CN106100589A - 一种单转双窄带无源混频器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单转双窄带无源混频器，包括依次连接的跨导级、本振开关以及跨阻放大器，所述跨导级在NMOS跨导管的上下分别串联PMOS电流源和NMOS电流源，所述跨导级利用无源混频开关的阻抗变化作用，在本振频率处拉低跨导级的输出阻抗并构造近似交流虚地，输入电压的变化将引起NMOS跨导管电流变化，而NMOS跨导管产生的射频电流均注入本振开关，其源极和漏极电流大小相等，相位相反；所述跨阻放大器根据饱和区MOS管从源端和漏端看进去阻抗具有显著差别的特性，对输出阻抗和输入阻抗采用跨导增强技术减少输入阻抗并提高输出阻抗。本发明的混频器使用单路偏置电流实现了双路差分电流输出的效果，显著降低了功耗。

Description

一种单转双窄带无源混频器

技术领域

本发明涉及一种单转双窄带无源混频器，具有低功耗，高转换增益以及高频率选择性等特点。

背景技术

在射频接收系统中，混频器负责将射频信号变频至基带或者中频频段，是接收链路中的核心模块，作为射频信号和中频信号的链接，其功耗水平在接收链路中占据了可观的份额。因此为了实现整体接收电路的低功耗，对混频器功耗的优化设计十分关键。此外随着无线通信的迅速普及，日常环境中的无线电信号干扰随之增加，为了避免接收机在上述干扰信号下发生信号阻塞，对射频接收前端的频率选择性提出了更高的要求。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种适用于单端输入，差分输出应用场合的单转双窄带无源混频器，该混频器使用单路偏置电流实现了双路差分电流输出的效果，显著降低了功耗。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种单转双窄带无源混频器，该混频器跨导级具有单路偏置电流实现双路差分电流输出功能，利用无源混频开关的阻抗搬移作用，在本振频率处拉低跨导级输出阻抗并构造类似交流虚地；当输入电压变化时，跨导管分别从差分输出端抽拉电流，实现单路偏置电流实现双路差分电流输出的效果，显著节约了功耗；跨阻放大器采用跨导增强技术，对下变频信号实现低输入阻抗的同时，显著提高了跨阻放大器的输出阻抗，保证了较高的转换增益。同时，该混频器等效跨导依赖于跨阻放大器所构造的带通频率响应，为转换增益提供了额外的带通滤波效果，实现了对带外干扰信号更高的抑制比。

包括依次连接的跨导级、本振开关以及跨阻放大器，所述跨导级在NMOS跨导管的上下分别串联PMOS电流源和NMOS电流源，所述跨导级利用无源混频开关的阻抗变化作用，在本振频率处拉低跨导级的输出阻抗并构造近似交流虚地，输入电压的变化将引起NMOS跨导管电流变化，而NMOS跨导管产生的射频电流均注入本振开关，其源极和漏极电流大小相等，相位相反。所述跨阻放大器根据饱和区MOS管从源端和漏端的输入阻抗具有显著差别的特性，对输出阻抗和输入阻抗采用跨导增强技术减少输入阻抗并提高输出阻抗。

所述跨导级包括第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2、第一PMOS管PM1、第一电阻R1、第一电容C1、第二电阻R2、第二电容C2、第三电容C3以及第四电容C4，其中：

第一NMOS管NM1的栅极接第一偏置电压，第一NMOS管NM1的源极接地，第一NMOS管NM1的漏极接第二NMOS管NM2的源极。

第二NMOS管NM2的栅极接第一电阻R1的正极，第一电阻R1的负极接第二偏置电压。第二NMOS管NM2的栅极接第一电容C1的下极板，第一电容C1的上极板接输入信号。第二NMOS管NM2的漏极接第一PMOS管PM1的漏极。

第一PMOS管PM1的源极接电源，第一PMOS管PM1的栅极接第二电容C2的下极板，第二电容C2的上极板接电源。第二电阻R2的正端接第一PMOS管PM1的漏极，第二电阻R2的负端接第一PMOS管PM1的栅极。第一参考电流IREF1的正端接第一PMOS管PM1的栅极，第一参考电流IREF1的负端接地。

