CN203632620U - 一种带双反馈结构的宽带混频器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于射频集成电路领域，公开了一种应用于宽带接收机的带双反馈结构宽带混频器，该电路包括射频跨导放大器级、本振开关级，中频输出级，电流溢出级，反馈环路LP1，反馈环路LP2。射频跨导放大级采用共栅结构，实现输入阻抗在宽频带范围内近似恒定，从而实现宽带匹配特性；本振开关级将输入差分射频本振信号和输入射频信号混频，产生中频信号，通过中频输出级输出；电流溢出级减少流过本振开关级电流，降低混频器噪声系数；反馈环路LP1和LP2通过形成两反馈通路，实现在不增加工作电流情况下混频器转换增益的提高。
Description
一、技术领域
本实用新型涉及一种带双反馈结构的宽带混频器。
二、背景技术
随着移动通信和无线技术的迅速发展，能够覆盖多种通信标准的多频带无线通信技术因其适用范围广、成本低、传输速率快等优点成为工业、科研、医学等领域的研究和开发热点。而作为多频带无线通信系统的重要心脏-接收机亦因其使用范围要求具有宽频带工作特性。
混频器主要作用是将接收机接收的射频信号转化成中频信号。对于宽带接收机而言，其核心部件混频器应具有宽频带工作特性以实现单个混频器适合多个频带工作特点；另一方面，超外差接收机结构由于具有较好的镜像信号抑制，电路易于实现等优点在宽带接收机中亦得到广泛应用。当宽带混频器应用到超外差接收机时，接收机常需借助于片外滤波器来达到高度镜像抑制的目的。为保证功率信号实现片外滤波器和接收机核心部件-混频器之间最大功率传输，通常要求片外滤波器和混频器之间实现良好匹配。
如图1所示为接收机结构中广泛采用的带电流溢出级双平衡Gilbert混频器，这种结构混频器具有良好的本振信号抑制，良好的信号间隔离度，提供一定转换增益等优点。但是，当这种结构应用到宽带接收机，尤其是超外差宽带接收机时存在下面缺点：
1. 双平衡Gilbert混频器射频输入端口呈现窄带特性，要使其应用到宽带接收机时需要进行复杂的宽带阻抗匹配，如采用无源LC网络，常需要多级LC网络实现，这将占用很大芯片面积，同时增加电路设计和实际调试难度，所有这些将会带来产品价格的增加。
2. 双平衡Gilbert混频器的转换增益和其工作电流密切相关，要提高其增益，通常需要增加其工作电流，这最终导致接收机功耗增加。
三、实用新型内容
本实用新型基于双平衡Gilbert混频器应用于宽带接收机存在的匹配复杂和需增加工作电流来提高增益的缺点，提供一种能应用于宽带接收机的带双反馈结构宽带混频器。为了实现该目标，本实用新型的一种应用于宽带接收机带双反馈结构的宽带混频器，包括射频跨导放大器级、本振开关级、中频输出级、电流溢出级、第一反馈环路LP1和第二反馈环路LP2；
本宽频带混频器的射频输入信号、本振信号和中频输出信号都为差分信号；其中，射频输入信号为RF+和RF-，中频输出信号为IF+和IF-，本振信号为LO+和LO-；另，设八个节点分别为第1、2、3、4、5、6、7和8节点；
射频跨导放大器级由NMOS晶体管M1和M2构成；射频输入信号RF+接于第1节点，射频输入信号RF-接于第2节点，晶体管M1的源级和第1节点相连，M1的栅极与第3节点相连，晶体管M2的源级和第2节点相连，晶体管M2的栅极与第4节点连接，偏置电路作用在第3节点和第4节点上，偏置电路保证射频跨导放大器级工作在饱和状态；
本振开关级由NMOS晶体管M3、M5、M4和M6构成；晶体管M3的漏极和晶体管M5的漏极连接到中频输出信号IF+端，晶体管M4的漏极和晶体管M6的漏极连接到中频输出信号IF-端，晶体管M3的栅极和晶体管M6的栅级连接到本振信号LO+端，晶体管M4的栅极和晶体管M5的栅级连接到本振信号LO-端，偏置电路作用在本振信号LO+和LO-端，直流偏置电路保证本振开关级的晶体管M3、M5、M4和M6都工作在饱和区；
