CN102522952B - 一种谐波抑制混频器和gsm射频芯片 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种谐波抑制混频器，所述混频器包括四个结构相同的混频单元，每个所述混频单元包括第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管、运算放大器、以及第一电阻和第二电阻；每个混频单元均采用运算放大器作为基带信号的输入，由此能够对场氧化管的工艺偏差对谐波抑制造成的影响起到反馈补偿的作用。本发明实施例还提供一种GSM射频芯片。采用本发明实施例，能够有效地对3次谐波和5次谐波进行抑制，减小对中频滤波器滤波性能的要求。

Description

一种谐波抑制混频器和GSM射频芯片

技术领域

本发明涉及混频器技术领域，特别是涉及一种谐波抑制混频器和GSM射频芯片。

背景技术

在无线接收机系统中，混频器是一个非常关键的核心电路，它的噪声、线性度、转换增益等性能指标对收发机系统结构的选择具有重要影响，并对整个收发机系统的噪声、线性度、灵敏度、动态范围等性能产生决定性的作用。

参照图1，为现有常用的谐波抑制混频器的电路图。图1所示，所述混频器包括三个传统的吉尔伯特混频单元。每个吉尔伯特混频单元的结构相同，下面以其中一个单元的电路结构为例进行说明。

所述吉尔伯特混频单元具有：由晶体管M11和M12、M13和M14、M15和M16构成的对称结构。基带输入信号分别从M11的栅极和M12的栅极输入，M11的源极和M12的源极耦合并连接到恒流源Iss的一端，恒流源Iss另一端接地；M13的源极和M14的源极耦合，其耦合端接M11的漏极；M15的源极和M16的源极耦合，其耦合端接M12的漏极；M14的栅极和M15的栅极耦合，接差分本振信号的第一端；M13的栅极和M16的栅极耦合，接差分本振信号的第二端；M14的漏极和M16的漏极耦合，其耦合端作为该吉尔伯特混频单元的第一输出端；M13的漏极和M15的漏极耦合，其耦合端作为该吉尔伯特混频单元的第二输出端。

所述混频器还包括电阻R11和电阻R12；三个吉尔伯特混频单元的第一输出端短接，并通过电阻R11接电源VDD；三个吉尔伯特混频单元的第二输出端短接，并通过电阻R12接电源VDD。

其中，晶体管M11和M12构成各混频单元的差分管。如图1所示，第一吉尔伯特混频单元的差分管的宽长比为W/L；第二吉尔伯特混频单元的差分管的宽长比为第三吉尔伯特混频单元的差分管的宽长比为W/L。

如图1所示，分别为三个吉尔伯特混频单元输入第一差分本振信号f₁(t)、第二差分本振信号f₂(t)、第三差分本振信号f₃(t)，其表达式分别为：

$f_1\left(t\right)=\frac{\sqrt{2}}{\mathrm{\π}}[(\cos \left(\mathrm{wt}\right)-\sin \left(\mathrm{wt}\right))+\frac{1}{3}(\cos \left(3\mathrm{wt}\right)+\sin \left(3\mathrm{wt}\right))-\frac{1}{5}(\cos \left(5\mathrm{wt}\right)-\sin \left(5\mathrm{wt}\right))\·\·\·]$

$f_2\left(t\right)=\frac{2}{\mathrm{\π}}[\cos \left(\mathrm{wt}\right)-\frac{1}{3}\cos \left(3\mathrm{wt}\right)+\frac{1}{5}\cos \left(5\mathrm{wt}\right)\·\·\·]$

$f_3\left(t\right)=\frac{\sqrt{2}}{\mathrm{\π}}[(\cos \left(\mathrm{wt}\right)+\sin \left(\mathrm{wt}\right))+\frac{1}{3}(\cos \left(3\mathrm{wt}\right)-\sin \left(3\mathrm{wt}\right))-\frac{1}{5}(\cos \left(5\mathrm{wt}\right)+\sin \left(5\mathrm{wt}\right))\·\·\·]$

(1)

通过式(1)可知，每个吉尔伯特混频单元均具有3次谐波和5次谐波，则对于整个混频器而言，可以通过将与f₁(t)和f₃(t)相加的方式，抑制消除3次和5次谐波。

由此可见，现有技术的谐波抑制混频器，能够实现对3次和5次谐波的抑制作用。但是，现有方案的缺点是，该电路很容易受到工艺偏差、及场氧化管的增益和相位的失配等因素的影响，导致其对3次和5次谐波的抑制能力降低。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种谐波抑制混频器和GSM射频芯片，能够更加有效的实现对3次和5次谐波的抑制，降低对中频滤波器滤波性能的要求。

