CN104539241B - 一种低电压高线性度上变频器及上变频信号输出方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低电压高线性度上变频器及上变频信号输出方法,由跨导电路、本振开关以及负载电路构成，利用负反馈电路构造基于超级源跟随结构的跨导电路，使得流过本振开关的中频电流与输入电压呈现高度线性关系；并利用电流镜将转换电流复制并注入到本振开关，经本振开关的变频作用产生上变频信号以及谐波混频产物，再经负载电路滤除谐波混频产物，输出纯净的上变频信号。本发明可显著提升整个上变频器的线性度。同时本发明的上变频器将电源地之间层叠的晶体管数目控制在三个以内，可有效适应低电源电压的应用场合。

Description

一种低电压高线性度上变频器及上变频信号输出方法

技术领域

本发明涉及一种基于跨导倍增技术的低电压高线性度上变频器电路，属于射频收发技术领域。

背景技术

在射频收发系统中，发射电路必须具备较高的线性度以保证输出再生频谱被控制在合理范围以内。上变频电路位于功率放大器的前一级，其线性度直接影响到整个发射链路的线性度，因此对上变频器线性度设计优化显得十分重要。传统的上变频器实现方式是在吉尔伯特混频器结构的负载级使用LC滤波网络实现的，该结构可同时实现上变频以及滤波功能。然而由于吉尔伯特结构的跨导级仅由差分MOS对管组成，其线性度无法得到有效保证。

鉴于上变频器的输入信号位于低频或者中频段，因此可以考虑利用负反馈的方式加强跨导级的线性度。通常的方式为采用运放超级源跟随结构的跨导级。该结构通过在差分输入端分别使用电压跟随器，差分电压跟随器的输出端之间通过电阻连接。在电压跟随器的作用下，输入电压信号被复制到电阻两端从而产生高线性度的电流。该方法可实现高线性的等效跨导，显著提升上变频器是线性度。然而该结构从电源到地之间层叠4个晶体管，使得其难以应用到低电源电压的应用场合中。此外差分端的两个独立运放也增加了整个上变频器的功耗。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种低电压高线性度上变频器，该上变频器具有电路结构简单，功耗低的特点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种低电压高线性度上变频信号输出方法，利用负反馈电路构造基于超级源跟随结构的跨导电路，使得流过本振开关的中频电流与输入电压呈现高度线性关系；并利用电流镜将转换电流复制并注入到本振开关，经本振开关的变频作用产生上变频信号以及谐波混频产物，再经负载电路滤除谐波混频产物，输出纯净的上变频信号。

一种低电压高线性度上变频器，所述上变频器为全差分结构，包括相互连接的第一差分电路和第二差分电路；所述第一差分电路包括由负反馈电路构造基于超级源跟随结构的具有电流镜关系的第一跨导电路、第一本振开关以及第一负载电路，且所述第一跨导电路、第一本振开关以及第一负载电路相互连接；所述第二差分电路包括由负反馈电路构造基于超级源跟随结构的具有电流镜关系的第二跨导电路、第二本振开关以及第二负载电路，且所述第二跨导电路、第二本振开关以及第二负载电路相互连接。

优选的：所述第一跨导电路包括第一、第二、第四、第六PMOS管以及第三NMOS管、第五PMOS管，第一PMOS管(M1)的源极、第四PMOS管(M4)的源极以及第六PMOS管(M6)的源极接电源电压，同时第一PMOS管(M1)漏极与第二PMOS管(M2)源极相连，而第一PMOS管(M1)栅极、第六PMOS管(M6)栅极、第四PMOS管(M4)的漏极以及第五PMOS管(M5)的源极互相连接；所述第二PMOS管(M2)的漏极与第三NMOS管(M3)的漏极以及第五PMOS管(M5)的栅极相连；同时所述第三NMOS管(M3)的源极和第五PMOS管(M5)的漏极接地；

