǒng)噪聲的一個(gè)缺點(diǎn),。另外,，多級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)本身將產(chǎn)生更大的功耗,。
顧名思義，低中頻接收器將天線頻率直接下變頻為較低的中頻,，即在若干100kHz的頻率范圍內(nèi),。下變頻采用正交方式，而鏡像信號(hào)抑制通常在下變頻之后,，在DSP中以較低的頻率完成 ,。因此，低中頻與零中頻接收器緊密相關(guān),，低中頻可完全集成并采用單級(jí)直接下變頻,，不需要高頻鏡像信號(hào)抑制濾波器。低中頻和零中頻兩者的主要差別在于：低中頻不用基帶處理,，因此完全不受寄生基帶信號(hào)的影響,，這樣就克服了零中頻接收器的主要缺點(diǎn)；零中頻的缺點(diǎn)在于鏡像信號(hào)完全不同于低中頻接收器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的期望信號(hào),，但通過(guò)慎重選擇中頻頻率，就足以利用帶有低信號(hào)電平的鄰近信道進(jìn)行鏡像信號(hào)抑制,，可以達(dá)到3°的相位精度,。
近年來(lái)，有關(guān)將CMOS工藝在射頻（RF）技術(shù)中應(yīng)用的可能性的研究大量增多,。深亞微米技術(shù)允許CMOS電路的工作頻率超過(guò)1GHz,，這無(wú)疑推動(dòng)了集成CMOS射頻電路的發(fā)展。目前,，幾個(gè)研究組已利用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝開發(fā)出高性能的下變頻器,、低相位噪聲壓控振蕩器（VCO）和雙模數(shù)預(yù)分頻器（prescaler）。這些研究表明,，在無(wú)須增加額外器件或進(jìn)行調(diào)整的條件下,，可以設(shè)計(jì)出完全集成的接收器和VCO電路。低噪聲放大器,、上行轉(zhuǎn)換器,、合成器和功率放大器的深入研究，將可能設(shè)計(jì)出電信應(yīng)用的完全集成收發(fā)器CMOS 射頻電路,。
無(wú)線通信及其應(yīng)用技術(shù)的迅猛發(fā)展,，很大程度上得益于無(wú)線通信中的數(shù)字編碼和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的引入。數(shù)字技術(shù)發(fā)展是高性能低成本CMOS技術(shù)發(fā)展的結(jié)果,，因?yàn)镃MOS技術(shù)使得在單塊裸片上集成大量的數(shù)字功能成為可能,。這樣，利用先進(jìn)的調(diào)制技術(shù),、復(fù)雜的解調(diào)算法,，以及高質(zhì)量的錯(cuò)誤檢測(cè)和糾錯(cuò)系統(tǒng),，其結(jié)果是產(chǎn)生了高性能無(wú)損耗的數(shù)字通信信道。
目前,，數(shù)字技術(shù)發(fā)展以及無(wú)線市場(chǎng)的高速增長(zhǎng)已經(jīng)極大地改變了模擬收發(fā)器前端設(shè)備,。前端設(shè)備是天線與無(wú)線收發(fā)器的數(shù)字調(diào)制解調(diào)器之間的接口，前端設(shè)備必須檢測(cè)頻率高達(dá)1GHz至2GHz微伏級(jí)的微弱信號(hào),。同時(shí),，還必須以相同的高頻率發(fā)射功率在2W左右的信號(hào)。因此,，這需要能在天線和A/D轉(zhuǎn)換以及數(shù)字信號(hào)處理之間轉(zhuǎn)換頻帶的高性能模擬電路,，如濾波器、放大器和混頻器,。低成本和低功耗要求使得模擬前端設(shè)備成為未來(lái)射頻設(shè)計(jì)的瓶頸,，集成度的進(jìn)一步提高將顯著降低裸片大小、成本和功耗,。在過(guò)去幾年中,，已經(jīng)提出了許多進(jìn)一步增強(qiáng)接收器、發(fā)送器和合成器集成度的不同技術(shù),。
