CN103490731B - 一种低噪声无源混频器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低噪声无源混频器，包含低噪声跨导放大级、开关混频级、跨阻放大级；其中低噪声跨导放大级主要采用交叉耦合主从噪声抵消技术，主跨导管采用交叉耦合结构使等效跨导值增加一倍，从跨导管提供合适的跨导值，通过主从结构抵消主跨导管的噪声；开关混频级对低噪声跨导放大级输出的射频电流进行调制并滤波，输出中频电流；跨阻放大级由全差分运算跨导放大器和负载电阻组成，该运算跨导放大器基于前馈补偿技术，利用其前馈级引入的零点抵消放大器传递函数中的一个次极点，实现了较大的单位增益带宽；负载电阻采用电压-电流负反馈连接方式，将中频电流转换成中频电压信号输出。本低噪声无源混频器具有低噪声、高增益、低功耗的特点。

Description

一种低噪声无源混频器

技术领域

本发明涉及一种变频接收机，尤其涉及一种低噪声无源混频器。

背景技术

随着无线通信技术的不断发展，手机、全球定位系统和无线宽带网络等设备在人们的日常生活中扮演日益重要的角色。对于这些系统而言，低功耗低成本是其极为重要的指标。直接变频接收机以其低功耗低成本被广泛应用于现代移动通信系统中。CMOS工艺也以其低生产成本和高集成度日益受到人们的亲睐。然而，CMOS工艺下的直接变频接收机仍然存在许多缺点，尤其是其较差的噪声性能，且随着CMOS工艺向小尺寸方向地不断进步，深亚微米CMOS工艺下晶体管将产生更大的闪烁噪声。混频器作为直接变频接收机前端电路的一部分，其性能对整个接收机具有极重要的影响。根据系统的级联噪声系数的公式，混频器应具有较低的噪声系数和较高的增益以抑制后级电路的噪声对整个接收链路噪声系数的影响。这使得研究低噪声混频器具有重要的意义。

传统的混频器结构分为有源混频器和无源混频器。由于没有直流电流流过混频开关管，无源混频器的闪烁噪声远小于有源混频器的闪烁噪声，从而使得无源混频器受到许多设计者的青睐。典型的无源混频器由跨导放大级、开关混频级和跨阻放大级组成。其中，跨导放大级是无源混频器的主要噪声来源，为提高无源混频器的噪声性能，本发明在跨导放大级采用噪声抵消技术以降低跨导放大级的噪声系数。此外，跨阻放大级通常由带有电阻负反馈的运算跨导放大器组成，由于跨阻放大级要提供基带低阻抗输入节点，这使得运算跨导放大器需要提供足够高的基带增益。传统运算跨导放大器采用基于密勒补偿的两级级联结构，为获得足够大的增益带宽积并使得闭环反馈环路稳定，这种方法需要消耗极大的功耗，存在着增益、带宽和相位裕度相互制约的缺陷。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种低噪声无源混频器，采用无电容的前馈补偿技术取代传统的极点分离密勒补偿技术，以在较低的功耗下获得足够大的相位裕度和增益带宽积，具有低噪声、高增益、低功耗等特点。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种低噪声无源混频器，包括低噪声跨导放大级、开关混频级和跨阻放大级；所述低噪声跨导放大级将射频输入信号转换为低噪声射频电流，低噪声跨导放大级的输出端接入开关混频级的输入端；所述开关混频级对低噪声跨导放大级输出的低噪声射频电流进行调制并滤波、输出中频电流，开关混频级的输出端接入跨阻放大级的输入端；所述跨阻放大级将开关混频级输出的中频电流转换成中频电压信号输出。

优选的，所述低噪声跨导放大级分为两部分：第一部分采用交叉耦合主从噪声抵消结构，其主跨导管为共栅共源管，即栅极和源极的射频信号幅度相等、相位相反，使共栅共源管的等效跨导值在不恶化噪声性能的情况下增加一倍，其从跨导管为共源管，选择合适的从跨导管跨导值抵消主跨导管的噪声；第二部分采用共源级结构，共用第一部分的偏置电流以提供跨导增益。

具体的，所述低噪声跨导放大级中：第一部分包括用作主跨导管的第一NMOS管M1和第二NMOS管M2，用作从跨导管的第三NMOS管M3和第四NMOS管M4，用作共栅管的第五NMOS管M5和第六NMOS管M6，以及第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1和第二电容C2；第二部分包括用作跨导管的第七PMOS管M7和第八PMOS管M8，以及第三电阻R3、第四电阻R4、第三电容C3、第四电容C4；

