（微电子学与固体电子学专业论文）无线传感网络接收芯片内嵌混频器设计.pdf

d e s i g no fm i x e ri nr e c e i v e rc h i p f o rw s na p p l i c a t i o n at h e s i ss u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y c h a oc h e n s u p e r v i s e dbysupervlseo p r o f 、v uj i a n h u i s c h o o lo fe l e c t r o n i cs c i e n c ea n de n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y d e c e m b e r2 0 0 9 98 舢2 川3 57，iiiily 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除 了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：陛丝日期 东南大学学位论文使用授权声明 z o l o 2 2 t 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密 期内的保密论丈外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、 英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：醴导师签名： 摘要 摘要 无线传感网络是一种全新的信息获取平台，具有低功耗、低成本、分布式和自组织的特点。能够 实时监测和采集特定区域内的各种检测对象的信息。射频芯片作为无线传感网络节点的核心芯片，其性能 对整个网络的通信质量、电池续航能力都极为重要。而混频器作为衔接射频和模拟基带的关键模块，其电 路设计的好坏往往直接决定了射频接收机的总体性能。 论文设计了一种适用于无线传感网络z i g b e e 标准的低功耗低中频下变频混频器。论文首先分析论述了 混频器的分类和发展历程，比较分析了目前多种混频器设计的最新成果，根据无线传感网络接收机的性能 特点和总体指标要求，确定了混频器的性能指标要求。根据该性能指标的要求，选择了带直流共模负反馈 的折叠式吉尔伯特混频器作为本论文的混频器结构，通过分析吉尔伯特混频器的工作原理、噪卢模型和线 性度模型，总结出混频器设计的主要思想和优化方法。并将以上的模型和理论结合到本论文混频器的设计 和优化当中：论文对混频器主体电路、偏置电路、直流负反馈电路以及正交本振信号产生电路、本振缓冲 放大电路等模块进行了设计和优化。该混频器采用折叠本振级的结构，可以利用较低的偏置电流实现较大 的转换增益。同时引入了直流共模负反馈的结构，用以稳定混频器的输出直流共模电平。具有功耗低、工 作可靠的特点。 本论文对设计的折叠式混频器采用s m i co 1 8 岬r f c m o s 工艺进行了原理图和版图的设计，仿真结 果表明该混频器实现了了1 2 d b 和0 d b 的两种增益模式，双边带噪声系数n f 5 d b m ，直流电流小于2 m a 。验证了该混频器的性能满足预先设定的指标要求。 关键词：低中频、折叠混频器、线性度、正交分频、r f c m o s 、直流负反馈 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ( w s n ) i sab r a n dn e wi n f o r m a t i o na c q u i s i t i o np l a t f o r mw h i c hi sl o w - c o s t , l o w p o w e r , d i s t r i b u t e da n da u t o o r g a n i z e d t h ew s ni sc a p a b l eo fi n s p e c t i n ga n dd e t e c t i n gv a r i o u si n f o r m a t i o n i ns p e c i f i ca p p l i c a t i o n ss u c ha sm i l i t a r y , s p a c e f l i g h t ，e n v i r o n m e n tm o n i t o r , m e d i c a l t r e a t m e n t b e i n gt h ec o r ep a r t o ft h ew h o l et r a n s c e i v g rw s nn o d e ，t h er ft r a n s c e i v e rc h i pp l a y sac r u c i a lr o l e t h ep e r f o r m a n c e so ft h ew h o l e w s nn e t ，f o ri n s t a n c et h ec o m m u n i c a t i o np e r f o r m a n c e ，t h eb a t t e r yd u r a t i o na r e m a i n l yd e c i d e db vn l e p e r f o r m a n c eo fr ft r a n s c e i v e rc h i p a st h ec o n v e r t o rb e t