第三电容C3的正端接第二NMOS管NM2的漏极，第四电容C4的正端接第二NMOS管NM2的源极。

所述本振开关包括第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4、第五NMOS管NM5、第六NMOS管NM6的漏极，其中：

第三NMOS管NM3的漏极接第三电容C3的负端，第三NMOS管NM3的栅极接本振负极，第三NMOS管NM3的源极接第五电容C5的正端。

第四NMOS管NM4的漏极接第三电容C3的负端。第四NMOS管NM4的栅极接本振正极，第四NMOS管NM4的源极接第五电容C5的负端。

第五NMOS管NM5的漏极接第四电容C4的负端，第五NMOS管NM5的栅极接本振正极，第五NMOS管NM5的源极接第五电容C5的正端。

第六NMOS管NM6的漏极接第四电容C4的负端，第六NMOS管NM6的栅极接本振负极，第六NMOS管NM6的源极接第五电容C5的负端。

所述跨阻放大器包括第二PMOS管PM2、第六PMOS管PM6、第三电阻R3、第四PMOS管PM4、第七NMOS管NM7、第五PMOS管PM5、第八NMOS管NM8、第三PMOS管PM3、第七PMOS管PM7以及第四电阻R4，其中：

第二PMOS管PM2的源极接电源，第二PMOS管PM2的栅极接第三偏置电压，第二PMOS管PM2的漏极接第五电容C5的正端。

第六PMOS管PM6的源极接第二PMOS管PM2的漏极，第六PMOS管PM6的栅极接第四PMOS管PM4的漏极，第六PMOS管PM6的漏极接输出正极。

第三电阻R3的正极接第六NMOS管PM6的漏极，第三电阻R3的负极接地。

第四PMOS管PM4的源极接电源，第四PMOS管PM4的栅极接第二PMOS管PM2的漏极。

第七NMOS管NM7的栅极接第四偏置电压，第七NMOS管NM7的漏极接第四NMOS管PM4的漏极，第七NMOS管NM7的源极接地。

第五PMOS管PM5的源极接电源，第五PMOS管PM5的栅极接第三PMOS管PM3的漏极，第五PMOS管PM5的栅极接第五电容C5的负端。

第八NMOS管NM8的栅极接第四偏置电压，第八NMOS管NM8的漏极接第五PMOS管PM5的漏极，第八NMOS管NM8的源极接地。

第三PMOS管PM3的源极接电源，第三PMOS管PM3的栅极接第三偏置电压，第三PMOS管PM3的漏极接第五电容C5的负端。

第七PMOS管PM7的源极接第三PMOS管PM3的漏极，第七PMOS管PM7的栅极接第五PMOS管PM5的漏极，第七PMOS管PM7的漏极接输出负极。

第四电阻R4的正极接第七PMOS管PM7的漏极，第四电阻R4的负极接地。

有益效果：本发明提供的一种单转双窄带无源混频器，相比现有技术，具有以下有益效果：

本发明的跨导级在NMOS跨导管的上下分别串联PMOS电流源和NMOS电流源，利用了无源混频开关的阻抗变化作用，在本振频率处拉低跨导级的输出阻抗并构造近似交流虚地，输入电压的变化将引起跨导管电流变化，而由于跨导级流进电源和地的电流被固定，并且跨导管的源漏极往本振开关看进去的阻抗足够低，因此其产生的射频电流均注入本振开关级，其源极和漏极电流大小相等，相位相反。相比于相同跨导值的传统差分结构，其偏置电流可减少一半。在跨阻放大器的设计上，本发明充分利用了饱和区MOS管从源端和漏端看进去阻抗具有显著差别的特性，并且利用跨导增强技术进一步减少了输入阻抗并提高了输出阻抗。输入阻抗的显著降低在跨导级输出端构造了稳定的交流地，提高了射频电流的利用率；输出阻抗的提高使得混频器的负载电阻值可以进一步提高，有效提升了转换增益。由于等效跨导值依赖于从开关级往跨阻放大器看过去的阻抗，因此该无源混频器实现了更高阶的频率选择特性，可实现对带外干扰信号的有效抑制。综上，本发明使用单路偏置电流实现了双路差分电流输出的效果，显著降低了功耗。因此本发明适用于高转换增益，高频率选择性应用场合的无源混频器，并具有低功耗的特点

