CN104348419A - 一种跨导级线性度提高电路及应用其的混频器电路 - Google Patents

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Abstract

本发明属于集成电路技术领域，公开了一种跨导级线性度提高电路及应用其的混频器电路，该跨导级线性度提高电路包括跨导级电路和线性度补偿电路，跨导级电路输入差分电压信号，输出差分电流信号；线性度补偿电路的输入接跨导级电路的输入，输出接跨导级电路的输出，与跨导级电路构成并联结构。本发明提供的跨导级线性度提高电路及应用其的混频器电路，工作稳定可靠，能够应用于接收机和发射机等各种需要用到跨导级的电路中；以较小的增益、噪声和功耗代价，实现了线性度的大幅度提升；线性度补偿电路的偏置电压可以调整，从而能够灵活地优化线性度性能。

Description

一种跨导级线性度提高电路及应用其的混频器电路
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种跨导级线性度提高电路及应用其的混频器电路。
背景技术
随着无线通讯的发展，各种模式各种标准共存，带来了不同通讯系统之间的干扰；在同一种通讯系统内，输入信号也存在较大的变化。这就对系统的动态范围提出了要求。动态范围的下限由噪声确定，而上限由大输入信号引起的非线性确定。
在接收机系统中，LNA、Mixer以及滤波器等电路中，广泛使用了跨导级进行V-I转换。提高跨导级的线性度对于整个接收机的线性度提升具有非常重要的意义。
以混频器为例，线性度决定了混频器能处理的最大信号强度。三阶交调点是衡量混频器线性度性能的一个重要参数。如果混频器存在奇数阶非线性，相邻的两个干扰信号，会产生三阶交调积成分，叠加在有用信号上，造成干扰。当混频器的负载是线性负载时，混频器的线性度与跨导级和开关对有关。跨导级的线性度限制了混频器最高能达到的线性度性能。
已有多篇文献对混频器的线性度进行研究。Shengchang Gao等人采用通常的源极负反馈来提高混频器跨导级的线性度，但会造成增益和噪声系数的恶化，存在艰难的折衷。作为源简并元件的电阻会引入热噪声，而采用电容或者电感又会带来稳定性问题，并增大版图面积；洪琪等人采用分段线性近似技术来提高混频器的线性度，IIP3提高了不足2dBm，功耗却几乎增大到3倍，代价高昂；Shoji Otaka等人采用三阶交调积消除技术，在主混频器的基础上再增加一个子混频器，使它们的三阶交调积叠加后可以互相抵消，显著提高了混频器的三阶交调性能，但子混频器的加入会增加混频器的功耗和噪声。
综上所述，已有技术的高线性度混频器电路存在各种较严重的缺陷：版图面积较大、增益下降、噪声增大、功耗增大等。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种跨导级线性度提高电路及应用其的混频器电路。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种跨导级线性度提高电路，包括跨导级电路和线性度补偿电路，其中：跨导级电路输入差分电压信号，输出差分电流信号；线性度补偿电路的输入接跨导级电路的输入，输出接跨导级电路的输出，与跨导级电路构成并联结构。
上述方案中，所述跨导级电路采用共源结构，以实现电压到电流的转换。
上述方案中，所述跨导级电路采用共源共栅结构，以提高反向隔离度，增大输出电阻。
上述方案中，所述线性度补偿电路由工作在线性区的两个MOS管M1’和M2’对跨导级电路的线性度进行补偿。