在進(jìn)一步提升集成度的同時(shí),，研究人員也力圖采用CMOS工藝集成射頻電路。雖然CMOS技術(shù)主要應(yīng)用于數(shù)字電路的集成,，但如果能在高性能模擬電路中應(yīng)用CMOS技術(shù),，將使性能得到很大提高，其優(yōu)勢(shì)將更為明顯：可在單塊芯片上集成完整的收發(fā)器系統(tǒng),，即同一裸片上既集成模擬前端器件,，又集成數(shù)字解調(diào)器。這種需求只能利用CMOS或BiCMOS工藝實(shí)現(xiàn),，BiCMOS工藝能提高模擬設(shè)計(jì)的性能,，但成本也相應(yīng)提高，這不僅因?yàn)閱挝幻娣e的成本增加,，而且需要為數(shù)字電路部分預(yù)留更大的芯片空間,。隨著在CMOS工藝上的投資遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出雙極性器件，普通CMOS工藝將逐步消除BiCMOS器件與采用深亞微米CMOS工藝的NMOS器件,，甚至消除采用相同BiCMOS工藝的NMOS器件之間的性能差異,。NMOS器件的ft參數(shù)將逐漸接近NPN器件的ft。
盡管多年前就展開了一些有關(guān)采用CMOS工藝的射頻設(shè)計(jì)研究,，但直到最近幾年人們才真正關(guān)注實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的可能性,。目前，業(yè)界有幾個(gè)研究組正從事該主題的研究,。由于雙極性器件固有的特性優(yōu)于CMOS器件,，因此一些研究人員認(rèn)為射頻CMOS只適用于具有較低性能標(biāo)準(zhǔn),，如ISM等低性能系統(tǒng)，或者可以通過(guò)改進(jìn)CMOS工藝,，如蝕刻電感器下面的基底來(lái)提高其性能,。射頻CMOS技術(shù)將可能采用普通的深亞微米工藝對(duì)高性能應(yīng)用，如GSM,、DECT和DCS1800中的收發(fā)器進(jìn)行完全集成,。
CMOS技術(shù)
出于對(duì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高以及實(shí)現(xiàn)更高集成度DSP電路的考慮，亞微米技術(shù)目前已被視為標(biāo)準(zhǔn)的CMOS技術(shù),。該技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)甚至向深亞微米技術(shù)發(fā)展,，如規(guī)格為0.1微米或更小的晶體管。而Ft接近100GHz的晶體管最近也出現(xiàn)在0.1微米的深亞微米工藝中,。
然而,，晶體管中的寄生電容，包括柵極-漏極交迭電容（gate-drain overlap capacitance）和漏極-體結(jié)電容（drain-bulk junction capacitance）延緩了深亞微米技術(shù)的發(fā)展,。圖1比較了不同技術(shù)的ft和fmax值,，這清晰地說(shuō)明了上述結(jié)論。與ft相比,，fmax更為重要,，因?yàn)閒max反映了實(shí)際配置中晶體管的速率極限。如圖中所示,，雖然ft快速增加，但對(duì)于實(shí)際的電路設(shè)計(jì)（fmax）,，速度的提高卻并不大,。
最后，在最近的集成CMOS射頻電路中很清晰地看到,，不僅CMOS技術(shù)本身成為了制約因素,，封裝也同樣如此。由于射頻信號(hào)最終將來(lái)源于芯片,，而且由于射頻天線信號(hào)必須進(jìn)入芯片,，因此任何與ESD保護(hù)網(wǎng)絡(luò)相連的PCB、封裝引腳寄生電容將極大地影響,，或使射頻信號(hào)惡化,。
接收器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
超外差（heterodyne）或中頻接收器是最常用的接收器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在中頻接收器中,，期望信號(hào)將下變頻到相對(duì)較高的中頻頻率,。采用高質(zhì)量的無(wú)源帶通濾波器可防止鏡像信號(hào)在中頻頻率上與期望信號(hào)發(fā)生交迭。通過(guò)利用中頻接收器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，尤其是當(dāng)采用多個(gè)中頻級(jí)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)極高的接收器性能,。