所述第一本振开关包括第七、第八PMOS管，且第七PMOS管(M7)的源极、第八PMOS管(M8)源极以及第六PMOS管(M6)漏极互相连接；输出信号VOUTN从第八PMOS管(M8)漏极输出；

第一负载电路包括第一、第二电阻以及第九NMOS管，第一电阻(R1)的负端、第二电阻(R2)的正端以及第九NMOS管(M9)的漏极相互连接；且第一电阻(R1)的正端与第七PMOS管(M7)的漏极相连，第九NMOS管(M9)的源极以及第二电阻(R2)的负端接地；

第二跨导电路包括第十、第十四、第十五、第十六、第十七PMOS管以及第十八NMOS管，第十六PMOS管(M16)的源极、第十四PMOS管(M14)的源极以及第十PMOS管(M10)的源极接电源电压，同时第十六PMOS管(M16)漏极与第十七PMOS管(M17)源极相连，而第十PMOS管(M10)栅极、第十六PMOS管(M16)栅极、第十五PMOS管(M15)的源极以及第十四PMOS管(M14)的漏极相连；所述第十七PMOS管(M17)的漏极与第十八NMOS管(M18)的漏极以及第十五PMOS管(M15)的栅极相连；第十八NMOS管(M18)的源极和第十五PMOS管(M15)的漏极接地；

第二本振开关包括第十一、第十二PMOS管，第十一PMOS管(M11)的源极、第十二PMOS管(M12)源极以及第十PMOS管(M10)漏极相互连接；输出信号VOUTP从第十一PMOS管(M11)漏极输出；

第二负载电路包括第三、第四电阻以及第十三NMOS管；第三电阻(R3)的负端、第四电阻(R4)的正端以及第十三NMOS管(M13)的漏极相互连接；第三电阻(R3)的正端与第十二PMOS管(M12)的漏极相连；第十三NMOS管(M13)的源极以及第四电阻(R4)的负端接地；

另外，所述第二PMOS管(M2)的源极与第十七PMOS管(M17)的源极通过第五电阻(R5)的两端相连；第三NMOS管(M3)的栅极与第十八PMOS管(M18)栅极相连，接电位vbn1；第四PMOS管(M4)的栅极与第十四PMOS管(M14)栅极相连，接电位vbp1；第七PMOS管(M7)的栅极与第十二PMOS管(M12)栅极相连，并且连接本振正端信号LOI+；第八PMOS管(M8)的栅极与第十一PMOS管(M11)栅极相连，并且连接本振负端信号LOI-；第九NMOS管(M9)的栅极与第十三NMOS管(M13)栅极相连，接控制信号GC1。

所述第八PMOS管(M8)漏极连接有第一LC并联谐振网络；所述第十一PMOS管(M11)漏极连接有第二LC并联谐振网络。

本发明提供的一种低电压高线性度上变频器及上变频信号输出方法，相比现有技术，具有以下有益效果：

该上变频器由跨导级、本振开关以及负载构成。跨导电路利用负反馈环路构造超级源跟随结构，将输入电压完整复制到源极退化电阻两端，从而保证了较高的线性度。跨导级产生的电流通过电流镜被注入到本振开关，经本振开关的变频作用产生上变频信号以及谐波混频产物，位于负载端的LC带通滤波网络滤除谐波混频产物，输出纯净的上变频信号。

本发明提出一种基于跨导增强结构的高线性度跨导级电路，并利用电流镜将转换电流复制并注入到本振开关。该结构将电源与地之间层叠的晶体管数目减少到3个，提高了对低电源电压的适应能力。在功耗方面，该结构利用简单的跨导增强支路代替了传统结构中的运放，降低了电流消耗。因此本发明能够实现高线性度的同时满足对低电源电压以及低功耗的要求。

