CN102638227A - 带有片上有源平衡-不平衡变换器的超宽带混频器电路 - Google Patents

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杨洪文
阎跃鹏
张立军
张韧
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本发明属于射频无线接收机集成电路技术领域，公开了一种带有片上有源平衡-不平衡变换器的超宽带混频器电路，该电路包括片上有源balun构成的本振LO开关级、RF跨导放大级和中频IF负载级，其中RF放大级将RF电压信号经过跨导放大转换成电流信号，单端LO大信号通过片上有源balun输出两路轮流导通的周期性时变电流，使RF电流信号以LO频率在输出差分负载上交替输出实现RF频率与LO频率的相乘混频操作，混频后得到的IF信号输出在负载上。该混频器电路在超宽频带内具有直流功耗小、转换增益高、线性度高、能够抑制本振LO开关噪声、噪声系数小且无需额外LO单端转差分电路的特点。

Description

带有片上有源平衡-不平衡变换器的超宽带混频器电路
技术领域
本发明属于射频无线接收机集成电路技术领域，具体涉及一种带有片上有源平衡-不平衡变换器(balun)的超宽带混频器电路。
背景技术
随着移动通信和半导体技术的迅猛发展，对于可同时覆盖多种通信标准的多频段多模式的无线电的需求与日俱增，出现了各种通信标准，如数字电视广播(DVB)、手机无线网络、GPS全球定位系统和卫星通信网络等。为了将这些通信标准功能集成，就对无线电系统提出了多频段多模式兼容的要求。开发频率覆盖从百兆赫兹低频到6GHz(软件无线电SDR)甚至10GHz(超宽带通信UWB)的能满足多种通信标准要求的集成宽带无线电接收机已成为工业界和学术界的研发热点。
作为宽带接收机前端电路中的核心模块之一，下混频器将前端LNA放大后的信号从射频段搬移到中频段，频率较低的中频信号便于基带电路进行基带信号处理。按照混频器是否提供功率增益，混频器的结构可分为有源混频器和无源混频器。无源混频器不提供转换增益，但线性度高；有源混频器提供一定的转换增益，可减小后级模块对噪声系数的贡献。
在有源混频器中，双平衡混频器的输入信号和本振信号都采用差分形式。无线收发机模块中较常用的传统双平衡混频器结构是Gilbert混频器。但Gilbert混频器具有以下的缺点：1)需要功耗较大的LO驱动电路以提供高摆幅对开关对管进行充分的开关操作；2)要保证开关对管在处于导通时工作在饱和区则需要高的电压裕度，将限制IF负载电阻即限制了转换增益；3)LO开关管的1/f噪声将恶化混频器噪声系数。
在文献《E.A.M.Klumperink，S.M.Louwsma，G.J.M.Wienk and B.Nauta，A CMOS switched transconductor mixer，JSSC，VOL.39，NO.8，August2004》中，提出了一种利用NMOS和PMOS管构成的反相器对RF跨导管放大的电流进行开关切换控制，从而能在低电压下实现混频功能的混频器。该结构的LO开关管位于RF平衡对管的共源节点处，使得开关管的噪声作为共模噪声出现在IF负载上而被抵消抑制。但这种结构混频器也具有以下的缺点：1)NMOS和PMOS管构成的反相器结构不适用于高频的LO应用，其引入的寄生电容将在高频严重衰减LO信号，这就需要较大的LO功率驱动开关来保证混频器的良好性能。2)需要额外产生一对差分的LO信号，幅度和相位的不一致性将恶化混频器性能，而在超宽带下产生较理想的差分信号是困难的。若系统只提供一路单端LO信号，则需要额外的单端转差分电路，加大了电路的复杂性。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种应用于射频接收机芯片的带有片上有源balun的超宽带混频器电路，以解决解决传统Gilbert混频器需要功耗较大的LO驱动电路，转换增益受限，LO开关管1/f噪声恶化的缺点和反相器开关跨导混频器结构的大LO功率驱动，需额外差分的LO信号的问题。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种带有片上有源平衡-不平衡变换器的超宽带混频器电路，该电路包括LO开关级、RF跨导放大级和IF负载级，其中：
LO开关级为三端口片上有源平衡-不平衡变换器结构，三端口分别连接第一节点1、第二节点2和第三节点3，LO信号与第一节点1相连，两路输出信号分别连接第二节点2和第三节点3；
