Zhenbiao Li1　Wenhai Ni1　Jie Ma1　Ming Li1　Dequn Ma1　Dong Zhao1　Jesal Mehta2　 David Hartman2　Xianfeng Wang1 Ken K.O3　Kai Chen1

中國上海鼎芯通訊公司1　美國Orange Coast半導(dǎo)體公司2　佛羅里達(dá)大學(xué)3

由中國無線電信標(biāo)準(zhǔn)組織(CWTS)發(fā)起的時(shí)分同步碼分多址技術(shù)(TD-SCDMA)在2000年被國際電信聯(lián)盟(ITU)采納作為3G標(biāo)準(zhǔn)之一。盡管TD-SCDMA核心網(wǎng)絡(luò)的主結(jié)構(gòu)與WCDMA和CDMA2000類雙邊帶CMOS收發(fā)器設(shè)計(jì)似，它仍然提供了如下的獨(dú)特特性：非對(duì)稱上／下行鏈路、靈巧的天線、聯(lián)合監(jiān)測和指揮棒交接，以便提高頻譜效率和系統(tǒng)性能。本文提出了一個(gè)遵照此規(guī)范的雙邊帶TD-SCDMA射頻收發(fā)器設(shè)計(jì)方案。它將壓控振蕩器(VCO)、分?jǐn)?shù)N鎖相環(huán)(PLL)、接收信道選擇濾波器和發(fā)射驅(qū)動(dòng)放大器集成在單個(gè)芯片中。該收發(fā)器采用0.18μm CMOS 工藝制造。
收發(fā)器芯片的框圖如圖1所示。包括模擬基帶(ABB)和數(shù)字基帶(DBB)，它提供了完整的TD-SCDMA信號(hào)處理功能。模擬基帶部分包括了用于補(bǔ)償模擬信道選擇濾波器和完成DC偏移校準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)處理功能。

接收器利用直接轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，它由2個(gè)低噪聲放大器(LNA)、1個(gè)雙平衡混頻器和I／Q模擬濾波器組成，支持雙頻帶范圍：1880MHz～1920MHz和2010MHz～2025MHz。低噪聲放大器是通過一個(gè)具有片上電感退化性能的全微分共源極放大器實(shí)現(xiàn)的。微分拓?fù)涞氖褂靡种屏斯材Ｔ肼暩蓴_，減少了寄生效應(yīng)。2個(gè)低噪聲放大器共享相同的LC-tank負(fù)載和衰減電感，從而減少了硅片面積。LNA集成了3種電壓增益模式：20dB，0dB和-10dB。低增益模式對(duì)于滿足最大的輸入功率和足夠的動(dòng)態(tài)范圍需求是十分關(guān)鍵的。在最大增益時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)的LNA噪聲系數(shù)(NF)是1dB。
TD-SCDMA輸入?yún)⒖嫉亩�階截取點(diǎn)(IP2)需求是20dBm,它能夠在沒有校正電路的情況下滿足。正交混頻器的設(shè)計(jì)是全對(duì)稱的,交換核心的設(shè)計(jì)要給予特別的關(guān)注。最小25dBm二階輸入截點(diǎn)(IIP2)是標(biāo)準(zhǔn)的。