综上所述，本发明的高线性度上混频器能够适用于低电源电压应用场合。该结构同时具有电路结构简单，功耗低的特点。

附图说明

图1为本发明的高线性度低电压上变频器电路图；

图2为本发明的上变频器转换增益随输入频率的关系曲线；

图3为常规吉尔伯特上变频器与本发明上变频器的双音测试对比图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一种低电压高线性度上变频信号输出方法，利用负反馈电路构造基于超级源跟随结构的跨导电路，使得流过本振开关的中频电流与输入电压呈现高度线性关系；并利用电流镜将转换电流复制并注入到本振开关，经本振开关的变频作用产生上变频信号以及谐波混频产物，再经负载电路滤除谐波混频产物，输出纯净的上变频信号。

其思路为：利用负反馈电路构造基于超级源跟随结构的跨导电路，使得流过本振开关的中频电流与输入电压呈现高度线性关系，进而提升了整个上变频器的线性度。此外，相比于传统基于运放结构的输入跨导级结构，本发明从电源到地之间仅层叠3个晶体管，更适用于低电源电压的应用场合。

一种低电压高线性度上变频器，所述上变频器为全差分结构，包括相互连接的第一差分电路和第二差分电路；所述第一差分电路包括由负反馈电路构造基于超级源跟随结构的具有电流镜关系的第一跨导电路、第一本振开关以及第一负载电路，且所述第一跨导电路、第一本振开关以及第一负载电路相互连接；所述第二差分电路包括由负反馈电路构造基于超级源跟随结构的具有电流镜关系的第二跨导电路、第二本振开关以及第二负载电路，且所述第二跨导电路、第二本振开关以及第二负载电路相互连接。

如图1所示，所述第一跨导电路包括第一、第二、第四、第六PMOS管以及第三NMOS管，第五PMOS管，第一PMOS管M1的源极、第四PMOS管M4的源极以及第六PMOS管M6的源极接电源电压，同时第一PMOS管M1漏极与第二PMOS管M2源极相连，而第一PMOS管M1栅极、第六PMOS管M6栅极、第四PMOS管M4的漏极以及第五PMOS管M5的源极互相连接；所述第二PMOS管M2的漏极与第三NMOS管M3的漏极以及第五PMOS管M5的栅极相连；同时所述第三NMOS管M3的源极和第五PMOS管M5的漏极接地；

所述第一本振开关包括第七、第八PMOS管，且第七PMOS管M7的源极、第八PMOS管M8源极以及第六PMOS管M6漏极互相连接；输出信号VOUTN从第八PMOS管M8漏极输出；

第一负载电路包括第一、第二电阻以及第九NMOS管，第一电阻R1的负端、第二电阻R2的正端以及第九NMOS管M9的漏极相互连接；且第一电阻R1的正端与第七PMOS管M7的漏极相连，第九NMOS管M9的源极以及第二电阻R2的负端接地；

第二跨导电路包括第十、第十四、第十五、第十六、第十七PMOS管以及第十八NMOS管，第十六PMOS管M16的源极、第十四PMOS管M14的源极以及第十PMOS管M10的源极接电源电压，同时第十六PMOS管M16漏极与第十七PMOS管M17源极相连，而第十PMOS管M10栅极、第十六PMOS管M16栅极、第十五PMOS管M15的源极以及第十四PMOS管M14的漏极相连；所述第十七PMOS管M17的漏极与第十八NMOS管M18的漏极以及第十五PMOS管M15的栅极相连；第十八NMOS管M18的源极和第十五PMOS管M15的漏极接地；

第二本振开关包括第十一、第十二PMOS管，第十一PMOS管M11的源极、第十二PMOS管M12源极以及第十PMOS管M10漏极相互连接；输出信号VOUTP从第十一PMOS管M11漏极输出；

第二负载电路包括第三、第四电阻以及第十三NMOS管；第三电阻R3的负端、第四电阻R4的正端以及第十三NMOS管M13的漏极相互连接；第三电阻R3的正端与第十二PMOS管M12的漏极相连；第十三NMOS管M13的源极以及第四电阻R4的负端接地；