附图说明

图1为本发明的单转双窄带无源混频器电路图；

图2为所示为本发明的单转双窄带无源混频器转换增益曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

一种单转双窄带无源混频器，该混频器由巴伦跨导级、本振开关以及跨阻放大器构成；传统差分跨导级包含独立的差分支路，其输出射频电流具有相反的极性，分别注入本振开关的差分支路。为了保证带宽和噪声性能，跨导级偏置电流在混频器中占据了较大的比例，因此如能降低跨导级电流则可显著降低混频器总体功耗。本发明从功能模块划分上与传统的无源混频器一致：跨导级负责将输入射频电压转化为射频电流；无源本振开关对该射频电流进行变频作用；跨阻放大器则负责将中频电流转化成输出中频电压。本发明的创新之处主要体现在跨导级和跨阻放大器的设计上。传统差分跨导级包含独立的差分支路，其输出射频电流具有相反的极性，分别注入本振开关的差分支路。为了保证带宽和噪声性能，跨导级偏置电流在混频器中占据了较大的比例，因此如能降低跨导级电流则可显著降低混频器总体功耗。本发明提出一种采用单路偏置电流实现双路差分电流输出的跨导级电路；该电路在NMOS跨导管的上下分别串联PMOS电流源和NMOS电流源，利用了无源混频开关的阻抗变化作用，在本振频率处拉低跨导级的输出阻抗并构造近似交流虚地，输入电压的变化将引起跨导管电流变化，而由于跨导级流进电源和地的电流被固定，并且跨导管的源漏极往本振开关看进去的阻抗足够低，因此其产生的射频电流均注入本振开关级，其源极和漏极电流大小相等，相位相反。相比于相同跨导值的传统差分结构，其偏置电流可减少一半。

在跨阻放大器的设计上，本发明充分利用了饱和区MOS管从源端和漏端看进去阻抗具有显著差别的特性，并且利用跨导增强技术进一步减少了输入阻抗并提高了输出阻抗。输入阻抗的显著降低在跨导级输出端构造了稳定的交流地，提高了射频电流的利用率；输出阻抗的提高使得混频器的负载电阻值可以进一步提高，有效提升了转换增益。由于等效跨导值依赖于从开关级往跨阻放大器看过去的阻抗，因此该无源混频器实现了更高阶的频率选择特性，可实现对带外干扰信号的有效抑制。

图1为电路的具体结构如下：

包括依次连接的跨导级、本振开关以及跨阻放大器，所述跨导级在NMOS跨导管的上下分别串联PMOS电流源和NMOS电流源，所述跨导级利用无源混频开关的阻抗变化作用，在本振频率处拉低跨导级的输出阻抗并构造近似交流虚地，输入电压的变化将引起NMOS跨导管电流变化，而NMOS跨导管产生的射频电流均注入本振开关，其源极和漏极电流大小相等，相位相反。所述跨阻放大器根据饱和区MOS管从源端和漏端的输入阻抗具有显著差别的特性，对输出阻抗和输入阻抗采用跨导增强技术减少输入阻抗并提高输出阻抗。

所述跨导级包括第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2、第一PMOS管PM1、第一电阻R1、第一电容C1、第二电阻R2、第二电容C2、第三电容C3以及第四电容C4，NMOS管为N型金属氧化物晶体管的简称，PMOS管为P型金属氧化物晶体管的简称，其中：

第一NMOS管NM1的栅极接第一偏置电压，第一NMOS管NM1的源极接地，第一NMOS管NM1的漏极接第二NMOS管NM2的源极。

第二NMOS管NM2的栅极接第一电阻R1的正极，第一电阻R1的负极接第二偏置电压。第二NMOS管NM2的栅极接第一电容C1的下极板，第一电容C1的上极板接输入信号。第二NMOS管NM2的漏极接第一PMOS管PM1的漏极。

第一PMOS管PM1的源极接电源，第一PMOS管PM1的栅极接第二电容C2的下极板，第二电容C2的上极板接电源。第二电阻R2的正端接第一PMOS管PM1的漏极，第二电阻R2的负端接第一PMOS管PM1的栅极。第一参考电流IREF1的正端接第一PMOS管PM1的栅极，第一参考电流IREF1的负端接地。

第三电容C3的正端接第二NMOS管NM2的漏极，第四电容C4的正端接第二NMOS管NM2的源极。

所述本振开关包括第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4、第五NMOS管NM5、第六NMOS管NM6的漏极，其中：