RF跨导放大级由第三晶体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5和第六晶体管M6构成，偏置电路作用在RF跨导放大级中的第三晶体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5和第六晶体管M6的栅极，提供偏压保证第三晶体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5和第六晶体管M6直流工作在饱和状态；经跨导放大后的RF电流信号以LO频率在输出差分负载上交替输出实现RF频率与LO频率的相乘混频操作，混频后得到的IF信号输出在IF负载级上；
IF负载级由两路阻抗网络ZL构成，一路阻抗网络ZL两端接第四节点4和第六节点6，另一路阻抗网络ZL两端接第五节点5和第六节点6；第六节点6接电源电压Vcc；
其中，信号LO表示本地振荡信号；信号RF+和RF-表示输入射频差分信号；信号IF+和IF-表示输出中频差分信号。
上述方案中，所述LO开关级由第一晶体管M1和第二晶体管M2构成，第一晶体管M1的栅极和第二晶体管M2的栅极相连接，第一晶体管M1和第二晶体管M2的共源端接地，第一晶体管M1的栅极与第一晶体管M1的漏极连接于第一节点1，LO信号与第一节点1相连接，第三节点3和第二晶体管M2的漏极相连接，第一节点1和第二节点2相连接。
上述方案中，所述第一晶体管M1、第二晶体管与所述RF跨导放大级电流复用，采用自偏置结构，无需额外偏置电路；单端LO大信号从第一节点1输入，当LO高电压时，第一晶体管M1所在支路上的RF跨导放大级中的第三晶体管M3、第四晶体管M4关断，导致第一晶体管M1所在支路电流关断，而第二晶体管M2所在支路电流导通，第二晶体管M2导通电阻很小，第二晶体管M2漏极电压很小，第二晶体管M2所在支路上的RF跨导放大级中的第五晶体管M5、第六晶体管M6导通；当LO低电压时，第一晶体管M1漏极电压很小，第一晶体管M1所在支路上的RF跨导放大级中的第三晶体管M3、第四晶体管M4电流导通，而第二晶体管M2关断，导致第二晶体管M2所在支路上的RF跨导放大级中的第五晶体管M5、第六晶体管M6电流关断；在第二节点2和第三节点3输出两路轮流导通的频率为LO的周期性时变电流。
上述方案中，所述第三晶体管M3和所述第六晶体管M6的栅极连接射频信号的正极RF+，第四晶体管M4和第五晶体管M5的栅极连接射频信号的负极RF-，第三晶体管M3和第四晶体管M4的共源端连接第二节点2，第五晶体管M5和第六晶体管M6的共源端连接第三节点3，第三晶体管M3和第五晶体管M5的漏极连接第四节点4作为输出信号IF+，第四晶体管M4和第六晶体管M6的漏极连接第五节点5作为输出信号IF-。
上述方案中，所述IF负载级阻抗网络ZL由电阻、电感、电容或晶体管实现，或者由电阻、电感、电容和/或晶体管的组合实现。
上述方案中，所述第一晶体管M1至第六晶体管M6为场效应管，或者NPN三级管。所述第一晶体管M1至第六晶体管M6为NPN三级管时，所述的栅极、源极和漏极分别改为基极、发射极和集电极。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的带有片上有源balun的超宽带混频器电路，在超宽频带内具有直流功耗小、转换增益高、线性度高、能够抑制本振LO开关噪声、噪声系数小且无需额外LO单端转差分电路的特点。
2、本发明提供的带有片上有源balun的超宽带混频器电路，由于将LO开关级置于RF平衡对管的共源节点处，使得开关管的噪声作为共模噪声出现在IF负载上而被抵消抑制，消除了传统Gilbert混频器LO开关管1/f噪声恶化的缺陷。
3、本发明提供的带有片上有源balun的超宽带混频器电路，由于采用了片上有源balun和平衡对管的一体化设计，为本振LO提供了片上单端转差分的功能，免去了额外LO单端转差分电路的开销，且LO开关级和RF跨导放大级电流复用，无需额外偏置电路，减小了设计复杂度，降低了功耗，在宽带下保证差分LO的幅度和相位的一致性，提高了混频器整体性能。
附图说明
图1是依照本发明实施例的带有片上有源balun的超宽带混频器的电路图；
图2是示例转换增益随RF射频信号频率变化仿真结果图；
图3是示例输入三阶交调点随RF射频信号频率变化仿真结果图；
图4是示例双边带噪声系数随RF射频信号频率变化仿真结果图；
图5是示例LO-RF端口隔离度随RF射频信号频率变化仿真结果图；
