CN102315823B - 一种能跟随mos晶体管阈值电压的无源混频器偏置电路 - Google Patents

Abstract

本发明一般涉及一种无源混频器偏置电路，更确切的说，本发明涉及一种用于稳定无源混频器特性的能跟随MOS晶体管阈值电压的无源混频器偏置电路。本发明涉的无源混频器的偏置电路，在不同的工作环境下，可以稳定无源混频器的转换增益，线性度，噪声等性能，偏置电路主要包括阈值电压自偏置参考电路产生电流源，以及串联电阻形成的MOS阈值电压跟随装置。无源混频器的特性(转换增益，线性度，噪声等)可以通过偏置电路在不同的工艺CORNER、电压、温度条件下，跟随MOS晶体管的阈值电压来达到很好的稳定。

Description

一种能跟随MOS晶体管阈值电压的无源混频器偏置电路

技术领域

本发明一般涉及一种无源混频器偏置电路，更确切的说，本发明涉及一种用于稳定无源混频器特性的能跟随MOS晶体管阈值电压的无源混频器偏置电路。

背景技术

无源混频器具有功耗低、线性度高的特点，在RF射频收发器系统中得到广泛应用。至关重要的是，在实际应用中，无源混频器的转换增益、线性度、噪声等性能指标需要维持稳定。对于无源混频器件而言，由于受到工艺、电压、温度等外在因素、环境的影响，毫无疑虑的是，无源混频器为了保持稳定的性能，必须要求其偏置电压能很好的跟随MOS管的阈值电压变化。

在现有技术中，无源混频器的偏置电路很难在具有实际应用意义的同时能顾及无源混频器的转换增益、线性度、噪声等性能，故而，导致在不同环境下，无源混频器件性能变化幅度较大，进一步则导致RF射频及类似功能的接收机的灵敏度、交调等特性不稳定，以至于功能失效。基于解决上述性能稳定性问题，本发明在下文中提供一种无源混频器偏置电路。

发明内容

鉴于此，为了解决上述局限和难题，本发明的一个方面就在于提出了一种无源混频器偏置电路，具有的偏置电路用于产生偏置电压，并进一步通过偏置电阻提供给无源混频器。

本发明的一种能跟随MOS晶体管阈值电压的无源混频器偏置电路，通过产生第一偏置电压V_g和第二偏置电压V_o分别给无源混频单元的本地振荡输入端和射频输入端提供偏置，包括：

一阈值电压自偏置参考电路，用于产生参考电流I₀，阈值电压自偏置参考电路具有构成电流镜的第三晶体管M₂、第四晶体管M₃，并进一步包含第一晶体管M₀、第二晶体管M₁及第一电阻R₀；以及

一阈值电压跟随单元，参考电流I₀通过第三晶体管M₂和第四晶体管M₃构成的电流镜输入给阈值电压跟随单元，用于控制阈值电压跟随单元产生第一偏置电压V_g和第二偏置电压V_o并提供给无源混频单元；

其中，阈值电压跟随单元包括第五晶体管M₄和第二电阻R₁、第三电阻R₂，第三电阻R₂连接到第五晶体管M₄的漏极，第三电阻R₂的另一端与第二电阻R₁连接，第二电阻R₁的另一端接地。

上述的能跟随MOS晶体管阈值电压的无源混频器偏置电路，在阈值电压自偏置参考电路中：

第一晶体管M₀的栅极耦合到第二晶体管M₁的源极，第一晶体管M₀的源极接地，第一电阻R₀的一端连接在第一晶体管M₀的栅极和第二晶体管M₁的源极上，第一电阻R₀的另一端接地；