第三NMOS管NM3的漏极接第三电容C3的负端，第三NMOS管NM3的栅极接本振负极，第三NMOS管NM3的源极接第五电容C5的正端。

第四NMOS管NM4的漏极接第三电容C3的负端。第四NMOS管NM4的栅极接本振正极，第四NMOS管NM4的源极接第五电容C5的负端。

第五NMOS管NM5的漏极接第四电容C4的负端，第五NMOS管NM5的栅极接本振正极，第五NMOS管NM5的源极接第五电容C5的正端。

第六NMOS管NM6的漏极接第四电容C4的负端，第六NMOS管NM6的栅极接本振负极，第六NMOS管NM6的源极接第五电容C5的负端。

所述跨阻放大器包括第二PMOS管PM2、第六PMOS管PM6、第三电阻R3、第四PMOS管PM4、第七NMOS管NM7、第五PMOS管PM5、第八NMOS管NM8、第三PMOS管PM3、第七PMOS管PM7以及第四电阻R4，其中：

第二PMOS管PM2的源极接电源，第二PMOS管PM2的栅极接第三偏置电压，第二PMOS管PM2的漏极接第五电容C5的正端。

第六PMOS管PM6的源极接第二PMOS管PM2的漏极，第六PMOS管PM6的栅极接第四PMOS管PM4的漏极，第六PMOS管PM6的漏极接输出正极。

第三电阻R3的正极接第六NMOS管PM6的漏极，第三电阻R3的负极接地。

第四PMOS管PM4的源极接电源，第四PMOS管PM4的栅极接第二PMOS管PM2的漏极。

第七NMOS管NM7的栅极接第四偏置电压，第七NMOS管NM7的漏极接第四NMOS管PM4的漏极，第七NMOS管NM7的源极接地。

第五PMOS管PM5的源极接电源，第五PMOS管PM5的栅极接第三PMOS管PM3的漏极，第五PMOS管PM5的栅极接第五电容C5的负端。

第八NMOS管NM8的栅极接第四偏置电压，第八NMOS管NM8的漏极接第五PMOS管PM5的漏极，第八NMOS管NM8的源极接地。

第三PMOS管PM3的源极接电源，第三PMOS管PM3的栅极接第三偏置电压，第三PMOS管PM3的漏极接第五电容C5的负端。

第七PMOS管PM7的源极接第三PMOS管PM3的漏极，第七PMOS管PM7的栅极接第五PMOS管PM5的漏极，第七PMOS管PM7的漏极接输出负极。

第四电阻R4的正极接第七PMOS管PM7的漏极，第四电阻R4的负极接地。

图2所示为本发明的单转双窄带无源混频器转换增益曲线，其本振频率为2.4GHz；从图中可以看出，在本振频率附近实现了27.5dB的高转换增益。对50MHz频偏处的信号抑制比为18dB，达到了良好的频率选择特性。

由上述可知，本发明的混频器跨导级具有单路偏置电流实现双路差分电流输出功能，利用无源混频开关的阻抗搬移作用，在本振频率处拉低跨导级输出阻抗并构造类似交流虚地；当输入电压变化时，跨导管分别从差分输出端抽拉电流，实现单路偏置电流实现双路差分电流输出的效果，显著节约了功耗；跨阻放大器采用跨导增强技术，对下变频信号实现低输入阻抗的同时，显著提高了跨阻放大器的输出阻抗，保证了较高的转换增益。同时，该混频器等效跨导依赖于跨阻放大器所构造的带通频率响应，为转换增益提供了额外的带通滤波效果，实现了对带外干扰信号更高的抑制比。

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 (4)

1.一种单转双窄带无源混频器，其特征在于：包括依次连接的跨导级、本振开关以及跨阻放大器，所述跨导级在NMOS跨导管的上下分别串联PMOS电流源和NMOS电流源，所述跨导级利用无源混频开关的阻抗变化作用，在本振频率处拉低跨导级的输出阻抗并构造近似交流虚地，输入电压的变化将引起NMOS跨导管电流变化，而NMOS跨导管产生的射频电流均注入本振开关，其源极和漏极电流大小相等，相位相反；所述跨阻放大器根据饱和区MOS管从源端和漏端的输入阻抗具有显著差别的特性，对输出阻抗和输入阻抗采用跨导增强技术减少输入阻抗并提高输出阻抗。