中频输出级由两个负载阻抗Z1和Z2构成，第一负载阻抗Z1的两端分别接于中频输出信号IF+端和供电电源VCC，第二负载电阻Z2的两端分别接于中频输出信号IF-和供电电源VCC；
射频信号经跨导放大级放大后和本振信号相混频，产生中频电流信号，中频电流信号通过中频输出级输出中频电压信号；
电流溢出级由PMOS晶体管P1和P2组成，晶体管P1的源级接于供电电源VCC，晶体管P1的栅极连接第7节点，晶体管P1的漏极连接第5节点；晶体管P2的源级接于供电电源VCC，晶体管P2的栅极连接第8节点，晶体管P2的漏极连接第6节点；晶体管P1和P2的偏置电路分别作用于晶体管P1和P2的栅极，直流偏置电路保证P1和P2工作在饱和区；晶体管P1的漏极接于第5节点，晶体管M1的漏极也接于第5节点，晶体管M1的直流电流将一部分来自于晶体管P1；晶体管P2的漏极接于第6节点，晶体管M2的漏极也接于第6节点，M2的直流电流将一部分来自于晶体管P2；
第一反馈环路LP1由反馈电容C1和C2构成，电容C1两端分别接于第3节点和第2节点，电容C2两端分别接于第1节点和第4节点；射频输入信号RF+接于第1节点，射频输入信号RF-接于第2节点；射频输入信号RF+作用于晶体管M1的源级，由于电容C1的耦合作用，射频输入信号RF-将作用晶体管M1的栅极；同样，射频输入信号RF-作用于晶体管M2的源级，由于电容C2的耦合作用，射频输入信号RF+将作用于晶体管M2的栅极；
第二反馈环路LP2由反馈电容C3和C4构成，电容C3两端分别接于第6节点和第7节点，电容C4两端分别接于第5节点和第8节点。其工作原理同第一反馈环路LP1。
所述的负载阻抗Z1和Z2是电阻、电感、电容或晶体管；或者是由电阻、电感、电容或晶体管中的两个或多个组合实现。
本实用新型的优点及显著效果：
（1）典型带电流溢出的双平衡Gilbert混频器射频跨导放大器级为共源结构，这种结构因其自身特点具有窄带特性，当其应用到宽带接收机时，其射频输入宽带阻抗匹配比较困难，通常需要采用多级无源LC匹配网络，这将占用很大的芯片面积；同时匹配过程较为复杂，增加设计难度和不确定性。本实用新型电路克服典型Gilbert混频器的这种缺陷，通过采用共栅级结构和反馈环路LP1，其输入阻抗在宽频带范围约为1/(2gm)，这样其输入端在较宽范围内得到匹配，从而简化匹配电路，降低产品成本。
（2）典型混频器要提高其电压增益，一般需要增加其工作电流，这对于现代接收机来说，将增加整个系统的功耗，从而限制其应用范围。本实用新型在不增加整个电路功耗前提下，通过在电路中引入反馈结构LP1来增加混频器转换增益。这种方法显著的优点是在不增加混频器功耗的前提下提高了混频器转换增益，即在同等功耗情况下本实用新型具有更高的增益。
（3）典型的电流溢出级结构，通过采用电流源来减少进入到开关级的电流，从而降低开关级引入的噪声；本实用新型在不改变电流溢出级的已有功能的前提下，引入反馈环路LP2，通过合理设计反馈环路参数，能够实现在不影响溢出级功能的前提下达到提高增益的效果。
（4）本实用新型电路在不增加工作电流的前提下降低了噪声系数。
四、附图说明
图1是现有技术中，典型带电流溢出的双平衡Gilbert混频器电路图。
图2本实用新型实施的带有双反馈结构的宽带混频器电路图。
图3 无反馈结构、带LP1反馈结构和带LP1和LP2双反馈结构的混频器增益曲线图。
五、具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本技术方案进一步说明如下：
