CN109309480A - 一种低噪声开关跨导混频器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于CMOS射频集成电路领域，具体提供一种低噪声开关跨导混频器，包括：第一跨导输入级、第二跨导输入级、第三跨导输入级、第四跨导输入级、开关混频级、有源输出负载级、第一谐振电路、第二谐振电路；本发明低噪声开关跨导混频器采用三角本振信号驱动本振管的栅极，避免对本振驱动电路的负载效应，将跨导输入级的射频输入信号转化为中频信号输出；此外，引入谐振电路，改善开关管的切换时间，使得电路的增益、噪声得到优化。

Description

一种低噪声开关跨导混频器
技术领域
本发明属于CMOS射频集成电路领域，尤其涉及一种低噪声开关跨导混频器电路。
背景技术
混频器是射频接收机中的关键模块，因为它完成RF-IF的频率变换，并直接决定了接收机的架构体系。为了降低混频器，后级电路噪声对于系统噪声的贡献，同时补偿中频滤波器的损耗，混频器需要一定的转换增益；其中基于Gilbert的有源混频器由于其高的混频增益和优越的端口隔离度等优点被广泛应用于各种架构的射频集成前端。
通常Gilbert具有噪声指数相对较高的缺点，于是后续有电流注入技术的提出，用以降低流过开关管的直流电流，使得开关对的电流换向时间大大减小，以降低开关对的噪声贡献；进一步地，为了抑制尾节点寄生电容的间接充放电噪声机制，可以使用谐振技术来加以克服；同时，又对跨导级采用了噪声消除技术；如文献《Benqing Guo,huifen wang,Guoning Yang,A Wideband Merged CMOS Active Mixer Exploiting NoiseCancellation and Linearity Enhancement,ieee Trans.Microwave theory andtechniques,Sep,2014》公开一种融合了上述三项技术的有源混频器，如图1所示；即便如此，Gilbert混频器在高频下，其寄生电容诱发的间接噪声机制相对于开关跨导混频器呈现显著劣势。如文献《A.Klumperink,S.M.Louwsma,G.J.Wienk,and B.Nauta,“A cmosswitched transconductor mixer,”IEEE J.Solid-State Circuits,vol.39,no.8,pp.1231–1240,2004》公开一种开关跨导混频器，如图2所示，开关跨导混频器具备天然的开关级噪声自消除效果，但是其跨导级采用反相器直接驱动，使得反相器的负载牵引变得严重，对于本振的驱动能力有高的要求，进而在高频下，数字本振产生电路势必消耗大的功耗。
基于此，本发明提供一种低噪声开关跨导混频器。
发明内容
本发明的目的在于针对上述技术问题，提出一种低噪声开关跨导混频器；采用三角本振信号驱动本振管的栅极，避免对本振驱动电路的负载效应；并引入谐振电路，改善开关管的切换时间，使得电路的增益、噪声得到优化。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种低噪声开关跨导混频器，包括：第一跨导输入级、第二跨导输入级、第三跨导输入级、第四跨导输入级、开关混频级、有源输出负载级、第一谐振电路、第二谐振电路；其特征在于，
所述第一谐振电路包括：第一电感L1、第一电容C1、第三电容C3，所述第一电感与第一电容并联后、一端作为第一谐振电路的第一端、另一端串联第三电容后接地；
所述第二谐振电路包括：第二电感L2、第二电容C2、第四电容C4，所述第二电感与第二电容并联后、一端作为第二谐振电路的第一端、另一端串联第四电容后接地；
所述开关混频级包括：第一晶体管M1、第二晶体管M2，所述第一晶体管的栅极接电压VLO+、源级接地、漏极作为开关混频级的第一端，所述第二晶体管的栅极接电压VLO-、源级接地、漏极作为开关混频级的第二端；
所述第一跨导输入级包括：第三晶体管M3，所述第三晶体管的栅极接电压VRF+、源级作为第一跨导输入级的第一端、漏极作为第一跨导输入级的第二端；
所述第二跨导输入级包括：第四晶体管M4，所述第四晶体管的栅极接电压VRF-、源级作为第二跨导输入级的第一端、漏极作为第二跨导输入级的第二端；