另外，所述第二PMOS管M2的源极与第十七PMOS管M17的源极通过第五电阻R5的两端相连；第三NMOS管M3的栅极与第十八PMOS管M18栅极相连，接电位vbn1；第四PMOS管M4的栅极与第十四PMOS管M14栅极相连，接电位vbp1；第七PMOS管M7的栅极与第十二PMOS管M12栅极相连，并且连接本振正端信号LOI+；第八PMOS管M8的栅极与第十一PMOS管M11栅极相连，并且连接本振负端信号LOI-；第九NMOS管M9的栅极与第十三NMOS管M13栅极相连，接控制信号GC1。

所述第八PMOS管M8漏极连接有第一LC并联谐振网络；所述第十一PMOS管M11漏极连接有第二LC并联谐振网络；第一、第二LC并联谐振网络作为选频之用。

该上变频器由跨导级、本振开关以及负载构成。跨导电路利用负反馈环路构造超级源跟随结构，将输入电压完整复制到源极退化电阻两端，从而保证了较高的线性度。跨导级产生的电流通过电流镜被注入到本振开关，经本振开关的变频作用产生上变频信号以及谐波混频产物，位于负载端的LC带通滤波网络滤除谐波混频产物，输出纯净的上变频信号。

该电路的工作原理分析如下：本发明的上变频器为全差分结构，以左侧差分电路为例，输入跨导级由M1-M6以及电阻R5组成；输入管M2的漏极通过源极跟随器由M4和M5组成接到M1的栅极，构成负反馈环路；M2的电流由电流源M3箝位和固化，当输入电压发生变化时，负反馈环路自动调节M1的栅极电压，使得M2的源极电压始终跟随输入电压变化以保持M2的栅源电压不变。由于M2源极电压跟随了输入电压的变化，则流过M1的电流等于输入电压在电阻R5上形成的电流；当负反馈环路增益足够高的前提下，该电流与输入电压呈现高度的线性关系。M6与M1构成了电流镜关系，将跨导级产生的电流镜像并注入本振开关。本振开关为双平衡开关结构，在全差分本振信号的作用下交替导通和关断，将跨导级电流交替切换极性并产生上变频电流产物；经负载端并联的LC选频网络筛选出有用信号。

如图2所示，为本发明上变频器的单边带转换增益曲线，展现出对输入信号的一阶低通滤波效果。从图中可以看出：当有用信号带宽小于2M时，转换增益的带内波动小于0.3dB。

如图3所示，为常规吉尔伯特上变频器与本发明上变频器的双音测试对比图。从图中可以看出，当输出功率位于0dBm附近的情况下，传统吉尔伯特上变频器的IM3高于-30dBm，而本发明的上变频器的IM3则低于-40dBm，体现了更高的线性度。

由上可知，本发明高线性度中频跨导电路通过使用负反馈技术实现跨导的倍增效果，将输入差分电压精确复制到电阻两端从而获得高线性的等效输入跨导。相比与传统的吉尔伯特结构，本发明可显著提升整个上变频器的线性度。此外，本发明所描述的上变频器将电源地之间层叠的晶体管数目控制在三个以内，可有效适应低电源电压的应用场合。

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 (2)

1.一种低电压高线性度上变频信号输出方法，其特征在于：利用负反馈电路构造基于超级源跟随结构的跨导电路，使得流过本振开关的中频电流与输入电压呈现高度线性关系；并利用电流镜将转换电流复制并注入到本振开关，经本振开关的变频作用产生上变频信号以及谐波混频产物，再经负载电路滤除谐波混频产物，输出纯净的上变频信号；上变频器为全差分结构，包括相互连接的第一差分电路和第二差分电路；所述第一差分电路包括由负反馈电路构造基于超级源跟随结构的具有电流镜关系的第一跨导电路、第一本振开关以及第一负载电路，且所述第一跨导电路、第一本振开关以及第一负载电路相互连接；所述第二差分电路包括由负反馈电路构造基于超级源跟随结构的具有电流镜关系的第二跨导电路、第二本振开关以及第二负载电路，且所述第二跨导电路、第二本振开关以及第二负载电路相互连接；

