CN101951224B - 一种锗化硅双极-互补金属氧化物半导体上变频混频器 - Google Patents
一种锗化硅双极-互补金属氧化物半导体上变频混频器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种锗化硅双极-互补金属氧化物半导体上变频混频器，该混频器具体电路包含了两个吉尔伯特双平衡单元结构，电路结构从上到下包括输出级，开关级，跨导级，电流源级；同时，电路还采用了电流注入方式，在最顶端有四个N型MOS管，动态抽取流过开关的电流，减小开关的噪声贡献。该混频器结合了双极型器件和MOS器件两者的优点，利用了锗化硅器件低噪声优势，具有低噪声，高线性度，低谐波失真，工作速度快等特点；本发明单边带噪声系数为9dB，输入1dB压缩点为-1.3dB同时转换增益为-2.5dB；本发明可应用于全球通(GSM)系统、射频识别(RFID)系统。
Description
技术领域
本发明属于射频集成电路设计技术领域，具体涉及一种锗化硅双极-互补金属氧化物半导体(SiGe BiCMOS)上变频混频器。
背景技术
近年来，随着射频集成电路技术的迅速发展，无线通信产品已广泛应用于各行各业中，如工业控制，军用通信及日常生活。混频器几乎存在于所有的无线通信系统中，并且在收发系统中扮演频谱搬移的角色，所以性能良好的混频器是良好通信的保证。目前，利用互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺制作性能优良的混频器已有许多成功的案例，但用SiGe BiCMOS工艺制作混频器更具优势。与CMOS工艺相比，SiGe BiCMOS工艺具有更高的特征频率，有资料表明，锗硅异质结的最高特征频率已达到375GHz，能有效减小电路的噪声，BiCMOS电路既有CMOS电路高集成度、低功耗的优点，又获得了双极型电路高速、强电流驱动能力的优势，因此基于SiGe BiCMOS工艺制造混频器是一个很好的选择。
混频器一般可以划分为无源混频器和有源混频器，其划分标准为是否能够提供足够大的增益。无源混频器的线性度较好，但具有一定的变频损耗，故要求前级模块具有较高的转换增益以抑制后级电路的噪声；有源混频器的转换增益较高，可降低对前级电路的增益要求，但线性度相对弱些。MOS器件具有流片成本低，工艺成品率高，集成度高等优点，所以如今混频器通常采用有源混频器。基于MOS工艺的吉尔伯特混频器以其相对较高的增益、较低的噪声等优点被广泛采纳，但其中还存在一些问题，如普通的电阻做负载时，存在增益和输出摆幅之间的矛盾；传统吉尔伯特结构的噪声系数通常都比较大，通常在15dBm以上，如何有效的降低噪声又保持较高的转换增益和线性度仍是一个难题，这些都是需要改进的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种锗化硅双极-互补金属氧化物半导体(SiGe BiCMOS)上变频混频器，该混频器具体电路包含了两个吉尔伯特双平衡单元结构，电路结构从上到下包括输出级，开关级，跨导级，电流源级；同时，电路还采用了电流注入方式，在最顶端有4个N型MOS管，动态抽取流过开关的电流，减小开关的噪声贡献。该混频器结合了Bipolar(双极型)器件和MOS器件两者的优点，利用了SiGe(锗化硅)器件低噪声优势，具有低噪声，高线性度，低谐波失真，工作速度快等特点。
本发明具体技术方案是：
一种锗化硅双极-互补金属氧化物半导体上变频混频器，该混频器包括：第一基带信号端INI，第二基带信号端INIB，第三基带信号端INQ，第四基带信号端INQB，其INI、INIB、INQ、INQB幅值大小相同，但相位分别相差90度；零位本振信号端LO0，90度本振信号端LO90，180度本振信号端LO180，270度本振信号端LO270，其LO0、LO90、LO180、LO270幅值大小相同，相位分别相差90度；第一偏置电压端VB22，第二偏置电压端VB2，第三偏置电压端VB15，输出端OUT1，输出端OUT2，电源端VDD33，接地端GND，第一