所述第三跨导输入级包括：第五晶体管M5，所述第五晶体管的栅极接电压VRF-、源级作为第三跨导输入级的第一端、漏极作为第三跨导输入级的第二端；
所述第四跨导输入级包括：第六晶体管M6，所述第六晶体管的栅极接电压VRF+、源级作为第四跨导输入级的第一端、漏极作为第四跨导输入级的第二端；
所述第一跨导输入级的第一端、第二跨导输入级的第一端、第一谐振电路的第一端均与所述开关混频级的第一端相连，所述第三跨导输入级的第一端、第四跨导输入级的第一端、第二谐振电路的第一端均与所述开关混频级的第二端相连，所述第一跨导输入级的第二端、第三跨导输入级的第二端均与所述有源输出负载级第一端VIF+相连，所述第二跨导输入级的第二端、第四跨导输入级的第二端均与所述有源输出负载级第二端VIF-相连。
进一步的，所述有源输出负载级包括：第七晶体管M7、第八晶体管M8、第一电阻RL1、第二电阻RL2、第五电容C5、第六电容C6，所述第七晶体管的源级与第八晶体管的源级均接电压VDD，所述第五电容一端接电压VDD、另一端接第七晶体管的漏极，所述第六电容一端接电压VDD、另一端接第八晶体管的漏极，所述第一电阻一端接第七晶体管漏极、另一端接第七晶体管栅极；所述第二电阻一端接第八晶体管漏极、另一端接第八晶体管栅极；所述第七晶体管栅极接第八晶体管栅极；所述第七晶体管的漏极作为有源输出负载级第一端VIF+，所述第八晶体管的漏极作为有源输出负载级第二端VIF-。
所述第五电容的第二端接的第一端所述第七晶体管的漏极作为有源输出负载级的第一端接第一电阻的第一端，所述第七晶体管的栅极接第一电阻的第二端；所述所述接VDD，所述第八晶体管的漏极作为有源输出负载级的第二端接第二电阻的第一端，所述第八晶体管的栅极接第二电阻的第二端；第一电阻的第二端接第二电阻的第二端；；所述第六电容的第一端接VDD，所述第六电容的第二端接第二电阻的第二端；
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种低噪声开关跨导混频器：
⑴通过设计谐振电路使得开关跨导混频器电路在高频下，充放电效应对电路增益、噪声性能的制约得以克服；
⑵采用三角本振信号驱动具备噪声系数优势；
⑶开关混频级的开关管导通时工作在饱和区，使得跨导差分对具备高的共模抑制比。
附图说明
图1是传统改进型有源混频器电路图；
图2是传统开关跨导混频器；
图3是本发明的一种低噪声开关跨导混频器的电路图；
图4是本发明的一种低噪声开关跨导混频器的噪声系数图；
图5是本发明的一种低噪声开关跨导混频器的增益图；
图6是本发明一种低噪声开关跨导混频器的共模抑制比(MCMRR)图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图进行更进一步的详细说明。
本实施例提供一种低噪声开关跨导混频器，如图3所示，包括：第一跨导输入级、第二跨导输入级、第三跨导输入级、第四跨导输入级、开关混频级、有源输出负载级、第一谐振电路、第二谐振电路；该低噪声开关跨导混频器中，所述跨导输入级接收RF电压信号，将RF电压信号转换成电流信号；开关混频级由三角本振信号LO控制，对电流信号进行周期性换向，将频率从射频变换到中频，完成频率变换；有源输出负载级，对高频信号进行滤波抑制，并将相应的中频信号转换成输出IF电压信号；谐振电路用于吸收尾节点寄生电容，从而改善开关的切换效果，使得电路获得低噪声、高增益。
混频器转换增益公式为：
CG＝cgm0RL
其中c,gm0,RL依次表征变频系数，跨导管小信号跨导，负载电阻。本发明使用三角本振信号驱动，c为0.5，比矩形波驱动下0.64的变频系数略小。但是三角波本振驱动下电路具备低的谐波分量，其谐波叠加系数α近似为0.5。开关跨导混频器噪声系数公式为
其中γ、rg、Rs依次代表器件噪声因子、器件栅阻、源电阻。容易计算三角波本振驱动下电路的噪声系数中第一项比矩形波驱动下第一项要小，所以本发明电路具备噪声优势。通过求解电路的充放电方程，可以到的电路的充放电常数为：