其中，第一部分的结构为：第一NMOS管M1的源极接输入射频电压信号负极VRFIN-，其栅极接第三NMOS管M3的栅极和第一电阻R1的负端，其漏极接第三NMOS管M3的漏极和第五NMOS管M5的源极；第二NMOS管M2的源极接输入射频电压信号正极VRFIN+，其栅极接第四NMOS管M4的栅极和第二电阻R2的负端，其漏极接第四NMOS管M4的漏极和第六NMOS管M6的源极；第一电阻R1的正端和第二电阻R2的正端均接第一偏置电压VB1；第一电容C1的上极板接输入射频电压信号负极VRFIN-，其下极板接第二NMOS管M2的栅极；第二电容C2的上极板接输入射频电压信号正极VRFIN+，其下极板接第一NMOS管M1的栅极；第三NMOS管M3的栅极接第一NMOS管M1的栅极，其漏极接第五NMOS管M5的源极，其源极接地；第四NMOS管M4的栅极接第二NMOS管M2的栅极，其漏极接第六NMOS管M6的源极，其源极接地；第五NMOS管M5的栅极和第六NMOS管M6的栅极均接第二偏置电压VB2；第一偏置电压VB1、第二偏置电压VB2均来自于偏置电路；

其中，第二部分的结构为：第三电容C3的上极板接输入射频电压信号正极VRFIN+，其下极板接第七PMOS管M7的栅极；第四电容C4的上极板接输入射频电压信号负极VRFIN-，其下极板接第八PMOS管M8的栅极；第七PMOS管M7的栅极接第三电阻R3的负端，其漏极接第五NMOS管M5的漏极和第三电阻R3的正端，其源极接电源电压；第八PMOS管M8的栅极接第四电阻R4的负端，其漏极接第六NMOS管M6的漏极和第四电阻R4的正端，其源极接电源电压；

其中，第五NMOS管M5的漏极作为低噪声跨导放大级的负极输出端口IRF-，第六NMOS管M6的漏极作为低噪声跨导放大级的正极输出端口IRF+。

优选的，所述开关混频级的两组混频开关对管漏极之间接滤波电容，构成高频低阻抗节点，从而滤除混频开关对输出电流中的高频分量。

具体的，所述开关混频级包括用作开关管的第九PMOS管M9、第十PMOS管M10、第十一PMOS管M11和第十二PMOS管M12，以及用于滤波的第五电容C5；

其中，第十PMOS管M10的栅极和第十一PMOS管M11的栅极均接本振信号的负极LO-，第九PMOS管M9的栅极和第十二PMOS管M12的栅极均接本振信号的正极LO+；第九PMOS管M9的漏极和第十一PMOS管M11的漏极均接第五电容C5的下极板，第十PMOS管M10的漏极和第十二PMOS管M12的漏极均接第五电容C5的上极板；第九PMOS管M9的源极和第十PMOS管M10的源极均接低噪声跨导放大级的负极输出端口IRF-，第十一PMOS管M11的源极和第十二PMOS管M12的源极均接低噪声跨导放大级的正极输出端口IRF+；

其中，第五电容C5的上极板作为开关混频级的负极输出端口IIF-，第五电容C5的下极板作为开关混频级的正极输出端口IIF+。

优选的，所述跨阻放大级由前馈补偿全差分运算跨导放大器和负载电阻组成，所述前馈补偿全差分运算跨导放大器基于前馈补偿结构，利用前馈级引入的零点抵消放大器传递函数中的一个次极点，从而克服了传统密勒补偿结构中增益、带宽和相位裕度相互制约的缺陷，实现了较大的单位增益带宽；所述负载电阻采用电压-电流负反馈连接结构，实现对小信号电流的跨阻放大功能。

具体的，所述跨阻放大级中：前馈补偿全差分运算跨导放大器包括用作其输入级的第十三NMOS管M13、第十四NMOS管M14、第十五NMOS管M15、第十六NMOS管M16、第十七PMOS管M17和第十八PMOS管M18，用作其输出级的第二十三PMOS管M23和第二十四PMOS管M24，用作其前馈级的第十九NMOS管M19、第二十NMOS管M20、第二十一NMOS管M21、第二十二NMOS管M22、第二十五PMOS管M25和第二十六PMOS管M26，用作其共模反馈级的第二十七NMOS管M27、第二十八NMOS管M28、第二十九NMOS管M29、第三十PMOS管M30、第三十一PMOS管M31、第七电阻R7、第八电阻R8、第六电容C6、第七电容C7；负载电阻包括用作反馈电阻的第五电阻R5和第六电阻R6；