由于每一級(jí)濾波都需要在芯片外實(shí)現(xiàn),，并采用分立的帶通濾波器，因此中頻接收器設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題是不能滿足更高的集成度要求,。這些分立的濾波器和帶有大量引腳的接收器芯片提高了成本,，而且功耗也很大（通常分立濾波器需要50Ω的驅(qū)動(dòng)信號(hào)源驅(qū)動(dòng)）。此外,，在CMOS射頻電路設(shè)計(jì)中,，在1GHz的頻率范圍上輸入/輸出的問(wèn)題也很嚴(yán)重。
作為中頻接收器的替代方案,，零差（homodyne）或零中頻接收器可以實(shí)現(xiàn)極高的集成度,。零中頻接收器對(duì)通往基帶的信號(hào)進(jìn)行了直接、正交的下變頻轉(zhuǎn)換,。期望信號(hào)將自身作為鏡像信號(hào),，因此可以實(shí)現(xiàn)充分的鏡像信號(hào)抑制，盡管信號(hào)抑制的正交精度有限,。在理論上,，零中頻接收器中根本不需要分立的高頻帶通濾波器，可以實(shí)現(xiàn)完全集成的接收器,，尤其是當(dāng)下變頻在單級(jí)中執(zhí)行時(shí),。例如，直接從900MHz變換到基帶信號(hào),。
與中頻接收器相比,，零中頻接收器的缺點(diǎn)在于其較低的性能。零中頻接收器對(duì)寄生基帶信號(hào)非常敏感,，如DC偏移電壓以及由射頻和LO自混頻產(chǎn)生的串?dāng)_分量,。這些缺點(diǎn)限制了零中頻接收器在無(wú)線應(yīng)用系統(tǒng)中的廣泛使用，因此零中頻接收器常用在低性能要求的應(yīng)用中,，如尋呼機(jī)和ISM中,。在這些應(yīng)用中，可以對(duì)編碼進(jìn)行擾碼處理,，因此可以插入高通濾波器,，從而避免DC偏移問(wèn)題。零中頻接收器的另一個(gè)應(yīng)用是用作中頻-零中頻混合接收器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的第二級(jí),。通過(guò)采用由DSP實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)非線性DC糾錯(cuò)算法,，零中頻拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可應(yīng)用于高性能應(yīng)用系統(tǒng)，如GSM和數(shù)字增強(qiáng)型無(wú)繩電話（DECT）中,。
近年來(lái),，高性能要求的應(yīng)用中也引入了新的接收器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如準(zhǔn)中頻（quasi-IF）或?qū)拵е蓄l接收器,，以及低中頻接收器,。寬帶中頻接收器首先對(duì)中頻頻率進(jìn)行正交下變頻,，接著再對(duì)基帶進(jìn)行正交下變頻。信道選擇則由中頻頻率處的第二級(jí)本地振蕩器實(shí)現(xiàn),，這樣有利于第一級(jí)本地振蕩器保持固定的頻率,。然而，必須注意第一級(jí)正交下變頻器的精度,，因?yàn)槿魏蜗辔徽`差都將導(dǎo)致鏡像信號(hào)的抑制能力下降,，這時(shí)就必須利用高頻濾波器提高鏡像信號(hào)抑制。此外,，還需要較高的中頻頻率,，以使中頻頻率與整個(gè)頻帶的比例足夠高。否則,，第二級(jí)VCO的可調(diào)節(jié)能力就必須非常大,。另一方面，混頻器第一級(jí)也不可能是真正的下變頻混頻器,，因?yàn)橄伦冾l混頻器仍然需要寬帶輸出帶寬,，而這正是產(chǎn)生系統(tǒng)噪聲的一個(gè)缺點(diǎn)。另外,，多級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)本身將產(chǎn)生更大的功耗,。
