CN103187928A - 一种能够改善低频闪烁噪声、高增益特性的方法及有源混频器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有低闪烁噪声、高增益性能的有源混频器，现有技术中描述的传统吉尔伯特有源混频器闪烁噪声大，且存在噪声与增益的折中问题，导致无法满足现代接收机对高性能混频器的要求，特别是零中频和低中频接收机，针对此缺陷，本发明主要是通过减小流过传统Gilbert有源混频器开关管的DC电流来降低混频器闪烁噪声，同时利用该电流产生输入跨导，消除了传统有源混频器性能优化中存在的闪烁噪声与增益矛盾问题，实现了一种高性能有源混频器：低闪烁噪声、高增益。

Description

一种能够改善低频闪烁噪声、高增益特性的方法及有源混频器

技术领域

本发明涉及混频领域，特别涉及一种具有低闪烁噪声(1/f噪声)、高增益性能的有源混频器。

背景技术

近年来对便携式无线通信系统，例如无线局域网(LAN)、无线多媒体和家庭无线控制系统的需求显著增长。随着CMOS工艺特征尺寸按比例缩小和电路技术的不断改进，出现了越来越多的高性能、高集成度的无线射频芯片(RFIC)，这些芯片已被广泛应用。

接收机架构主要包括超外差、零中频、低中频三种架构。现在，随着工艺进步以及集成度要求，最主流的接收机架构为零中频架构。图1表示一般的零中频接收机方框图。零中频接收机又称为直接转换接收机，即信号频率直接从RF频带到直流DC执行一次频率转换：从天线101来的信号由射频带通滤波器102(BPF)滤除带外噪声，然后由低噪声放大器103(LNA)进行放大，VCO106提供正交本地振荡信号(LO)，放大后的射频信号同时与一对正交LO信号经正交混频器104/105相混频，混频后的正交基带模拟信号分别被滤波(低通滤波器107/108)、放大(基带放大器109/110)，最后得到满足要求的I、Q两路正交的基带信号。

混频器是无线收发机中的一个重要模块，能够实现频率搬移的功能，其性能决定着整个收发机的性能。下变频混频器是射频通讯系统中接收机的重要组成部分，通过两个信号相乘实现射频信号转变为基带处理的中频信号。噪声性能是接收机最重要的一个性能，决定着其动态范围。特别注意的是在零中频和低中频接收机中，混频器输出的有用信号频率较低，因此1/f噪声对零中频接收机性能具有很重要的影响。

混频器作为接收机的第二级，根据噪声级联公式，要实现低噪声、高灵敏度接收机，特别对于零中频接收机，混频器必须实现低1/f噪声性能、高增益性能。典型的CMOS工艺的传统吉尔伯特型混频器结构如图2所示，其由射频输入管、开关管、负载电阻组成。输入射频电压信号由跨导管M1、M2转换为电流信号，再经两个开关管对(M3、M4、M5、M6)下变频到中频或基带，最后由负载电阻R将电流信号转换为电压信号。图3示出了吉尔伯特单平衡有源混频器的简化模型，由于开关管共源节点寄生电容Cp的存在，在混频器工作过程中会产生较高的低频闪烁噪声输出。开关管低频闪烁噪声产生机理有两种：一种由于本振信号的非理想型，开关管存在同时导通的时候，此时开关管产生的噪声电流为：

$\stackrel{\‾}{{i_{\mathrm{on}}}^2}=\frac{4I}{S\×T}{V}_{\mathrm{nf}}=\frac{1}{\mathrm{\π}}\frac{I}{A}{V}_{\mathrm{nf}}$

其中A为LO振幅；另一种由于本地振荡源Vlo驱动混频器的开关管M2和M3以特定的频率切换，开关管的低频闪烁噪声源Vfn随着开关管的切换对开关管的共源节点寄生电容Cp进行反复充放电，从而在共源节点形成一个噪声电流，其噪声水平与Cp成正比，中心频率为本地振荡频率。此电流噪声再由开关管下变频到负载，从而形成混频器低频闪烁噪声输出，其产生的噪声电流为：