其中，前馈补偿全差分运算跨导放大器的结构为：第十五NMOS管M15的栅极接开关混频级的负极输出端口IIF-和第五电阻R5的负端，其漏极接第十七PMOS管M17的漏极和第二十三PMOS管M23的栅极，其源级接第十四NMOS管M14的漏极；第十六NMOS管M16的栅极接开关混频级的正极输出端口IIF+和第六电阻R6的负端，其漏极接第十八PMOS管M18的漏极和第二十四PMOS管M24的栅极，其源级接第十四NMOS管M14的漏极；第十四NMOS管M14的栅极接第四偏置电压VB4，其漏极接第十五NMOS管M15的源极和第十六NMOS管M16的源级，其源级接第十三NMOS管M13的漏极；第十三NMOS管M13的栅极接第三偏置电压VB3，其漏极接第十四NMOS管M14的源级，其源级接地；第十七PMOS管M17的栅极接第六电容C6的上极板和共模反馈电压VCMFB，其漏极接第六电容C6的下极板和第二十三PMOS管M23的栅极，其源级接电源电压；第十八PMOS管M18的栅极接第七电容C7的上极板和共模反馈电压VCMFB，其漏极接第七电容C7的下极板和第二十四PMOS管M24的栅极，其源级接电源电压；共模反馈电压VCMFB为共模反馈级的输出电压，即第二十九NMOS管M29的漏极电压和第三十一PMOS管M31的漏极电压；第二十三PMOS管M23的栅极接第十五NMOS管M15的漏极，其漏极接第二十五PMOS管M25的漏极和输出电压负端VOUT-，其源级接电源电压；第二十四PMOS管M24的栅极接第十六NMOS管M16的漏极，其漏极接第二十六PMOS管M26的漏极和输出电压正端VOUT+，其源级接电源电压；第二十五PMOS管M25的栅极接第五偏置电压VB5，其漏极接第二十一NMOS管M21的漏极，其源级接电源电压；第二十六PMOS管M26的栅极接第五偏置电压VB5，其漏极接第二十二NMOS管M22的漏极，其源级接电源电压；第二十一NMOS管M21的栅极接第十六NMOS管M16的栅极，其漏极接第七电阻R7的正端，其源级接第二十NMOS管M20的漏极；第二十二NMOS管M22的栅极接第十五NMOS管M15的栅极，其漏极接第八电阻R8的正端，其源级接第二十NMOS管M20的漏极；第二十NMOS管M20的栅极接第四偏置电压VB4，其漏极接第二十一NMOS管M21的源极和第二十二NMOS管M22的源级，其源级接第十九NMOS管M19的漏极；第十九NMOS管M19的栅极接第三偏置电压VB3，其漏极接第二十NMOS管M20的源级，其源级接地；第七电阻R7的正端接第五电阻R5的正端，其负端接第二十九NMOS管M29的栅级；第八电阻R8的正端接第六电阻R6的正端，其负端接第二十九NMOS管M29的栅级；第二十八NOMS管M28的栅极接共模偏置电压VCM，其漏极接第三十PMOS管M30的漏极，其源级接第二十七NMOS管N27的漏极；第二十九NOMS管M29的栅极接第七阻R7的负端和第八电阻R8的负端，其漏极接第三十一PMOS管M31的漏极，其源级接第二十七NMOS管N27的漏极；第三十PMOS管M30的栅极接其漏极，其源级接电源电压；第三十一PMOS管M31的栅极接其漏极，其源级接电源电压；第二十七NMOS管M27的栅极接第三偏置电压VB3，其漏极接第二十八NMOS管M28的源极和第二十九NMOS管M29的源级，其源级接地；第三偏置电压VB3、第四偏置电压VB4、第五偏置电压VB5和共模偏置电压VCM均来自于偏置电路；

其中，负载电阻的结构为：第五电阻R5的正端接输出电压负端VOUT-、第二十三PMOS管M23的漏极和第二十五PMOS管M25的漏极，其负端接第十五NMOS管M15的栅极；第六电阻R6的正端接输出电压正端VOUT+和第二十四PMOS管M24的漏极和第二十六PMOS管M26的漏极，其负端接第十六NMOS管M16的栅极。

有益效果：本发明提供的低噪声无源混频器整体上采用无源混频结构，能够提高电路的噪声性能，具有低噪声、高增益、低功耗的特点；其中，采用低噪声跨导放大级作为输入级，低噪声跨导放大级分为两部分，第一部分采用交叉耦合主从噪声抵消技术，其主跨导管为共栅共源管，在栅极和源极输入的信号幅度相等相位相反，使共栅共源管的等效跨导值在不恶化噪声性能的情况下增加一倍，其从跨导管为共源管，通过选择合适的从跨导管跨导值可以抵消主跨导管的噪声；第二部分采用共源级结构，共用第一部分的偏置电流以提供跨导增益；此外，采用前馈补偿全差分运算跨导放大器作为跨阻放大级的运算跨导放大器，该运算跨导放大器采用无电容的前馈补偿技术取代传统的极点分离密勒补偿技术，利用前馈级产生的左半平面零点抵消放大器传递函数中的一个次极点，从而克服了传统密勒补偿结构中增益、带宽和相位裕度相互制约的缺陷，在较低的功耗下获得足够大的相位裕度和增益带宽积。