本发明提供一种谐波抑制混频器，所述混频器包括四个结构相同的混频单元，分别为第一混频单元、第二混频单元、第三混频单元、第四混频单元；

所述混频单元包括：第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管、运算放大器、以及第一电阻和第二电阻；

其中，所述第一晶体管的栅极和第二晶体管的栅极耦合并接运算放大器的输出端；所述第一晶体管的源极经第一电阻接地，所述第二晶体管的源极经第二电阻接地；

所述运算放大器的同相输入端作为所述混频单元的基带信号输入端，反相输入端接第二晶体管的源极；

所述第三晶体管的源极和第四晶体管的源极耦合并接所述第一晶体管的漏极；所述第五晶体管的源极和第六晶体管的源极耦合并接所述第二晶体管的漏极；

所述第三晶体管的栅极和第四晶体管的栅极作为所述混频单元的第一差分本振信号输入端，所述第五晶体管的栅极和第六晶体管的栅极作为所述混频单元的第二差分本振信号出入端；

所述第三晶体管的漏极和第四晶体管的漏极耦合，作为所述混频单元的第一输出端；所述第五晶体管的漏极和第六晶体管的漏极耦合，作为所述混频单元的第二输出端；

所述混频器还包括：第三电阻和第四电阻；

所述第一混频单元的第一输出端、第二混频单元的第二输出端、第三混频单元的第一输出端、第四混频单元的第二输出端短接后通过所述第三电阻接电源；第一混频单元的第二输出端、第二混频单元的第一输出端、第三混频单元的第二输出端、第四混频单元的第一输出端短接后通过所述第四电阻接电源。

优选地，所述第一混频单元的基带信号输入端和第三混频单元的基带信号输入端接基带输入正信号；所述第二混频单元的基带信号输入端和第四混频单元的基带信号输入端接基带输入负信号。

优选地，每个所述混频单元的第一晶体管的宽长比和第二晶体管的宽长比的比值为

优选地，每个所述混频单元的第一电阻和第二电阻的阻值比为

优选地，所述第一混频单元的第一差分本振信号输入端和所述第二混频单元的第二差分本振信号输入端接第一本振信号；

所述第一混频单元的第二差分本振信号输入端和第二混频单元的第一差分本振信号输入端接第二本振信号；

所述第三混频单元的第一差分本振信号输入端和第四混频单元的第二差分本振信号输入端接第三本振信号；

所述第三混频单元的第二差分本振信号输入端和第四混频单元的第一差分本振信号输入端接第四本振信号。

优选地，所述第一本振信号、第二本振信号、第三本振信号、第四本振信号分别为：

$\mathrm{flo}1\left(t\right)=\frac{\sqrt{2}}{\mathrm{\π}}[(\cos \left(\mathrm{wt}\right)-\sin \left(\mathrm{wt}\right))+\frac{1}{3}(\cos \left(3\mathrm{wt}\right)+\sin \left(3\mathrm{wt}\right))-\frac{1}{5}(\cos \left(5\mathrm{wt}\right)-\sin \left(5\mathrm{wt}\right))\·\·\·]$

$\mathrm{flo}2\left(t\right)=\frac{2}{\mathrm{\π}}[\cos \left(\mathrm{wt}\right)-\frac{1}{3}\cos \left(3\mathrm{wt}\right)+\frac{1}{5}\cos \left(5\mathrm{wt}\right)\·\·\·]$

$\mathrm{flo}3\left(t\right)=\frac{\sqrt{2}}{\mathrm{\π}}[(\cos \left(\mathrm{wt}\right)+\sin \left(\mathrm{wt}\right))+\frac{1}{3}(\cos \left(3\mathrm{wt}\right)-\sin \left(3\mathrm{wt}\right))-\frac{1}{5}(\cos \left(5\mathrm{wt}\right)+\sin \left(5\mathrm{wt}\right))\·\·\·]$

$\mathrm{flo}4\left(t\right)=\mathrm{flo}2\left(t\right)=\frac{2}{\mathrm{\π}}[\cos \left(\mathrm{wt}\right)-\frac{1}{3}\cos \left(3\mathrm{wt}\right)+\frac{1}{5}\cos \left(5\mathrm{wt}\right)\·\·\·]$