晶体管Q1，第二晶体管Q2，第三晶体管Q3，第四晶体管Q4，第五晶体管Q5，第六晶体管Q6，第七晶体管Q7，第八晶体管Q8，第九晶体管Q9，第十晶体管Q10，第十一晶体管Q11，第十二晶体管Q12，第十三晶体管Q13，第十四晶体管Q14，第一MOS管M1，第二MOS管M2，第三MOS管M3和第四MOS管M4，具体连接方式为：第一晶体管Q1集电极和第一电阻R1相连，基极与第四电阻R4和第二电容C2的一端并联，发射极与第九晶体管Q9的集电极相连；第二晶体管Q2基极与第一电容C1和第三电阻R3的一端连接，集电极与第二电阻R2相连，发射极与第九晶体管Q9的集电极相连；第三晶体管Q3基极与第二晶体管Q2的基极相连，集电极与第一电阻R1相连，发射极与第十晶体管Q10的集电极相连；第四晶体管Q4基极与第二电容C2和第四电阻R4的一端连接，集电极与第二电阻R2相连，发射极与第十晶体管Q10的集电极相连；第五晶体管Q5集电极与第一电阻R1相连，基极与第六电阻R6和第四电容C4的一端并联，发射极与第十一晶体管Q11的集电极相连；第六晶体管Q6基极与第三电容C3和第五电阻R5的一端连接，集电极与第二电阻R2相连，发射极与第十一晶体管Q11的集电极相连；第七晶体管Q7基极与第六晶体管Q6基极相连，集电极与第一电阻R1相连，发射极与第十二晶体管Q12的集电极相连；第八晶体管Q8基极与第四电容C4和第六电阻R6的一端连接，集电极与第二电阻R2相连，发射极与第十二晶体管Q12的集电极相连；第九晶体管Q9基极与第五电容C5和第七电阻R7的一端相连，集电极与第一晶体管Q1、第二晶体管Q2的发射极连接，发射极与第十三晶体管Q13的集电极连接；第十晶体管Q10基极与第八电阻R8和第六电容C6连接，集电极与第三晶体管Q3、第三晶体管Q4的发射极连接，发射极与第十三晶体管Q13的集电极连接；第十一晶体管Q11基极与第十电阻R10和第八电容C8相连接，集电极与第五晶体管Q5和第六晶体管Q6的发射极相连，发射极与第十四晶体管Q14的集电极相连，第十二晶体管Q12基极与第九电阻R9和第七电容C7相连，集电极与第七晶体管Q7和第八晶体管Q8发射极相连，发射极与第十四晶体管Q14的集电极相连；第十三晶体管的基极与第十一电阻R11相连，集电极与第九晶体管Q9、第十晶体管Q10的发射极连接，发射极与接地端GND连接；第十四晶体管基极与第十二电阻R12相连，集电极与第十一晶体管Q11、第十二晶体管Q12的发射极相连，发射极与接地端GND相连；第一MOS管M1栅极与第一偏置电压端VB22相连，漏极与电源端VDD33相连，源极与第一晶体管Q1和第二晶体管Q2的发射极相连；第二MOS管M2栅极与第一偏置电压VB22相连，漏极与电源端VDD33相连，源极与第三晶体管Q3和第四晶体管Q4的发射极相连；第三MOS管M3栅极与第一偏置电压VB22相连，漏极与电源端VDD33相连，源极与第七晶体管Q7和第八晶体管Q8的发射极相连；第四MOS管M4基极与偏置电压VB22相连，漏极与电源VDD33连接，源极与第七晶体管Q7和第八晶体管Q8发射极相接；第一电容C1跨接在本振信号端LO0、第三电阻R3、第二晶体管Q2和第三晶体管Q3基极之间；第二电容C2跨接在本振信号端LO180与第四电阻R4和第一晶体管Q1、第四晶体管Q4的基极之间；第三电容C3跨接在本振信号端LO90与第五电阻R5和第六晶体管Q6、第七晶体管Q7的基极之间；第四电容C4跨接在本振信号端LO270与第六电阻R6和第五晶体管Q5、第八晶体管Q8的基极之间；第五电容C5跨接在基带信号端INI与第七电阻R7和第九晶体管Q9基极之间；第六电容C6跨接在基带信号INIB与第八电阻R8和第十晶体管Q10基极之间；第七电容C7跨接在基带信号INQ与第九电阻R9和第十二晶体管Q12基极之间；第八电容C8跨接在基带信号INQB与第十电阻R10和第十一晶体管Q11基极之间；第一电阻R1的两端分别与电源端VDD33和第一晶体管Q1的集电极相连；第二电阻R2跨接在电源端VDD33和第八晶体管Q8集电极之间；第三电阻R3两端分别与第一电容C1