CN114499413A - 一种带源漏互换技术的双向有源混频器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于双向收发机技术领域，具体提供一种带源漏互换技术的双向有源混频器，用以解决现有无源环形混频器会在链路中引入较大损耗、需要较大的本振信号等问题。本发明包括：由MOS管M1‑M4、MOS管电容cap1‑cap4与变压器transformer1‑transformer2构成的有源混频器，以及由MOS管M5‑M8构成的偏置切换电路；其中，通过偏置切换电路改变中频端与射频端的偏置电压Vbias1与Vbias2，Vbias1为低电位、Vbias2为高电位，双向有源混频器实现中频信号到射频信号的上变频，反之双向有源混频器实现射频信号到中频信号的下变频。并且，本发明在实现双向混频的同时，结合共栅极的连接结构提供正的增益，减小对本振功率的依赖，从而实现有增益的双向混频器，提高双向收发机的性能。

Description

一种带源漏互换技术的双向有源混频器
技术领域
本发明属于双向收发机技术领域，涉及作为射频链路中关键模块的混频器，具体提供一种带源漏互换技术的双向有源混频器。
背景技术
随着无线通信技术的发展与相控阵技术的应用，双向收发机技术逐渐被运用于射频芯片；在双向收发机中，发射链路和接收链路合并，功率放大器的输出匹配和低噪声放大器的输入匹配网络共用，有源的晶体管部分合并布局，驱动放大器等其它模块也设计成共用匹配网络和支持信号双向传输的结构，最终成为一条链路，只需要原本一半的面积，因此可以应用于集成度更高的相控阵芯片。
混频器作为射频链路中的关键模块，实现中频信号与射频信号的转换；混频器模块的设计中，增益是一个非常重要的指标，高增益的混频器可以更好地驱动下一级，减轻放大器的设计压力。在双向混频器的设计中，需要用一个混频器既可以完成中频信号到射频信号的上变频，也可以反向将射频信号转换为中频信号实现下变频。
目前，常见的有源混频器多为吉尔伯特架构，需要一个信号从跨导级MOS管的栅极输入、一个信号从开关管的漏极输出，但是反向之后信号无法从MOS管的栅极输出，所以通常无法做成双向结构。而常见的能用于双向接收机的混频器主要是无源环形混频器，电路原理图如图1所示；其中，M1-M4的漏极和源极被分别偏置在相同的电位，一端连射频信号、一端连中频信号，栅极由本振信号控制、偏置在阈值电压附近；由于源漏之间电压相同，没有直流电流流过，不需要外加电源供电，所以被称为无源混频器。该结构中，由于MOS管的源极和漏极在结构上的对称性，当两端的信号电位相同时，可近似视为等价，信号既可以从源极到漏极，也可以从漏极到源极；所以在本振信号的作用下，信号既可以将中频信号上变频到射频信号，反向也可以将射频信号下变频到中频信号，实现双向混频。
然而，上述无源环形混频器虽然可以实现双向的信号变换，但是也存在诸多问题，相应的缺点如下：
1)无源环形混频器损耗较大：无源环形混频器没有有源的放大结构，因此只能造成信号的衰减，若只将混频器里的MOS管视为理想的无损开关，则损耗至少4dB；由于MOS管开关状态的不连续性和导通状态下MOS管的阻性，无源环形混频器的核心部分通常会损耗6dB以上，结合前后级的匹配网络，损耗只会更多；因此，上述无源环形混频器会造成整个链路的增益大幅降低，影响整体的通信性能；
2)无源环形混频器需要较大的本振信号：由于无源环形混频器的高损耗特性，所以在设计过程中需要往低损耗方向进行优化，这意味着使用更大的MOS管，相应的寄生电容也随之增加；因此，混频器需要更大的本振信号以驱动混频器的开关变换，导致对本振链路的输出功率需求增加，同时增大了芯片整体的功耗。
发明内容