w e e nr fs i g n a la n di fs i g n a l ，m i x e r sa r ea m o n gt h em o s t i m p o r t a n tb l o c k si nr ft r a n s c e i v e rc h i p s i nt h i st h e s i s ，al o w - p o w e r , l o w - i fd o w n c o n v e r s i o nm i x e ru s e di nt h ew s nt r a n s c e i v e ri s d e s i g n e da n d o p t i m i z e d f i r s t l y , t h ec l a s s i f i c a t i o na n dp h y l o g e n yo fm o d e r nm i x e rd e s i g n sf i r ed e s c r i b e da n dd i s c u s s e d 1 1 1 e l a t e s tm i x e rd e s i g n sa n dr e l a t i v et h e o r i e sf i r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d a n dt h e nt h ec l a s s i cn o i s em o d e la n d l i n e a r i t ym o d e lo fm i x e r sf i r ei n t r o d u c e da n dt a k e na st h eg u i d a n c eo ft h em i x e ro p t i m i z a t i o n a c c o r d i n gt ot h e r e q u i r e dp a r a m e t e ro ft h ew h o l er e c e i v e rl i n k ，t h ep a r a m e t e r sf o rt h em i x e ra r eb r o u g h tf o r w a r d b a s e do nt h o s e p a r a m e t e r s ，t h ef o l d e dg i l b e r tm i x e rw i t hd cc o m m o n - m o d ef e e d b a c ki sc h o s e na st h em a i ns t r u c t u r ei n t h i s d e s i g na f t e rc o m p a r i s o nt h ec h a r a c t e r i s t i e so ft h em a i n s t r e a mm i x e rs t r u c t u r e s t h em i x e rd e s i g n e di nt h i st h e s i s i n c l u d e st h em a i nm i x e rc i r c u i t s ，b i a sc i r c u i t s ；d cc o m m o n m o d ef e e d b a c kc i r c u i t sa n dq u a d r a t u r el os i g n a l g e n e r a t o rc i r c u i t s a 1 lt h o s eb l o c k sa n dc i r c u i t sa r ed e s i g n e da n do p t i m i z e d ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e st h a t t h ep a r a m e t e ro ft h em i x e rs a t i s f i e st h er e q u i r e m e n tt h a tm a d eb ys y s t e mp a r a m e t e ra s s i g n m e n t 1 1 1 em i x e r a p p l i e s af o l d e dl o s t a g es t r u c t u r ea st oa c h i e v ear e l a t i v e l yh i g hc o n v e r s i o ng a i nw i t hs m a l lb i a sc u r r e n ta n di m p r o v e s t h en fo ft h em i x e ri nt h em e a nt i m e t h ed cc o m m o n m o d ef e e d b a c kc i r c u i t sa r ea l s oa p p l i e da st os t a b i l i z et h e o u t p u tc o m m o nv o l t a g e so ft h em i x e r t h i sm i x e rh a st h ea d v a n t a g e so fl o wp o w e rd i s s i p a t i o n s t r u c t u r e r e l i a b i l i t y t h es c h e m a t i ca n dl a y o u to ft h