第二晶体管M₁的栅极耦合到第一晶体管M₀的漏极，并且第三晶体管M₂的漏极耦合到第一晶体管M₀的漏极，第四晶体管M₃的漏极耦合到第二晶体管M₁的漏极。

上述的能跟随MOS晶体管阈值电压的无源混频器偏置电路，本地振荡输入端包括：

第一本振输入端LOP和第二本振输入端LOM，本振信号通过第一本振输入端LOP和第二本振输入端LOM差分输入给无源混频单元；

其中，第一本振输入端LOP通过一第四偏置电阻R₆连接在第五晶体管M₄的漏极与第三电阻R₂之间的结点上；

第二本振输入端LOM通过一第三偏置电阻R₅连接在第五晶体管M₄的漏极与第三电阻R₂之间的结点上。

上述的能跟随MOS晶体管阈值电压的无源混频器偏置电路，射频输入端包括：

第一射频输入端RFP和第二射频输入端RFM，射频信号通过第一射频输入端RFP和第二射频输入端RFM差分输入给无源混频单元；

其中，第一射频输入端RFP通过一第二偏置电阻R₄连接在第三电阻R₂与第二电阻R₁之间的结点上；

第二射频输入端RFM通过一第一偏置电阻R₃连接在第二电阻R₁与第三电阻R₂之间的结点上。

上述的能跟随MOS晶体管阈值电压的无源混频器偏置电路，第一偏置电压V_g通过第四偏置电阻R₆为为第一本振输入端LOP提供偏置，第一偏置电压V_g通过第三偏置电阻R₅为第二本振输入端LOM提供偏置；

第二偏置电压V_o通过第二偏置电阻R₄为第一射频输入端RFP提供偏置，第二偏置电压V_o通过第一偏置电阻R₃为第二射频输入端RFM提供偏置。

上述的能跟随MOS晶体管阈值电压的无源混频器偏置电路，通过构成电流镜的第三晶体管M₂和第四晶体管M₃，控制流过第一晶体管M₀的电流与流过第二晶体管M₁的电流相同。

上述的能跟随MOS晶体管阈值电压的无源混频器偏置电路，第三晶体管M₂和第四晶体管M₃均为MOS晶体管。

上述的能跟随MOS晶体管阈值电压的无源混频器偏置电路，无源混频单元包含组成核心电路的四个MOS晶体管及用于输出中频信号的两个中频输出端IFP、IFM。

上述的能跟随MOS晶体管阈值电压的无源混频器偏置电路，进一步包括：一个电压提供端V_cc端；其中，电压提供端V_cc端连接在第三晶体管M₂的源极、第四晶体管M₃的源极、第五晶体管M₄的源极上；以及

第五晶体管M₄的基极耦合到第三晶体管M₂的基极与第四晶体管M₃的基极。

在一个优选实施例中，上述的能跟随MOS晶体管阈值电压的无源混频器偏置电路，阈值电压自偏置参考电路包含利用深亚微米CMOS技术制造的CMOS晶体管。

本领域的技术人员阅读以下较佳实施例的详细说明，并参照附图之后，本发明的这些和其他方面的优势无疑将显而易见。

附图说明

参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。

图1是本发明的一个优选实施例的电路结构示意图。

具体实施方式

根据本发明的权利要求和发明内容所公开的内容，本发明的技术方案具体如下所述：

参见图1所示，在能跟随MOS晶体管阈值电压的无源混频器偏置电路中，展示于图中的偏置电路100包含一阈值电压自偏置参考电路110，用于产生参考电流I₀，阈值电压自偏置参考电路110具有构成电流镜的第三晶体管M₂、第四晶体管M₃，并进一步包含第一晶体管M₀、第二晶体管M₁及第一电阻R₀，其中，流过第四晶体管M₃的参考电流I₀将作用于下文涉及的阈值电压跟随单元120。阈值电压自偏置参考电路110涉及的晶体管包含利用深亚微米CMOS技术制造的CMOS晶体管。

参见图1所示，阈值电压自偏置参考电路110的一个优选实施方式具体是，第一晶体管M₀的栅极耦合到第二晶体管M₁的源极，第一晶体管M₀的源极接地(GND)，第一电阻R₀的一端连接在第一晶体管M₀的栅极和第二晶体管M₁的源极上，第一电阻R₀的另一端接地(GND)。

第二晶体管M₁的栅极耦合到第一晶体管M₀的漏极，并且第三晶体管M₂的漏极耦合到第一晶体管M₀的漏极，第四晶体管M₃的漏极耦合到第二晶体管M₁的漏极。

参见图1所示，展示于图中的偏置电路100包含一阈值电压跟随单元120，其中，阈值电压跟随单元120包括第五晶体管M₄和第二电阻R₁、第三电阻R₂，并由它们构成电路，在一个实施例中，第三电阻R₂连接到第五晶体管M₄的漏极，第三电阻R₂的另一端与第二电阻R₁连接，第二电阻R₁的另一端接地(GND)。

阈值电压自偏置参考电路110还包括一个电压提供端的V_cc端，其中，V_cc端连接在第三晶体管M₂的源极、第四晶体管M₃的源极、第五晶体管M₄的源极上；第五晶体管M₄的基极耦合到第三晶体管M₂的基极与第四晶体管M₃的基极，第三晶体管M₂的基极与第四晶体管M₃的基极均耦合到M₃的漏极。