附图说明

图1为本发明的结构原理示意图；

图2为低噪声跨导放大级第一部分的噪声抵消原理示意图；

图3为发明的一种低噪声无源混频器的转换增益仿真结果图；

图4为本发明的一种低噪声无源混频器与典型的共源级跨导级无源混频器进行噪声系数比较的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1、图2所示为一种低噪声无源混频器，包括低噪声跨导放大级、开关混频级和跨阻放大级；所述低噪声跨导放大级将射频输入信号转换为低噪声射频电流，低噪声跨导放大级的输出端接入开关混频级的输入端；所述开关混频级对低噪声跨导放大级输出的低噪声射频电流进行调制并滤波、输出中频电流，开关混频级的输出端接入跨阻放大级的输入端；所述跨阻放大级将开关混频级输出的中频电流转换成中频电压信号输出。下面针对各个部分加以具体说明。

所述低噪声跨导放大级分为两部分：第一部分采用交叉耦合主从噪声抵消结构，其主跨导管为共栅共源管，即栅极和源极的射频信号幅度相等、相位相反，使共栅共源管的等效跨导值在不恶化噪声性能的情况下增加一倍，其从跨导管为共源管，选择合适的从跨导管跨导值抵消主跨导管的噪声；第二部分采用共源级结构，共用第一部分的偏置电流以提供跨导增益。

所述低噪声跨导放大级的具体结构为：

第一部分包括用作主跨导管的第一NMOS管M1和第二NMOS管M2，用作从跨导管的第三NMOS管M3和第四NMOS管M4，用作共栅管的第五NMOS管M5和第六NMOS管M6，以及第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1和第二电容C2；第二部分包括用作跨导管的第七PMOS管M7和第八PMOS管M8，以及第三电阻R3、第四电阻R4、第三电容C3、第四电容C4；

其中，第一部分的结构为：第一NMOS管M1的源极接输入射频电压信号负极VRFIN-，其栅极接第三NMOS管M3的栅极和第一电阻R1的负端，其漏极接第三NMOS管M3的漏极和第五NMOS管M5的源极；第二NMOS管M2的源极接输入射频电压信号正极VRFIN+，其栅极接第四NMOS管M4的栅极和第二电阻R2的负端，其漏极接第四NMOS管M4的漏极和第六NMOS管M6的源极；第一电阻R1的正端和第二电阻R2的正端均接第一偏置电压VB1；第一电容C1的上极板接输入射频电压信号负极VRFIN-，其下极板接第二NMOS管M2的栅极；第二电容C2的上极板接输入射频电压信号正极VRFIN+，其下极板接第一NMOS管M1的栅极；第三NMOS管M3的栅极接第一NMOS管M1的栅极，其漏极接第五NMOS管M5的源极，其源极接地；第四NMOS管M4的栅极接第二NMOS管M2的栅极，其漏极接第六NMOS管M6的源极，其源极接地；第五NMOS管M5的栅极和第六NMOS管M6的栅极均接第二偏置电压VB2；第一偏置电压VB1、第二偏置电压VB2均来自于偏置电路；

其中，第二部分的结构为：第三电容C3的上极板接输入射频电压信号正极VRFIN+，其下极板接第七PMOS管M7的栅极；第四电容C4的上极板接输入射频电压信号负极VRFIN-，其下极板接第八PMOS管M8的栅极；第七PMOS管M7的栅极接第三电阻R3的负端，其漏极接第五NMOS管M5的漏极和第三电阻R3的正端，其源极接电源电压；第八PMOS管M8的栅极接第四电阻R4的负端，其漏极接第六NMOS管M6的漏极和第四电阻R4的正端，其源极接电源电压。

所述开关混频级的两组混频开关对管漏极之间接滤波电容，构成高频低阻抗节点，从而滤除混频开关对输出电流中的高频分量。

所述开关混频级的具体结构为：

包括用作开关管的第九PMOS管M9、第十PMOS管M10、第十一PMOS管M11和第十二PMOS管M12，以及用于滤波的第五电容C5；

其中，第十PMOS管M10的栅极和第十一PMOS管M11的栅极均接本振信号的负极LO-，第九PMOS管M9的栅极和第十二PMOS管M12的栅极均接本振信号的正极LO+；第九PMOS管M9的漏极和第十一PMOS管M11的漏极均接第五电容C5的下极板，第十PMOS管M10的漏极和第十二PMOS管M12的漏极均接第五电容C5的上极板；第九PMOS管M9的源极和第十PMOS管M10的源极均接第五NMOS管M5的漏极，第十一PMOS管M11的源极和第十二PMOS管M12的源极均接第六NMOS管M6的漏极。

所述跨阻放大级由前馈补偿全差分运算跨导放大器和负载电阻组成，所述前馈补偿全差分运算跨导放大器基于前馈补偿结构，利用前馈级引入的零点抵消放大器传递函数中的一个次极点，从而克服了传统密勒补偿结构中增益、带宽和相位裕度相互制约的缺陷，实现了较大的单位增益带宽；所述负载电阻采用电压-电流负反馈连接结构，实现对小信号电流的跨阻放大功能。

