CN102075145A - 一种高线性度折叠镜像混频器 - Google Patents

Abstract

一种高线性度折叠镜像混频器，采用电流镜内嵌双平衡开关对的结构。跨导级的射频电流在电流镜和双平衡开关对的共同作用下，产生变频后的中频电流信号，其大小与射频电流成镜像比例关系；随后该电流在负载电阻上形成输出电压。由于电流镜的比例复制特性，该混频器比采用级联结构的折叠式吉尔伯特混频器具有更好的线性度。此外，传统混频器大多为从电源到地分别为跨导级、混频开关对、负载级的层叠结构。该混频器实现了跨导级、混频级、负载级的并列级联，适合于低电源电压应用场合。

Description

一种高线性度折叠镜像混频器 

技术领域

本发明涉及一种高线性度折叠镜像混频器，采用电流镜内嵌双平衡开关对的结构。具有转换增益大、线性度高、适合于低电源电压的特点。 

背景技术

在射频信号接收链路中，混频器的作用在于将输入射频信号下变频至基带或者中频以便于后续模块进行处理。作为整个接收链路的考虑，混频器应具有较高的转换增益以抑制后级中频放大电路及滤波电路的噪声对整个接收链路噪声系数的影响。此外，混频器本身应具有相比中频模块较低的噪声系数以减轻低噪声放大器的设计压力。随着多载波技术和复杂调制技术越来越多地应用到无线通讯中，对接收机的线性度要求也逐渐提高。由于集成电路工艺的局限性，很难对射频电路采用诸如运放反馈、跨导自举等提高线性度的技术；这使得射频电路的线性度不像中频电路那样可以灵活应用各种模拟电路设计方法进行提高。混频器位于射频前端的最后一级，根据系统级联公式，混频器对整个射频前端的线性度而言具有决定性的影响，因此如何提高混频器的线性度是设计人员不断追求的目标。 

混频器可以分为有源混频器与无源混频器，无源混频器往往具有较好的线性度，但是由于其低于0dB的转换增益，使得后级模块的噪声系数对整个接收机产生了较为严重的恶化(中频模块的噪声系数通常比射频电路高10dB左右)，因此在要求较高的通信电路中很少被采用。而有源混频器则可以在提供混频功能的同时一并具有对信号的放大功能，有效地抑制了较为严重的中频电路噪声。因此有源混频器在射频接收机中占据了主流的地位。 

有源混频器的结构很多，其中采用基于吉尔伯特单元的双平衡开关混频器的吉尔伯特混频器得到了较为广泛的应用。吉尔伯特混频器具有比较平衡的性能指标，但是其从电源到地层叠了过多的晶体管，使得其不适合低电源电压的应用场合。人们尝试将混频级和负载级与跨导级折叠开，这样的混频器被称为折叠式吉尔伯特混频器。折叠式混频器解决了低电源电压的问题，同时由于降低了本振开关级的偏置电流，其噪声系数也同时得以改善。但是，由于跨导级晶体管有限的 输出阻抗和寄生电容的影响，在跨导级与本振级之间存在射频电流的分流现象。整个折叠式混频器可以看成跨导级与本振级及负载级的级联，根据线性度级联公式，整个混频器的线性度被恶化了。这也是折叠式结构线性度不高的主要原因。在本设计中，采用了电流镜内嵌双平衡开关的本振级。这样从结构上看该混频器是折叠的(跨导级、本振级、负载级并列布置)，解决了低电源电压的问题。从线性度的角度看，射频电流是通过电流镜精确复制到负载级的，而不是单纯的级联，线性度与单级电路相仿。 

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种高线性度折叠镜像混频器，该混频器采用电流镜内嵌双平衡开关对的结构。具有转换增益大、线性度高、适合于低电源电压的特点。 