图6是示例LO-IF端口隔离度随RF射频信号频率变化仿真结果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本发明实施例提供的带有片上有源balun的超宽带混频器电路包括三级：LO开关级、RF跨导放大级和IF负载级，其中RF跨导放大级将RF电压信号经过跨导放大转换成电流信号，单端LO大信号通过片上有源balun输出两路轮流导通的周期性时变电流，使RF电流信号以LO频率在输出差分负载上交替输出实现RF频率与LO频率的相乘混频操作，混频后得到的IF信号输出在负载上。
LO开关级为三端口片上有源balun结构，三端口分别连接第一节点1、第二节点2和第三节点3，LO信号与第一节点1相连，两路输出信号分别连接第二节点2和第三节点3；LO开关级由第一晶体管M1和第二晶体管M2构成，第一晶体管M1的栅极和第二晶体管M2的栅极相连，第一晶体管M1和第二晶体管M2的共源端接地，第一晶体管M1的栅极与第一晶体管M1的漏极相连于第一节点1，LO信号与第一节点1相连，第三节点3和第二晶体管M2的漏极相连，第一节点1和第二节点2相连。第一晶体管M1、第二晶体管与RF跨导放大级电流复用，采用自偏置结构，无需额外偏置电路。单端LO大信号从第一节点1输入，当LO高电压时第一晶体管M1所在支路上的RF跨导放大级中的第三晶体管M3、第四晶体管M4关断导致第一晶体管M1所在支路电流关断，而第二晶体管M2所在支路电流导通，第二晶体管M2导通电阻很小，第二晶体管M2漏极电压很小，第二晶体管M2所在支路上的RF跨导放大级中的第五晶体管M5、第六晶体管M6导通；当LO低电压时第一晶体管M1漏极电压很小，第一晶体管M1所在支路上的RF跨导放大级中的第三晶体管M3、第四晶体管M4电流导通，而第二晶体管M2关断，导致第二晶体管M2所在支路上的RF跨导放大级中的第五晶体管M5、第六晶体管M6电流关断。在第二节点2和第三节点3输出两路轮流导通的频率为LO的周期性时变电流。
RF跨导放大级由第三晶体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5和第六晶体管M6构成，第三晶体管M3和第六晶体管M6的栅极连接射频信号的正极RF+，第四晶体管M4和第五晶体管M5的栅极连接射频信号的负极RF-，第三晶体管M3和第四晶体管M4的共源端连接第二节点2，第五晶体管M5和第六晶体管M6的共源端连接第三节点3，第三晶体管M3和第五晶体管M5的漏极连接第四节点4作为输出信号IF+，第四晶体管M4和第六晶体管M6的漏极连接第五节点5作为输出信号IF-。偏置电路作用在RF跨导放大级中的第三晶体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5和第六晶体管M6的栅极，提供偏压保证第三晶体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5和第六晶体管M6直流工作在饱和状态。经跨导放大后的RF电流信号以LO频率在输出差分负载上交替输出实现RF频率与LO频率的相乘混频操作，混频后得到的IF信号输出在IF负载级上。
IF负载级由两路阻抗网络ZL构成，一路阻抗网络ZL两端接第四节点4和第六节点6，另一路阻抗网络ZL两端接第五节点5和第六节点6；第六节点6接电源电压Vcc；IF负载级阻抗网络ZL由电阻或电感或电容或晶体管或它们的组合实现，可用于宽带上/下变频、窄带上/下变频以及特别中频频响要求的电路。
下面结合一具体实例对本发明实施例提供的带有片上有源balun的超宽带混频器电路进行说明。相关的电路元件参数如下：
场效应管采用pHEMT工艺，沟道长度为0.5μm：
晶体管M1、M2、M3、M4、M5和M6的尺寸均为宽度W＝25μm×2。RF跨导放大级晶体管M3、M4、M5和M6的栅端偏置电压为0.73V，使M3、M4、M5和M6直流工作在饱和状态。为了抑制混频器在输出的高频泄露信号，阻抗网络ZL采用了电阻电容并联网络，该电阻为约670欧姆，该电容为约0.7pF。
电路工作电压Vcc为2.5V，电流消耗1.5mA，总功耗小于4mW。