顧名思義，低中頻接收器將天線頻率直接下變頻為較低的中頻,，即在若干100kHz的頻率范圍內(nèi),。下變頻采用正交方式，而鏡像信號(hào)抑制通常在下變頻之后,，在DSP中以較低的頻率完成 ,。因此，低中頻與零中頻接收器緊密相關(guān),，低中頻可完全集成并采用單級(jí)直接下變頻，不需要高頻鏡像信號(hào)抑制濾波器,。低中頻和零中頻兩者的主要差別在于：低中頻不用基帶處理,，因此完全不受寄生基帶信號(hào)的影響，這樣就克服了零中頻接收器的主要缺點(diǎn),；零中頻的缺點(diǎn)在于鏡像信號(hào)完全不同于低中頻接收器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的期望信號(hào),，但通過(guò)慎重選擇中頻頻率，就足以利用帶有低信號(hào)電平的鄰近信道進(jìn)行鏡像信號(hào)抑制,，可以達(dá)到3°的相位精度,。
完全集成的CMOS下變頻器
倍頻器中最常用的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就是帶有交叉聯(lián)結(jié)可變跨導(dǎo)差動(dòng)級(jí)的倍頻器。在CMOS工藝中,，采用該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其相關(guān)結(jié)構(gòu),，例如基于平方律的拓?fù)?，只適用于高頻系統(tǒng)。為避免產(chǎn)生畸變問(wèn)題,，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)必須具有較大的VGS-VT值或較大的源極衰減阻抗,，但這將產(chǎn)生更大的功耗并引發(fā)噪聲問(wèn)題?？梢酝ㄟ^(guò)在線性區(qū)域中,，將帶MOS晶體管的偽差分拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)取代底端差分對(duì)結(jié)構(gòu)來(lái)避免這一問(wèn)題。CMOS下變頻處理中經(jīng)常用到對(duì)開關(guān)電容放大器進(jìn)行二次采樣的技術(shù),。在這里,，MOS晶體管用作帶有高輸入帶寬的開關(guān)，期望信號(hào)就通過(guò)這些開關(guān)進(jìn)行通信,。通過(guò)采用二次采樣可以用較低頻率的運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)這些結(jié)構(gòu),。與中頻頻率相比，開關(guān)和開關(guān)電容電路的工作頻率要低很多,。此外,，時(shí)鐘抖動(dòng)必須非常低，這樣高頻信號(hào)才能以足夠高的精度進(jìn)行采樣,。二次采樣的缺點(diǎn)是,，在采樣頻率處倍頻器上的所有信號(hào)和噪聲將與期望信號(hào)發(fā)生交迭。因此,，有必要將高質(zhì)量的高頻濾波器與開關(guān)電容二次采樣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)結(jié)合使用,。
圖2顯示了以0.7微米CMOS工藝實(shí)現(xiàn)的完全集成正交下變頻器的方框圖。該變頻器采用新開發(fā)的雙正交結(jié)構(gòu),，可以得到極高的正交精度,，在很大的通頻帶中具有小于0.3°的相位精度，并不需要任何外部器件,，也不需要對(duì)器件進(jìn)行調(diào)整,。應(yīng)用于下變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立在線性區(qū)域的NMOS晶體管基礎(chǔ)之上。由于下變頻器與虛地上的電容相結(jié)合,，因而只需要低頻率的運(yùn)算放大器,。在線性區(qū)域中采用MOS晶體管，能使RF和LO輸入的線性度得到很大的提高,，混頻器的輸入IP3將超過(guò)+45dBm,。RF和LO輸入的高線性度將有助于混頻器處理非常高的IMFDR3電平，這樣就不再需要任何高頻濾波器,。
合成器