技术方案：本发明目的通过以下方法实现：利用电流镜结构内嵌双平衡开关混频级，双平衡开关混频级实现混频功能，电流镜结构实现了结构的并列布置同时保障了较为理想的线性度。 

一种高线性度折叠镜像混频器，包括依次连接的射频跨导级、电压混频核心电路和中频输出级；射频跨导级包括：NMOS管M1和M2，PMOS管M3、M4、M5和M6；电压混频核心电路包括：PMOS管M12、M13、M14和M15； 

输入射频信号通过电容耦合到输入跨导管M1，M2，转化为射频电流； 

M3与M4，和M5，M6一同构成了差分的电流镜；所述射频电流，在M3和M4上形成电压信号，M3、M4、M5、M6同样的沟道长度； 

该电压信号经过由M12～M15构成的双平衡开关管，在本振信号为正时，将M3的栅电压输送到M6，将M4的栅电压输送到M5；在本振信号为负时，将M3的栅电压输送到M5，将M4的栅电压输送到M6；这样，M5，M6复制的电流，随着本振频率，在跨导级正端电流和负端电流之间来回切换，形成变频电流，经低通滤波后在中频输出级的负载电阻上形成输出电压。 

还包括误差放大器A1； 

所述射频跨导级还包括：隔离电阻R1和R2；输入管偏置电阻R0和R3； 

电压混频核心电路还包括：NMOS管M10和M7；NMOS管M11和M8；电容C2； 

中频输出级包括：负载电阻R4和R5； 

输入射频正极连到电容C0的上极板，电容C0的下极板与M1管的栅极相连；输入射频负极连到电容C1的上极板，电容C1的下极板与M2管的栅极相连； 

M1管的源极接电阻R1的正端，R1的负端接地；M2管的源端接电阻R2的正端，R2的负端接地； 

偏置电阻R0的正端接M1的栅极，R3的正端接M2的栅极，R0与R3的负端接偏置电压； 

M1的漏端接M3的漏端，M3的漏端与栅极连接，源极接电源；M2的漏极接M4的漏极，M4的漏极与栅极连接，源极接电源； 

M12的源极与M13的源极接M4的栅极，M12与M15的栅极接本振信号负极，M13与M14的栅极接本振信号正极； 

M12与M14的漏极接M6的栅极，M13与M15的漏极接M5的栅极； 

M5和M6的源极接电源电压； 

M5的漏极接电阻R4的正端，R4的负端接地；M6的漏极接电阻R5的正端，R5的负端接地； 

电容C2并联在M5的漏极与M6的漏极之间；电容C2的两端即为中频输出端VIF+和VIF-； 

M10与M7构成共源共栅电流源，并联在R4的两端；由M11与M8构成共源共栅电流源，并联在R5的两端； 

M10、M11的栅极接误差放大器A1的输出端；A1的正输入端接采集的输出共模电压，负输入端接参考共模电压； 

所述误差放大器A1、M7、M8、M10、M11、VIF+和VIF-构成的环路即为共模反馈电路。 

本技术方案的原理如下： 

该混频器包含了射频跨导级、电压混频核心电路和中频输出级。射频跨导级包含用作射频跨导管的NMOS管M1、M2，源简并电阻R1、R2，输入射频耦合电容C0、C1，输入管偏置电阻R0、R3，用作负载管的二极管连接PMOS管M3、M4。电压混频核心电路包含双平衡开关对M12-M15。中频输出级包含PMOS管M5、M6，电容C2，负载电阻R4、R5，电流注入电流源M10、M7和M11、M8；共模反馈电 路等。 

