基于LO脉宽调制的片上IM2校准新方法：提升射频前端线性度的创新技术

本文针对射频接收机中二阶互调(IM2)失真导致的线性度下降问题，提出了一种创新的本地振荡器(LO)脉宽调制校准技术。研究人员通过建立IIP2的紧凑解析表达式，开发出可抵消无源混频器硬件失配的片上校准方案。该技术在TSMC 65 nm CMOS工艺中实现，在不增加功耗的前提下使差分模式IM2抑制提升29 dB，为5G等新一代无线通信系统提供了高线性度解决方案。

　　

在现代无线通信系统中，射频前端的线性度直接决定了接收机的抗干扰能力。随着5G、Wi-Fi 7等高频谱效率技术的普及，接收机面临着日益严重的二阶互调(IM₂)失真挑战——当两个强干扰信号通过混频器的非线性特性时，会产生落在基带内的失真分量，严重恶化信噪失真比(SNDR)。特别是在频分双工(FDD)系统中，发射机泄漏信号与接收信号的互调产物可能使接收灵敏度下降超过60 dB。传统解决方案要么依赖复杂的反馈电路，要么需要牺牲功耗和芯片面积，这促使研究人员寻求更高效的校准方法。

针对这一关键技术瓶颈，沙特阿拉伯法赫德国王石油与矿业大学的研究团队在《Results in Engineering》发表了创新性研究成果。该研究首先建立了包含迁移率退化效应的IIP₂解析模型，揭示出混频器开关的过驱动电压与阈值电压失配对线性度的决定性影响。基于此理论突破，团队开发出通过LO脉宽调制实现失配补偿的新方法——通过精确控制LO信号的上升/下降沿时序，在I/Q两路引入可控的增益失衡来抵消硬件固有失配。

关键技术包括：1) 建立包含V_OD(过驱动电压)和V_TH(阈值电压)的IIP₂解析模型；2) 采用5位数字控制的级联反相器结构实现140 fs精度的边沿调节；3) 在TSMC 65 nm工艺下验证温度稳定性。研究使用Wi-Fi 7信道13(2.472 GHz)与LTE Band 40(2.51 GHz)的阻塞场景作为测试条件。

研究结果显示：

1. IM₂生成机制：推导出IIP_2,CM=2V_OD×(1-θV_OD)/(1-3θV_OD)的紧凑表达式，其中θ=0.18为迁移率退化系数，与实测结果误差<1 dB。
2. 校准技术实现：采用双反相器级联结构，单位晶体管尺寸200 nm/60 nm，通过16±C_I的5位编码实现±2.5 ps脉宽调节，补偿V_OS=±30 mV的失配。
3. 性能验证：在-30°C至125°C温度范围内，差分模式IIP₂提升29 dB达+80 dBm，校准电路面积仅0.0009 mm²且零额外功耗。

该研究的核心突破在于将传统模拟校准转化为数字域实现，通过理论模型指导下的LO时序微调，以"数字预失真"思路解决模拟失配问题。相比文献报道的DC偏移注入或栅极偏置方案，该方法在保持29 dB改善量的同时，将校准模块面积缩减两个数量级。研究同时揭示，对于OFDM等高峰均比信号，IM₂失真能量更集中于基带DC区域，这对未来宽带接收机设计具有重要指导意义。

这项技术特别适用于5G NR等需要同时处理多个强阻塞信号的场景，其温度稳定性和工艺兼容性表明可直接应用于毫米波相控阵等先进架构。作者建议将该技术与门极偏置等粗调方案结合，形成多级校准体系，并指出在3 nm等先进节点下，阈值电压失配的减小将进一步提升校准精度。这些发现为下一代射频集成电路设计提供了重要的技术储备。