2.根据权利要求1所述的单转双窄带无源混频器，其特征在于：所述跨导级包括第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2、第一PMOS管PM1、第一电阻R1、第一电容C1、第二电阻R2、第二电容C2、第三电容C3以及第四电容C4，其中：

第一NMOS管NM1的栅极接第一偏置电压，第一NMOS管NM1的源极接地，第一NMOS管NM1的漏极接第二NMOS管NM2的源极；

第二NMOS管NM2的栅极接第一电阻R1的正极，第一电阻R1的负极接第二偏置电压；第二NMOS管NM2的栅极接第一电容C1的下极板，第一电容C1的上极板接输入信号；第二NMOS管NM2的漏极接第一PMOS管PM1的漏极；

第一PMOS管PM1的源极接电源，第一PMOS管PM1的栅极接第二电容C2的下极板，第二电容C2的上极板接电源；第二电阻R2的正端接第一PMOS管PM1的漏极，第二电阻R2的负端接第一PMOS管PM1的栅极；第一参考电流IREF1的正端接第一PMOS管PM1的栅极，第一参考电流IREF1的负端接地；

第三电容C3的正端接第二NMOS管NM2的漏极，第四电容C4的正端接第二NMOS管NM2的源极。

3.根据权利要求2所述的单转双窄带无源混频器，其特征在于：所述本振开关包括第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4、第五NMOS管NM5、第六NMOS管NM6的漏极，其中：

第三NMOS管NM3的漏极接第三电容C3的负端，第三NMOS管NM3的栅极接本振负极，第三NMOS管NM3的源极接第五电容C5的正端；

第四NMOS管NM4的漏极接第三电容C3的负端；第四NMOS管NM4的栅极接本振正极，第四NMOS管NM4的源极接第五电容C5的负端；

第五NMOS管NM5的漏极接第四电容C4的负端，第五NMOS管NM5的栅极接本振正极，第五NMOS管NM5的源极接第五电容C5的正端；

第六NMOS管NM6的漏极接第四电容C4的负端，第六NMOS管NM6的栅极接本振负极，第六NMOS管NM6的源极接第五电容C5的负端。

4.根据权利要求3所述的单转双窄带无源混频器，其特征在于：所述跨阻放大器包括第二PMOS管PM2、第六PMOS管PM6、第三电阻R3、第四PMOS管PM4、第七NMOS管NM7、第五PMOS管PM5、第八NMOS管NM8、第三PMOS管PM3、第七PMOS管PM7以及第四电阻R4，其中：

第二PMOS管PM2的源极接电源，第二PMOS管PM2的栅极接第三偏置电压，第二PMOS管PM2的漏极接第五电容C5的正端；

第六PMOS管PM6的源极接第二PMOS管PM2的漏极，第六PMOS管PM6的栅极接第四PMOS管PM4的漏极，第六PMOS管PM6的漏极接输出正极；

第三电阻R3的正极接第六NMOS管PM6的漏极，第三电阻R3的负极接地；

第四PMOS管PM4的源极接电源，第四PMOS管PM4的栅极接第二PMOS管PM2的漏极；

第七NMOS管NM7的栅极接第四偏置电压，第七NMOS管NM7的漏极接第四NMOS管PM4的漏极，第七NMOS管NM7的源极接地；

第五PMOS管PM5的源极接电源，第五PMOS管PM5的栅极接第三PMOS管PM3的漏极，第五PMOS管PM5的栅极接第五电容C5的负端；

第八NMOS管NM8的栅极接第四偏置电压，第八NMOS管NM8的漏极接第五PMOS管PM5的漏极，第八NMOS管NM8的源极接地；

第三PMOS管PM3的源极接电源，第三PMOS管PM3的栅极接第三偏置电压，第三PMOS管PM3的漏极接第五电容C5的负端；

第七PMOS管PM7的源极接第三PMOS管PM3的漏极，第七PMOS管PM7的栅极接第五PMOS管PM5的漏极，第七PMOS管PM7的漏极接输出负极；

第四电阻R4的正极接第七PMOS管PM7的漏极，第四电阻R4的负极接地。