CN102457231A - 单平衡混频器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单平衡有源混频器，包括RF输入信号，所述RF输入信号与第一MOS管的栅极相连接，所述第一MOS管的源极接地、漏极与第二MOS管、第三MOS管的源极相连接；所述第二MOS管和第三MOS管的两个栅极分别连接本振信号、两个漏极之间连接有两个相互串联的第一电阻和第二电阻，还包括第四MOS管和第五MOS管，所述第四MOS管的漏极与直流电源相连接、栅极连接本振信号、源极连接第二MOS管的漏极；所述第五MOS管的漏极与直流电源相连接、栅极连接本振信号、源极连接第三MOS管的漏极。本发明还公开了一种单平衡无源混频器。本发明解决了现有技术中混频器的转换增益低的问题，通过优化电路结构都增加了混频器的转换增益，优化噪声系数。

Description

单平衡混频器
技术领域
本发明涉及了一种单平衡混频器，尤其是涉及了一种单平衡有源混频器和一种单平衡无源混频器，属于半导体集成电路设计领域。
背景技术
近年来，无线通信技术及其应用得到了非常迅速的发展，高性能、低成本的CMOS工艺的进步，给无线接收机射频前端的设计带来了许多机遇和挑战。在天线和基带处理器之间，射频前端电路完成信号从一个频带搬移到另一个频带的功能。高性能、低功耗和低成本是射频前端电路的设计目标。
混频器是射频前端电路中的关键模块，广泛应用于各种接收机和发射机系统中。混频器本质上主要完成频率的变换功能，接收机射频前端将接收到得射频信号转换成中频信号，而发射机射频前端是将要发射的基带信号转换成射频信号。在射频接收机中，混频器作为继低噪声放大器后的第二个模块，在接收机中起着重要的作用，其性能直接影响到整个系统的性能。
按照混频器是否提供增益，可以将混频器分为有源混频器和无源混频器。无源混频器不提供增益，如MOS或者二极管无源混频器；有源混频器提供一定的转换增益，可以减小后级模块对噪声系数的贡献。按照混频器是否是单端输入，可分为单平衡混频器和双平衡混频器，LNA为单端输出的RF系统中单平衡混频器得到了广泛的应用。
但现有的一些混频器的实现电路中，混频器输出一端采样的同时另一端并不能理想的保持不变（电荷通过电阻R进行放电），等效于开关函数不再是理想的
Figure 2011104225246100002DEST_PATH_IMAGE002
的方波信号，从而大大降低了混频器的转换增益。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种单平衡混频器，能够增加混频器的转换增益，优化噪声系数。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种单平衡有源混频器，包括RF输入信号，所述RF输入信号与第一MOS管的栅极相连接，所述第一MOS管的源极接地、漏极与第二MOS管、第三MOS管的源极相连接；所述第二MOS管和第三MOS管的两个栅极分别连接本振信号、两个漏极之间连接有两个相互串联的第一电阻和第二电阻，其特征在于：还包括第四MOS管和第五MOS管，所述第四MOS管的漏极与直流电源相连接、栅极连接本振信号、源极连接第二MOS管的漏极；所述第五MOS管的漏极与直流电源相连接、栅极连接本振信号、源极连接第三MOS管的漏极。
前述的单平衡有源混频器，其特征在于：所述第二MOS管和第三MOS管的两个漏极之间连接有两个相互串联的第一电容和第二电容，且两个电容中间接地。
前述的单平衡有源混频器，其特征在于：所述第一MOS管的栅极上还连接有一偏置电压，所述栅极与偏置电压之间还连接有第三电阻，所述第三电阻与RF输入信号之间连接有第三电容。
一种单平衡无源混频器，包括RF输入信号，所述RF输入信号分别与第六MOS管、第七MOS管的漏极相连接，所述第六MOS管、第七MOS管的两个栅极分别连接本振信号，两个源极之间连接有两个相互串联的第四电阻和第五电阻，其特征在于：还包括第八MOS管和第九MOS管，所述第八MOS管的漏极接地、栅极连接本振信号、源极连接第六MOS管的源极；所述第九MOS管的漏极接地、栅极连接本振信号、源极连接第七MOS管的源极。
前述的单平衡无源混频器，其特征在于：所述第六MOS管和第七MOS管的两个源极之间连接有两个相互串联的第四电容和第五电容，且两个电容中间接地。
前述的单平衡无源混频器，其特征在于：所述RF输入信号与第六MOS管的漏极之间连接有第六电容；第六电阻的一端连接第六MOS管的漏极，另一端接地。
本发明的有益效果是：本发明提供的一种单平衡有源混频器和一种单平衡无源混频器通过优化电路结构都能够增加混频器的转换增益，优化噪声系数。
附图说明
图1是本发明单平衡有源混频器的电路连接示意图；
图2是本发明单平衡无源混频器的电路连接示意图；
图3是现有的单平衡有源混频器的电路连接示意图；
图4是现有的单平衡无源混频器的电路连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
第一实施例
如图1所示，一种单平衡有源混频器，包括RF输入信号，所述RF输入信号与第一MOS管M5的栅极相连接，所述第一MOS管M5的源极接地、漏极与第二MOS管M1、第三MOS管M2的源极相连接；所述第二MOS管M1和第三MOS管M2的两个栅极分别连接本振信号LON和本振信号LOP、两个漏极之间连接有两个相互串联的第一电阻R1和第二电阻R2，还包括第四MOS管M3和第五MOS管M4，所述第四MOS管M3的漏极与直流电源VDD相连接、栅极连接本振信号LOP、源极连接第二MOS管M1的漏极；所述第五MOS管M4的漏极与直流电源   VDD相连接、栅极连接本振信号LON、源极连接第三MOS管M2的漏极。所述第二MOS管M1和第三MOS管M2的两个漏极之间连接有两个相互串联的第一电容C1和第二电容C2，且两个电容中间接地。所述第一MOS管M5的栅极上还连接有一偏置电压Vbias，所述栅极与偏置电压Vbias之间还连接有第三电阻Rbias，所述第三电阻Rbias与RF输入信号之间连接有第三电容C3。
现有的单平衡有源混频器的电路如图3所示，RF输入信号改变M51的漏极电流，而M11、M21作为开关对，由LO信号驱动。因而，实质上是M51的漏极电流与LO方波相乘，M51的漏极电流被交替的穿过Rout。
跨导管M51将信号电压
Figure 2011104225246100002DEST_PATH_IMAGE004
转换为信号电流
Figure 2011104225246100002DEST_PATH_IMAGE006
，在单音输入的情况下，
Figure 2011104225246100002DEST_PATH_IMAGE008
，其中，
Figure 2011104225246100002DEST_PATH_IMAGE010
为M51的小信号跨导，。开关管M11，M21在本振信号的作用下交替导通、截止，可得输出电流
Figure 2011104225246100002DEST_PATH_IMAGE014
，其中
Figure 2011104225246100002DEST_PATH_IMAGE016
表示直流偏置，
Figure 2011104225246100002DEST_PATH_IMAGE018
表示由本振信号控制的双向开关，其为幅度为
Figure 2011104225246100002DEST_PATH_IMAGE002A
的方波信号，用傅里叶级数展开可得：
Figure DEST_PATH_IMAGE018A
=
Figure 2011104225246100002DEST_PATH_IMAGE020
.
当输出负载为R时，单平衡电流开关混频器的传输函数可以表示为：
Figure 2011104225246100002DEST_PATH_IMAGE022
 