其中，flo1(t)为第一本振信号；flo2(t)为第二本振信号；flo3(t)为第三本振信号；flo4(t)为第四本振信号。

优选地，所述第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管均为绝缘型场效应管MOS管。

本发明还提供一种GSM射频芯片，其特征在于，所述GSM射频芯片包括所述的谐波抑制混频器

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明实施例所述谐波抑制混频器能够有效地对3次谐波和5次谐波进行抑制，减小对中频滤波器滤波性能的要求；同时，本发明实施例中，每个混频单元均采用运算放大器作为基带信号的输入，使得所述第二电阻R2与运算放大器OP的反相输入端相连的一端的电压更加恒定，其电流也更加恒定，从而使得因场氧化管的工艺偏差对谐波抑制造成的影响得到抑制，实现对场氧化管的工艺偏差造成影响的反馈补偿作用。

附图说明

图1为现有常用的谐波抑制混频器的电路图；

图2为本发明实施例所述的谐波抑制混频器的电路图；

图3为本发明实施例所述的四个本振信号的波形图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种谐波抑制混频器和GSM(GlobalSystem for Mobile Communications，全球移动通信系统)射频芯片，能够更加有效的实现对3次和5次谐波的抑制，降低对中频滤波器滤波性能的要求。

参照图2，为本发明实施例所述的谐波抑制混频器的电路图。如图2所示，所述混频器包括四个混频单元，分别如图2中第一混频单元U1、第二混频单元U2、第三混频单元U3、第四混频单元U4所示，且四个混频单元结构相同。下面以其中一个混频单元的电路结构为例进行说明。

所述混频单元包括：第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5、第六晶体管M6、运算放大器OP、以及第一电阻R1和第二电阻R2。

其中，所述第一晶体管M1的栅极和第二晶体管M2的栅极耦合，并一同接运算放大器OP的输出端；所述第一晶体管M1的源极经第一电阻R1接地，所述第二晶体管M2的源极经第二电阻R2接地。

所述运算放大器OP的同相输入端作为所述混频单元的基带信号输入端，其反相输入端接第二晶体管M2的源极。

所述第三晶体管M3的源极和第四晶体管M4的源极耦合，并一同接所述第一晶体管M1的漏极；所述第五晶体管M5的源极和第六晶体管M6的源极耦合，并一同接所述第二晶体管M2的漏极。

所述第三晶体管M3的栅极和第四晶体管M4的栅极作为所述混频单元的第一差分本振信号输入端，所述第五晶体管M5的栅极和第六晶体管M6的栅极作为所述混频单元的第二差分本振信号出入端。

所述第三晶体管M3的漏极和第四晶体管M4的漏极耦合，作为所述混频单元的第一输出端；所述第五晶体管M5的漏极和第六晶体管M6的漏极耦合，作为所述混频单元的第二输出端。

对于整个谐波抑制混频器，还包括：第三电阻R3和第四电阻R4。第一混频单元U1的第一输出端、第二混频单元U2的第二输出端、第三混频单元U3的第一输出端、第四混频单元U4的第二输出端短接后通过所述第三电阻R3接电源VDD；第一混频单元U1的第二输出端、第二混频单元U2的第一输出端、第三混频单元U3的第二输出端、第四混频单元U4的第一输出端短接后通过所述第四电阻R4接电源VDD。

需要说明的是，本发明实施例中，所述第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5、第六晶体管M6均可以为绝缘型场效应管MOS(Metal-Oxide-Semiconductor，金属-氧化物-半导体)管。

本发明实施例所述谐波抑制混频器能够有效地对3次谐波和5次谐波进行抑制，减小对中频滤波器滤波性能的要求；同时，本发明实施例中，每个混频单元均采用运算放大器作为基带信号的输入，使得所述第二电阻R2与运算放大器OP的反相输入端相连的一端的电压更加恒定，其电流也更加恒定，从而使得因场氧化管的工艺偏差对谐波抑制造成的影响得到抑制，实现对场氧化管的工艺偏差造成影响的反馈补偿作用。

其中，第一混频单元U1的基带信号输入端和第三混频单元U3的基带信号输入端均接基带输入正信号Ip，第二混频单元U2的基带信号输入端和第四混频单元U4的基带信号输入端均接基带输入负信号In。