em i x e ri sd e s i g n e du s i n gt h es m i c0 18 岬r f c m o sp r o c e s s ，t h ep o s t s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h em i x e rh a st w og a i ns t a g e so f12 d ba n d0 d b ad s bn fo f1 e s st h a nl9 5 d b a i i p 3o fm o r et h a n 5 d b mi nm a x i m g a i nm o d e t h ed c c u r r e n to ft h em i x e ri s1 e s st h a n2 m a k e yw o r d s ：l o w - i fs t r u c t u r e ；f o l d e dm i x e r ；l i n e a r i t y ；q u a d r a t u r ed i v i d e r ；r f c m o s ；d c - c o m m o nm o d ev o l t a g e n e g a t i v ef e e d b a c k 目录 目录 摘要i a b s t r a c t 第一章绪论1 1 1 课题背景1 1 2 相关研究现状2 1 3 论文主要工作2 1 4 论文内容概述3 第二章混频器概述4 2 1 混频器的作用4 2 2 混频器的发展和种类4 2 2 1 非线性时不变混频器4 2 2 2 线性时变混频器8 2 2 3 电压开关混频器1 1 2 2 4 电流开关混频器1 2 2 2 5 新型混频器1 5 2 2 6 j 、结1 8 2 3 混频器的主要性能参数1 8 2 3 1 噪声系数1 8 2 3 2 转换增益一2 0 2 3 3 线性度一2 0 2 3 4 端口隔离度2 2 2 3 5 二阶非线性2 4 2 3 6 匹配性2 4 第三章z i g b e e 接收混频器的设计2 6 3 1 混频器设计指标的确定2 6 3 2 混频器电路设计2 8 3 2 1 混频器结构的选择2 8 3 2 2 跨导级的设计3 5 3 2 3 本振级的设计3 8 3 2 4 偏置级及增益控制电路设计4 8 3 2 5 直流共模负反馈放大器设计4 9 3 2 6 正交本振及缓冲级电路设计s 1 3 3 混频器电路前仿真结果与分析s 5 第四章混频器版图设计及后仿验证s 8 4 1 混频器版图设计s 8 4 2 混频器后仿真验证6 1 第五章总结与展望6 4 致谢6 5 参考文献6 6 作者简介。6 9 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 无线传感网络w s n 是w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k 的简称，是由部署在监测区域内大量的廉价微型传 感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统；其目的是协作地感知、采 集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了 无线传感网络的三个要素。 无线传感网络是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信 息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定范嗣内目标检测与跟踪；具有快速展开、抗毁性强 等特点，有着广阔的应片j 前景。无线传感网络所具有的众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温度、 湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。基 于m e m s 的微传感技术和无线联网技术为无线传感网络赋予了广阔的应用前景。这些潜在的应用领域可 以归纳为：军事、航空、反恐、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。 z i g b e e 作为无线传感网络的重要通信标准，是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据率、低成 本的无线网络技术。主要用于近距离无线连接。其通信方式依据8 0 2 1 5 4 标准，在数千个微小的传感器之 间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传 到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。相比较另一种短距离无线通信标准b l u e t o o t h ， z i g b e e 具 有结构更简单、功耗更低、组网规模更大的特点。因此成为无线传感网络平台的主流通信标准，基于z i g b e e 的接收机芯片也正成为射频集成电路设计的一个热f - j t y 向。 图1 1z i g b e e 接收链路结构框图 如图1 1 所示，在z i g b e e 接收链路中，混频器位于射频前端，其作用是将高频载波信号下变频至基带 或者中频，在接收机中具有十分重要的作用。其性能的好坏往往直接影响到接收机的整体性能。 随着集 成电路工艺尺寸的不断减小和供电电压的不断降低、移动平台对功耗的苛刻要求，射频电路的设计变得越 来越具有挑战性。 