上述方案中，所述线性度补偿电路的半边电路由第一MOS管M11和第二MOS管M1’堆叠构成，其中，第一MOS管M11和第二MOS管M1’的栅极由反相的信号驱动，这样，第二MOS管M1’的栅极和漏极也分别由反相的信号驱动；所述线性度补偿电路的半边电路中的第一MOS管M11的栅极由电压VB_TUNE经偏置第三电阻Rb3提供偏置，电压VB_TUNE能够进行调整，以得到最优的线性度性能；所述线性度补偿电路中第一MOS管M11的栅极由第四隔直电容Cb4连接Vrfn输入，漏极连接Irfp输出，源极连接第二MOS管M1’的漏极；所述线性度补偿电路的半边电路中的第二MOS管M1’的栅极由电压VB经过偏置第一电阻Rb1提供偏置，并由第一隔直电容Cb1连接Vrfp输入；而第一电阻Rb1和第一隔直电容Cb1与跨导级电路共用，减少了器件数量和版图面积。
上述方案中，该跨导级线性度提高电路应用于包含跨导级的混频器电路、低噪声放大器电路或滤波器电路中。
为达到上述目的，作为一个实例，本发明还提供了一种应用所述跨导级线性度提高电路的混频器电路，该混频器电路包括跨导级电路、线性度补偿电路以及开关级电路，其中：跨导级电路输入差分电压信号Vrf，输出差分电流信号Irf；线性度补偿电路的输入接跨导级电路的输入Vrf，输出接跨导级电路的输出Irf，与跨导级电路构成并联结构；开关级电路输入接跨导级电路的输出，并接本振信号VLO，输出Vif电压。
上述实例中，所述开关级电路由单路本振信号驱动，使混频器电路构成单路Gilbert混频器。
上述实例中，所述开关级电路由正交本振信号驱动，两组开关级电路并联，输出I、Q两路中频信号，使混频器电路构成正交Gilbert混频器。
(三)有益效果
本发明提供的跨导级线性度提高电路及应用其的混频器电路，工作稳定可靠，能够应用于接收机和发射机等各种需要用到跨导级的电路中；以较小的增益、噪声和功耗代价，实现了线性度的大幅度提升；线性度补偿电路的偏置电压可以调整，从而能够灵活地优化线性度性能。本发明提供的跨导级线性度补偿电路具有电路简单，集成度高，配置灵活的特点，可广泛应用于LNA、Mixer、滤波器等各种射频和模拟集成电路中，有助于提高收发机的线性度性能。
附图说明
图1为依照本发明实施例的跨导级线性度提高电路的结构示意图；
图2为图1中跨导级电路的一种共源极实现形式；
图3为图1中跨导级电路的另一种共源共栅的实现形式；
图4为图1中线性度补偿电路的电路原理图；
图5为本发明实施例中用作对比的传统混频器的结构示意图；
图6为依照本发明实施例的应用线性度补偿电路的混频器的结构示意图；
图7为图5和图6中开关级电路的结构示意图；
图8为本发明实施例中用作对比的传统混频器的电路原理图；
图9为依照本发明实施例的应用线性度补偿电路的混频器的电路原理图；
图10a为图8所示电路的IIP3的仿真结果；
图10b为图8所示电路的转换增益的仿真结果；
图10c为图8所示电路的噪声系数的仿真结果；
图11a为图9所示电路的IIP3的仿真结果；
图11b为图9所示电路的转换增益的仿真结果；
图11c为图9所示电路的噪声系数的仿真结果。
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。
图1为依照本发明实施例的跨导级线性度提高电路的结构示意图，由跨导级电路和线性度补偿电路两部分构成。跨导级电路输入差分电压信号，输出差分电流信号；线性度补偿电路的输入接跨导级电路的输入，输出接跨导级电路的输出，与跨导级电路构成并联结构，实现对跨导级电路三阶非线性的抵消。
图2为图1中跨导级电路的一种共源极实现形式。跨导级电路以共源极实现电压到电流的转换。输入差分电压Vrfp和Vrfn经过隔直电容Cb1和Cb2加到共源管M1和M2的栅极，同时M1和M2的栅极由偏置电压VB通过偏置电阻Rb1和Rb2提供偏压，M1和M2的源极接交流地GND，漏极为差分电流输出Irfp和Irfn。
