CN106208969A - 一种低电压自偏置电流复用无源混频器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低电压自偏置电流复用无源混频器，包括自偏置互补输入跨导级、无源本振开关和低电压跨阻放大器；所述自偏置互补输入跨导级为CMOS结构，通过NMOS管和PMOS管共同向无源本振开关注入射频电流；低电压跨阻放大器为采用跨导自举电路的共栅放大器，且该跨导自举电路采用了NMOS管输入的共源放大器结构；自偏置互补输入跨导级通过无源本振开关与低电压跨阻放大器构成电流复用。本发明同时降低了电源电压和偏置电流，实现了较高的转换增益，显著降低了混频器的功耗水平，具有转换增益高、工作稳定、总体功耗低的特点。

Description

一种低电压自偏置电流复用无源混频器

技术领域

本发明涉及一种低电压自偏置电流复用无源混频器，属于混频器技术领域。

背景技术

手持无线设备的迅速普及对射频收发模块的低功耗设计提出了越来越高的要求。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。针对混频器的低功耗设计方法和电路结构一直是业界的研究热点，而降低电源电压和减少偏置电流是降低功耗的主要途径。而当半导体工艺尺寸到达40nm以下时，短沟道晶体管的有限输出阻抗给偏置电流的精确设置带来了挑战。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明提供一种低电压自偏置电流复用无源混频器，相比传统无源混频器，本发明同时降低电源电压和偏置电流，显著降低混频器的功耗水平，实现较高的转换增益，且工作稳定。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种低电压自偏置电流复用无源混频器，包括自偏置互补输入跨导级、无源本振开关和低电压跨阻放大器，所述自偏置互补输入跨导级包括PMOS跨导管和NMOS跨导管，且构成CMOS结构；PMOS跨导管包括镜像PMOS跨导管与自偏置PMOS跨导管，且两者采用电容耦合的方式共同向无源本振开关提供射频电流；低电压跨阻放大器包括采用跨导自举电路的共栅放大器，其中，跨导自举电路包括NMOS管共源放大器；且自偏置互补输入跨导级通过无源本振开关与低电压跨阻放大器构成电流复用。

优选的，所述自偏置互补输入跨导级包括第一NMOS管NM1、第六NMOS管NM6、第一PMOS管PM1、第六PMOS管PM6、第一电阻R1、第二电阻R2、第五电阻R5、第一电容C1、第三电容C3以及第四电容C4，具体电路结构为：

第一NMOS管NM1的源极接地，其栅极接射频输入信号，其漏极接第一PMOS管PM1的漏极；第一电阻R1的正极接第一偏置电压，其负极接第一NMOS管NM1的栅极；第六NMOS管NM6的源极接地，其栅极接第二偏置电压，其漏极接第二电阻R2的负极；第一PMOS管PM1的源极接电源电压VCC，其栅极接第二电阻R2的正极，其漏极接第三电容C3的上极板；第五电阻R5的正极接第一PMOS管PM1的漏极，其负极接第六NMOS管NM6的漏极；第一电容C1的上极板接第一PMOS管PM1的栅极，其下极板接第一NMOS管NM1的栅极；第四电容C4的上极板接电源电压VCC，其下极板接第二电阻R2的负极；第六PMOS管PM6的源极接电源电压VCC，其栅极接第一PMOS管PM1的栅极，其漏极接第三电容C3的下极板。

优选的，所述无源本振开关包括第二NMOS管NM2和第三NMOS管NM3，具体电路结构为：

第二NMOS管NM2的栅极接本振信号LO的正极，其漏极接第三电容C3的下极板，其源极接第二电容C2的下极板；第三NMOS管NM3的栅极接本振信号LO的负极，其漏极接第三电容C3的下极板，其源极接第二电容C2的上极板。

优选的，所述低电压跨阻放大器包括第二电容C2、第四NMOS管NM4、第五NMOS管NM5、第二PMOS管PM2、第三PMOS管PM3、第四PMOS管PM4、第五PMOS管PM5、第三电阻R3和第四电阻R4，具体电路结构为：

第二PMOS管PM2的源极接第二电容C2的下极板，其栅极接第四NMOS管NM4的漏极，其漏极接输出信号正极VOUT+；第三PMOS管PM3的源极接第二电容C2的上极板，其栅极接第五NMOS管NM5的漏极，其漏极接输出信号负极VOUT-；第三电阻R3的正极接第二PMOS管PM2的漏极，其负极接地；第四电阻R4的正极接第三PMOS管PM3的漏极，其负极接地；第四NMOS管NM4的源极接地，其栅极接第二电容C2的下极板，其漏极接第四PMOS管PM4的漏极；第五NMOS管NM5的源极接地，其栅极接第二电容C2的上极板，其漏极接第五PMOS管PM5的漏极；第四PMOS管PM4的源极接电源电压VCC，其栅极接第三偏置电压，其漏极接第四NMOS管NM4的漏极；第五PMOS管PM5的源极接电源电压VCC，其栅极接第三偏置电压，其漏极接第五NMOS管NM5的漏极。