吉尔伯特混频器是一种经典的混频器结构，因其具有良好的线性度、较高的增益、适中的噪声特性而 成为了最常见的混频器结构，被广泛地用于射频接收机中。但随着工艺尺寸和电源电压的降低，低的电源 电压限制了从电源到地m o s 管的层叠数目，使得传统的高性能吉尔伯特混频器很难实现，或者因为电压裕 度不足而很难达到要求的性能。这使得设计人员必须尝试新的结构以取代传统的吉尔伯特混频器，如何设 计出一种可以工作在低电源电压条件下，并且性能上可以媲美吉尔伯特混频器的新型混频器结构成为了设 计人员的研究热点。而移动设备对于功耗的敏感程度又对混频器的偏置电流提出了更苛刻的要求，众所周 知在射频集成电路的设计中，高的增益、低的噪声系数、高的线性度往往都可以通过增加电路的偏置电流 来实现的。通常为了达到良好的性能指标，电路的偏置电流都维持在几个毫安甚至十几个毫安的水平上， l 第一章绪论 如何既能满足低功耗同时又可以达到可观的性能一直是射频电路设计人员所致力的研究方向。 综上所述，研究开发出一种使用深亚微米工艺，可以工作在低电源电压下的低功耗高性能混频器，使 其可以应用在诸如z i g b e e 等移动无线传感网络接收机和其他无线手持终端设备中，具有十分重要的研究意 义。同时可以利用积累的低功耗小尺寸混频器设计技术，开发出成熟可靠的移动无线接收机终端芯片，具 有广阔的应用前景和研究价值。 1 2 相关研究现状 目前，国内外对于混频器的研究热点和方向主要集中在：1 、针对混频器的电路原理、性能特性等方 面建立理论模型，通过理论分析来找出影响电路性能的设计因素，如建立热噪声、闪烁噪声的产生机理： 非线性的产生机理等模型，为电路的改进提供了理论上的支持并指明了方向。2 、根据成熟的理论模型， 改进现有的混频器结构，使其具有更好的如噪声特性、线性度、增益等性能。3 、提出新的混频器结构， 以适应深亚微米低电源电压的应用场合。 目前学术界对混频器的理论研究和相关模型的建立主要体现在对混频器噪声的分析和建模、线性度的 理论分析等方面。噪声模型：早期关于混频器噪声模型分析着手于研究混频器中各个电路组件产生的噪声， 再利用傅里叶变换分析混频器的频域搬移原理，估算出各个电路模块产生噪声经频域转换在输出端产生的 效果，但是却没有涉及剑开关管对输出噪声的影响，是一种粗糙的简单化的理论模型l 1 2 1 。1 9 9 9 年m t t e r r o v i t s 和r g m e y e r 建立了一种更复杂也更准确的混频器噪声理论1 3 1 ，该理论通过分析开关管的小信 号模型和电路频域特性，将开关管的闪烁噪声和热噪声的影响通过公式进行了描述，但是方法比较复杂， 最终的表达式显得过于庞大。并且，文中只分析了开关管对闪烁噪声的直接转换，却忽视了由寄生电容引 起的间接效应。2 0 0 0 年，d a r a b i 和a b i d i 利用一种新的研究方法分析了开关管对输出闪烁噪声和热噪声 的贡献，得出了一个比较简单的开关管贡献的输出噪卢表达式1 4 1 。此套理论不仅分析了开关管对输出闪烁 噪声的直接转换，同时也分析了本振开关级产生闪烁噪声的间接机理。此套理论成为了混频器设计人员在 优化噪声特性时所采用的主要噪声模型。 非线性模型：影响力比较大的模型主要有三阶失真模型和二阶失真模型，三阶失真模型分析了混频器 互调失真的机理并给出了i m 3 的表达式1 5 1 。由于最近几年零中频接收机的研究越来越热，混频器的偶阶失 真效应逐渐被人们所关注，二阶失真模型则分析了混频器的二阶失真产生的原理并给出了优化方法1 6 1 1 上 述两种模型为混频器线性度的改进提供了理论指导和方向。 混频器的结构也伴随着对混频器理论研究的不断深入而持续发展，混频器的发展历经了非线性时不变 混频器、线性时变混频器等阶段，而吉尔伯特混频器则是作为线性时变混频器的一个经典结构被广泛使用 至今。在现今的混频器发展中，虽然电路结构形式五花八门，但是其根本思想几乎都沿袭了吉尔伯特混频 器的设计思路。人们通过采用折叠结构来解决其在低电源电压下的性能问题1 7 11 8 1 1 9 11 1 0 1 ，通过减小开关 管的直流电流来限制混频器输出端的闪烁噪声l i1 1 2 1 ：还可以通过采用输入多栅跨导管来抵消三阶非线性， 提高混频器的线性度指标i 1 3 11 1 4 1 ；也可以采用动态校准电路消除偶阶非线性和i q 失配1 1 5 11 1 6 11 1 7 1 ；还可以 采用结构上的修改以达剑抑制谐波混频的功能l l1 1 9 1 。总之正是有国内外众多的研究人员在混频器等射频 模块的设计和研究上不断创新和钻研，推动了射频集成电路乃至整个通讯电子设备的飞速发展，混频器作 为射频集成电路的关键模块，具有十分重要的研究意义。 1 - 3 论文主要工作 本论文主要研究目标为设计开发一种适合低电源电压、深亚微米工艺条件，用于z i g b e e 接收的混频器。 研究内容主要包括以下几个方面：一、对混频器的发展过程和相关理论进行归纳总结，对各种混频器设计 的思路和电路结构进行了分析和说明。二、设计出一种基于0 1 8 1 a m 工艺的混频器电路，使其满足z i g b e e 2 第一章绪论 接收芯片的性能要求。三、研究如何提高混频器电路性能的方法并体现在电路设计当中。四、设计混频器 电路原理图，进行前仿真并优化性能，达到设计指标。五、完成混频器版图进行后仿真，确保设计符合要 求。 针对高性能c m o s 混频器设计技术而言，本论文的主要贡献为：开发出了一种符合z i g b e e 接收性能 要求的混频器，仿真达到设计要求。表1 1 为本论文混频器的设计指标要求。 