图3为图1中跨导级电路的另一种共源共栅的实现形式。通过共源共栅结构，提高了反向隔离度，并增大了输出电阻。输入差分电压Vrfp和Vrfn经过隔直电容Cb1和Cb2加到共源管M1和M2的栅极，同时M1和M2的栅极由偏置电压VB通过偏置电阻Rb1和Rb2提供偏压，M1和M2的源极接交流地GND，漏极接共栅管M1G和M2G的源极，M1G和M2G的栅极接偏置电压VBG，漏极为差分电流输出Irfp和Irfn。
图4为图1中线性度补偿电路的电路原理图。线性度补偿电路由工作在线性区的MOS管(M1’、M2’)对跨导级电路的线性度进行补偿；线性度补偿电路的半边电路由管子M11和M1’堆叠构成。其中，M11和M1’管子的栅极由反相的信号驱动，这样，M1’管子的栅极和漏极也分别由反相的信号驱动；线性度补偿电路的半边电路中的管子M11的栅极由电压VB_TUNE经偏置电阻Rb3提供偏置，电压VB_TUNE可以进行调整，以调整MOS管(M1’、M2’)的线性区深度，从而得到最优的线性度性能；线性度补偿电路中管子M11的栅极由隔直电容Cb4连接Vrfn输入，漏极连接Irfp输出，源极连接M1’的漏极；线性度补偿电路的半边电路中的管子M1’的栅极由电压VB经过偏置电阻Rb1提供偏置，并由隔直电容Cb1连接Vrfp输入。而Rb1和Cb1与跨导级电路共用，减少了器件数量和版图面积。
针对图1至图4所示的跨导级线性度提高电路，以下将混频器作为设计实例，将该跨导级线性度提高电路应用于混频器中进行验证。
混频器电路包括两个设计实例，实例一是传统的Gilbert正交混频器，实例二是应用本发明的线性度提高混频器。对两个比较器的性能进行研究表明，本发明的混频器以较小的代价实现了线性度的大幅度提升。本发明提出的线性度提高电路可以广泛用于提高跨导级电路的线性度，在LNA，Mixer，滤波器等射频和模拟电路中有广阔的应用前景。
图5为本发明实施例中用作对比的传统混频器的结构示意图。传统的混频器由跨导级电路和开关级电路构成。跨导级电路输入电压Vrf，输出电流Irf送到开关级电路，开关级电路在本振信号VLO的驱动下，输出中频电压Vif。
图6为依照本发明实施例的应用线性度补偿电路的混频器的结构示意图，包括跨导级电路、线性度补偿电路以及开关级电路。跨导级电路与线性度补偿电路并联，输入Vrf电压，输出Irf电流，线性度补偿电路对跨导级电路的三阶非线性进行补偿；开关级电路输入Irf电流和本振信号VLO，输出Vif电压。
图7为图5和图6中开关级电路的结构示意图。开关级电路为典型的Gilbert单元中的换向开关对，由M3～M6构成，本振信号VLO加在M3～M6的栅极，其源极分别输入电流Irfp和Irfn，开关级电路的输出电流在电阻R1和R2上分别产生输出电压Vifp和Vifn。
图8为本发明实施例中用作对比的传统混频器的电路原理图。开关级电路由正交本振信号驱动，由图7所示的两组开关级电路并联，输出I、Q两路中频信号，构成正交Gilbert混频器。
图9为依照本发明实施例的应用线性度补偿电路的混频器的电路原理图。在跨导级电路上并联了图4所示的线性度补偿电路。开关级电路由正交本振信号驱动，由图7所示的两组开关级电路并联，输出I、Q两路中频信号，构成正交Gilbert混频器。图9所示电路即为在图8所示电路上，添加了线性度补偿电路，其中电源电压，本振驱动的大小，跨导级电路和开关级电路的管子的参数完全一致。这样，开关级电路引入的非线性一致，可以由图8和图9的混频器性能对比分析跨导级线性度的改善。
图10a为图8所示电路的IIP3的仿真结果。可以看到，传统的Gilbert混频器的输入三阶交调点IIP3为18.1dBm。
图10b为图8所示电路的转换增益的仿真结果。本振输入频率1.56G，在1.575G频率处的转换增益为1.5dB。
图10c为图8所示电路的噪声系数的仿真结果。在15MHz中频处的噪声系数为24.6dB。