本技术方案中，输入射频信号通过电容耦合到输入跨导管M1，M2，转化为射频电流。由于跨导级从电源到地只级联两个MOS管，可以有足够的电压裕度使用源简并电阻R1，R2，改善射频跨导本身的线性度。M3与M4，和M5，M6一同构成了差分的电流镜。跨导级产生的射频电流，在二极管连接的负载PMOS管M3和M4上形成电压信号。M3、M4、M5、M6同样的沟道长度。该电压信号经过由M12～M15组成的双平衡开关管，在本振信号为正时，将M3的栅电压输送到M6，将M4的栅电压输送到M5。在本振信号为负时，将M3的栅电压输送到M5，将M4的栅电压输送到M6，如此一来。M5，M6复制的电流，随着本振频率，在跨导级正端电流和负端电流之间来回切换，形成变频电流，经低通滤波后在负载电阻上形成输出电压。为了达到较高的转换增益，在负载电阻两端并联电流源，该电流源采用共源共栅结构以提高输出阻抗避免影响混频器线性度。同时为了稳定共模电压，使用了电压共模负反馈电路。 

有益效果：该混频器适用于低电源电压，同时仿真结果与测试结果均表明：该混频器具有较高的线性度，较高的转换增益以及适中的噪声系数。 

附图说明

图1为本发明的混频器主体电路(原理框)图； 

图2a为折叠式吉尔伯特混频器框图；图2b的折叠式吉尔伯特混频器的线性度IIP3分析示意图；图中可以看出，第二级的失真增加了额外的IM3； 

图3为本发明的混频器线性度IIP3分析示意图； 

图4所示为本发明的混频器线性度测试结果； 

具体实施方式

本发明的高线性度折叠镜像混频器，采用电流镜内嵌双平衡开关对的结构。跨导级的射频电流在电流镜和双平衡开关对的共同作用下，产生变频后的中频电流信号，其大小与射频电流成镜像比例关系；随后该电流在负载电阻上形成输出电压。由于电流镜的比例复制特性，该混频器比采用级联结构的折叠式吉尔伯特混频器具有更好的线性度。此外，传统混频器大多为从电源到地分别为跨导级、混频开关对、负载级的层叠结构。该混频器实现了跨导级、混频级、负载级的并 列级联，适合于低电源电压应用场合。 

上述的高线性度折叠镜像混频器包含射频跨导级、电压混频核心电路和中频输出级。射频跨导级包含用作射频跨导管的NMOS管M1、M2，源简并电阻R1、R2，输入射频耦合电容C0、C1，输入管偏置电阻R0、R3，用作负载管的二极管连接PMOS管M3、M4。电压混频核心电路包含双平衡开关对M12-M15。中频输出级包含PMOS管M5、M6，M3、M4、M5、M6同样的沟道长度。电容C2，负载电阻R4、R5，电流注入电流源M10、M7和M11、M8；共模反馈电路等。 

输入射频正极连到电容C0的上极板，电容C0的下极板与M1管的栅极相连。输入射频负极连到电容C1的上极板，电容C1的下极板与M2管的栅极相连。M1管的源极接电阻R1的正端，电阻R1的负端接地。M2管的源端接电阻R2的正端，电阻R2的负端接地。偏置电阻R0的正端接M1的栅极，R3的正端接M2的栅极，R0与R3的负端接偏置电压。M1的漏端接M3的漏端，M3的漏端与栅极连接，源极接电源。M2的漏极接M4的漏极，M4的漏极与栅极连接，源极接电源。M12的源极与M13的源极接M4的栅极，M12与M15的栅极接本振信号负极，M13与M14的栅极接本振信号正极。M12与M14的漏极接M6的栅极，M13与M15的漏极接M5的栅极。M5和M6的源极接电源电压。M5的漏极接电阻R4的正端，R4的负端接地。M6的漏极接电阻R5的正端，R5的负端接地。电容C2并联在M5的漏极与M6的漏极之间。M10与M7组成共源共栅电流源，并联在R4的两端。由M11与M8组成共源共栅电流源，并联在R5的两端。M10，M11的栅极接误差放大器A1的输出。A1的正输入端接采集的输出共模电压，负输入端接参考共模电压。 

