CN116827271A - 一种基于电流注入的自适应偏置跨导级有源下混频器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电流注入的自适应偏置跨导级有源下混频器,涉及混频器领域,其包括有源Gilbert混频器、共模反馈电流注入单元和两个自适应偏置单元;共模反馈电流注入单元的输入端与有源Gilbert混频器中跨导管的漏极相连,共模反馈电流注入单元的输出端与两个自适应偏置单元的第一输入端相连;两个自适应偏置单元的第二输入端与有源Gilbert混频器中跨导管的漏极相连,两个自适应偏置单元的输出端分别连接有源Gilbert混频器的两个跨导管的栅极;有源Gilbert混频器的两个跨导管的源极均接地。本发明通过电流注入和共模负反馈进行跨导级以及开关级节点电压的钳制,遏制了节点电压抬升,放宽了开关级电压裕度,从而提升了整个电路线性度。
Description
技术领域
本发明涉及混频器领域,具体涉及一种基于电流注入的自适应偏置跨导级有源下混频器。
背景技术
随着5G通信技术的发展以及相控阵技术的应用,多通道系统对下混频器的线性度以及增益都提出了更高的要求,在无线基站中,接收机灵敏度和大信号性能等关键指标对无线基站中的每个射频模块提出了设计挑战,而混频器则很大程度上影响着接收机的灵敏度和大信号性能。
混频器是射频链路中非常重要的组成模块,在接收链路中,其功能为将频率较高的射频转换为频率较低的中频,以便进行后续信号处理。在混频器模块的设计中,线性度是一个非常重要的指标,在收发链路中均存在一个混频器承载几个通道的情况,这就对混频器的线性度提出了很高的要求,若每路均安排一个混频器来进行变频,则将混频器的设计压力转移到了本振链路处,即本振需要分几路分别驱动混频器,则需要本振链路在分路之前有更高的输出功率。
另外,增益也是混频器十分重要的指标,在发射链路,高增益混频器可以缓解后级放大器设计压力,在接收链路中,处于链路前级位置的下混频器若拥有较高的增益一方面可以提高整条链路增益,另一方面会改善整条链路的噪声性能。有源混频器可以提供很好的增益特性,但线性度会受电压裕度限制,会因开关管过早进入深三极管区而压缩。
现有技术在设计过程中,如图2所示,对于高线性度混频器的实现大多应用无源混频核心,另加中频放大器进行增益补偿,但这种电路结构在核心混频单元损耗较高情况下最终也很难实现较高的增益。因此以有源混频器为基础,考虑如何在保持一定增益条件下,提高其线性度,成为另一种有意义的设计思路。常见有源混频器为Gilbert结构混频器,如图3所示,现有技术中提高该电路线性度的手段包括:源极退化,三阶跨导抵消等。但这些手段存在一定的弊端:
第一,源极退化电感大小跟射频频率相关,在射频频率不是很高的条件下,此退化电感感值较大,因此占用面积较大;
第二,源极退化电感的加入,主要优化的是跨导级线性度,它的加入使得在射频频率下信号的变化大部分落在退化电感上,使得跨导级线性放大效果更好,但它无法解决在本振大信号加入时,引起的整个电路直流漂移的恶劣影响,直流漂移产生的后果是,跨导级与开关级之间的节点电压抬升,而有源Gilbert结构线性度受限主要是由于开关管进入深线性区导致,该节点电压的抬升使得开关管漏源电压压缩,在射频信号打入电路中时,一个更小的电压摆幅就会使开关管进入深三极管区,从而使得线性度严重恶化。
三阶跨导抵消,其本质上是通过抵消跨导级的三阶非线性来实现混频电路线性度的提升,利用一对分别工作在饱和区和亚阈值区的NMOS管作为跨导级,由于饱和区三阶跨导为负值,亚阈值区三阶跨导为正值,通过调整合适的偏压,使得二者相互抵消,这种结构的弊端在于处于亚阈值区时,正值的三阶跨导变化较为剧烈,当所提供的偏置电压稍微发生变化时,三阶跨导随之产生的变化量较大,跨导本身随温度也有变化,这些不确定性使得最终三阶跨导抵消效果不理想。
