CN113595506B - 一种基于噪声抵消的有源混频器 - Google Patents

Abstract

本发明属于混频器，为解决移除LNA使混频器直接对接天线，噪声性能较差的技术问题，提供一种基于噪声抵消的有源混频器，包括包括晶体管M1、晶体管M2、晶体管M3、晶体管M4、晶体管M5、晶体管M6、电阻R1、电阻R2和变压器T1，晶体管M1和晶体管M2的栅端均连接偏置电压，晶体管M1的漏端连接晶体管M3和晶体管M4的源端，晶体管M2的漏端连接晶体管M5和晶体管M6的源端，晶体管M1和晶体管M2的源端分别连接变压器T1的两个输入端口，晶体管M3的栅端和晶体管M6的栅端均连接本振信号LOP，晶体管M4的栅端和晶体管M5的栅端均连接本振信号LON，晶体管M3的漏端和晶体管M5的漏端相连后与电阻R1相连，晶体管M4的漏端和晶体管M6的漏端相连后与电阻R2相连。

Description

一种基于噪声抵消的有源混频器

技术领域

本发明属于混频器，具体涉及一种基于噪声抵消的有源混频器。

背景技术

近年来，随着无线通讯系统和相关技术的快速发展，性能优异的射频接收机需求量越来越大。

传统的射频接收机包括低噪声放大器、混频器、滤波器和可变增益放大器等关键电路。其中，低噪声放大器负责将接收到的弱信号进行放大，并在放大的同时尽可能小的引入噪声；混频器负责完成接收机的核心功能，即将接收的高频信号下变频成低频信号。这种架构在噪声、线性度以及功耗等方面有着较好的折中，但是，不能满足某些高线性度要求的应用需求。

为了提高线性度，研究人员考虑将LNA移除，使混频器直接对接天线，可以有效提高接收机的线性度。但是，这种架构的噪声性能又较差。

发明内容

本发明为解决移除LNA使混频器直接对接天线，虽然能够有效提高接收机线性度，但噪声性能较差的技术问题，提供一种基于噪声抵消的有源混频器。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于噪声抵消的有源混频器，其特殊之处在于，包括包括晶体管M1、晶体管M2、晶体管M3、晶体管M4、晶体管M5、晶体管M6、电阻R1、电阻R2和变压器T1；

所述晶体管M1和所述晶体管M2的栅端均连接偏置电压，晶体管M1的漏端连接晶体管M3和晶体管M4的源端，晶体管M2的漏端连接晶体管M5和晶体管M6的源端，晶体管M1和晶体管M2的源端分别连接变压器T1的两个输入端口，变压器T1的第三端接地；

所述晶体管M3的栅端和所述晶体管M6的栅端均连接本振信号LOP，所述晶体管M4的栅端和所述晶体管M5的栅端均连接本振信号LON，所述本振信号LOP与所述本振信号LON为一对差分本振信号；

所述晶体管M3的漏端和所述晶体管M5的漏端相连后与电阻R1相连，所述晶体管M4的漏端和所述晶体管M6的漏端相连后与电阻R2相连，电阻R1和电阻R2的另一端均连接电源；

所述变压器T1的两个输入端口为异名端，变压器T1的初级线圈与次级线圈关于中心对称。

进一步地，所述晶体管M1在混频器差分输出端的噪声电流I_n,M1为：

其中，I₁为晶体管M1的噪声在晶体管M1支路上产生的噪声电流，I₂为晶体管M1的噪声在晶体管M2支路上产生的噪声电流，R_on为开关管的导通电阻，R_S为信号源阻抗R_s。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明基于噪声抵消的有源混频器，由除变压器T1外的其他部件作为主体构建，可以实现下变频的功能，变压器T1负责控制噪声电流的流向，从而达到噪声抵消的目的。通过引入变压器对MOS管的噪声电流路径进行规划，从而实现了有用信号相位相反，噪声信号相位相同的目的，进而可以通过差分相减的方法抵消噪声。使得本发明的有源混频器能够应用于线性度要求高的接收机中，噪声低、线性度高且功耗低。

2.本发明基于噪声抵消的有源混频器中，晶体管M1和晶体管M2作为跨导管，能够将输入的射频电压信号转化为电流信号，并送至开关管中，晶体管M3、晶体管M4、晶体管M5和晶体管M6作为开关管，在本振信号的驱动下实现周期信号的开与关，从而实现了变频的功能。电阻R1和电阻R2作为负载电阻，将电流信号转化为输出电压信号。

附图说明

图1为本发明基于噪声抵消的有源混频器实施例的示意图；

图2为本发明图1中变压器T1的实现原理示意图；

图3为本发明图1中晶体管M1的噪声电流分析电路图；

图4为本发明图3的电路简化图。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例并非对本发明的限制。

如图1所示，本发明提供了一种基于噪声抵消的有源混频器，相对于传统的混频器结构，为了改善移除低噪声放大器后带来的噪声恶化问题，本发明采用LNA噪声抵消的思路，将MOS的噪声通过某个回路产生一个同相的相关噪声，从而可以实现噪声的抵消。变压器T1的两个输入端口是异名端，并分别与晶体管M1的源端和晶体管M2的源端相连。变压器T1拓扑结构呈现初级线圈与次级线圈关于中心对称，可以实现变压器T1的两个端口电流流向一致，便于实现噪声抵消。通过引入变压器T1对MOS管的噪声电流的路径进行规划，从而实现了有用信号相位相反，噪声信号相位相同的目的，进而可以通过差分相减的方法抵消噪声。使得本发明的混频器具有低噪声、高线性度、低功耗的优势，能够适用于线性度要求高的应用。