本发明的目的在于针对现有无源环形混频器会在链路中引入较大损耗损耗、需要较大的本振信号等问题，提供一种带源漏互换技术的双向有源混频器；本发明提出一种新结构，基于MOS管源极与漏极的对称性，通过切换源漏构造不同方向有源混频器，即切换源漏电位实现上、下混频；并且，结合共栅极的连接结构提供正的增益，减小对本振功率的依赖，从而实现有增益的双向混频器，有助于提高双向收发机的性能。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种带源漏互换技术的双向有源混频器，其特征在于，包括：由MOS管M1-M4、MOS管电容cap1-cap4与变压器transformer1-transformer2构成的有源混频器，以及由MOS管M5-M8构成的偏置切换电路；其中，
所述有源混频器中，MOS管M1与MOS管M3的漏极相连、并连接MOS管电容cap3后接地，MOS管M2与MOS管M4的漏极相连、并连接MOS管电容cap4后接地，MOS管M1与MOS管M2的源极相连、并连接MOS管电容cap2后接地，MOS管M3与MOS管M4的源极相连、并连接MOS管电容cap1后接地，MOS管M2与MOS管M3的栅极接正本振信号LO+，MOS管M1与MOS管M4的栅极接负本振信号LO-；变压器transformer1的初级线圈连接中频信号(IF+、IF-)，变压器transformer1的次级线圈连接于MOS管M2与MOS管M3的漏极之间、且中心抽头接偏置电压Vbias1；变压器transformer2的初级线圈连接射频信号(RF+、RF-)，变压器transformer2的次级线圈连接于MOS管M2与MOS管M3的源极之间、且中心抽头接偏置电压Vbias2；
所述偏置切换电路中，MOS管M5与MOS管M6的栅极相连、接控制电压Vcon1，MOS管M5与MOS管M6的漏极相连、输出偏置电压Vbias1，MOS管M5的源极接电源电压VDD、MOS管M6的源极接地；MOS管M7与MOS管M8的栅极相连、接控制电压Vcon2，MOS管M7与MOS管M8的漏极相连、输出偏置电压Vbias2，MOS管M7的源极接电源电压VDD、MOS管M8的源极接地。
进一步的，所述MOS管M5与M7为PMOS管、且结构尺寸相同，MOS管M6与M8为NMOS管、且结构尺寸相同。
进一步的，当控制电压Vcon1为高电位、控制电压Vcon2为低电位时，输出偏置电压Vbias1为低电位、偏置电压Vbias2为高电位，双向有源混频器实现中频信号到射频信号的上变频；当控制电压Vcon1为低电位、控制电压Vcon2为高电位时，输出偏置电压Vbias1为高电位、偏置电压Vbias2为低电位，双向有源混频器实现射频信号到中频信号的下变频。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种带源漏互换技术的双向有源混频器，在传统吉尔伯特型有源混频器的基础上，采用了源漏互换技术，引入偏置切换电路，通过改变中频端与射频端的偏置电压Vbias1与Vbias2来实现MOS管M1-4源极和漏极的互换，从而实现上变频与下变频的切换，达到双向混频的效果，具体为：Vbias1为低电位、Vbias2为高电位，双向有源混频器实现中频信号到射频信号的上变频，反之，双向有源混频器实现射频信号到中频信号的下变频。
更为具体的讲，本发明的双向有源混频器具有如下优点：
1、本发明采用了带源漏互换技术的双向混频器，保留了传统有源混频器的开关管，栅极接本振的开关信号、源极和漏极分别连接射频和中频信号；通过改变中频端和射频端的偏置电压来实现源极和漏极的互换，使得低电压处成为源极、高电压处成为漏极；未变频的信号从源极输入，变频后的信号从漏极输出，实现信号的双向变频；应用于双向的射频收发机芯片中，能够有效节省芯片面积；
2、本发明的双向混频器在工作时呈现共栅极结构，能够在混频的同时放大信号，提升链路性能；
