CN101783651A - 超高频rfid读写器中的高线性度低噪声下混频器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种面向超高频RFID读写器的下混频器，该混频器涉及一种基于Gilbert结构的具有高线性度混频器。通过在输入端采用二阶交调电流注入结构，以提高线性度；在输出端采用动态电流注入结构，从而降低噪声。二阶交调电流注入结构是通过对MOS管的非线性特性进行分析，然后得出使三阶交调电流值为0时的注入电流值；在输出端，采用动态电流注入结构，通过对各MOS管导通特性的分析，实现电流的动态注入特性，从而大大降低混频器的闪烁噪声。本发明提出的混频器的工作电压为1.2V，功耗低，符合低电压低功耗的要求，简化电路结构、降低功耗以及扩展中心工作频率点等方面有很大的指导意义。

Description

超高频RFID读写器中的高线性度低噪声下混频器

技术领域

本技术涉及一种超高频RFID读写器中的基于Gilbert结构的混频器，特别是一种具有高线性度和低噪声的混频器，属于模拟集成电路领域。

背景技术

RFID是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别技术，是自动识别技术的一种，通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，对目标加以识别并获取相关数据。

按照工作频率可以将RFID系统分为：1)低频系统：工作频率一般为30∽300KHz，典型的工作频率为125KHz、133KHz；2)中高频系统：工作频率一般为3∽30MHz，典型的工作频率为13.56MHz；3)超高频和微波系统：工作频率一般为300MHz∽3GHz或大于3GHz，其典型的工作频率为：433.92MHz、840∽960MHz、2.45GHz和5.8GHz。

随着对阅读距离、防碰撞性能以及抗邻道干扰等要求的提高，超高频射频识别技术的发展显得尤为必要，而超高频射频识别读写器作为超高频射频识别系统的一个重要部分，必然在未来的超高频射频识别领域发挥着至关重要的作用。

超高频射频识别读写器分为发射机和接收机两大部分，图1为超高频RFID读写器接收机中的前端电路，可以看出，下混频器是超高频RFID读写器中接收机射频前端电路的重要组成部分，它将接收到的射频信号(Radio frequency)转换成一个较低频率的信号，称为中频信号(Intermediate frequency)。

近年来，无线通信技术得到了迅猛发展，在社会生活中扮演越来越重要的角色。无线通信技术的发展对收发机前端电路不断提出更高要求：高的工作频率、低电压、低功耗、高度集成。在超高频RFID读写器中，发射机与接收机之间存在严重的自干扰，且各读写器之间也存在邻道干扰，因此设计高线性度、高灵敏度的发射机和接收机可以有效的拟制自干扰和邻道干扰，而接收机的线性度和灵敏度主要由下混频器决定，因此高线性度、低噪声、高增益、低电压和低功耗等成为混频器的重要指标，但这些指标之间是相互制约的，如线性度和增益就是两个矛盾的指标，线性度提高是以增益的下降为代价的，而低电压的工作条件将很可能引起噪声的升高。

因此设计出一种具有高线性度、低噪声的下混频器，与此同时也要获得相对较高的增益，并且低电压低功耗一直都是在电路设计中所要追求的指标。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的问题是实现一种高线性度低噪声的下混频器，该混频器在原有的Gilbert结构的混频器的基础上进行改进，在保持Gilbert混频器的优点的同时实现高线性度低噪声的特性。且该混频器的工作电压为1.2V，功耗低，符合低电压低功耗的标准，在简化结构、降低功耗、噪声抑制等方面都有很好的指导意义。

为了实现上述目的，本发明提出了一种新型的下混频器：在输入端采用二阶交调电流注入结构，以提高混频器的线性度；在输出端采用动态电流注入法，以降低混频器的噪声。

附图说明

图1是超高频RFID读写器接收机中的前端电路。

图2是二阶交调注入结构图。

图3是动态电流注入结构图。

 

图4是提出的混频器结构图。

具体实施方式

图2为二阶交调电流注入结构，管子在静态工作点的小信号输出电流可以用泰勒级数表示为：

i_d＝g₁(v_g-v_s)+g₂(v_g-v_s)²+g₃(v_g-v_s)³+......    (1)