其中Vov、Cp、IB依次是跨导管的过驱动电压、Vx节点等效寄生电容、跨导对导通时候流过开关管的总直流电流。公式明确揭示了寄生电容对电路周期切换的影响，使得高频下充放电常数逼近本振周期，从而退化混频器增益。本发明通过设计谐振网络L1,C1使得谐振网络在工作中心频率下，L1，C1两者处于谐振作态，C3提供交流地。尾节点寄生电容的制约效应得以克服。通过小信号分析，我们得到电路的跨导对共模抑制比为
gm1、gm2分别代表M1、M2的小信号跨导。理想对称情况下有gm1＝gm2＝gm0.这里Zs＝Cp//rosw。rosw为开关管输出电阻。本发明中的开关管导通时工作在饱和区，使得跨导差分对具备高的共模抑制比，传统的开关跨导混频器开关管处在三极管区，具备低的Zs、低共模抑制。
本实施例采用0.18um CMOS工艺，电路工作电压为1.5V，通过对电路进行仿真。如图4所示，本发明混频器获得的电压转换峰值增益约为18.5dB。如图5所示，给出了双边带噪声指数结果，噪声指数为4.2dB。可以看到，因为在尾节点电路的有载Q值较低，使得电路的增益、噪声响应带宽较宽。此外混频器输入IP3模拟结果为-4dBm，而电路的功耗为6.5mW。如图6所示，为混频器的共模抑制模拟结果。可见在gm1、gm2存在10％失配的情况下，本发明混频器具有高达50dB的抑制度，比传统结构有20dB的优势。仿真也表明，其它条件不变，使用方波本振驱动该开关跨导混频器，得到的双边带NF为5.1dB，NF结果较三角波本振驱动有0.9dB的退化。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (2)

1.一种低噪声开关跨导混频器，包括：第一跨导输入级、第二跨导输入级、第三跨导输入级、第四跨导输入级、开关混频级、有源输出负载级、第一谐振电路、第二谐振电路；其特征在于，
所述第一谐振电路包括：第一电感L1、第一电容C1、第三电容C3，所述第一电感与第一电容并联后、一端作为第一谐振电路的第一端、另一端串联第三电容后接地；
所述第二谐振电路包括：第二电感L2、第二电容C2、第四电容C4，所述第二电感与第二电容并联后、一端作为第二谐振电路的第一端、另一端串联第四电容后接地；
所述开关混频级包括：第一晶体管M1、第二晶体管M2，所述第一晶体管的栅极接电压VLO+、源级接地、漏极作为开关混频级的第一端，所述第二晶体管的栅极接电压VLO-、源级接地、漏极作为开关混频级的第二端；
所述第一跨导输入级包括：第三晶体管M3，所述第三晶体管的栅极接电压VRF+、源级作为第一跨导输入级的第一端、漏极作为第一跨导输入级的第二端；
所述第二跨导输入级包括：第四晶体管M4，所述第四晶体管的栅极接电压VRF-、源级作为第二跨导输入级的第一端、漏极作为第二跨导输入级的第二端；
所述第三跨导输入级包括：第五晶体管M5，所述第五晶体管的栅极接电压VRF-、源级作为第三跨导输入级的第一端、漏极作为第三跨导输入级的第二端；
所述第四跨导输入级包括：第六晶体管M6，所述第六晶体管的栅极接电压VRF+、源级作为第四跨导输入级的第一端、漏极作为第四跨导输入级的第二端；
所述第一跨导输入级的第一端、第二跨导输入级的第一端、第一谐振电路的第一端均与所述开关混频级的第一端相连，所述第三跨导输入级的第一端、第四跨导输入级的第一端、第二谐振电路的第一端均与所述开关混频级的第二端相连，所述第一跨导输入级的第二端、第三跨导输入级的第二端均与所述有源输出负载级第一端VIF+相连，所述第二跨导输入级的第二端、第四跨导输入级的第二端均与所述有源输出负载级第二端VIF-相连。
2.按权利要求1所述低噪声开关跨导混频器，其特征在于，所述有源输出负载级包括：第七晶体管M7、第八晶体管M8、第一电阻RL1、第二电阻RL2、第五电容C5、第六电容C6，所述第七晶体管的源级与第八晶体管的源级均接电压VDD，所述第五电容一端接电压VDD、另一端接第七晶体管的漏极，所述第六电容一端接电压VDD、另一端接第八晶体管的漏极，所述第一电阻一端接第七晶体管漏极、另一端接第七晶体管栅极；所述第二电阻一端接第八晶体管漏极、另一端接第八晶体管栅极；所述第七晶体管栅极接第八晶体管栅极；所述第七晶体管的漏极作为有源输出负载级第一端VIF+，所述第八晶体管的漏极作为有源输出负载级第二端VIF-。
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