本地振蕩器負(fù)責(zé)在上變頻和下變頻器中進(jìn)行正確的頻率選擇,。由于目前的無(wú)線通信系統(tǒng)必須盡可能高效地利用頻譜，因此信道總是排列得非常緊密。接收信道的期望信號(hào)電平可能非常小,，而相鄰的信道則可能具有非常大的信號(hào)電平,，因此LO信號(hào)的相位噪聲指標(biāo)將非常高，因而頻率合成器的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵,。
同時(shí),，移動(dòng)通信還要求器件的功耗低、成本低和重量輕,。完全集成的合成器將能滿足這些要求,，而完全集成意味著采用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS技術(shù)，并無(wú)需增加任何外部器件或工藝流程,。通常,，LO通過(guò)如圖3所示的鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)。其中壓控振蕩器和雙模數(shù)預(yù)分頻器（DMP）的設(shè)計(jì)必須滿足嚴(yán)格的指標(biāo),。
在以亞微米CMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)GHz VCO過(guò)程中,，可有兩種選擇方案：環(huán)形振蕩器或基于LC振蕩回路諧振頻率的振蕩器。在該LC振蕩回路中的電感器可以用有源電感或無(wú)源電感方式實(shí)現(xiàn),。研究表明,，環(huán)形振蕩器和有源LC振蕩器的相位噪聲與功耗成反比：
因此，對(duì)于低功率,、低相位噪聲的VCO,，唯一的可行解決方案就是帶無(wú)源電感的LC振蕩器。在此條件下,，相位噪聲將與功耗成正比：
該振蕩器唯一的缺點(diǎn)就是集成的無(wú)源電感,。等式（2）表明，對(duì)于較低的相位噪聲,，即LC環(huán)路的等效串聯(lián)阻抗R必須盡可能小,。較低的阻抗也意味著較低的電路損耗，只需較低的功率即可補(bǔ)償這些損耗,。在大多數(shù)技術(shù)中,，電容可以輕易獲得，但由于阻抗R通常由電感的串聯(lián)阻抗決定,，因此電感的設(shè)計(jì)就尤為重要,。電感的設(shè)計(jì)目前存在3種解決方案。
硅基底上的螺旋電感通常要承擔(dān)由于基底而產(chǎn)生的大量損耗,，這限制了可獲取的Q值大小。最近,，新開發(fā)的技術(shù)在后處理過(guò)程中能將螺旋線圈之下的基底蝕刻掉,。但是，由于在IC的正常工藝之后需要引入額外的蝕刻過(guò)程,，該技術(shù)并不適用于大規(guī)模生產(chǎn),。
為滿足極低的相位噪聲要求,，需要對(duì)邦定線電感進(jìn)行深入研究。由于邦定線的寄生感應(yīng)系數(shù)約為1nH/mm,，且串聯(lián)阻抗極低,，因此可以得到Q值很高的電感。IC技術(shù)總離不開邦定線,，因此邦定線完全可被視為標(biāo)準(zhǔn)的CMOS技術(shù)的一部分,。由4條接合線形成兩個(gè)電感可與增強(qiáng)的LC振蕩回路一起，實(shí)現(xiàn)噪聲和功率的有效折衷,。對(duì)于1.8GHz的載波,，當(dāng)頻率偏移量為200kHz時(shí)，測(cè)量的相位噪聲可低至-115dBc/Hz,。在電源電壓為3V時(shí),，功耗僅為24mW。但是,，由于這種實(shí)現(xiàn)方案的性能并不能滿足批量生產(chǎn)要求,，因此業(yè)界很少采用這種解決方案。
最佳的解決方案是不做任何調(diào)整,，直接在標(biāo)準(zhǔn)硅基底上采用螺旋線圈,。當(dāng)采用雙極工藝實(shí)現(xiàn)時(shí)，將不會(huì)產(chǎn)生基底損耗,，因?yàn)檫@種實(shí)現(xiàn)方法中,，基底通常具有很高的阻值。大多數(shù)亞微米CMOS技術(shù)均采用高度摻雜的基底,，因而基底具有很大的感應(yīng)電流,，這是導(dǎo)致高損耗的根源。通過(guò)有限元仿真研究這些低阻值基底的作用效果,，這種分析在螺旋電感LC振蕩器應(yīng)用中,，有助于得到優(yōu)化的線圈設(shè)計(jì)。這種方案只有兩層金屬層可用,，基底采用了高度摻雜工藝,，產(chǎn)生的功耗僅為6mW，對(duì)于1.8GHz的載波,，當(dāng)頻率偏移量為600kHz時(shí),，可獲得-116dBc/Hz的相位噪聲。