参见图1所示，展示于图中的偏置电路100还包含无源混频单元130，无源混频单元130包含组成无源混频核心电路的四个MOS晶体管及用于输出中频信号的两个中频输出端IFP、IFM。

无源混频单元130设有本地振荡输入端和射频输入端，本地振荡输入端包括第一本振输入端LOP和第二本振输入端LOM，本振信号通过所述第一本振输入端LOP和第二本振输入端LOM差分输入给无源混频单元130。

其中，第一本振输入端LOP通过一第四偏置电阻R₆连接在第五晶体管M₄的漏极与第三电阻R₂之间的结点上；第二本振输入端LOM通过一第三偏置电阻R₅连接在第五晶体管M₄的漏极与第三电阻R₂之间的结点上。

参见图1所示，无源混频单元130的射频输入端包括第一射频输入端RFP和第二射频输入端RFM，射频信号通过第一射频输入端RFP和第二射频输入端RFM差分输入给无源混频单元。

其中，第一射频输入端RFP通过一第二偏置电阻R₄连接在第三电阻R₂与第二电阻R₁之间的结点上；第二射频输入端RFM通过一第一偏置电阻R₃连接在第二电阻R₁与第三电阻R₂之间的结点上。

在上述的偏置电路100中，阈值电压跟随单元120通过产生第一偏置电压V_g和第二偏置电压V_o分别给无源混频单元130的本地振荡输入端和射频输入端提供偏置。

阈值电压自偏置参考电路110，用于产生参考电流I₀，参考电流I₀通过第三晶体管M₂和第四晶体管M₃构成的电流镜输入给阈值电压跟随单元120，用于控制阈值电压跟随单元产生第一偏置电压V_g和第二偏置电压V_o并提供给无源混频单元；具体而言，参考电流I₀产生一个加载在第五晶体管M₄栅极的信号，控制第五晶体管M₄的导电沟道的宽度从而控制第五晶体管M₄的导电性，用于控制阈值电压跟随单元120产生位于第五晶体管M₄的漏极与第三电阻R₂之间的结点上的跟随电压V_g，以及产生位于第二电阻R₁与第三电阻R₂之间的结点上的跟随电压V_o，跟随电压V_g、V_o即是作用于无源混频单元130的偏置电压。同时，将第一偏置电压V_g、第二偏置电压V_o提供给无源混频单元130的本振输入端和射频输入端。

参见图1所示，无源混频单元130中，第一偏置电压V_g分别通过第四偏置电阻R₆、第三偏置电压R₅为第一本振输入端LOP、第二本振输入端LOM提供偏置；第二偏置电压V_o分别通过第二偏置电阻R₄、第一偏置电阻R₃为第一射频输入端RFP、第二射频输入端RFM提供偏置。

通过构成电流镜的MOS(Metal-Oxide Semiconductor)第三晶体管M₂和第四晶体管M₃，控制流过第一晶体管M₀的电流与流过第二晶体管M₁的电流相同。阈值电压跟随单元120中，产生电流I₁，电流I₁流经第五晶体管M₄，电流I₁和第三电阻R₂之乘积即为第一晶体管M₀的栅源电压V_GS，并且，满足下述要求：

$V_{\mathrm{GS}}=V_{\mathrm{th}}+\sqrt{2I/\mathrm{\β}}$

如果如果β比较大，V_GS≈V_th

I₁＝m＊I₀(m由M₃和M₄的沟道宽度与长度的比值W/L确定)

取R₂＝R₀/m，则V_g-V_o＝I₁＊R₂≈V_th

这样，第二偏置电压V_o可以通过改变第二电阻R₁的值来改变，其大小可通过后面的电路的输入共模电压来确定，同时，还能保持(V_g-V_o)的值不变。V_g和V_o通过偏置电阻R₃R₄R₅R₆分别送给无源混频器的本振LO输入端和射频RF输入端。

由此，本实施例在涉及关于射频接收机中无源混频器的偏置电路的设计中提供了一个优选方案，同时，以及借助深亚微米CMOS(ComplementaryMetal-Oxide Semiconductor)技术实现的接收机中，为混频器的性能稳定提供了一种解决方案。本发明不仅适用于低功耗蓝牙收发器接收机，在非标准2.4GHz收发机等低功耗设备及芯片中同样具有吉尔伯托等有源混频器无法比拟的优点。