所述跨阻放大级的具体结构为：

前馈补偿全差分运算跨导放大器包括用作其输入级的第十三NMOS管M13、第十四NMOS管M14、第十五NMOS管M15、第十六NMOS管M16、第十七PMOS管M17和第十八PMOS管M18，用作其输出级的第二十三PMOS管M23和第二十四PMOS管M24，用作其前馈级的第十九NMOS管M19、第二十NMOS管M20、第二十一NMOS管M21、第二十二NMOS管M22、第二十五PMOS管M25和第二十六PMOS管M26，用作其共模反馈级的第二十七NMOS管M27、第二十八NMOS管M28、第二十九NMOS管M29、第三十PMOS管M30、第三十一PMOS管M31、第七电阻R7、第八电阻R8、第六电容C6、第七电容C7；负载电阻包括用作反馈电阻的第五电阻R5和第六电阻R6；

其中，前馈补偿全差分运算跨导放大器的结构为：第十五NMOS管M15的栅极接第五电容C5的上极板和第五电阻R5的负端，其漏极接第十七PMOS管M17的漏极和第二十三PMOS管M23的栅极，其源级接第十四NMOS管M14的漏极；第十六NMOS管M16的栅极接第五电容C5的下极板和第六电阻R6的负端，其漏极接第十八PMOS管M18的漏极和第二十四PMOS管M24的栅极，其源级接第十四NMOS管M14的漏极；第十四NMOS管M14的栅极接第四偏置电压VB4，其漏极接第十五NMOS管M15的源极和第十六NMOS管M16的源级，其源级接第十三NMOS管M13的漏极；第十三NMOS管M13的栅极接第三偏置电压VB3，其漏极接第十四NMOS管M14的源级，其源级接地；第十七PMOS管M17的栅极接第六电容C6的上极板和共模反馈电压VCMFB，其漏极接第六电容C6的下极板和第二十三PMOS管M23的栅极，其源级接电源电压；第十八PMOS管M18的栅极接第七电容C7的上极板和共模反馈电压VCMFB，其漏极接第七电容C7的下极板和第二十四PMOS管M24的栅极，其源级接电源电压；共模反馈电压VCMFB为共模反馈级的输出电压，即第二十九NMOS管M29的漏极电压和第三十一PMOS管M31的漏极电压；第二十三PMOS管M23的栅极接第十五NMOS管M15的漏极，其漏极接第二十五PMOS管M25的漏极和输出电压负端VOUT-，其源级接电源电压；第二十四PMOS管M24的栅极接第十六NMOS管M16的漏极，其漏极接第二十六PMOS管M26的漏极和输出电压正端VOUT+，其源级接电源电压；第二十五PMOS管M25的栅极接第五偏置电压VB5，其漏极接第二十一NMOS管M21的漏极，其源级接电源电压；第二十六PMOS管M26的栅极接第五偏置电压VB5，其漏极接第二十二NMOS管M22的漏极，其源级接电源电压；第二十一NMOS管M21的栅极接第十六NMOS管M16的栅极，其漏极接第七电阻R7的正端，其源级接第二十NMOS管M20的漏极；第二十二NMOS管M22的栅极接第十五NMOS管M15的栅极，其漏极接第八电阻R8的正端，其源级接第二十NMOS管M20的漏极；第二十NMOS管M20的栅极接第四偏置电压VB4，其漏极接第二十一NMOS管M21的源极和第二十二NMOS管M22的源级，其源级接第十九NMOS管M19的漏极；第十九NMOS管M19的栅极接第三偏置电压VB3，其漏极接第二十NMOS管M20的源级，其源级接地；第七电阻R7的正端接第五电阻R5的正端，其负端接第二十九NMOS管M29的栅级；第八电阻R8的正端接第六电阻R6的正端，其负端接第二十九NMOS管M29的栅级；第二十八NOMS管M28的栅极接共模偏置电压VCM，其漏极接第三十PMOS管M30的漏极，其源级接第二十七NMOS管N27的漏极；第二十九NOMS管M29的栅极接第七阻R7的负端和第八电阻R8的负端，其漏极接第三十一PMOS管M31的漏极，其源级接第二十七NMOS管N27的漏极；第三十PMOS管M30的栅极接其漏极，其源级接电源电压；第三十一PMOS管M31的栅极接其漏极，其源级接电源电压；第二十七NMOS管M27的栅极接第三偏置电压VB3，其漏极接第二十八NMOS管M28的源极和第二十九NMOS管M29的源级，其源级接地；第三偏置电压VB3、第四偏置电压VB4、第五偏置电压VB5和共模偏置电压VCM均来自于偏置电路；

其中，负载电阻的结构为：第五电阻R5的正端接输出电压负端VOUT-、第二十三PMOS管M23的漏极和第二十五PMOS管M25的漏极，其负端接第十五NMOS管M15的栅极；第六电阻R6的正端接输出电压正端VOUT+和第二十四PMOS管M24的漏极和第二十六PMOS管M26的漏极，其负端接第十六NMOS管M16的栅极。