Figure 2011104225246100002DEST_PATH_IMAGE024
=
Figure 2011104225246100002DEST_PATH_IMAGE026
， 由上式可知，单平衡混频器理论上最大的转换增益为
Figure 2011104225246100002DEST_PATH_IMAGE028
。但实际电路实现中，混频器输出一端采样的同时另一端并不能理想的保持不变（电荷通过电阻R进行放电），等效于开关函数不再是理想的
Figure DEST_PATH_IMAGE002AA
的方波信号，从而大大降低了混频器的转换增益。
在本发明提供的单平衡有源混频器的电路中，第三MOS管M2和第四MOS管M3导通的情况下第四MOS管M3将电阻R1一端短路到交流地，同理在第二MOS管M1和第五MOS管M4导通的情况下第五MOS管M4将电阻R2的一端短路到交流地，由于不存在中间点接交流地的情况，同样的电流信号可获得两倍的电压转换增益。同时由于一端采样的同时另一端不再需要保持，使得该电路可以驱动更小的负载阻抗，虽然牺牲了一端的信号能量，但是另一端信号能量加倍。转换增益可表示为2R，由于不受负载漏电的影响，本发明提供的混频器相对于现有的传统结构有更大的转换增益。
噪声方面，第四MOS管M3和第五MOS 管M4引入的噪声取决于两个开关同时导通的时间及开关大小，可以通过优化开关尺寸和本振波形来对噪声进行优化。另外由于本发明的电路转换增益大于传统结构转换增益，所以在同样的输出参考噪声前提下，其噪声系数也小于传统结构。
第二实施例
如图2所示，一种单平衡无源混频器，包括RF输入信号，所述RF输入信号分别与第六MOS管M6、第七MOS管M7的漏极相连接，所述第六MOS管M6、第七MOS管M7的两个栅极分别连接本振信号LON和LOP，两个源极之间连接有两个相互串联的第四电阻R4和第五电阻R5，还包括第八MOS管M8和第九MOS管M9，所述第八MOS管M8的漏极接地、栅极连接本振信号LOP、源极连接第六MOS管M6的源极；所述第九MOS管M9的漏极接地、栅极连接本振信号LON、源极连接第七MOS管M7的源极。所述第六MOS管M6和第七MOS管M7的两个源极之间连接有两个相互串联的第四电容C4和第五电容C5，且两个电容中间接地。所述RF输入信号与第六MOS管M6的漏极之间连接有第六电容C6；第六电阻R6的一端连接第六MOS管M6的漏极，另一端接地。
现有的单平衡无源混频器的电路如图4所示，图4中把电阻中间接地，这是因为如果不接地，在一个开关打开，另一个开关关断的情况下，IFP与IFN两端电压会跟随，导致转换增益很低。在R无穷大的情况下，传统结构无源混频器
Figure 2011104225246100002DEST_PATH_IMAGE032
。即转换增益为2/
Figure 2011104225246100002DEST_PATH_IMAGE034
改进的无源混频器结构中，电阻一端采样，另一端接地，相当于开关函数由幅度为
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAA
的方波信号转变为幅度为0，1交替变化的方波信号，其傅里叶级数可以展开为
Figure 2011104225246100002DEST_PATH_IMAGE036
=
Figure 2011104225246100002DEST_PATH_IMAGE038
，因此转换增益由2/
Figure 2011104225246100002DEST_PATH_IMAGE040
变为1/
Figure DEST_PATH_IMAGE040A
.但是当R为较小阻值电阻时，图6所示电路的电阻中间接地，由于小阻值电阻的影响，混频器输出一端采样的同时另一端并不能理想的保持不变（电荷通过电阻R进行放电），等效于开关函数不再是理想的
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAA
的方波信号，转换增益会下降很多。
 本发明提供的单平衡无源混频器，其开关函数仍为幅度为0，1交替变化的方波信号，此时负载为(R4+R5)。由于这两个方面的影响，改进前的转换增益明显低于改进后的转换增益。并且可以适当增大第八MOS管M8，第九MOS管M9的宽长比，使得M8，M9开关管的导通电阻尽可能小，让导通信号尽可能接地，改善效果更明显。在噪声方面，由于改进后的转换增益较高，等效到输入端的噪声系数较小。本发明提供的单平衡无源混频器，混频器在驱动较低阻值电阻的时候有更优的转换增益以及噪声系数，因此在噪声系数要求不高的场合，改进的无源混频器可直接替代LNA做为第一级输入。
综上所述，本发明提供的一种单平衡有源混频器和一种单平衡无源混频器，通过优化电路结构都能够增加混频器的转换增益，优化噪声系数。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界。