由于采用了以上方案，使得本发明具有以下有益效果：在低中频蓝牙应用的2.4GHz、0.18um、1P6M的CMOS无源混频器中，其增益、线性度、噪声得到稳定，有益效果是，整个蓝牙接收机灵敏度、交调在不同工作环境下，得到很好的稳定。配置此偏置的无源混频器，同样可以应用于射频发射机中。

通过说明和附图，给出了具体实施方式的特定结构的典型实施例。尽管上述发明提出了现有的较佳实施例，然，这些内容并不作为局限。本领域的技术人员应掌握，本发明具有多种其他特殊形式，无需过多实验，就能将本发明应用于这些实施例。

对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。例如，本发明是以MOS晶体管为例说明，根据同样的发明理念，本发明也可应用于双极晶体管电路。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。

Claims (5)

1.一种能跟随MOS晶体管阈值电压的无源混频器偏置电路，其特征在于，通过产生第一偏置电压和第二偏置电压分别给无源混频单元的本地振荡输入端和射频输入端提供偏置，包括：

一阈值电压自偏置参考电路，用于产生参考电流，所述阈值电压自偏置参考电路具有构成电流镜的第三晶体管、第四晶体管，并进一步包含第一晶体管、第二晶体管及第一电阻；以及

一阈值电压跟随单元，所述参考电流通过第三晶体管和第四晶体管构成的电流镜输入给阈值电压跟随单元，用于控制阈值电压跟随单元产生第一偏置电压和第二偏置电压并提供给无源混频单元；

其中，所述阈值电压跟随单元包括第五晶体管和第二电阻、第三电阻，所述第三电阻连接到所述第五晶体管的漏极，第三电阻的另一端与第二电阻连接，第二电阻的另一端接地；

其中，在所述阈值电压自偏置参考电路中：

所述第一晶体管的栅极耦合到所述第二晶体管的源极，所述第一晶体管的源极接地，所述第一电阻的一端连接在所述第一晶体管的栅极和第二晶体管的源极上，第一电阻的另一端接地；

所述第二晶体管的栅极耦合到所述第一晶体管的漏极，并且所述第三晶体管的漏极耦合到第一晶体管的漏极，第四晶体管的漏极耦合到第二晶体管的漏极；

所述本地振荡输入端包括：

第一本振输入端和第二本振输入端，本振信号通过所述第一本振输入端和第二本振输入端差分输入给无源混频单元；

其中，所述第一本振输入端通过一第四偏置电阻连接在所述第五晶体管的漏极与第三电阻之间的结点上；

所述第二本振输入端通过一第三偏置电阻连接在所述第五晶体管的漏极与第三电阻之间的结点上；

所述射频输入端包括：

第一射频输入端和第二射频输入端，射频信号通过所述第一射频输入端和第二射频输入端差分输入给无源混频单元；

其中，所述第一射频输入端通过一第二偏置电阻连接在第三电阻与第二电阻之间的结点上；

所述第二射频输入端通过一第一偏置电阻连接在第二电阻与第三电阻之间的结点上；

所述第一偏置电压通过第四偏置电阻为第一本振输入端提供偏置，第一偏置电压通过第三偏置电阻为第二本振输入端提供偏置；

所述第二偏置电压通过第二偏置电阻为第一射频输入端提供偏置，第二偏置电压通过第一偏置电阻为第二射频输入端提供偏置；以及

一个V_CC端；

其中，所述V_CC端连接在所述第三晶体管的源极、第四晶体管的源极、第五晶体管的源极上；以及

所述第五晶体管的基极耦合到所述第三晶体管的基极与第四晶体管的基极。

2.如权利要求1所述的能跟随MOS晶体管阈值电压的无源混频器偏置电路，其特征在于，通过所述构成电流镜的第三晶体管和第四晶体管，控制流过所述第一晶体管的电流与流过所述第二晶体管的电流相同。

3.如权利要求1所述的能跟随MOS晶体管阈值电压的无源混频器偏置电路，其特征在于，所述第三晶体管和第四晶体管均为MOS晶体管。

4.如权利要求1所述的能跟随MOS晶体管阈值电压的无源混频器偏置电路，其特征在于，所述无源混频单元包含组成核心电路的四个MOS晶体管及用于输出中频信号的两个中频输出端。

5.如权利要求1所述的能跟随MOS晶体管阈值电压的无源混频器偏置电路，其特征在于，所述阈值电压自偏置参考电路包含利用深亚微米CMOS技术制造的CMOS晶体管。