仿真工具为ADS，仿真结果如图2至图6所示，LO功率为1dBm，输出中频IF频率为250MHz，电路工作频段1-15GHz。由仿真结果，本发明实施例提供的带有片上有源balun的超宽带混频器电路在1-15GHz的超宽带工作频带内，转换增益大于10dB，IIP3大于6dBm，双边带噪声系数小于8dB，LO-RF端口隔离度大于130dB，LO-IF端口隔离度大于100dB。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种带有片上有源平衡-不平衡变换器的超宽带混频器电路，其特征在于，该电路包括LO开关级、RF跨导放大级和IF负载级，其中：
LO开关级为三端口片上有源平衡-不平衡变换器结构，三端口分别连接第一节点(1)、第二节点(2)和第三节点(3)，LO信号与第一节点(1)相连，两路输出信号分别连接第二节点(2)和第三节点(3)；
RF跨导放大级由第三晶体管(M3)、第四晶体管(M4)、第五晶体管(M5)和第六晶体管(M6)构成，偏置电路作用在RF跨导放大级中的第三晶体管(M3)、第四晶体管(M4)、第五晶体管(M5)和第六晶体管(M6)的栅极，提供偏压保证第三晶体管(M3)、第四晶体管(M4)、第五晶体管(M5)和第六晶体管(M6)直流工作在饱和状态；经跨导放大后的RF电流信号以LO频率在输出差分负载上交替输出实现RF频率与LO频率的相乘混频操作，混频后得到的IF信号输出在IF负载级上；
IF负载级由两路阻抗网络ZL构成，一路阻抗网络ZL两端接第四节点(4)和第六节点(6)，另一路阻抗网络ZL两端接第五节点(5)和第六节点(6)；第六节点(6)接电源电压Vcc；
其中，信号LO表示本地振荡信号；信号RF+和RF-表示输入射频差分信号；信号IF+和IF-表示输出中频差分信号。
2.根据权利要求1所述的带有片上有源平衡-不平衡变换器的超宽带混频器电路，其特征在于，所述LO开关级由第一晶体管(M1)和第二晶体管(M2)构成，第一晶体管(M1)的栅极和第二晶体管(M2)的栅极相连接，第一晶体管(M1)和第二晶体管(M2)的共源端接地，第一晶体管(M1)的栅极与第一晶体管(M1)的漏极连接于第一节点(1)，LO信号与第一节点(1)相连接，第三节点(3)和第二晶体管(M2)的漏极相连接，第一节点(1)和第二节点(2)相连接。
3.根据权利要求2所述的带有片上有源平衡-不平衡变换器的超宽带混频器电路，其特征在于，所述第一晶体管(M1)、第二晶体管(M2)与所述RF跨导放大级电流复用，采用自偏置结构，无需额外偏置电路；
单端LO大信号从第一节点(1)输入，当LO高电压时，第一晶体管(M1)所在支路上的RF跨导放大级中的第三晶体管(M3)、第四晶体管(M4)关断，导致第一晶体管(M1)所在支路电流关断，而第二晶体管(M2)所在支路电流导通，第二晶体管(M2)导通电阻很小，第二晶体管(M2)漏极电压很小，第二晶体管(M2)所在支路上的RF跨导放大级中的第五晶体管(M5)、第六晶体管(M6)导通；当LO低电压时，第一晶体管(M1)漏极电压很小，第一晶体管(M1)所在支路上的RF跨导放大级中的第三晶体管(M3)、第四晶体管(M4)电流导通，而第二晶体管(M2)关断，导致第二晶体管(M2)所在支路上的RF跨导放大级中的第五晶体管(M5)、第六晶体管(M6)电流关断；在第二节点(2)和第三节点(3)输出两路轮流导通的频率为LO的周期性时变电流。
4.根据权利要求1所述的带有片上有源平衡-不平衡变换器的超宽带混频器电路，其特征在于，所述第三晶体管(M3)和所述第六晶体管(M6)的栅极连接射频信号的正极RF+，第四晶体管(M4)和第五晶体管(M5)的栅极连接射频信号的负极RF-，第三晶体管(M3)和第四晶体管(M4)的共源端连接第二节点(2)，第五晶体管(M5)和第六晶体管(M6)的共源端连接第三节点(3)，第三晶体管(M3)和第五晶体管(M5)的漏极连接第四节点(4)作为输出信号IF+，第四晶体管(M4)和第六晶体管(M6)的漏极连接第五节点(5)作为输出信号IF-。
5.根据权利要求1所述的带有片上有源平衡-不平衡变换器的超宽带混频器电路，其特征在于，所述IF负载级阻抗网络ZL由电阻、电感、电容或晶体管实现，或者由电阻、电感、电容和/或晶体管的组合实现。
6.根据权利要求1所述的带有片上有源平衡-不平衡变换器的超宽带混频器电路，其特征在于，所述第一晶体管(M1)至第六晶体管(M6)为场效应管，或者NPN三级管。
7.根据权利要求6所述的带有片上有源平衡-不平衡变换器的超宽带混频器电路，其特征在于，所述第一晶体管(M1)至第六晶体管(M6)为NPN三级管时，所述的栅极、源极和漏极分别改为基极、发射极和集电极。
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