下面结合电路分析对本发明做出进一步的说明。

低噪声跨导放大级分为两部分，第一部分原理图如图2所示，采用交叉耦合主从噪声抵消技术，其主跨导管为第一NMOS管M1、第二NMOS管M2，设其跨导分别为g_m1和g_m2，从跨导管为第三NMOS管M3、第四NMOS管M4，设其跨导分别为g_m3和g_m4。主跨导管采用交叉耦合结构，其栅极和源极的射频信号幅度相等、相位相反，使得主跨导管的等效跨导值分别为2g_m1和2g_m2，提高了跨导放大级的跨导值。第一部分整体采用主从噪声抵消技术，主跨导管第一NMOS管M1的噪声在第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第三NMOS管M3和第四NMOS管M4所在支路产生的噪声电流分别为i_n1、i_n2、i_n3和i_n4。因为噪声电流i_n1与i_n2、i_n3与i_n4都源自第一NMOS管M1的噪声，所以四者相干。通过选择合适的g_m3和g_m4值，可以使得i_n1+i_n2=i_n3+i_n4，由于电路结构为差分结构，则在输出端第一NMOS管M1的噪声被抵消。同理可得，第二NMOS管M2的噪声在输出端也被抵消。第二部分采用共源级结构，跨导管为第七PMOS管M7、第八PMOS管M8，设其跨导分别为g_m7和g_m8。其作为跨导管，为跨导放大级提供跨导g_m7和g_m8。因此，低噪声跨导放大级的总跨导为2g_m1,2+g_m3,4+g_m7,8。

开关混频级对低噪声跨导放大级输出的射频电流进行调制并滤波，输出的中频电流。其中，开关混频级的开关管第九、第十一NMOS管M9、M11的漏极和第十、第十二PMOS管M10、M12的漏极之间接第五电容C5，构成高频低阻抗节点，从而滤除混频开关管输出电流中的高频分量。

跨阻放大级由前馈补偿全差分运算跨导放大器和负载电阻组成，前馈补偿全差分运算跨导放大器基于无电容的前馈补偿技术。其中，第十五、第十六NMOS管M15、M16作为该运算跨导放大器输入级的输入跨导管，其跨导值分别为g_m15和g_m16，第十七、第十八NMOS管M17、M18作为该运算跨导放大器输入级的负载管，设该运算跨导放大器输入级的输出阻抗为r_o1，则该运算跨导放大器输入级的增益为A_v1=g_m15,16·r_o1；第二十三、第二十四PMOS管M23、M24作为该运算跨导放大器输出级的跨导管，其跨导值分别为g_m23和g_m24，设该运算跨导放大器输出级的输出阻抗为r_o2，则该运算跨导放大器输出级的增益为A_v2=g_m23,24·r_o2；第二十一、第二十二NMOS管M21、M22作为该运算跨导放大器前馈级的跨导管，其跨导值分别为g_m21和g_m22，则该运算跨导放大器前馈级的增益为A_v3=g_m21,22·r_o2。因此，该前馈补偿全差分运算跨导放大器的总增益为A_v=A_v1·A_v2+A_v3。利用前馈路径引入的左半平面零点正相移抵消放大器传递函数中的一个次极点导致的负相移，从而克服了传统密勒补偿结构中增益、带宽和相位裕度相互制约的缺陷，实现了较大的单位增益带宽；负载电阻第五、第六电阻R5、R6采用电压-电流负反馈连接方式，实现对小信号电流的跨阻放大功能。

下面结合实例对本发明做出更进一步的说明。

图1为本发明的低噪声无源混频器原理图。图2为本发明的低噪声无源混频器中低噪声跨导放大级第一部分的噪声抵消原理示意图。图3为本发明的低噪声无源混频器的转换增益仿真结果图。图4为本发明的一种低噪声无源混频器与典型的共源级跨导级无源混频结构进行噪声系数比较的仿真结果图。

由图3可以看出，本发明的低噪声无源混频器在2MHz附近的转换增益高达40dB。由图4可以看出，本发明的低噪声无源混频器在2MHz附近的单边带噪声系数可达6.37dB（图4中的实线所示），功耗为2.8mA，而传统的共源级跨导级无源混频结构在此频率附近达到相同增益时的噪声系数约为8.41dB（图4中的虚线所示），功耗约为4.2mA。本发明的低噪声无源混频器对噪声系数的优化接近2.04dB，且本结构所消耗的电流比传统的共源级跨导级无源混频结构所消耗的小约1.4mA。与具有相同增益的传统的共源级跨导级无源混频结构相比，本发明具有低噪声、高增益、低功耗的特点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种低噪声无源混频器，其特征在于：包括低噪声跨导放大级、开关混频级和跨阻放大级；所述低噪声跨导放大级将射频输入信号转换为低噪声射频电流，低噪声跨导放大级的输出端接入开关混频级的输入端；所述开关混频级对低噪声跨导放大级输出的低噪声射频电流进行调制并滤波、输出中频电流，开关混频级的输出端接入跨阻放大级的输入端；所述跨阻放大级将开关混频级输出的中频电流转换成中频电压信号输出；