综上所述,现有的有源Gilbert混频器的电路线性度较低。
发明内容
针对现有技术中的上述不足,本发明提供的一种基于电流注入的自适应偏置跨导级有源下混频器解决了现有的有源Gilbert混频器的电路线性度较低的问题。
为了达到上述发明目的,本发明采用的技术方案为:
提供一种基于电流注入的自适应偏置跨导级有源下混频器,其包括有源Gilbert混频器和电流注入模块;其中电流注入模块包括共模反馈电流注入单元和两个自适应偏置单元;
共模反馈电流注入单元的输入端与有源Gilbert混频器中跨导管的漏极相连,共模反馈电流注入单元的输出端与两个自适应偏置单元的第一输入端相连;两个自适应偏置单元的第二输入端与有源Gilbert混频器中跨导管的漏极相连,两个自适应偏置单元的输出端分别连接有源Gilbert混频器的两个跨导管的栅极;
有源Gilbert混频器的两个跨导管的源极均接地;有源Gilbert混频器的输入为基于电流注入的自适应偏置跨导级有源下混频器的输入;有源Gilbert混频器的输出为基于电流注入的自适应偏置跨导级有源下混频器的输出。
进一步地,共模反馈电流注入单元包括N型场效应管M7、N型场效应管M8、电阻R5和电阻R6;其中,N型场效应管M7的源极分别连接N型场效应管M8的源极、两个自适应偏置单元的第一输入端和外部电源;N型场效应管M7的栅极分别连接N型场效应管M8的栅极、电阻R5的一端和电阻R6的一端;N型场效应管M7的漏极连接电阻R5的另一端、有源Gilbert混频器中一个跨导管的漏极和第一个自适应偏置单元的第二输入端;N型场效应管M8的漏极连接电阻R6的另一端、有源Gilbert混频器中另一个跨导管的漏极和第二个自适应偏置单元的第二输入端。
进一步地,第一个自适应偏置单元包括电阻R1、电阻R2和电阻R7;电阻R1的一端为第一个自适应偏置单元的第一输入端,电阻R1的另一端分别连接电阻R2的一端和电阻R7的一端;电阻R2的另一端为第一个自适应偏置单元的第二输入端;电阻R7的另一端连接有源Gilbert混频器的一个跨导管的栅极;
第二个自适应偏置单元包括电阻R3、电阻R4和电阻R8;电阻R3的一端为第二个自适应偏置单元的第一输入端,电阻R3的另一端分别连接电阻R4的一端和电阻R8的一端;电阻R4的另一端为第二个自适应偏置单元的第二输入端;电阻R8的另一端连接有源Gilbert混频器的另一个跨导管的栅极。
本发明的有益效果为:本发明通过电流注入和共模负反馈进行跨导级以及开关级节点电压的钳制,遏制了节点电压抬升,放宽了开关级电压裕度,从而提升了整个电路线性度。
附图说明
图1为本有源下混频器的电路图;
图2为无源环形核心加中频共源放大结构混频器原理图;
图3为有源Gilbert混频器的电路图;
图4为本发明与传统有源Gilbert混频器电路跨导级与开关级节点处瞬态电压数据图;
图5为本发明与传统有源Gilbert混频器的增益以及线性度对比示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述,以便于本技术领域的技术人员理解本发明,但应该清楚,本发明不限于具体实施方式的范围,对本技术领域的普通技术人员来讲,只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内,这些变化是显而易见的,一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示,该基于电流注入的自适应偏置跨导级有源下混频器包括有源Gilbert混频器和电流注入模块;其中电流注入模块包括共模反馈电流注入单元和两个自适应偏置单元;
共模反馈电流注入单元的输入端与有源Gilbert混频器中跨导管的漏极相连,共模反馈电流注入单元的输出端与两个自适应偏置单元的第一输入端相连;两个自适应偏置单元的第二输入端与有源Gilbert混频器中跨导管的漏极相连,两个自适应偏置单元的输出端分别连接有源Gilbert混频器的两个跨导管的栅极;