射频输入信号RFP和RFN分别连接晶体管M1的源端和晶体管M2的源端，晶体管M1的栅端和晶体管M2的栅端连接偏置电压VB，晶体管M1的漏端连接晶体管M3的源端和晶体管M4的源端，晶体管M2的漏端连接晶体管M5的源端和晶体管M6的源端，晶体管M3的栅端和晶体管M6的栅端连接本振信号LOP，晶体管M4的栅端和晶体管M5的栅端连接本振信号LON，其中LOP和LON是一对差分本振信号，晶体管M3的漏端和晶体管M5的漏端相连后与电阻R1相连，晶体管M4的漏端和晶体管M6的漏端相连后与电阻R2相连，电阻R1和电阻R2的另一端连接电源。晶体管M1的源端和晶体管M2的源端分别连接变压器T1的两个输入端口，变压器的第三端连接到地。

除变压器T1外的其他元器件作为主体构建，可以实现下变频的功能。晶体管M1和晶体管M2作为跨导管，将输入的射频电压信号转化为电流信号，并送至开关管中。晶体管M3、晶体管M4、晶体管M5和晶体管M6作为开关管，在本振信号的驱动下实现周期性的开与关，从而实现了变频的功能。电阻R1和电阻R2作为负载电阻，将电流信号转化为输出电压信号，变压器T1能够控制噪声电流的流向，从而达到噪声抵消的目的。

以作为跨导管的晶体管M1为例，其具体原理是晶体管M1产生一股从漏端流向源端的噪声电流I_n，该电流流经变压器T1时，由于法拉第定律，在晶体管M2的源端产生了一股与其同相的相关噪声I_n,introduced。同时，输入信号RF+和RF-是反向信号，可以在后级电路中通过一个减操作，消除或是降低噪声，而有用信号则是幅度叠加，从而起到了消除噪声的效果。

如图2是本发明变压器T1的具体实现方式，从图2中可以看到晶体管M1产生的噪声电流I_n从变压器T1的P端流入，由法拉第定律可以得知该电流产生垂直纸面向外的磁力线，该磁力线再由法拉第定律在次级线圈产生了顺时针的感应电流I_{n_introduced}。从图中可以看到，I_n和I_{n_introduced}是同相的噪声电流，与此同时，这两股噪声电流是相关噪声，是可以通过相减消除的。

以混频器中作为跨导管的晶体管M1为例进行噪声分析，混频器和前端高Q值变压器T1组成的电路如图3所示。晶体管M1的噪声电流以一个并联到MOS管源漏两端的电流源模拟，该电流流经变压器T1的初级线圈，并耦合到次级线圈形成感应电流，进而在晶体管M2支路上形成与晶体管M1支路同相的噪声电流。

如图4是图3相应的电路简化图，晶体管M1的噪声最终在晶体管M1支路和晶体管M2支路上产生的噪声电流分别是I₁和I₂。通过计算可得到

由晶体管M1在混频器的差分输出端贡献的噪声电流为

从式(2)可以看出，晶体管M1的噪声贡献被一定程度抵消，抵消的比例由信号源阻抗R_s与开关管的导通电阻R_on的相对大小决定。

以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于噪声抵消的有源混频器，其特征在于：包括包括晶体管M1、晶体管M2、晶体管M3、晶体管M4、晶体管M5、晶体管M6、电阻R1、电阻R2和变压器T1；

所述晶体管M1和所述晶体管M2的栅端均连接偏置电压，晶体管M1的漏端连接晶体管M3和晶体管M4的源端，晶体管M2的漏端连接晶体管M5和晶体管M6的源端，晶体管M1和晶体管M2的源端分别连接变压器T1的两个输入端口，变压器T1的第三端接地；

所述晶体管M3的栅端和所述晶体管M6的栅端均连接本振信号LOP，所述晶体管M4的栅端和所述晶体管M5的栅端均连接本振信号LON，所述本振信号LOP与所述本振信号LON为一对差分本振信号；

所述晶体管M3的漏端和所述晶体管M5的漏端相连后与电阻R1相连，所述晶体管M4的漏端和所述晶体管M6的漏端相连后与电阻R2相连，电阻R1和电阻R2的另一端均连接电源；

所述变压器T1的两个输入端口为异名端，变压器T1的初级线圈与次级线圈关于中心对称。

2.如权利要求1所述一种基于噪声抵消的有源混频器，其特征在于：所述晶体管M1在混频器差分输出端的噪声电流I_m,M1为：

其中，I₁为晶体管M1的噪声在晶体管M1支路上产生的噪声电流，I₂为晶体管M1的噪声在晶体管M2支路上产生的噪声电流，R_on为开关管的导通电阻，R_S为信号源阻抗R_s。