所述低噪声跨导放大级分为两部分：第一部分采用交叉耦合主从噪声抵消结构，其主跨导管为共栅共源管，其从跨导管为共源管，选择合适的从跨导管跨导值抵消主跨导管的噪声；第二部分采用共源级结构，共用第一部分的偏置电流；

所述低噪声跨导放大级中：第一部分包括用作主跨导管的第一NMOS管M1和第二NMOS管M2，用作从跨导管的第三NMOS管M3和第四NMOS管M4，用作共栅管的第五NMOS管M5和第六NMOS管M6，以及第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1和第二电容C2；第二部分包括用作跨导管的第七PMOS管M7和第八PMOS管M8，以及第三电阻R3、第四电阻R4、第三电容C3、第四电容C4；

其中，第一部分的结构为：第一NMOS管M1的源极接输入射频电压信号负极VRFIN-，其栅极接第三NMOS管M3的栅极和第一电阻R1的负端，其漏极接第三NMOS管M3的漏极和第五NMOS管M5的源极；第二NMOS管M2的源极接输入射频电压信号正极VRFIN+，其栅极接第四NMOS管M4的栅极和第二电阻R2的负端，其漏极接第四NMOS管M4的漏极和第六NMOS管M6的源极；第一电阻R1的正端和第二电阻R2的正端均接第一偏置电压VB1；第一电容C1的上极板接输入射频电压信号负极VRFIN-，其下极板接第二NMOS管M2的栅极；第二电容C2的上极板接输入射频电压信号正极VRFIN+，其下极板接第一NMOS管M1的栅极；第三NMOS管M3的栅极接第一NMOS管M1的栅极，其漏极接第五NMOS管M5的源极，其源极接地；第四NMOS管M4的栅极接第二NMOS管M2的栅极，其漏极接第六NMOS管M6的源极，其源极接地；第五NMOS管M5的栅极和第六NMOS管M6的栅极均接第二偏置电压VB2；第一偏置电压VB1、第二偏置电压VB2均来自于偏置电路；

其中，第二部分的结构为：第三电容C3的上极板接输入射频电压信号正极VRFIN+，其下极板接第七PMOS管M7的栅极；第四电容C4的上极板接输入射频电压信号负极VRFIN-，其下极板接第八PMOS管M8的栅极；第七PMOS管M7的栅极接第三电阻R3的负端，其漏极接第五NMOS管M5的漏极和第三电阻R3的正端，其源极接电源电压；第八PMOS管M8的栅极接第四电阻R4的负端，其漏极接第六NMOS管M6的漏极和第四电阻R4的正端，其源极接电源电压；

其中，第五NMOS管M5的漏极作为低噪声跨导放大级的负极输出端口IRF-，第六NMOS管M6的漏极作为低噪声跨导放大级的正极输出端口IRF+。

2.根据权利要求1所述的低噪声无源混频器，其特征在于：所述开关混频级的两组混频开关对管漏极之间接滤波电容，构成高频低阻抗节点。

3.根据权利要求2所述的低噪声无源混频器，其特征在于：所述开关混频级包括用作开关管的第九PMOS管M9、第十PMOS管M10、第十一PMOS管M11和第十二PMOS管M12，以及用于滤波的第五电容C5；

其中，第十PMOS管M10的栅极和第十一PMOS管M11的栅极均接本振信号的负极LO-，第九PMOS管M9的栅极和第十二PMOS管M12的栅极均接本振信号的正极LO+；第九PMOS管M9的漏极和第十一PMOS管M11的漏极均接第五电容C5的下极板，第十PMOS管M10的漏极和第十二PMOS管M12的漏极均接第五电容C5的上极板；第九PMOS管M9的源极和第十PMOS管M10的源极均接低噪声跨导放大级的负极输出端口IRF-，第十一PMOS管M11的源极和第十二PMOS管M12的源极均接低噪声跨导放大级的正极输出端口IRF+；

其中，第五电容C5的上极板作为开关混频级的负极输出端口IIF-，第五电容C5的下极板作为开关混频级的正极输出端口IIF+。

4.根据权利要求1所述的低噪声无源混频器，其特征在于：所述跨阻放大级由前馈补偿全差分运算跨导放大器和负载电阻组成，所述前馈补偿全差分运算跨导放大器基于前馈补偿结构，利用前馈级引入的零点抵消放大器传递函数中的一个次极点；所述负载电阻采用电压-电流负反馈连接结构。