图11a为图9所示电路的IIP3的仿真结果。可以看到，加入了线性度补偿电路的Gilbert混频器的输入三阶交调点IIP3为25.0dBm。
图11b为图9所示电路的转换增益的仿真结果。本振输入频率1.56G，在1.575G频率处的转换增益为0.08dB。
图11c为图9所示电路的噪声系数的仿真结果。在15MHz中频处的噪声系数为26.1dB。
图8和图9所示电路的性能对比总结在表1中。
表1图8和图9所示电路的性能对比
可以看到，本发明的线性度提高的混频器电路，相比传统的Gilbert混频器，三阶交调点提高了6.9dB，而增益降低了1.4dB，噪声系数增大了1.5dB，电流仅增加了0.1mA，以较小的代价实现了线性度性能的显著提升。而且，通过调整线性度补偿电路中的电压VB_TUNE，可以在以上几个参数间进行灵活的折衷，配置灵活，具有广阔的应用前景。
以上所述仅为本发明的应用于混频器的一种实施方式，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 (9)

1.一种跨导级线性度提高电路，其特征在于，包括跨导级电路和线性度补偿电路，其中：
跨导级电路输入差分电压信号，输出差分电流信号；
线性度补偿电路的输入接跨导级电路的输入，输出接跨导级电路的输出，与跨导级电路构成并联结构。
2.根据权利要求1所述的跨导级线性度提高电路，其特征在于，所述跨导级电路采用共源结构，以实现电压到电流的转换。
3.根据权利要求1所述的跨导级线性度提高电路，其特征在于，所述跨导级电路采用共源共栅结构，以提高反向隔离度，增大输出电阻。
4.根据权利要求1所述的跨导级线性度提高电路，其特征在于，所述线性度补偿电路由工作在线性区的两个MOS管M1’和M2’对跨导级电路的线性度进行补偿。
5.根据权利要求4所述的跨导级线性度提高电路，其特征在于，
所述线性度补偿电路的半边电路由第一MOS管M11和第二MOS管M1’堆叠构成，其中，第一MOS管M11和第二MOS管M1’的栅极由反相的信号驱动，这样，第二MOS管M1’的栅极和漏极也分别由反相的信号驱动；
所述线性度补偿电路的半边电路中的第一MOS管M11的栅极由电压VB_TUNE经偏置第三电阻Rb3提供偏置，电压VB_TUNE能够进行调整，以得到最优的线性度性能；
所述线性度补偿电路中第一MOS管M11的栅极由第四隔直电容Cb4连接Vrfn输入，漏极连接Irfp输出，源极连接第二MOS管M1’的漏极；
所述线性度补偿电路的半边电路中的第二MOS管M1’的栅极由电压VB经过偏置第一电阻Rb1提供偏置，并由第一隔直电容Cb1连接Vrfp输入；而第一电阻Rb1和第一隔直电容Cb1与跨导级电路共用，减少了器件数量和版图面积。
6.根据权利要求4所述的跨导级线性度提高电路，其特征在于，该跨导级线性度提高电路应用于包含跨导级的混频器电路、低噪声放大器电路或滤波器电路中。
7.一种应用权利要求1至6中任一项所述的跨导级线性度提高电路的混频器电路，其特征在于，该混频器电路包括跨导级电路、线性度补偿电路以及开关级电路，其中：
跨导级电路输入差分电压信号Vrf，输出差分电流信号Irf；
线性度补偿电路的输入接跨导级电路的输入Vrf，输出接跨导级电路的输出Irf，与跨导级电路构成并联结构；
开关级电路输入接跨导级电路的输出，并接本振信号VLO，输出Vif电压。
8.根据权利要求7所述的混频器电路，其特征在于，所述开关级电路由单路本振信号驱动，使混频器电路构成单路Gilbert混频器。
9.根据权利要求7所述的混频器电路，其特征在于，所述开关级电路由正交本振信号驱动，两组开关级电路并联，输出I、Q两路中频信号，使混频器电路构成正交Gilbert混频器。
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