参考图2，实用新型实施方案包括射频跨导放大器级、本振开关级，中频输出级，电流溢出级(current bleeding)，反馈环路LP1，反馈环路LP2共六个部分。信号端口：射频差分输入信号RF+/RF-，差分本振信号L0+/LO-和差分输出中频信号IF+/IF-。
射频跨导放大器级由NMOS晶体管M1和M2构成，射频输入信号RF+接于节点1，射频输入信号RF-接于节点2，M1的源级和节点1相连，M1的栅极与节点3相连，M2的源级和节点2相连，M2的栅极与节点4相连，偏置电路作用在节点2和节点3上，保证实际工作中射频跨导放大器级工作在饱和状态；射频信号经跨导放大器级晶体管M1和M2实现电压转化成电流。通过这种连接方法，射频跨导放大级为共栅结构，合理设置晶体管的参
数和偏置电路参数，其输入阻抗在较宽的频带范围近似不变，即射频跨导放大级可以在宽频带范围呈现良好输入阻抗特性。
本振开关级由NMOS晶体管M3、M5、M4和M6构成，M3的漏极和M5的漏极连接在到输出中频IF+端，M4的漏极和M6的漏极连接在中频输出IF-端，M3的栅极和M6的栅级连接到本振端LO+，M4的栅极和M5的栅级一起连接到本振端LO-。偏置电路作用在本振端LO+和本振端LO-，直流偏置电路保证本振开关级的晶体管M3、M5、M4和M6都工作在饱和区。
中频输出级由两负载阻抗Z1和Z2构成，Z1的两端分别接于中频输出端IF+和供电电源VCC，Z2的两端分别接于中频输出端IF-和供电电源VCC。
电流溢出级由PMOS管P1和P2组成，P1的源级接于供电电源VCC，栅极和节点7接在一起，其漏极和节点5接在一起；P2的源级接于供电电源VCC，栅极和节点8接在一起，其漏极和节点6接在一起,；PMOS管P1和P2的偏置电路分别作用于P1管和P2管的栅极，直流偏置电路保证P1和P2工作在饱和区；PMOS管P1的漏极接于节点5，晶体管M1也接于节点5，M1的工作直流电流一部分来自于PMOS管P1；PMOS管P2的漏极接于节点6，晶体管M2也接于节点6，M2的工作直流电流一部分来自于PMOS管P2。采用电流溢出级结构减少了经过本振开关级的电流，降低了开关管噪声贡献，提高混频器噪声性能。
反馈环路LP1由反馈电容C1和C2构成，C1两端分别接于节点3和节点2，C2两端分别接于节点1和节点4；射频输入信号RF+接于节点1，射频输入信号RF-接于节点2。由于反馈电容C1的耦合作用，射频输入信号RF+将作用于晶体管M1的源级，而射频输入信号RF-将作用于M1的栅极。同样，由于反馈电容C2的耦合作用，射频输入信号RF-将作用于M2的源级，而射频输入信号RF+将作用于M2的栅极。反馈电容C1和C2耦合作用可以使射频输入差分信号两端分别作用于跨导级晶体管M1和M2的源级和栅极，这将使电路在不增加工作电流前提下提高跨导级跨导，从而提高增益。当合理设计反馈电容C1和C2的电容值时，跨导级的有效跨导可相对于无反馈环路LP1的混频器跨导级有效跨导提高近2倍。
反馈环路LP2由反馈电容C3和C4构成，C3两端分别接于节点6和节点7，C4两端分别接于节点5和节点8，节点5连于第一晶体管M1的漏极，节点6连于第二晶体管M2的漏极。由于反馈电容C3和反馈电容C4构成了正反馈回路，该正反馈回路将减小开关管的等效输入电导，从而实现增益提高。
图3分别对图2结构中无LP1和LP2环路的混频器，只有LP1环路的混频器和包含LP1，LP2两个环的混频器变频增益曲线进行比较，在曲线对比中整个电路工作电流和器件尺寸相同。从图3曲线对比可以看出，包含LP1和LP2的双环路混频器增益比无LP1和LP2环路混频器增益高7~8dB，比单LP1环路混频器高3dB左右。图3显示了本实用新型在不提高电路工作电流的情况下，可显著提高混频器的增益。
上述方案中，中频输出级的负载阻抗可以由电阻、电容网络，电感或者晶体管来实现，同时，该负载阻抗也可以由电阻、电容网络，电感以及晶体管组合来实现。