有益效果：本发明提出的一种低电压电流复用无源混频器，相比现有技术，具有以下效果：该混频器由跨导级、开关级、跨阻放大器构成。其跨导级为CMOS结构，可偏置在较低的电源电压下。跨阻放大器为融入跨导自举技术的共栅放大器，为降低电源电压，跨导自举电路采用了NMOS输入的共源放大器结构；此外跨导级通过混频器的开关级与跨阻放大器构成电流复用，降低了总体偏置电流。在跨导级，NMOS管和PMOS管一起向开关级注入射频电流，获得了较高的等效跨导。跨阻放大器通过增益自举可获得足够低的输入阻抗，可充分吸收变频后的电流并将其在负载电阻上转换成输出电压。由于对共栅管进行了跨导自举，使得从负载电阻端往上看过去的阻抗更高，因此可以进一步提高负载电阻值而不会带来增益压缩效应。通过以上措施，该混频器同时降低了电源电压和偏置电流，并且实现了较高的转换增益。

此外，由于短沟道晶体管的输出阻抗较低，如果用设置PMOS跨导管和NMOS跨导管偏置电流差值来为跨阻放大器进行偏置的方法，将会给跨阻放大器的实际偏置电流带来很大的不确定性。本发明通过对PMOS跨导管采取自偏置，以及镜像一部分PMOS跨导电流注入跨阻放大器的方式，确保了跨导级晶体管处于饱和区，并保证了跨阻放大器的偏置电流处于合理的范围内。其中镜像PMOS跨导管与自偏置PMOS跨导管采用电容耦合的方式，对射频信号而言相当于直接并联，共同提供射频电流。

附图说明

图1为本发明的低电压自偏置电流复用无源混频器的电路图；

图2为本发明的低电压自偏置电流复用无源混频器转换增益随输入频率变化的曲线图。

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所示为一种低电压自偏置电流复用无源混频器，包括自偏置互补输入跨导级、无源本振开关和低电压跨阻放大器，所述自偏置互补输入跨导级包括PMOS跨导管和NMOS跨导管，且构成CMOS结构；PMOS跨导管包括镜像PMOS跨导管与自偏置PMOS跨导管，且两者采用电容耦合的方式共同向无源本振开关提供射频电流；低电压跨阻放大器包括采用跨导自举电路的共栅放大器，其中，跨导自举电路包括NMOS管共源放大器；且自偏置互补输入跨导级通过无源本振开关与低电压跨阻放大器构成电流复用。

如图1所示，本实施例中，所述自偏置互补输入跨导级包括第一NMOS管NM1、第六NMOS管NM6、第一PMOS管PM1、第六PMOS管PM6、第一电阻R1、第二电阻R2、第五电阻R5、第一电容C1、第三电容C3以及第四电容C4，具体电路结构为：

第一NMOS管NM1的源极接地，其栅极接射频输入信号，其漏极接第一PMOS管PM1的漏极；第一电阻R1的正极接第一偏置电压，其负极接第一NMOS管NM1的栅极；第六NMOS管NM6的源极接地，其栅极接第二偏置电压，其漏极接第二电阻R2的负极；第一PMOS管PM1的源极接电源电压VCC，其栅极接第二电阻R2的正极，其漏极接第三电容C3的上极板；第五电阻R5的正极接第一PMOS管PM1的漏极，其负极接第六NMOS管NM6的漏极；第一电容C1的上极板接第一PMOS管PM1的栅极，其下极板接第一NMOS管NM1的栅极；第四电容C4的上极板接电源电压VCC，其下极板接第二电阻R2的负极；第六PMOS管PM6的源极接电源电压VCC，其栅极接第一PMOS管PM1的栅极，其漏极接第三电容C3的下极板。

所述无源本振开关包括第二NMOS管NM2和第三NMOS管NM3，具体电路结构为：

第二NMOS管NM2的栅极接本振信号LO的正极，其漏极接第三电容C3的下极板，其源极接第二电容C2的下极板；第三NMOS管NM3的栅极接本振信号LO的负极，其漏极接第三电容C3的下极板，其源极接第二电容C2的上极板。

所述低电压跨阻放大器包括第二电容C2、第四NMOS管NM4、第五NMOS管NM5、第二PMOS管PM2、第三PMOS管PM3、第四PMOS管PM4、第五PMOS管PM5、第三电阻R3和第四电阻R4，具体电路结构为：

第二PMOS管PM2的源极接第二电容C2的下极板，其栅极接第四NMOS管NM4的漏极，其漏极接输出信号正极VOUT+；第三PMOS管PM3的源极接第二电容C2的上极板，其栅极接第五NMOS管NM5的漏极，其漏极接输出信号负极VOUT-；第三电阻R3的正极接第二PMOS管PM2的漏极，其负极接地；第四电阻R4的正极接第三PMOS管PM3的漏极，其负极接地；第四NMOS管NM4的源极接地，其栅极接第二电容C2的下极板，其漏极接第四PMOS管PM4的漏极；第五NMOS管NM5的源极接地，其栅极接第二电容C2的上极板，其漏极接第五PMOS管PM5的漏极；第四PMOS管PM4的源极接电源电压VCC，其栅极接第三偏置电压，其漏极接第四NMOS管NM4的漏极；第五PMOS管PM5的源极接电源电压VCC，其栅极接第三偏置电压，其漏极接第五NMOS管NM5的漏极。