3、本发明的双向混频器为有源混频器，对本振信号的功率要求低，不需要大增益的本振链路，从而降低芯片功耗。
附图说明
图1为现有无源环形混频器的电路原理图。
图2为本发明中带源漏互换技术的双向混频器的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本实施例提供一种带源漏互换技术的双向有源混频器，保留了传统的吉尔伯特型有源混频器的开关部分，同时添加了偏置切换电路以实现源极漏极切换，达到双向混频的效果；所述带源漏互换技术的双向有源混频器的电路原理图如图2所示，包括：吉尔伯特型有源混频器与两个偏置切换电路；更为具体的讲：
所述吉尔伯特型有源混频器由MOS管M1-M4、MOS管电容cap1-4与变压器transformer1-transformer2构成，其中，MOS管M1与MOS管M3的漏极相连、并连接MOS管电容cap3后接地，MOS管M2与MOS管M4的漏极相连、并连接MOS管电容cap4后接地，MOS管M1与MOS管M2的源极相连、并连接MOS管电容cap2后接地，MOS管M3与MOS管M4的源极相连、并连接MOS管电容cap1后接地，MOS管M2与MOS管M3的栅极接正本振信号LO+，MOS管M1与MOS管M4的栅极接负本振信号LO-；变压器transformer1的初级线圈连接中频信号(IF+、IF-)，变压器transformer1的次级线圈连接于MOS管M2与MOS管M3的漏极之间、且中心抽头接偏置电压Vbias1；变压器transformer2的初级线圈连接射频信号(RF+、RF-)，变压器transformer2的次级线圈连接于MOS管M2与MOS管M3的源极之间、且中心抽头接偏置电压Vbias2；
所述两个偏置切换电路结构相同，分别为MOS管M5与M6构成的第一偏置切换电路、MOS管M7与M8构成的第二偏置切换电路；MOS管M5与MOS管M6的栅极相连、接控制电压Vcon1，MOS管M5与MOS管M6的漏极相连、输出偏置电压Vbias1，MOS管M5的源极接电源电压VDD、MOS管M6的源极接地；MOS管M7与MOS管M8的栅极相连、接控制电压Vcon2，MOS管M7与MOS管M8的漏极相连、输出偏置电压Vbias2，MOS管M7的源极接电源电压VDD、MOS管M8的源极接地。
从工作原理上讲：
本发明主要由两部分组成：1)由MOS管M1-M4、MOS管电容cap1-cap4与变压器transformer1-transformer2组成的混频器核心部分；2)由MOS管M5-M8组成的两个偏置切换电路；
(1)混频器核心部分
如图2所示电路中的MOS管M1-M4为混频器的开关管，类型为NMOS，栅极由正负的本振信号输入，源极和漏极分别连接射频信号和中频信号，构成双平衡的混频结构；中频信号由变压器transformer1连接，射频信号由变压器transformer2连接，两个变压器在连接MOS管M1-M4一侧的次级线圈中心抽头分别连接偏置Vbias1和Vbias2；在中心抽头处，两边的差分信号抵消，可以视为交流地，所以偏置电路不会影响混频器核心部分；
当Vbias1为高电位、Vbias2为低电位时，如图2所示电路中有漏极到源极的直流电流，开关管对射频信号而言相当于共栅放大器，因此对信号有增益，能够实现有放大效果的信号下变频；当Vbias1为低电位、Vbias2为高电位时，如图2所示电路中自下而上的直流电流，由于MOS管源极漏极在版图上的对称性，此时源漏的位置发生互换，源极在上漏极在下，开关管对中频信号而言相当于共栅放大器，因此对信号有增益，可以实现有放大效果的信号上变频；由此，混频器通过切换两个偏置的电压高低，使得开关管的源漏互换，既能够完成中频信号到射频信号的上变频，也能够完成从射频信号到中频信号的下变频，并且都能够依托共栅极的放大形式放大信号，构成了双向的有源混频器；