需要理解的是以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不仅限于本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所做的任何修改、等同替代、改进等均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种应用于宽带接收机带双反馈结构的宽带混频器，其特征是包括射频跨导放大器级、本振开关级、中频输出级、电流溢出级、第一反馈环路LP1和第二反馈环路LP2；
本宽频带混频器的射频输入信号、本振信号和中频输出信号都为差分信号；其中，设射频输入信号为RF+和RF-，中频输出信号为IF+和IF-，本振信号为LO+和LO-；另，设八个节点分别为第1、2、3、4、5、6、7和8节点；
射频跨导放大器级由NMOS晶体管M1和M2构成；射频输入信号RF+接于第1节点，射频输入信号RF-接于第2节点，晶体管M1的源级和第1节点相连，M1的栅极接于第3节点，晶体管M2的源级接于第2节点，晶体管M2的栅极接于第4节点；
本振开关级由NMOS晶体管M3、M5、M4和M6构成；晶体管M3的漏极和晶体管M5的漏极都连接到中频输出信号IF+端，晶体管M4的漏极和晶体管M6的漏极都连接到中频输出信号IF-端，晶体管M3的栅极和晶体管M6的栅级都连接到本振信号LO+端，晶体管M4的栅极和晶体管M5的栅级都连接到本振信号LO-端；
中频输出级由两个负载阻抗Z1和Z2构成，第一负载阻抗Z1的两端分别接于中频输出信号IF+端和供电电源VCC，第二负载电阻Z2的两端分别接于中频输出信号IF-和供电电源VCC；
射频输入信号经跨导放大级放大后和本振信号相混频，产生中频电流信号，中频电流信号通过中频输出级输出中频电压信号；
电流溢出级由PMOS晶体管P1和P2组成，晶体管P1的源级接于供电电源VCC，晶体管P1的栅极连于第7节点，晶体管P1的漏极接于第5节点；晶体管P2的源级接于供电电源VCC，晶体管P2的栅极接于第8节点，晶体管P2的漏极接于第6节点；
第一反馈环路LP1由反馈电容C1和C2构成，电容C1两端分别接于第3节点和第2节点，电容C2两端分别接于第1节点和第4节点；射频输入信号RF+接于第1节点，射频输入信号RF-接于第2节点；
第二反馈环路LP2由反馈电容C3和C4构成，电容C3两端分别接于第6节点和第7节点，电容C4两端分别接于第5节点和第8节点。
2. 根据权利要求1所述的应用于宽带接收机带双反馈结构的宽带混频器，其特征是所述的负载阻抗Z1和Z2是电阻、电感、电容或晶体管；或者是由电阻、电感、电容或晶体管中的两个或多个组合实现。
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| CN106067765A (zh) * | 2016-08-05 | 2016-11-02 | 武汉芯泰科技有限公司 | 一种有源混频器及基于有源混频器实现的混频方法 |
| WO2021084536A1 (en) * | 2019-10-31 | 2021-05-06 | Rafael Advanced Defense Systems Ltd. | A compact single stage wideband power amplifier |
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| CN106067765B (zh) * | 2016-08-05 | 2023-04-18 | 武汉芯泰科技有限公司 | 一种有源混频器及基于有源混频器实现的混频方法 |
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