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。 

图1所示为本发明的混频器电路原理图，对该电路的详细描述与说明可参考技术方案与具体实施方式部分。 

图2a和图2b中可以看出，由于折叠式混频器混频开关与负载级是与跨导级呈并联结构。跨导级有限的输出阻抗会对射频电流产生分流的效果，导致跨导级产生的射频电流不能全部进入本振级。该折叠式结构实际上可以看成是跨导级和混频级的级联，由于混频级会产生额外的失真产物(图2b中，第二级的失真增加了额外的IM3)，整体线性度被恶化了。 

图3所示为本发明的线性度分析，从图中可以看出，由于采用了电流镜内嵌 混频双平衡开关对的结构。射频电流镜像到输出级是个线性过程，第一级电流的基频与IM3到输出级按同样的比例被放大。因此整个混频器的线性度与第一级近似相同。避免了由于跨导级与输出级并列结构造成的线性度恶化。 

图4所示为本发明的混频器线性度测试结果，从图中可以看出，该混频器在实现12.5dB增益的同时，OIP3可以达到20.5dBm. 

Claims (2)

1.一种高线性度折叠镜像混频器，其特征在于，包括依次连接的射频跨导级、电压混频核心电路和中频输出级；射频跨导级包括：NMOS管M1和M2，PMOS管M3、M4、M5和M6；电压混频核心电路包括：PMOS管M12、M13、M14和M15；

输入射频信号通过电容耦合到输入跨导管M1，M2，转化为射频电流；

M3与M4，和M5，M6一同构成了差分的电流镜；所述射频电流，在M3和M4上形成电压信号，M3、M4、M5、M6同样的沟道长度；

该电压信号经过由M12～M15构成的双平衡开关管，在本振信号为正时，将M3的栅电压输送到M6，将M4的栅电压输送到M5；在本振信号为负时，将M3的栅电压输送到M5，将M4的栅电压输送到M6；这样，M5，M6复制的电流，随着本振频率，在跨导级正端电流和负端电流之间来回切换，形成变频电流，经低通滤波后在中频输出级的负载电阻上形成输出电压。

2.根据权利要求1所述的高线性度折叠镜像混频器，其特征在于：还包括误差放大器A1；

所述射频跨导级还包括：隔离电阻R1和R2；输入管偏置电阻R0和R3；

电压混频核心电路还包括：NMOS管M10和M7；NMOS管M11和M8；电容C2；

中频输出级包括：负载电阻R4和R5；

输入射频正极连到电容C0的上极板，电容C0的下极板与M1管的栅极相连；输入射频负极连到电容C1的上极板，电容C1的下极板与M2管的栅极相连；

M1管的源极接电阻R1的正端，R1的负端接地；M2管的源端接电阻R2的正端，R2的负端接地；

偏置电阻R0的正端接M1的栅极，R3的正端接M2的栅极，R0与R3的负端接偏置电压；

M1的漏端接M3的漏端，M3的漏端与栅极连接，源极接电源；M2的漏极接M4的漏极，M4的漏极与栅极连接，源极接电源；

M12的源极与M13的源极接M4的栅极，M12与M15的栅极接本振信号负极，M13与M14的栅极接本振信号正极；

M12与M14的漏极接M6的栅极，M13与M15的漏极接M5的栅极；

M5和M6的源极接电源电压；

M5的漏极接电阻R4的正端，R4的负端接地；M6的漏极接电阻R5的正端，R5的负端接地；

电容C2并联在M5的漏极与M6的漏极之间；电容C2的两端即为中频输出端VIF+和VIF-；

M10与M7构成共源共栅电流源，并联在R4的两端；由M11与M8构成共源共栅电流源，并联在R5的两端；

M10、M11的栅极接误差放大器A1的输出端；A1的正输入端接采集的输出共模电压，负输入端接参考共模电压；

所述误差放大器A1、M7、M8、M10、M11、VIF+和VIF-构成的环路即为共模反馈电路。

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