所述第一跨导电路包括第一、第二、第四、第六PMOS管以及第三NMOS管，第五PMOS管，第一PMOS管(M1)的源极、第四PMOS管(M4)的源极以及第六PMOS管(M6)的源极接电源电压，同时第一PMOS管(M1)漏极与第二PMOS管(M2)源极相连，而第一PMOS管(M1)栅极、第六PMOS管(M6)栅极、第四PMOS管(M4)的漏极以及第五PMOS管(M5)的源极互相连接；所述第二PMOS管(M2)的漏极与第三NMOS管(M3)的漏极以及第五PMOS管(M5)的栅极相连；同时所述第三NMOS管(M3)的源极和第五PMOS管(M5)的漏极接地；

所述第一本振开关包括第七、第八PMOS管，且第七PMOS管(M7)的源极、第八PMOS管(M8)源极以及第六PMOS管(M6)漏极互相连接；输出信号VOUTN从第八PMOS管(M8)漏极输出；

第一负载电路包括第一、第二电阻以及第九NMOS管，第一电阻(R1)的负端、第二电阻(R2)的正端以及第九NMOS管(M9)的漏极相互连接；且第一电阻(R1)的正端与第七PMOS管(M7)的漏极相连，第九NMOS管(M9)的源极以及第二电阻(R2)的负端接地；

第二跨导电路包括第十、第十四、第十五、第十六、第十七PMOS管以及第十八NMOS管，第十六PMOS管(M16)的源极、第十四PMOS管(M14)的源极以及第十PMOS管(M10)的源极接电源电压，同时第十六PMOS管(M16)漏极与第十七PMOS管(M17)源极相连，而第十PMOS管(M10)栅极、第十六PMOS管(M16)栅极、第十五PMOS管(M15)的源极以及第十四PMOS管(M14)的漏极相连；所述第十七PMOS管(M17)的漏极与第十八NMOS管(M18)的漏极以及第十五PMOS管(M15)的栅极相连；第十八NMOS管(M18)的源极和第十五PMOS管(M15)的漏极接地；

第二本振开关包括第十一、第十二PMOS管，第十一PMOS管(M11)的源极、第十二PMOS管(M12)源极以及第十PMOS管(M10)漏极相互连接；输出信号VOUTP从第十一PMOS管(M11)漏极输出；

第二负载电路包括第三、第四电阻以及第十三NMOS管；第三电阻(R3)的负端、第四电阻(R4)的正端以及第十三NMOS管(M13)的漏极相互连接；第三电阻(R3)的正端与第十二PMOS管(M12)的漏极相连；第十三NMOS管(M13)的源极以及第四电阻(R4)的负端接地；

另外，所述第二PMOS管(M2)的源极与第十七PMOS管(M17)的源极通过第五电阻(R5)的两端相连；第三NMOS管(M3)的栅极与第十八NMOS管(M18)栅极相连，接电位vbn1；第四PMOS管(M4)的栅极与第十四PMOS管(M14)栅极相连，接电位vbp1；第七PMOS管(M7)的栅极与第十二PMOS管(M12)栅极相连，并且连接本振正端信号LOI+；第八PMOS管(M8)的栅极与第十一PMOS管(M11)栅极相连，并且连接本振负端信号LOI-；第九NMOS管(M9)的栅极与第十三NMOS管(M13)栅极相连，接控制信号GC1。

2.根据权利要求1所述的低电压高线性度上变频信号输出方法，其特征在于：所述第八PMOS管(M8)漏极连接有第一LC并联谐振网络；所述第十一PMOS管(M11)漏极连接有第二LC并联谐振网络。