本发明提出的低电压自偏置电流复用无源混频器，由于互补输入跨导级为CMOS结构，可偏置在较低的电源电压下，即可工作在0.7V电源电压下。且低电压跨阻放大器为融入跨导自举技术的共栅放大器，为降低电源电压，跨导自举电路采用了NMOS输入的共源放大器结构；此外与传统无源混频器不同的是，互补输入跨导级通过混频器的本振开关管与跨阻级构成电流复用，降低了总体偏置电流。本发明从降低电源电压和减少偏置电流两方面入手，在不影响电路性能的前提下显著降低了功耗。

如图2所示为本发明的低电压电流复用无源混频器转换增益随输入频率变化的曲线图，其本振频率为1.575GHz；从图中可以看出，在本振频率附近10MHz带宽内转换增益曲线平坦，约为27dB。其电源电压为0.7V，偏置电流为0.6mA。

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)

1.一种低电压自偏置电流复用无源混频器，其特征在于，包括自偏置互补输入跨导级、无源本振开关和低电压跨阻放大器，所述自偏置互补输入跨导级包括PMOS跨导管和NMOS跨导管，且构成CMOS结构；PMOS跨导管包括镜像PMOS跨导管与自偏置PMOS跨导管，且两者采用电容耦合的方式共同向无源本振开关提供射频电流；低电压跨阻放大器包括采用跨导自举电路的共栅放大器，其中，跨导自举电路包括NMOS管共源放大器；且自偏置互补输入跨导级通过无源本振开关与低电压跨阻放大器构成电流复用。

2.根据权利要求1所述的一种低电压自偏置电流复用无源混频器，其特征在于，所述自偏置互补输入跨导级包括第一NMOS管NM1、第六NMOS管NM6、第一PMOS管PM1、第六PMOS管PM6、第一电阻R1、第二电阻R2、第五电阻R5、第一电容C1、第三电容C3以及第四电容C4，具体电路结构为：

第一NMOS管NM1的源极接地，其栅极接射频输入信号，其漏极接第一PMOS管PM1的漏极；第一电阻R1的正极接第一偏置电压，其负极接第一NMOS管NM1的栅极；第六NMOS管NM6的源极接地，其栅极接第二偏置电压，其漏极接第二电阻R2的负极；第一PMOS管PM1的源极接电源电压VCC，其栅极接第二电阻R2的正极，其漏极接第三电容C3的上极板；第五电阻R5的正极接第一PMOS管PM1的漏极，其负极接第六NMOS管NM6的漏极；第一电容C1的上极板接第一PMOS管PM1的栅极，其下极板接第一NMOS管NM1的栅极；第四电容C4的上极板接电源电压VCC，其下极板接第二电阻R2的负极；第六PMOS管PM6的源极接电源电压VCC，其栅极接第一PMOS管PM1的栅极，其漏极接第三电容C3的下极板。

3.根据权利要求2所述的一种低电压自偏置电流复用无源混频器，其特征在于，所述无源本振开关包括第二NMOS管NM2和第三NMOS管NM3，具体电路结构为：

第二NMOS管NM2的栅极接本振信号LO的正极，其漏极接第三电容C3的下极板，其源极接第二电容C2的下极板；第三NMOS管NM3的栅极接本振信号LO的负极，其漏极接第三电容C3的下极板，其源极接第二电容C2的上极板。

4.根据权利要求3所述的一种低电压自偏置电流复用无源混频器，其特征在于，所述低电压跨阻放大器包括第二电容C2、第四NMOS管NM4、第五NMOS管NM5、第二PMOS管PM2、第三PMOS管PM3、第四PMOS管PM4、第五PMOS管PM5、第三电阻R3和第四电阻R4，具体电路结构为：

第二PMOS管PM2的源极接第二电容C2的下极板，其栅极接第四NMOS管NM4的漏极，其漏极接输出信号正极VOUT+；第三PMOS管PM3的源极接第二电容C2的上极板，其栅极接第五NMOS管NM5的漏极，其漏极接输出信号负极VOUT-；第三电阻R3的正极接第二PMOS管PM2的漏极，其负极接地；第四电阻R4的正极接第三PMOS管PM3的漏极，其负极接地；第四NMOS管NM4的源极接地，其栅极接第二电容C2的下极板，其漏极接第四PMOS管PM4的漏极；第五NMOS管NM5的源极接地，其栅极接第二电容C2的上极板，其漏极接第五PMOS管PM5的漏极；第四PMOS管PM4的源极接电源电压VCC，其栅极接第三偏置电压，其漏极接第四NMOS管NM4的漏极；第五PMOS管PM5的源极接电源电压VCC，其栅极接第三偏置电压，其漏极接第五NMOS管NM5的漏极。