其中g_i代表管子的i阶跨导系数，v_g和v_s分别代表管子栅极和源极电压。通过分析可以知道两个不同角频率但是幅度相同的信号ω₁、ω₂输入时，我们再注入一个低频、大小为2x*cos(ω₁-ω₂)t的二阶交调电流，则有

i_p+i_n＝2x*cos(ω₁-ω₂)t    (2)

联立(1)式和(2)式可得在共源节点处频率为(ω₁-ω₂)时的小信号源级电压v_s为：

$v_s{|}_{{\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2}=\frac{g_2{A}^2-x}{g_1}\cos ({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)t---\left(3\right)$

v_s在其它三个二阶频率处(ω₁+ω₂，2ω₁，2ω₂)的幅度为

联立(3)式和(1)式，输出端频率为(2ω₁-ω₂)或(2ω₂-ω₁)时的三阶交调电流为：

${-g}_{2}A\frac{{3g}_2{A}^2-2x}{{2g}_1}+\frac{{3g}_3{A}^3}{4}---\left(4\right)$

因此，为消除三阶交调电流，只要令(4)式为零，得到：

$x=(-\frac{{3g}_1{g}_3}{{4g}_2}+\frac{3}{2}{g}_2)A^2$

因此，注入电流为：

$i_{\mathrm{inj}}=2(\frac{-3g_1{g}_3}{{4g}_2}+\frac{3}{{2g}_2})A^2\cos ({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)t$

由上面的推导可以看出，采用二阶交调电流注入结构，可以有效消除三阶交调电流(IM3)，从而提高混频器的线性度。

图3为动态电流注入结构，它是基于吉尔伯特结构的混频器，这是由于该结构具有较高的变频增益，并提供了高度的LO-IF和RF-IF的端口隔离度的优点。在设计混频器时线性度和噪声是两个很重要的参数，线性度主要受输入级跨导影响，噪声主要受开关管的影响。

这种结构主要由跨导晶体管(M4、M5)和开关管(M6、M7、M8、M9)组成。其中M4、M5管必须处于非饱和工作状态(工作于线性区)，以此提高整个混频器的线性度。此混频器结构中同样引入了LNA中的提高线性度的技术，这里不再赘述。

跨导晶体管放大从其栅极输入的射频信号，本振信号从开关管的栅极引入，控制开关管使得差分对管就像电流导引开关一样。两个单平衡混频器对于本振信号端以反平行的方式连接在一起，而在射频信号端是以平行方式连接，因此在输出端本振项的和为零，而变频后的射频信号在输出端加倍.因此这种结构能够有效地抑制本振分量对输出的影响。

在超高频RFID读写器的零中频接收机中，混频器噪声的主要来源是1/f闪烁噪声，它是源于非理想的开关特性，当开关管同时导通时会产生一个2I的噪声脉冲，噪声的优化可以通过减小这个脉冲幅度来达到目的。简单的方法可以通过减小流过开关管的直流电流来减小2I的幅度，但是这也减小了跨导管的电流，影响了线性度和增益。而采用固定电流注入的方法不仅会增加跨导级看到的开关对源阻抗，增加共源节点寄生电容的影响，使射频信号衰减，而且会增加额外的白噪声。

动态电流注入法是在共源节点处注入一个电流，但该电流是动态的，仅当开关对中的晶体管接近同时导通时，该电流才开始注入共源节点，这样就避免了在共源节点注入固定偏置电流所遇到的问题。

如图3所示，动态电流注入电路是由MP1和MP2完成的，两个PMOS管的栅极与开关管的源极相连，MP3在这里起到电流源的作用。当开关对中的晶体管接近同时导通时，A(B)点的电压达到最低值，于是MP1和MP2管导通，向A(B)点注入电流I_d。当开关对中的晶体管没有同时导通时，A(B)点的电压升高，PMOS管截止，不注入电流。这种技术可以极大降低混频器的闪烁噪声，对白噪声性能却近似没有影响。