所述第一混频单元U1的第一差分本振信号输入端接第一本振信号flo1，第二差分本振信号输入端接第二本振信号flo2。

所述第二混频单元U2的第一差分本振信号输入端接第二本振信号flo2，第二差分本振信号输入端接第一本振信号flo1。

所述第三混频单元U3的第一差分本振信号输入端接第三本振信号flo3，第二差分本振信号输入端接第四本振信号ffo4。

所述第四混频单元U4的第一差分本振信号输入端接第四本振信号flo4，第二差分本振信号输入端接第三本振信号flo3。

需要说明的是，本发明实施例中，对于每个混频单元而言，其第一晶体管M1的宽长比和第二晶体管M2的宽长比的比值为

具体的，可以设定，所述第一晶体管M1的宽为W1，长为L1；所述第二晶体管M2的宽为W2，长为L2。

则有：

所述第一本振信号flo1、第二本振信号flo2、第三本振信号flo3、第四本振信号flo4的表达式分别为：

$\mathrm{flo}1\left(t\right)=\frac{\sqrt{2}}{\mathrm{\π}}[(\cos \left(\mathrm{wt}\right)-\sin \left(\mathrm{wt}\right))+\frac{1}{3}(\cos \left(3\mathrm{wt}\right)+\sin \left(3\mathrm{wt}\right))-\frac{1}{5}(\cos \left(5\mathrm{wt}\right)-\sin \left(5\mathrm{wt}\right))\·\·\·]$

$\mathrm{flo}2\left(t\right)=\frac{2}{\mathrm{\π}}[\cos \left(\mathrm{wt}\right)-\frac{1}{3}\cos \left(3\mathrm{wt}\right)+\frac{1}{5}\cos \left(5\mathrm{wt}\right)\·\·\·]$

$\mathrm{flo}3\left(t\right)=\frac{\sqrt{2}}{\mathrm{\π}}[(\cos \left(\mathrm{wt}\right)+\sin \left(\mathrm{wt}\right))+\frac{1}{3}(\cos \left(3\mathrm{wt}\right)-\sin \left(3\mathrm{wt}\right))-\frac{1}{5}(\cos \left(5\mathrm{wt}\right)+\sin \left(5\mathrm{wt}\right))\·\·\·]$

$\mathrm{flo}4\left(t\right)=\mathrm{flo}2\left(t\right)=\frac{2}{\mathrm{\π}}[\cos \left(\mathrm{wt}\right)-\frac{1}{3}\cos \left(3\mathrm{wt}\right)+\frac{1}{5}\cos \left(5\mathrm{wt}\right)\·\·\·]$

(2)

其中，四个本振信号的波形图可以如图3所示。

本发明实施例中，对于每个混频单元而言，由于其第一晶体管M1的宽长比和第二晶体管M2的宽长比的比值为

因此可以选择第一电阻R1和第二电阻R2的阻值比为因此，有

其中，同时，I1为第一晶体管M1的源极电流，I2为第二晶体管M2的源极电流。

由此可见，本发明实施例所述谐波抑制混频器中，对于每个谐波单元而言，其第一晶体管M1的源极电流和第二晶体管M2的源极电流可以成精确的倍数关系。

此时，结合式(2)，将

与flo2(t)相加后可以得到：

$\mathrm{flo}5\left(t\right)=\frac{2}{\mathrm{\π}}[2\cos \left(\mathrm{wt}\right)-\sin \left(\mathrm{wt}\right)+\frac{1}{3}\sin \left(3\mathrm{wt}\right)+\frac{1}{5}\sin \left(5\mathrm{wt}\right)\·\·\·]$

(3)

同理，将

与flo4(t)相加后可以得到：

$\mathrm{flo}6\left(t\right)=\frac{2}{\mathrm{\π}}[2\cos \left(\mathrm{wt}\right)+\sin \left(\mathrm{wt}\right)-\frac{1}{3}\sin \left(3\mathrm{wt}\right)-\frac{1}{5}\sin \left(5\mathrm{wt}\right)\·\·\·]$

(4)

再将式(3)和式(4)相加得到：

$\mathrm{flo}5\left(t\right)+\mathrm{flo}6\left(t\right)=\frac{8}{\mathrm{\π}}\cos \left(\mathrm{wt}\right)---\left(5\right)$

由此可见，本发明实施例所述谐波抑制混频器能够有效地对3次谐波和5次谐波进行抑制，减小对中频滤波器滤波性能的要求；同时，本发明实施例中，每个混频单元均采用运算放大器作为系带信号的输入，由此能够对场氧化管的工艺偏差对谐波抑制造成的影响起到反馈补偿的作用。

对应于本发明实施例提供的谐波抑制混频器，本发明实施例还提供一种GSM射频芯片，所述GSM射频芯片包括本发明前述任一实施例所述的谐波抑制混频器。

以上对本发明所提供的一种谐波抑制混频器和GSM射频芯片，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种谐波抑制混频器，其特征在于，所述混频器包括四个结构相同的混频单元，分别为第一混频单元、第二混频单元、第三混频单元、第四混频单元；

所述混频单元包括：第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管、运算放大器、以及第一电阻和第二电阻；