和第四电阻R4相接；第四电阻R4跨接在第二电容C2和第三电阻R3之间；第五电阻R5跨接在第三电容C3和第六电阻R6之间；第六电阻R6两端分别与第四电容C4和第五电阻R5相连；第七电阻R7一端接第五电容C5，另一端与第三偏置电压VB15以及第八电阻R8相接；第八电阻R8一端与第六电容C6相接，另一端与第三偏置电压VB15以及第七电阻R7相接；第九电阻R9一端与第七电容C7相接，另一端和第三偏置电压VB15以及第十电阻R10相接；第十电阻R10一端与第八电容C8相接，另一端和第三偏置电压VB15以及第九电阻R9相连；第十一电阻R11一端接偏置电压VB2，另一端接第十三晶体管Q13基极；第十二电阻R12一端接偏置电压VB2，另一端接第十四晶体管Q14的基极；输出端OUT1设在第一晶体管Q1和第一电阻R1之间；输出端OUT2设在第八晶体管Q8和第二电阻R2之间。
所述第一晶体管Q1至第十四晶体管Q14为锗化硅双极型晶体管。
本发明在传统吉尔伯特结构的基础上，采取电流抽取方式，动态抽取通过开关的电流，既减小噪声又使开关对本振信号更灵敏。本发明能够将基带信号与900MHz的本振信号上混频，同时转换增益为-2.5dB，单边带噪声系数为9dB，输入1dB压缩点为-1.3dBm。本发明具有以下优点：
1、SiGe BiCMOS工艺的应用
本发明基于0.18um SiGe BiCMOS工艺制作混频器，如前所述，SiGe BiCMOS工艺具有低功耗，低噪声等优点，所以本发明在工艺上占有一定优势。
2、低噪声
本发明在工艺上基于SiGe工艺，在一定程度上已减小噪声，在电路结构上采用动态电流抽取方式在一定程度上降低了噪声，传统吉尔伯特结构的噪声系数通常都在15dB以上，而本发明混频器的单边带噪声系数为9dB，双边带噪声系数为12dB，比传统吉尔伯特混频器噪声低很多。
3、高线性度
动态电流抽取方式使开关管更加灵敏，减少了开关级的非线性贡献，从而提高了线性度，仿真显示，输入1dB压缩点为-1.3dBm，输入三阶交调点IIP3为8dBm以上，说明本发明线性度良好。
附图说明
图1为传统的吉尔伯特单平衡混频器的电路图
图2为本发明的上变频混频器的电路图
具体实施方式
参阅图2，本发明的电路可以分为五个部分，从上到下依次是输出负载级、电流注入管、开关级、跨导级、尾电流源级。也可分为左右两边I路和Q路部分。VB15、VB2和VB22端分别偏置在1.5V，2V和2.2V，尾电流源Q13、Q14工作在饱和区，提供直流偏置电流，并且可以抑制共模沉底噪声和干扰；跨导管Q9、Q10、Q11、Q12将转换的基带电压信号转换为电流信号；电阻R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12是直流偏置电阻，电容C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8是隔直电容，防止直流偏置信号泄露，Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8是开关管，可以交替的流过小信号电流，从而实现混频，在电路设计时，使开关管Vgs-Vth略大于0，以便于较小的本振信号实现良好的开关性能，但是开关管Vgs和Vth的差值影响着电路的线性度和噪声系数，需要折衷考虑；在负载输出端，R1和R2把电流信号转换成电压信号，MOS管M1、M2、M3、M4是电流注入管，动态抽取流过开关管的电流，可以减小开关级的闪烁噪声。
整个设计的所有器件尺寸见表1。
表1器件尺寸汇总
| 器件名 | 尺寸 | 器件名 | 尺寸 |
| Q1 | 200nm×20um×8 | Q2 | 200nm×20um×8 |
| Q3 | 200nm×20um×8 | Q4 | 200nm×20um×8 |
| Q5 | 200nm×20um×8 | Q6 | 200nm×20um×8 |
| Q7 | 200nm×20um×8 | Q8 | 200nm×20um×8 |
| Q9 | 200nm×10um×16 | Q10 | 200nm×10um×16 |