有源Gilbert混频器的两个跨导管的源极均接地;有源Gilbert混频器的输入为基于电流注入的自适应偏置跨导级有源下混频器的输入;有源Gilbert混频器的输出为基于电流注入的自适应偏置跨导级有源下混频器的输出。
共模反馈电流注入单元包括N型场效应管M7、N型场效应管M8、电阻R5和电阻R6;其中,N型场效应管M7的源极分别连接N型场效应管M8的源极、两个自适应偏置单元的第一输入端和外部电源;N型场效应管M7的栅极分别连接N型场效应管M8的栅极、电阻R5的一端和电阻R6的一端;N型场效应管M7的漏极连接电阻R5的另一端、有源Gilbert混频器中一个跨导管的漏极和第一个自适应偏置单元的第二输入端;N型场效应管M8的漏极连接电阻R6的另一端、有源Gilbert混频器中另一个跨导管的漏极和第二个自适应偏置单元的第二输入端。
第一个自适应偏置单元包括电阻R1、电阻R2和电阻R7;电阻R1的一端为第一个自适应偏置单元的第一输入端,电阻R1的另一端分别连接电阻R2的一端和电阻R7的一端;电阻R2的另一端为第一个自适应偏置单元的第二输入端;电阻R7的另一端连接有源Gilbert混频器的一个跨导管的栅极;
第二个自适应偏置单元包括电阻R3、电阻R4和电阻R8;电阻R3的一端为第二个自适应偏置单元的第一输入端,电阻R3的另一端分别连接电阻R4的一端和电阻R8的一端;电阻R4的另一端为第二个自适应偏置单元的第二输入端;电阻R8的另一端连接有源Gilbert混频器的另一个跨导管的栅极。
在本发明的一个实施例中,如图1所示,有源Gilbert混频器中场效应管M3至M6均为开关管,场效应管M1和场效应管M2均为跨导管,IF+和IF-为有源Gilbert混频器的输出,LO+和LO-为本振大信号,RF+和RF-为有源Gilbert混频器的输入。
N型场效应管M7和N型场效应管M8为电流注入管。电阻R5和电阻R6将N型场效应管M7和N型场效应管M8的栅漏连接并取跨导管漏极电压作为电流注入管的栅极偏置,通过调节直流工作点使得跨导管以及电流注入管处于饱和区。从VDD(外部电源)到跨导管漏极采用大电阻(电阻R1~R4、电阻R7和电阻R8)分压方式,为其提供自适应偏置。
在具体工作过程中,直流偏移的产生是由于开关管在本振大信号驱动下,产生较大的电流注入到跨导管,在跨导管产生压降,抬高跨导管与开关管之间的节点电压。本共模反馈电流注入单元的加入使得最终注入到跨导管的电流为开关管及电流注入管电流之和,在跨导管漏极电压抬升时,共模反馈电流注入单元的共模反馈电阻R5、电阻R6将该电压反馈到电流注入管的栅极,电流注入管栅源电压变小,从而使得电流注入管电流减小,对跨导管电流的增加产生了一定的抑制效果,最终抑制了节点电压的抬升。为了使得抑制效果更明显,跨导管处采用自适应偏置结构(即自适应偏置单元),利用电阻实现VDD到节点处的分压,通过调整自适应偏置单元的电阻阻值得到合适的栅极偏压,将节点处电压的抬升效果反馈到跨导管栅极,让跨导管电流的增加依靠跨导管栅极电压抬升实现,实现抑制漏极电压的抬升效果。同时电流注入提高了跨导管电流,提高了电路增益。
抑制直流偏移能够提升电路线性度的原因在于,对于有源堆叠的Gilbert结构来说,电路的线性度主要由开关管限制,增益主要由跨导管提供,当开关管进入深三极管区时,电路线性度将会变差,而跨导级和开关级节点处电压的抬升使得开关管漏源电压裕度变小,开关管更容易进入深三极管区,使得电路线性度显著变差。而通过本发明提出的共模反馈电流注入单元以及自适应偏置单元,直流漂移得到有效抑制,电路线性度有明显提升。