控制M1、M2管使其处于非饱和工作状态(工作于线性区)，在输入端注入低频二阶交调电流提高三阶交调点，以及在输出端采用动态电流注入技术这三种方法，使得提出的混频器完全能够满足高线性度、有一定增益、低噪声的要求，通过此混频器以后，自干扰信号几乎完全变成了直流，通过后级耦合、滤波以后，基本可以完全消除。

Claims (12)

1.一种混频器，包括：第一级NMOS管M3与第二级NMOS管M4、M5的源级相连，为其提供偏置电流，第二级NMOS管M4、M5为跨导级，第三级NMOS管M6、M7，M8、M9为开关级，R₁和R₂为输出端负载。

2.如要求权利1所描述的混频器，还包括：由NMOS管M1、M2组成了二阶交调电流注入结构，通过电容C₁与NMOS管的栅极相连。

3.如权利要求1所描述的混频器，还包括：在输出端采用由PMOS管MP1、MP2和MP3组成的动态电流注入结构。

4.由权利要求1所描述的混频器，其特征是：第一级NMOS管M3的栅极于电容C₁的一端相连，M3的源级接地，M3的漏极与M4、M5的源级相连；第二级NMOS管M4、M5组成跨导级，其中M4的源级与M5的源级相连，并与M3的漏极相连，M4、M5的栅极分别接射频输入的正向信号和反向信号；第三级NMOS管M6、M7、M8、M9为开关级，其中M6的源级与M7的源级相连，并与M4的漏极连在一起，M8的源级与M9的源级连接在一起，并与M5的漏极相连，M6与M9的漏极分别与输出端负载电阻R₁、R₂的一端相连，M7与M8的漏极分别与M9和M6的漏极相连；M6与M9的栅极接本振输入的正向信号，M7的栅极与M8的栅极相连，且接本振输入的反向信号。

5.由权利要求2所描述的混频器，其特征是：二阶交调电流注入结构由NMOS管M1、M2组成，M1、M2的栅极分别为输入信号的差分输入；M1、M2的漏极连接于直流电压源；M1、M2的源级相连，并与M3管的栅级通过隔直电容相连。

6.由权利要求2所描述的混频器，其特征是：NMOS管M1和M2的漏极相连且连接于直流电压源VCC，M1和M2的源级相连，且与电阻R₁的一端相连，电阻R₁的另一端接地，电容C₁的一端与M1、M2的源级相连，另一端与M3的栅极相连。

7.由权利要求3所描述的混频器，其特征是：PMOS管MP1、MP2和MP3组成了动态电流注入结构，其中，MP1的漏极与MP2的源级相连，并与MP3的漏极相连，MP1的栅极与MP2的漏极相连组成交叉结构，并与NMOS管M5的漏极相连，MP2的栅极与MP1的漏极相连也组成交叉结构，并与NMOS管M4的漏极相连；MP3的栅极接直流电压源V_b，MP3的源级接直流电压源VCC。

8.由权利要求1所描述的混频器，其特征是：NMOS管M6和M9的漏极分别与负载电阻R₁、R₂的一端相连，R₁、R₂的的另一端与PMOS管MP3的源级相连，并与直流电压源VCC相连。

9.由权利要求1所描述的混频器，其特征是：NMOS管M8的漏极与M6的漏极相连，并引出输出信号作为混频器的中频输出的正向信号，NMOS管M7的漏极与M9的漏极相连，并引出输出信号作为中频输出的反向信号。

10.由权利要求1所描述的混频器，其特征是：NMOS管M3的栅极与电阻R₄的一端相连接，其另一端与直流电压源V_b相连，以提供M3的栅极偏置电压。

11.由权利要求1所描述的混频器，其特征是：NMOS管M4的漏极与M6、M7的源级、PMOS管MP1的漏极以及MP2的栅极相连于A点，NMOS管M5的漏极与M8，M9的源级、PMOS管MP2的漏极以及MP1的栅极相连于B点。

12.如权利要求2所描述的混频器，其特征是：NMOS管M1和M2的源级相连，并与电阻R3的一端相连，R3的另一端接地。

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