| Q11 | 200nm×10um×16 | Q12 | 200nm×10um×16 |
| Q13 | 200nm×10um×8 | Q14 | 200nm×10um×8 |
| M1 | 350nm×2um×17 | M2 | 350nm×2um×17 |
| M3 | 350nm×2um×17 | M4 | 350nm×2um×17 |
| C1 | 1.84pF | C2 | 1.84pF |
| C3 | 1.84pF | C4 | 1.84pF |
| C5 | 6pF | C6 | 6pF |
| C7 | 6pF | C8 | 6pF |
| R1 | 76ohm | R2 | 76ohm |
| R3 | 2Kohm | R4 | 2Kohm |
| R5 | 2Kohm | R6 | 2Kohm |
| R7 | 4Kohm | R4 | 4Kohm |
| R9 | 4Kohm | R6 | 4Kohm |
在本发明中，充分利用了SiGe BiCMOS工艺的技术特点：用Bipolar NPN管代替传统MOS管作为开关级、跨导级、电流源级，同时采取动态电流抽取方式抽取开关管电流，减小了噪声系数，提高了线性度。
本发明可应用于全球通(GSM)系统、射频识别(RFID)系统。
Claims (2)
1.一种锗化硅双极-互补金属氧化物半导体上变频混频器，其特征在于该混频器包括：第一基带信号端(INI)，第二基带信号端(INIB)，第三基带信号端(INQ)，第四基带信号端(INQB)，0度本振信号端(LO0)，90度本振信号端(LO90)，180度本振信号端(LO180)，270度本振信号端(LO270)，第一偏置电压端(VB22)，第二偏置电压端(VB2)，第三偏置电压端(VB15)，第一输出端(OUT1)，第二输出端(OUT2)，电源端(VDD33)，接地端(GND)，第一晶体管(Q1)，第二晶体管(Q2)，第三晶体管(Q3)，第四晶体管(Q4)，第五晶体管(Q5)，第六晶体管(Q6)，第七晶体管(Q7)，第八晶体管(Q8)，第九晶体管(Q9)，第十晶体管(Q10)，第十一晶体管(Q11)，第十二晶体管(Q12)，第十三晶体管(Q13)，第十四晶体管(Q14)，第一MOS管(M1)，第二MOS管(M2)，第三MOS管(M3)和第四MOS管(M4)，具体连接方式为：第一晶体管(Q1)集电极和第一电阻(R1)相连，基极与第四电阻(R4)和第二电容(C2)的一端并联，发射极与第九晶体管(Q9)的集电极相连；第二晶体管(Q2)基极与第一电容(C1)和第三电阻(R3)的一端连接，集电极与第二电阻(R2)相连，发射极与第九晶体管(Q9)的集电极相连；第三晶体管(Q3)基极与第二晶体管(Q2)的基极相连，集电极与第一电阻(R1)相连，发射极与第十晶体管(Q10)的集电极相连；第四晶体管(Q4)基极与第二电容(C2)和第四电阻(R4)的一端连接，集电极与第二电阻(R2)相连，发射极与第十晶体管(Q10)的集电极相连；第五晶体管(Q5)集电极与第一电阻(R1)相连，基极与第六电阻(R6)和第四电容(C4)的一端并联，发射极与第十一晶体管(Q11)的集电极相连；第六晶体管(Q6)基极与第三电容(C3)和第五电阻(R5)的一端连接，集电极与第二电阻(R2)相连，发射极与第十一晶体管(Q11)的集电极相连；第七晶体管(Q7)基极与第六晶体管(Q6)基极相连，集电极与第一电阻(R1)相连，发射极与第十二晶体管(Q12)的集电极相连；第八晶体管(Q8)基极与第四电容(C4)和第六电阻(R6)的一端连接，集电极与第二电阻(R2)相连，发射极与第十二晶体管(Q12)的集电极相连；第九晶体管(Q9)基极与第五电容(C5)和第七电阻(R7)的一端相连，集电极与第一晶体管(Q1)、第二晶体管(Q2)的发射极连接，发射极与第十三晶体管(Q13)的集电极连接；第十晶体管(Q10)基极与第八电阻(R8)和第六电容(C6)连接，集电极与第三晶体管(Q3)、第四晶体管(Q4)的发射极连接，发射极与第十三晶体