為設(shè)計(jì)高速雙模數(shù)預(yù)分頻器,，目前業(yè)界已經(jīng)開發(fā)出了可基于M/S觸發(fā)器主輸出和從輸出之間90°的相位關(guān)系的新架構(gòu),。該架構(gòu)如圖5所示。采用該架構(gòu)，在24mW功耗和一個(gè)3V電源條件下,，可以得到1.75GHz的輸入頻率,，甚至還可以利用5V的電源得到2.5GHz的輸入頻率。
完全集成的VCO和雙模數(shù)預(yù)分頻器無(wú)需調(diào)整或后處理,，即可在標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝上集成完整的LO合成器,，并符合現(xiàn)代通信規(guī)范。
RF CMOS上變頻器
到目前為止,，公開發(fā)表的文章中提及的大多是CMOS下變頻混頻器,。直到最近，業(yè)界才提出了CMOS上變頻器,。在傳統(tǒng)的雙極收發(fā)器實(shí)現(xiàn)中,，上變頻和下變頻混頻器通常采用相同的四象限拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。但上變頻和下變頻器之間也存在一些本質(zhì)的區(qū)別,，通過(guò)研究這些區(qū)別可以優(yōu)化專用混頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),。
在下變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，兩條輸入信號(hào)都是高頻信號(hào),，如GSM系統(tǒng)中的900MHz信號(hào),。而對(duì)于低中頻或零中頻接收器系統(tǒng)，輸出信號(hào)則是最大為若干兆赫茲的低頻信號(hào),。
上行變頻混頻器的設(shè)計(jì)則完全不同,，高頻本地振蕩器和低頻基帶（BB）輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)相乘，形成高頻輸出信號(hào),。所有這些進(jìn)一步的信號(hào)處理必須在高頻下進(jìn)行,，但當(dāng)采用當(dāng)前的深亞微米CMOS工藝時(shí)將相當(dāng)困難，并將消耗很大的功率,。此外,，所有噪聲信號(hào)，如交調(diào)分量和LO泄漏信號(hào)都必須低于期望信號(hào)電平,，例如低于-30 dB的信號(hào)電平,。
很多已公開CMOS的混頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均基于傳統(tǒng)的具有交叉聯(lián)結(jié)差動(dòng)調(diào)節(jié)級(jí)的可變跨導(dǎo)倍頻器。由于傳統(tǒng)的雙極,？,？叉聯(lián)結(jié)差動(dòng)調(diào)節(jié)級(jí)又基于雙極性晶體管的線性跨導(dǎo)（translinear）特性構(gòu)建，因此與之相對(duì)應(yīng)的MOS器件只能在調(diào)制器或開關(guān)模式下有效地使用,。較大的LO信號(hào)必須用來(lái)獲得門限,，這將導(dǎo)致極大的LO饋通（feedthrough）。在CMOS下變頻器中,，這已經(jīng)成為一個(gè)難題,。例如,，對(duì)于-30dBm的饋通信號(hào)，LO輸出信號(hào)的電平為-23dBm,，這表明抑制的信號(hào)電平僅為-7dB。這將導(dǎo)致直接上變頻拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)出現(xiàn)非常嚴(yán)重的問(wèn)題,，而且通過(guò)對(duì)LO信號(hào)進(jìn)行方波調(diào)制,，第三階諧波將具有30%的信號(hào)功率。噪聲信號(hào)將只能通過(guò)附加的外部輸出濾波器進(jìn)行濾波,。
上述問(wèn)題可以通過(guò)在CMOS中對(duì)偏離線性區(qū)域的MOS混合晶體管中的電流進(jìn)行線性調(diào)制加以解決,。對(duì)于柵極電壓V1+vin1、漏電壓V2+vin2/2以及源電壓V2-vin2/2,，通過(guò)晶體管的電流可由下式計(jì)算：