Claims (6)

1.一种单平衡有源混频器，包括RF输入信号，所述RF输入信号与第一MOS管的栅极相连接，所述第一MOS管的源极接地、漏极与第二MOS管、第三MOS管的源极相连接；所述第二MOS管和第三MOS管的两个栅极分别连接本振信号、两个漏极之间连接有两个相互串联的第一电阻和第二电阻，其特征在于：还包括第四MOS管和第五MOS管，所述第四MOS管的漏极与直流电源相连接、栅极连接本振信号、源极连接第二MOS管的漏极；所述第五MOS管的漏极与直流电源相连接、栅极连接本振信号、源极连接第三MOS管的漏极。
2.根据权利要求1所述的单平衡有源混频器，其特征在于：所述第二MOS管和第三MOS管的两个漏极之间连接有两个相互串联的第一电容和第二电容，且两个电容中间接地。
3.根据权利要求1或2所述的单平衡有源混频器，其特征在于：所述第一MOS管的栅极上还连接有一偏置电压，所述栅极与偏置电压之间还连接有第三电阻，所述第三电阻与RF输入信号之间连接有第三电容。
4.一种单平衡无源混频器，包括RF输入信号，所述RF输入信号分别与第六MOS管、第七MOS管的漏极相连接，所述第六MOS管、第七MOS管的两个栅极分别连接本振信号，两个源极之间连接有两个相互串联的第四电阻和第五电阻，其特征在于：还包括第八MOS管和第九MOS管，所述第八MOS管的漏极接地、栅极连接本振信号、源极连接第六MOS管的源极；所述第九MOS管的漏极接地、栅极连接本振信号、源极连接第七MOS管的源极。
5.根据权利要求4所述的单平衡无源混频器，其特征在于：所述第六MOS管和第七MOS管的两个源极之间连接有两个相互串联的第四电容和第五电容，且两个电容中间接地。
6.根据权利要求4或5所述的单平衡无源混频器，其特征在于：所述RF输入信号与第六MOS管的漏极之间连接有第六电容；第六电阻的一端连接第六MOS管的漏极，另一端接地。
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