其中，所述第一晶体管的栅极和第二晶体管的栅极耦合并接运算放大器的输出端；所述第一晶体管的源极经第一电阻接地，所述第二晶体管的源极经第二电阻接地；

所述运算放大器的同相输入端作为所述混频单元的基带信号输入端，反相输入端接第二晶体管的源极；

所述第三晶体管的源极和第四晶体管的源极耦合并接所述第一晶体管的漏极；所述第五晶体管的源极和第六晶体管的源极耦合并接所述第二晶体管的漏极；

所述第三晶体管的栅极和第四晶体管的栅极作为所述混频单元的第一差分本振信号输入端，所述第五晶体管的栅极和第六晶体管的栅极作为所述混频单元的第二差分本振信号输入端；

所述第三晶体管的漏极和第四晶体管的漏极耦合，作为所述混频单元的第一输出端；所述第五晶体管的漏极和第六晶体管的漏极耦合，作为所述混频单元的第二输出端；

所述混频器还包括：第三电阻和第四电阻；

所述第一混频单元的第一输出端、第二混频单元的第二输出端、第三混频单元的第一输出端、第四混频单元的第二输出端短接后通过所述第三电阻接电源；第一混频单元的第二输出端、第二混频单元的第一输出端、第三混频单元的第二输出端、第四混频单元的第一输出端短接后通过所述第四电阻接电源。

2.根据权利要求1所述的谐波抑制混频器，其特征在于，所述第一混频单元的基带信号输入端和第三混频单元的基带信号输入端接基带输入正信号；所述第二混频单元的基带信号输入端和第四混频单元的基带信号输入端接基带输入负信号。

3.根据权利要求2所述的谐波抑制混频器，其特征在于，每个所述混频单元的第一晶体管的宽长比和第二晶体管的宽长比的比值为

4.根据权利要求3所述的谐波抑制混频器，其特征在于，每个所述混频单元的第一电阻和第二电阻的阻值比为

5.根据权利要求4所述的谐波抑制混频器，其特征在于，所述第一混频单元的第一差分本振信号输入端和所述第二混频单元的第二差分本振信号输入端接第一本振信号；

所述第一混频单元的第二差分本振信号输入端和第二混频单元的第一差分本振信号输入端接第二本振信号；

所述第三混频单元的第一差分本振信号输入端和第四混频单元的第二差分本振信号输入端接第三本振信号；

所述第三混频单元的第二差分本振信号输入端和第四混频单元的第一差分本振信号输入端接第四本振信号。

6.根据权利要求5所述的谐波抑制混频器，其特征在于，所述第一本振信号、第二本振信号、第三本振信号、第四本振信号分别为：

$\mathrm{flo}1\left(t\right)=\frac{\sqrt{2}}{\mathrm{\π}}[(\cos \left(\mathrm{wt}\right)-\sin \left(\mathrm{wt}\right))+\frac{1}{3}(\cos \left(3\mathrm{wt}\right)+\sin \left(3\mathrm{wt}\right))-\frac{1}{5}(\cos \left(5\mathrm{wt}\right)-\sin \left(5\mathrm{wt}\right))\·\·\·]$

$\mathrm{flo}2\left(t\right)=\frac{2}{\mathrm{\π}}[\cos \left(\mathrm{wt}\right)-\frac{1}{3}\cos \left(3\mathrm{wt}\right)+\frac{1}{5}\cos \left(5\mathrm{wt}\right)\·\·\·]$

$\mathrm{flo}3\left(t\right)=\frac{\sqrt{2}}{\mathrm{\π}}[(\cos \left(\mathrm{wt}\right)+\sin \left(\mathrm{wt}\right))+\frac{1}{3}(\cos \left(3\mathrm{wt}\right)-\sin \left(3\mathrm{wt}\right))-\frac{1}{5}(\cos \left(5\mathrm{wt}\right)+\sin \left(5\mathrm{wt}\right))\·\·\·]$

$\mathrm{flo}4\left(t\right)=\mathrm{flo}2\left(t\right)=\frac{2}{\mathrm{\π}}[\cos \left(\mathrm{wt}\right)-\frac{1}{3}\cos \left(3\mathrm{wt}\right)+\frac{1}{5}\cos \left(5\mathrm{wt}\right)\·\·\·]$

其中，flo1（t）为第一本振信号；flo2（t）为第二本振信号；flo3（t）为第三本振信号；flo4（t）为第四本振信号。

7.根据权利要求1至6任一项所述的谐波抑制混频器，其特征在于，所述第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管均为绝缘型场效应管MOS管。

8.一种GSM射频芯片，其特征在于，所述GSM射频芯片包括如权利要求1至7任一项所述的谐波抑制混频器。

Images