管(Q13)的集电极连接；第十一晶体管(Q11)基极与第十电阻(R10)和第八电容(C8)相连接，集电极与第五晶体管(Q5)和第六晶体管(Q6)的发射极相连，发射极与第十四晶体管(Q14)的集电极相连，第十二晶体管(Q12)基极与第九电阻(R9)和第七电容(C7)相连，集电极与第七晶体管(Q7)和第八晶体管(Q8)发射极相连，发射极与第十四晶体管(Q14)的集电极相连；第十三晶体管(Q13)的基极与第十一电阻(R11)相连，集电极与第九晶体管(Q9)、第十晶体管(Q10)的发射极连接，发射极与接地端(GND)连接；第十四晶体管(Q14)基极与第十二电阻(R12)相连，集电极与第十一晶体管(Q11)、第十二晶体管(Q12)的发射极相连，发射极与接地端(GND)相连；第一MOS管(M1)栅极与第一偏置电压端(VB22)相连，漏极与电源端(VDD33)相连，源极与第一晶体管(Q1)和第二晶体管(Q2)的发射极相连；第MOS管(M2)栅极与第一偏置电压(VB22)相连，漏极与电源端(VDD33)相连，源极与第三晶体管(Q3)和第四晶体管(Q4)的发射极相连；第三MOS管(M3)栅极与第一偏置电压(VB22)相连，漏极与电源端(VDD33)相连，源极与第七晶体管(Q7)和第八晶体管(Q8)的发射极相连；第四MOS管(M4)基极与第一偏置电压(VB22)相连，漏极与电源(VDD33)连接，源极与第七晶体管(Q7)和第八晶体管(Q8)发射极相接；第一电容(C1)跨接在零度本振信号端(LO0)、第三电阻(R3)、第二晶体管(Q2)和第三晶体管(Q3)基极之间；第二电容(C2)跨接在180度本振信号端(LO180)与第四电阻(R4)和第一晶体管(Q1)、第四晶体管(Q4)的基极之间；第三电容(C3)跨接在90度本振信号端(LO90)与第五电阻(R5)和第六晶体管(Q6)、第七晶体管(Q7)的基极之间；第四电容(C4)跨接在本振信号端(LO270)与第六电阻(R6)和第五晶体管(Q5)、第八晶体管(Q8)的基极之间；第五电容(C5)跨接在第一基带信号端(INI)与第七电阻(R7)和第九晶体管(Q9)基极之间；第六电容(C6)跨接在第二基带信号端(INIB)与第八电阻(R8)和第十晶体管(Q10)基极之间；第七电容(C7)跨接在第三基带信号端(INQ)与第九电阻(R9)和第十二晶体管(Q12)基极之间；第八电容(C8)跨接在第四基带信号端(INQB)与第十电阻(R10)和第十一晶体管(Q11)基极之间；第一电阻(R1)的两端分别与电源端(VDD33)和第一晶体管(Q1)的集电极相连；第二电阻(R2)跨接在电源端(VDD33)和第八晶体管(Q8)集电极之间；第三电阻(R3)两端分别与第一电容(C1)和第四电阻(R4)相接；第四电阻(R4)跨接在第二电容(C2)和第三电阻(R3)之间；第五电阻(R5)跨接在第三电容(C3)和第六电阻(R6)之间；第六电阻(R6)两端分别与第四电容(C4)和第五电阻(R5)相连；第七电阻(R7)一端接第五电容(C5)，另一端与第三偏置电压(VB15)以及第八电阻(R8)相接；第八电阻(R8)一端与第六电容(C6)相接，另一端与第三偏置电压(VB15)以及第七电阻(R7)相接；第九电阻(R9)一端与第七电容(C7)相接，另一端和第三偏置电压(VB15)以及第十电阻(R10)相接；第十电阻(R10)一端与第八电容(C8)相接，另一端和第三偏置电压(VB15)以及第九电阻(R9)相连；第十一电阻(R11)一端接第二偏置电压(VB2)，另一端接第十三晶体管(Q13)基极；第十二电阻(R12)一端接第二偏置电压(VB2)，另一端接第十四晶体管(Q14)的基极；第一输出端(OUT1)设在第一晶体管(Q1)和第一电阻(R1)之间；第二输出端(OUT2)设在第八晶体管(Q8)和第二电阻(R2)之间。
2.根据权利要求1所述的混频器，其特征在于所述第一晶体管(Q1)至第十四晶体管(Q14)为锗化硅双极型晶体管。
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