在具体实施过程中,在保证二者跨导管偏置电压一致的条件下,本发明与传统Gilbert结构电路跨导级与开关级节点处瞬态电压如图4所示,传统Gilbert单元跨导管漏极电压在直流仿真下为378mV,而本振大信号驱动下的瞬态仿真显示其直流电压漂移到650mV。本下混频器的跨导管漏极电压在直流仿真下为434mV,本振大信号驱动下的瞬态仿真显示其直流电压漂移到550mV。由此可见,本下混频器对直流漂移的抑制效果显著。
如图5所示,横坐标为prf表示脉冲重复频率,纵坐标gain表示增益,在控制两种结构跨导管偏置一致条件下,本下混频器与传统Gilbert结构电路的整体电路直流功耗大致相同,本下混频器整体上将输出1dB压缩点提升了约1.2dB。由此可见,本下混频器对增益和线性度都有所提升。
综上所述,本发明基于有源Gilbert混频器,通过共模反馈电流注入单元以及自适应偏置单元实现直流偏移的抑制,从根本上提高整个混频电路线性度。电流注入结构除了通过反馈电阻实现直流偏移的抑制,同时还能够提高电路增益。三端口通过巴伦进行匹配并实现差分信号与单端信号的转换。本发明无需分离跨导级与开关级,为堆叠结构,通过提高电源供电电压,在保证电路有合理直流工作状态条件下,电路增益和线性度都有明显提升;由于跨导管为自适应偏置,整个电路所需提供的直流偏置电压仅有开关管栅极一处。可以应用于对增益以及线性度均有较高要求的多通道系统中,在保证线性度满足要求的条件下为系统提供一定的增益,改善链路性能。
Claims (3)
1.一种基于电流注入的自适应偏置跨导级有源下混频器,其特征在于,包括有源Gilbert混频器和电流注入模块;其中电流注入模块包括共模反馈电流注入单元和两个自适应偏置单元;
共模反馈电流注入单元的输入端与有源Gilbert混频器中跨导管的漏极相连,共模反馈电流注入单元的输出端与两个自适应偏置单元的第一输入端相连;两个自适应偏置单元的第二输入端与有源Gilbert混频器中跨导管的漏极相连,两个自适应偏置单元的输出端分别连接有源Gilbert混频器的两个跨导管的栅极;
有源Gilbert混频器的两个跨导管的源极均接地;有源Gilbert混频器的输入为基于电流注入的自适应偏置跨导级有源下混频器的输入;有源Gilbert混频器的输出为基于电流注入的自适应偏置跨导级有源下混频器的输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于电流注入的自适应偏置跨导级有源下混频器,其特征在于,共模反馈电流注入单元包括N型场效应管M7、N型场效应管M8、电阻R5和电阻R6;其中,N型场效应管M7的源极分别连接N型场效应管M8的源极、两个自适应偏置单元的第一输入端和外部电源;N型场效应管M7的栅极分别连接N型场效应管M8的栅极、电阻R5的一端和电阻R6的一端;N型场效应管M7的漏极连接电阻R5的另一端、有源Gilbert混频器中一个跨导管的漏极和第一个自适应偏置单元的第二输入端;N型场效应管M8的漏极连接电阻R6的另一端、有源Gilbert混频器中另一个跨导管的漏极和第二个自适应偏置单元的第二输入端。
3.根据权利要求2所述的一种基于电流注入的自适应偏置跨导级有源下混频器,其特征在于,第一个自适应偏置单元包括电阻R1、电阻R2和电阻R7;电阻R1的一端为第一个自适应偏置单元的第一输入端,电阻R1的另一端分别连接电阻R2的一端和电阻R7的一端;电阻R2的另一端为第一个自适应偏置单元的第二输入端;电阻R7的另一端连接有源Gilbert混频器的一个跨导管的栅极;
第二个自适应偏置单元包括电阻R3、电阻R4和电阻R8;电阻R3的一端为第二个自适应偏置单元的第一输入端,电阻R3的另一端分别连接电阻R4的一端和电阻R8的一端;电阻R4的另一端为第二个自适应偏置单元的第二输入端;电阻R8的另一端连接有源Gilbert混频器的另一个跨导管的栅极。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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