接收器陣列提供了62dB的電壓增益。增益控制在LNA和模擬濾波器部分完成。濾波器是一種由三級(jí)組成的有源RC網(wǎng)絡(luò)。第一級(jí)是信道選擇濾波器，它是一個(gè)310kHz的3dB帶寬一階低通濾波器。因?yàn)門D-SCDMA帶寬是1.28MHz，這個(gè)濾波器會(huì)使接收信號(hào)失真。要解決這個(gè)問題，可在±1％極性變化范圍內(nèi)校準(zhǔn)，然后由模擬基帶中的數(shù)字濾波器進(jìn)行補(bǔ)償。因?yàn)橐浑A濾波器不能完全抑制干擾，在ABB部分需要一個(gè)60dB動(dòng)態(tài)范圍的ADC，從而在數(shù)字域完成抑制。利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)可以減輕模擬電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，同時(shí)減少功耗和硅片面積。第二級(jí)濾波器是針對(duì)ADC的抗混疊濾波器，角頻率是4.5MHz。最后一級(jí)是驅(qū)動(dòng)緩沖器，具有-3dB～+3dB的電壓增益，增益步進(jìn)是1 dB。在1900MHz(2010MHz)頻帶，1kHz～640kHz頻段，標(biāo)準(zhǔn)的綜合接收器噪聲系數(shù)是3.5dB(3.2dB)。發(fā)射器由一個(gè)直 接上變頻調(diào)制器、一個(gè)可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)和一個(gè)驅(qū)動(dòng)放大器(DA)組成。調(diào)制器使用了傳統(tǒng)的雙平衡混頻器，這種結(jié)構(gòu)抑制了射頻載波，失諧成為載波泄漏的唯一來源。不使用校正技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)的載波抑制是56dBc，鏡像抑制是57dBc。
TD-SCDMA發(fā)射器需要的全部增益控制范圍是74dB，這是一個(gè)挑戰(zhàn)。ABB提供了12dB的數(shù)字增益控制，在模擬域留下了62dB的增益控制。要做到這點(diǎn)，通常使用2個(gè)或更多個(gè)VGA。附加的VGA降低了線性性能并消耗了更多的功率，從而對(duì)達(dá)到較高的相鄰信道泄漏率(ACLR)不利。如圖2所示，VGA使用了一個(gè)增益控制電路實(shí)現(xiàn)了大于40dB的增益控制范圍。通過Gm1(M1，M2，R1)和Gm2(M3，M4，R2)的切換，實(shí)現(xiàn)高增益和低增益的切換。通過切換晶體管陣列實(shí)現(xiàn)精確的增益步進(jìn)調(diào)節(jié)。通過一對(duì)補(bǔ)償?shù)臄?shù)字信號(hào)控制2個(gè)相同的切換陣列，一個(gè)陣列連接到VDD，另一個(gè)連接到VGA輸出。如圖2所示，通過打開和關(guān)閉K1到K5晶體管，能夠以6dB步進(jìn)調(diào)節(jié)增益。DA電路也提供增益控制。當(dāng)輸入從Gm3(M7，M8)到Gm4(M9，M10)變化時(shí)，DA的增益從高到低變化。衰減電感L3和L4增加了余量，提高了線性性能。VGA和DA合在一起的標(biāo)準(zhǔn)增益控制范圍大于66dB，增益步進(jìn)大約為6dB。當(dāng)輸出功率是4.4dBm時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)的誤差矢量幅度(EVM)是3.7％，相鄰信道泄漏率是46dBc，比TD-SCDMA的系統(tǒng)需求要好一些。

合成器用一個(gè)帶有26MHz外部參考振蕩器的3∑-△階分?jǐn)?shù)N鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)。一體化壓控振蕩器設(shè)計(jì)工作在TD-SCDMA頻帶，并且基于工作在兩倍本振頻率MOS變?nèi)荻�極管的LC共振槽。多比特切換電容陣列用來保證VCO調(diào)整范圍足夠覆蓋TD-SCDMA帶寬，并保持VCO 增益(KVCO)較低。在1.9GHz載波頻率、3.2MHz頻率偏移時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)的相位噪聲是-132dBc／Hz。1kHz～640kHz一體化的相位噪聲大約是0.85°。所有雜散和分?jǐn)?shù)雜散信號(hào)能量至少低于載波77dB，如圖3所示。這個(gè)級(jí)別的頻譜純度歸因于上下充電泵電流的精確匹配、全對(duì)稱設(shè)計(jì)和布局、較低的VCO增益，以及針對(duì)∑-△模塊的抖動(dòng)技術(shù)的使用。

通過VCO校準(zhǔn)算法實(shí)現(xiàn)快速捕獲和建立，它在校準(zhǔn)周期的開始打開環(huán)路，并選擇適當(dāng)?shù)腣CO工作頻帶。一旦校準(zhǔn)完成，環(huán)路關(guān)閉。在短時(shí)間內(nèi)大電流輔助充電泵打開，從而增加環(huán)路帶寬并允許快速建立。標(biāo)準(zhǔn)的建立時(shí)間是70μs。
收發(fā)器的關(guān)鍵性能參數(shù)在表1中作了總結(jié)，它滿足了TD-SCDMA的系統(tǒng)需求。與BiCMOS TD-SCDMA收發(fā)器比較，它在1.8V供電時(shí)，功耗降低約30％。芯片的顯微圖如圖4所示，它的尺寸是2.8×2.8mm2。