當(dāng)LO信號(hào)連接到柵極,，基帶信號(hào)連接到vin2時(shí)，由于等式（3）的第一項(xiàng),，電流將包含LO附近的頻率分量,；根據(jù)等式3第二項(xiàng)可知，電流還包含基帶信號(hào)分量,。根據(jù)上面的原理,，可以得到采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)的 1GHz上變頻器。
所有不期望的測(cè)量信號(hào)均低于-30dBc,。如果采用500Ω的片上負(fù)載,，那么對(duì)于0dBm的LO信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)-10dB轉(zhuǎn)換增益。然而,，傳統(tǒng)的RF構(gòu)件內(nèi)聯(lián)采用了50Ω的特性阻抗,，這意味著CMOS發(fā)送器功能需要額外的功率預(yù)放大器，以得到外部高效率功率放大器組件的輸入阻抗,。對(duì)于現(xiàn)有的亞微米技術(shù)而言,，預(yù)放大器構(gòu)件仍是一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題。用以實(shí)現(xiàn)900MHz完全集成收發(fā)器的典型雙極性技術(shù)具有20GHz的截止頻率,。由于目前在高頻應(yīng)用中采用的亞微米技術(shù)具有較低的gm/I比率,，因此CMOS預(yù)放大器的功耗將比雙極性技術(shù)高至少20倍。然而,，得益于CMOS技術(shù)的快速下行縮放,，現(xiàn)有的CMOS構(gòu)件實(shí)現(xiàn)表明，帶有可接受功耗的整體CMOS收發(fā)器完全適用于極深亞微米CMOS,。
本文結(jié)論
幾個(gè)深亞微米技術(shù)研究組正致力于研究在RF電路實(shí)現(xiàn)CMOS技術(shù)的可能性,。尤其是在新的接收器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如寬帶中頻和低中頻拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）開發(fā)中，該技術(shù)與高線性下變頻器相結(jié)合,，無(wú)需添加外部濾波器或其它器件,，就能為完全集成的下變頻器開發(fā)鋪平道路,。
然而，由于現(xiàn)有亞微米技術(shù)的適中速度性能,，必須設(shè)計(jì)出低噪聲低功耗的電路,。只要短信道效應(yīng)不限制線性度和互調(diào)性能，深亞微米技術(shù)的發(fā)展將有助于實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo),。
性能低相位噪聲,、低功耗、完全集成的VCO電路已出現(xiàn)在CMOS中,。雖然開始時(shí)遇到一些困難,，但后處理技術(shù)通過(guò)將電感用作接合線，推動(dòng)了標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)的應(yīng)用?，F(xiàn)在,，甚至已經(jīng)出現(xiàn)了帶有優(yōu)化的集成螺旋電感的低相位噪聲性能標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)，而且無(wú)需任何后處理或?qū)ν獠科骷M(jìn)行調(diào)整,。這推動(dòng)了完全集成的收發(fā)器電路的發(fā)展,。
然而，由于通信系統(tǒng)通常是雙向系統(tǒng),，因而也需要發(fā)送器電路,。直到最近，具有適中輸出功率的CMOS上行轉(zhuǎn)換器才出現(xiàn)在公開發(fā)表的文章中,。同樣得益于深亞微米技術(shù)的發(fā)展,，今后將有望實(shí)現(xiàn)具有可接受功耗的完全集成CMOS發(fā)送器電路。這推動(dòng)了采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)的完全集成收發(fā)器電路的發(fā)展,。