5.根据权利要求1所述的低噪声无源混频器，其特征在于：所述跨阻放大级中：前馈补偿全差分运算跨导放大器包括用作其输入级的第十三NMOS管M13、第十四NMOS管M14、第十五NMOS管M15、第十六NMOS管M16、第十七PMOS管M17和第十八PMOS管M18，用作其输出级的第二十三PMOS管M23和第二十四PMOS管M24，用作其前馈级的第十九NMOS管M19、第二十NMOS管M20、第二十一NMOS管M21、第二十二NMOS管M22、第二十五PMOS管M25和第二十六PMOS管M26，用作其共模反馈级的第二十七NMOS管M27、第二十八NMOS管M28、第二十九NMOS管M29、第三十PMOS管M30、第三十一PMOS管M31、第七电阻R7、第八电阻R8、第六电容C6、第七电容C7；负载电阻包括用作反馈电阻的第五电阻R5和第六电阻R6；

其中，前馈补偿全差分运算跨导放大器的结构为：第十五NMOS管M15的栅极接开关混频级的负极输出端口IIF-和第五电阻R5的负端，其漏极接第十七PMOS管M17的漏极和第二十三PMOS管M23的栅极，其源级接第十四NMOS管M14的漏极；第十六NMOS管M16的栅极接开关混频级的正极输出端口IIF+和第六电阻R6的负端，其漏极接第十八PMOS管M18的漏极和第二十四PMOS管M24的栅极，其源级接第十四NMOS管M14的漏极；第十四NMOS管M14的栅极接第四偏置电压VB4，其漏极接第十五NMOS管M15的源极和第十六NMOS管M16的源级，其源级接第十三NMOS管M13的漏极；第十三NMOS管M13的栅极接第三偏置电压VB3，其漏极接第十四NMOS管M14的源级，其源级接地；第十七PMOS管M17的栅极接第六电容C6的上极板和共模反馈电压VCMFB，其漏极接第六电容C6的下极板和第二十三PMOS管M23的栅极，其源级接电源电压；第十八PMOS管M18的栅极接第七电容C7的上极板和共模反馈电压VCMFB，其漏极接第七电容C7的下极板和第二十四PMOS管M24的栅极，其源级接电源电压；共模反馈电压VCMFB为共模反馈级的输出电压，即第二十九NMOS管M29的漏极电压和第三十一PMOS管M31的漏极电压；第二十三PMOS管M23的栅极接第十五NMOS管M15的漏极，其漏极接第二十五PMOS管M25的漏极和输出电压负端VOUT-，其源级接电源电压；第二十四PMOS管M24的栅极接第十六NMOS管M16的漏极，其漏极接第二十六PMOS管M26的漏极和输出电压正端VOUT+，其源级接电源电压；第二十五PMOS管M25的栅极接第五偏置电压VB5，其漏极接第二十一NMOS管M21的漏极，其源级接电源电压；第二十六PMOS管M26的栅极接第五偏置电压VB5，其漏极接第二十二NMOS管M22的漏极，其源级接电源电压；第二十一NMOS管M21的栅极接第十六NMOS管M16的栅极，其漏极接第七电阻R7的正端，其源级接第二十NMOS管M20的漏极；第二十二NMOS管M22的栅极接第十五NMOS管M15的栅极，其漏极接第八电阻R8的正端，其源级接第二十NMOS管M20的漏极；第二十NMOS管M20的栅极接第四偏置电压VB4，其漏极接第二十一NMOS管M21的源极和第二十二NMOS管M22的源级，其源级接第十九NMOS管M19的漏极；第十九NMOS管M19的栅极接第三偏置电压VB3，其漏极接第二十NMOS管M20的源级，其源级接地；第七电阻R7的正端接第五电阻R5的正端，其负端接第二十九NMOS管M29的栅级；第八电阻R8的正端接第六电阻R6的正端，其负端接第二十九NMOS管M29的栅级；第二十八NOMS管M28的栅极接共模偏置电压VCM，其漏极接第三十PMOS管M30的漏极，其源级接第二十七NMOS管N27的漏极；第二十九NOMS管M29的栅极接第七阻R7的负端和第八电阻R8的负端，其漏极接第三十一PMOS管M31的漏极，其源级接第二十七NMOS管N27的漏极；第三十PMOS管M30的栅极接其漏极，其源级接电源电压；第三十一PMOS管M31的栅极接其漏极，其源级接电源电压；第二十七NMOS管M27的栅极接第三偏置电压VB3，其漏极接第二十八NMOS管M28的源极和第二十九NMOS管M29的源级，其源级接地；第三偏置电压VB3、第四偏置电压VB4、第五偏置电压VB5和共模偏置电压VCM均来自于偏置电路；

其中，负载电阻的结构为：第五电阻R5的正端接输出电压负端VOUT-、第二十三PMOS管M23的漏极和第二十五PMOS管M25的漏极，其负端接第十五NMOS管M15的栅极；第六电阻R6的正端接输出电压正端VOUT+和第二十四PMOS管M24的漏极和第二十六PMOS管M26的漏极，其负端接第十六NMOS管M16的栅极。