$\stackrel{\‾}{{i_{\mathrm{on}}}^2}=\frac{2}{T}{C}_p{V}_n$

传统的吉尔伯特型混频器的降噪声手段主要有：提高输入跨导以降低跨导级热噪声；增大开关管尺寸、提高本振信号幅度减小开关管同时导通的时间、提高混频器对称性、减小开关管共源节点寄生电容、减小流过开关管直流电流等方法减小开关管闪烁噪声影响。实际设计中发现，这些提高噪声性能的方法都会影响增益、线性度等其他性能，不能有效的提高混频器性能，特别是1/f噪声性能，传统减小流过开关管偏置电流的手段存在着噪声(闪烁噪声)与增益的折中问题：降低闪烁噪声需要减小混频器偏置电流，而提高增益需要增加混频器偏置电流。

鉴于上述现有传统有源混频器降低开关管闪烁噪声存在的缺陷，本发明的目的是提出一种简单的降低吉尔伯特有源混频器开关管闪烁噪声的方法，同时还能提高增益，消除噪声与增益的矛盾，从而实现了一种高性能混频器电路。

发明内容

本发明实施例提供了一种简单的降低吉尔伯特有源混频器开关管闪烁噪声的方法，同时还能提高增益性能，能大大改善整个接收机的噪声性能。

本发明实施例提供了一种低闪烁噪声、高增益的有源混频器电路。

如上述的典型的零中频接收机系统，包括：

一天线(101)；

一射频带通滤波器(102)；

一低噪声放大器LNA(103)；

一压控振荡器VCO(106)；

两个正交混频器(104，105)；

两个低通滤波器(107，108)；

两个基带放大器(109，110)；

通过所述天线接收射频信号；

通过所述射频带通滤波器(102)对所述天线(101)接收的射频信号进行滤波；

通过所述低噪声放大器LNA(103)对所述射频带通滤波器(102)滤波后的信号进行放大；

通过压控振荡器VCO提供正交本地振荡信号LO；

通过所述两个正交混频器(104，105)对经过所述低噪声放大器放大的射频信号及一对正交本地振荡信号LO进行混频；

通过所述两个低通滤波器对经过混频后的正交基带模拟信号进行滤波；

通过所述两个基带放大器(109，110)对经过所述两个低通滤波器滤波后的信号进行放大。

另一方面，本发明实施例提供了一种高性能有源混频器，包括：

传统Gilbert有源混频器的输入跨导级、电流换向开关对、输出负载级，以及增加一个电流抽取模块；

RF输入跨导级，用于将接收的RF电压信号转化为电流信号；

电流换向开关对，用于对电流信号进行周期性换向，完成频率变换功能；

输出负载级，将相应的电流信号转换为输出IF电压信号；

通过所述电流抽取模块抽取电流换向开关对静态偏置电流；

通过所述电流抽取模块产生跨导，对输入RF电压信号进行放大，增加输入级跨导能力。

如上述的用于提高有源混频器性能的电流抽取模块，包括：

所述的电流抽取模块为一个PMOS跨导全差分对；

所述PMOS跨导差分对包括一个尾电流源(M9)，控制抽取电流大小；

所述PMOS跨导差分对包括一个开关管对(M7，M8)；

把所述PMOS跨导差分对的差分MOS管(M7，M8)漏端与所述混频器开关对共源节点相连，用于减小流过开关管(M3，M4，M5，M6)的静态电流；

把所述PMOS跨导差分对(M7，M8)的栅端与所述混频器的射频输入信号相连，用于提供输入跨导(gmp)。

如上述的高性能有源混频器，还包括，对吉尔伯特有源混频器、采用PMOS跨导的有源混频器，或者，采用折叠结构的有源混频器增加本发明的电流抽取模块构成的高性能混频器。

附图说明

图1为现有的一般的零中频接收机方框图；

图2为现有的典型的CMOS工艺的传统吉尔伯特型混频器结构；

图3为现有的吉尔伯特单平衡有源混频器的简化模型；

图4为本发明实施例提出的一种低闪烁噪声、高增益吉尔伯特有源混频器；

图5为本发明实施例提出的一较佳的低噪声、高增益有源混频器。

具体实施方式

为使发明目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

相比于背景技术中描述的传统吉尔伯特有源混频器，可以减小开关管闪烁噪声，提高增益，同时便于低电压实现。

本发明的上述目的得以实现的技术主要是通过减小流过开关管的电流来降低混频器闪烁噪声，同时利用该电流产生输入跨导，有利于提高增益，进一步改善混频器的噪声性能。

下面以具体实施例对本发明提供的一种低闪烁噪声、高增益吉尔伯特有源混频器进行详细描述。

图4为提出的低闪烁噪声、高增益吉尔伯特有源混频器的技术方案，如图4所示，在吉尔伯特有源混频器中增加一个模块，此模块与混频器开关对共源节点相连，此模块一方面用以抽取电流，另一方面产生跨导，从而通过减小流过开关管的电流来降低混频器闪烁噪声，同时利用该电流产生输入跨导，有利于提高增益，进一步改善混频器的噪声性能。