由于MOS管M1-M4在源极漏极电位变化，产生源漏互换后，相应对栅极的寄生电容Cgd和Cgs也会变化，会影响看向前后级的阻抗，使得级间匹配的效果发生变化；因此，需要引入MOS管构成的可变电容cap1-cap4，以在偏置电压变化时MOS管电容的变化能够抵消M1-M4源漏寄生电容的变化，使得中频和射频的端口阻抗在源漏互换前后变化不大。
(2)偏置切换结构
如图2所示电路中包括两个反相器形式的偏置电路，MOS管M5和M7为PMOS，MOS管M6和M8为NMOS，在控制位Vcon1、Vcon2的作用下可以实现偏置的改变；由反相特性，当Vcon1为高电位、Vcon2为低电位时，Vbias1输出低电位、Vbias2输出高电位，另一边的混频器核心部分呈现有增益的信号上变频；当Vcon1为低电位、Vcon2为高电位时，Vbias1输出高电位、Vbias2输出低电位，另一边的混频器核心部分呈现有增益的信号下变频；所述反相器形式的偏置切换结构还能够通过PMOS和NMOS的漏极提供或抽取足够大的电流，给混频器的核心部分，使得混频器有足够的增益。
综上，上述混频器核心部分与两个偏置切换电路共同作用实现了本发明源漏互换技术的双向有源混频器，同时能够提供增益，改善链路性能。
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 (3)

1.一种带源漏互换技术的双向有源混频器，其特征在于，包括：由MOS管M1-M4、MOS管电容cap1-cap4与变压器transformer1-transformer2构成的有源混频器，以及由MOS管M5-M8构成的偏置切换电路；其中，
所述有源混频器中，MOS管M1与MOS管M3的漏极相连、并连接MOS管电容cap3后接地，MOS管M2与MOS管M4的漏极相连、并连接MOS管电容cap4后接地，MOS管M1与MOS管M2的源极相连、并连接MOS管电容cap2后接地，MOS管M3与MOS管M4的源极相连、并连接MOS管电容cap1后接地，MOS管M2与MOS管M3的栅极接正本振信号LO+，MOS管M1与MOS管M4的栅极接负本振信号LO-；变压器transformer1的初级线圈连接中频信号(IF+、IF-)，变压器transformer1的次级线圈连接于MOS管M2与MOS管M3的漏极之间、且中心抽头接偏置电压Vbias1；变压器transformer2的初级线圈连接射频信号(RF+、RF-)，变压器transformer2的次级线圈连接于MOS管M2与MOS管M3的源极之间、且中心抽头接偏置电压Vbias2；
所述偏置切换电路中，MOS管M5与MOS管M6的栅极相连、接控制电压Vcon1，MOS管M5与MOS管M6的漏极相连、输出偏置电压Vbias1，MOS管M5的源极接电源电压VDD、MOS管M6的源极接地；MOS管M7与MOS管M8的栅极相连、接控制电压Vcon2，MOS管M7与MOS管M8的漏极相连、输出偏置电压Vbias2，MOS管M7的源极接电源电压VDD、MOS管M8的源极接地。
2.按权利要求1所述带源漏互换技术的双向有源混频器，其特征在于，所述MOS管M5与M7为PMOS管、且结构尺寸相同，MOS管M6与M8为NMOS管、且结构尺寸相同。
3.按权利要求1所述带源漏互换技术的双向有源混频器，其特征在于，当控制电压Vcon1为高电位、控制电压Vcon2为低电位时，输出偏置电压Vbias1为低电位、偏置电压Vbias2为高电位，双向有源混频器实现中频信号到射频信号的上变频；当控制电压Vcon1为低电位、控制电压Vcon2为高电位时，输出偏置电压Vbias1为高电位、偏置电压Vbias2为低电位，双向有源混频器实现射频信号到中频信号的下变频。
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