图5根据本发明设计了一个低噪声、高增益有源混频器实例。

虚线框内为一个PMOS跨导差分对，其差分MOS管漏端与混频器开关对共源节点相连，差分对输入端与混频器射频输入信号相连，这样便能实现了抽取开关管静态电流，产生输入跨导的作用：首先其减小了流过开关管的静态电流(减少DC电流I)，这样就能改善开关管的闪烁噪声；其次由于PMOS差分对提供了跨导gmp，因此同样功耗下，输入跨导由gmn变为gmn+gmp，有利于提高混频器增益以及提高噪声性能。

本发明的方案形成的混频器同等功耗下增益更高，更能提高整体噪声性能。

混频器的架构不限经典的吉尔伯特有源混频器，其他有源混频器也适用，例如PMOS跨导、折叠结构等有源混频器；

不限描述的混频器实例，也可根据本技术方案实现其他减小噪声、提高增益的混频器的电路结构；

以上对本发明实施例所提供的一种能够改善低频闪烁噪声(1/f噪声)、高增益特性的有源混频器电路，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 (9)

1.一种混频器电路，其特性在于，包括：

混频器，该混频器包括跨导输入级、电流换向开关对、输出负载级、以及电流抽取部分；

跨导输入级，用于接收RF电压信号，将RF电压信号转换为电流信号；

电流换向开关对，由本振信号LO控制的开关对对电流信号进行周期性换向，完成频率变换功能；

输出负载级，将相应的电流信号转换为输出IF电压信号；

电流抽取模块，对所述电流换向开关对的偏置DC电流进行分流，同时利用分流出来的DC电流形成额外跨导对输入RF电压信号进行放大。

2. 如权利要求1所述的混频器电路，其特征在于： 

所述电流抽取模块与跨导输入级并联连接。

3. 如权利要求1所述的混频器电路，其特征在于：

所述电流抽取模块仅减小电流换向开关对的DC偏置电流。

4. 如权利要求1所述的混频器电路，其特征在于：

所述电流抽取模块与输入RF电压信号相连，将RF电压信号转换为电流信号。

5. 如权利要求1所述的混频器电路，其特征在于：

所述电流抽取模块产生的电流信号从电流换向开关共源节点注入，增加整体跨导能力。

6.一种有源混频器电路，其特征在于，包括：

双平衡混频器，该双平衡混频器包括RF输入跨导级、电流换向开关对、输出负载级以及一个电流抽取模块；

RF输入跨导级，用于将接收的RF电压信号转化为电流信号；

电流换向开关对，用于对电流信号进行周期性换向，完成频率变换功能；

输出负载级，将相应的电流信号转换为输出IF电压信号；

以及电流抽取模块，对所述电流换向开关对的偏置DC电流进行分流，同时利用分流出来的DC电流对输入RF电压信号进行放大。

7. 如权利要求6所述的有源混频器电路，其特征在于： 

所述电流抽取模块为一个MOS跨导全差分对；

所述PMOS跨导全差分对包括一个尾电流源管子（M9），控制抽取电流大小；

所述PMOS跨导差分对包括一个差分跨导管对（M7,M8）；

所述PMOS跨导差分对的差分MOS管漏端与所述混频器开关对共源节点相连，用于分流开关对管（M3,M4,M5,M6）的静态偏置电流；

所述PMOS跨导差分对的输入端与所述混频器的射频输入信号相连，用于提供跨导（gmp）。

8. 如权利要求6-7任一所述的有源混频器电路，其特征在于，所述电流抽取模块适用于吉尔伯特有源混频器、采用PMOS跨导的有源混频器，或者，采用折叠结构的有源混频器；

     所述混频器电路被用于直接转换方式（零中频）接收机、或低中频Low-IF接收机系统中。

9. 如权利要求6所述的有源混频器电路，其特征在于，所述电流抽取模块，对所述电流换向开关对的偏置DC电流进行分流，同时利用分流出来的DC电流对输入RF电压信号进行放大，产生的电流信号从开关对共源节点输入。

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