表1 1 本论文混频器的设计指标 指标参数 制造j ：艺 s m i c l 8 1 8 v 输入频带( h z ) 2 4 0 5 g 2 4 8 0 g 输出中心频率( h z ) 2 m 噪卢系数n f( d b ) 5 小增益下i i p 3 ( d b m ) 8 直流电流 ( m a ) e o ) i 2 5 0 3 0 0 u m e ( r s j 9 第二章混频器概述 ； 呈 宝 3 c 0 l i m ee n s 图2 7 输入射频信号、本振及输出电压的时域波形 8 0 图2 - 8 在单正弦信号输入下输出电压的频谱分量 从以上的分析和式( 2 1 8 ) 可以看出，使用线性时变混频器一方面可以无失真地将输入信号进行频谱 搬移，另一方面可以达到较可观的转换增益( 2 t 【) ，较前述的非线性时不变混频器在性能上有着质的提高。 一般这种线性时变混频器又被称为开关型混频器。 如图2 6 所示的开关型混频器可能会存在一个问题，射频输入电流如果存在一个直流偏置，即 u i n = u r f + v b i a s = 【v b i a s + a c o s ( o , ) r f t ) s g n ( u l o ) ，此式的展开式为 u 。u t2 主卜s i n ( c o r f + ) l 。) t a s i n ( ( ) r f 一【i ) l o ) t + i - 1s i n ( t - o r f + 3 t o l o ) t aaa is i n ( t o r f 一3 t o l o ) t + i s i n ( r f + 5 ( 0 l o ) t 一 一 + v r b i a s i s i n ( t o r fs 0 。l o ) t s i n ( t o l o ) t 1 一v b i a ss i n ( 3 c o l o ) t + v r b i a ss i n ( s t o u o ) t + l ( 2 1 9 ) 从式( 2 1 9 ) 中可以看出，如果输入端存在直流偏置信号，则在输出端就会产生本振信号及其谐波成 分，恶化了端口隔离度。 一种改进型结构如图2 - 9 所示，要消除输出端的本振信号，就必须要去除被符号函数调制信号中的直 流成分，使得被符号函数调制的射频信号只含有射频信号本身而没有任何直流成分。解决方式是射频输 入采用差分形式，四组开关完成输入差分信号的极j 陛切换。当本振信号为正时，射频信号以正的极性耦合 第二章混频器概述 到输出端，当本振信号为负时，射频信号以负的极性被耦合到输出端，相当于将输入射频信号按本振频率 改变极性，在输入信号存在直流偏置的情况下也可以实现u o u t = u r f s g n ( u l o ) = a c o s ( o o r f t ) s g n ( u l o ) 的 函数关系，从理论上消除了输出中的本振频率成分。基于这种差分输入、差分极性切换的混频器被称为双 平衡混频器。双平衡混频器对于本振和射频输入都是差分的，其主要解决的问题是从理论上消除了本振馈 通效应，消除了一些共模的噪声分量，避免了电路节点电位的大幅度跳变。 虼。 虼。 图2 - 9 双平衡开关混频示意图 开关型混频器的主要原理就是根据本振信号的时序，对输入信号进行极性的切换。被切换的输入信号 既可以是电压信号也可以是电流信号，分别成为电压开关混频器和电流开关混频器。 2 2 3 电压开关混频器 电压开关型混频器就是基于上述的双平衡开关型混频器的分析基础上的，输入信号为差分信号，四个 m o s 开关组成了双平衡开关对。m o s 开关的栅极受差分本振信号的控制，如图2 一l o 所示。 v l o + v l _ 厂 图2 1 0 电压开关双平衡混频器 左边的双平衡混频核心电路，完成电压信号的极性切换。右边由运放组成的放大滤波电路对变频后的 信号进行选择滤波和放大。输出电压可以表示为 1 1 第二章混频器概述 u i f = v r f s g n ( u l o ) = v r f c o s ( r f t ) s g n ( u l o ) 2 毳v r f 【s i n ( ( i ) r f + ( i ) l o ) t - s i n ( ) r f o ) l 0 ) t + 言s i n ( c o r f + 3 0 。l o ) t 一三s i n ( o ) r f - - 3 c o l 。) t + 亏1 s i n ( o ) r f4 - 5 l 。) t 一亏1s i n ( r f - - 5 c o l 。) t + 】 1 2 2 0 ) 转换增益为 g r = =( 2 2 1 ) 在上述双平衡开关混频电路的分析中，假设了m o s 开关为理想开关，即导通电阻为o 。输入信号没有 衰减地被加到运放的输入端。但是需要注意的是，作为开关使用的m o s 管均工作在线性区，输入信号幅度 的变化将直接影响到m o s 管的导通电阻，凶此由于分膻的原凶加到后级的电压与输入电压的比例关系也会 随之改变，所以在双平衡开关管的输出端直接接运放的输入端，提供一个大的输入阻抗，使得开关管导通 电阻的变化相对于后级运放的输入阻抗而言忽略不计，以消除这种影响。电压开关混频器的另外一个优点 是由于后级电路的输入阻抗很大，开关管不需要提供足够小的导通电阻值，冈此开关m o s 管的尺寸可以做 的很小，小的m o s 管尺寸减小了寄生电容的存在，方便了其在高频下的应用。同时，由于开关管在开关过 程中并没有电流流过，几乎不消耗功率。这些都是电压开关混频器的主要优点。 2 2 4 电流开关混频器 前面讨论的电压开关混频器是用开关控制输入射频电压直接连接到输出端，此时输出电压包含输入射 频电压乘以单位幅度的方波，在电压域内执行乘法。其具有较低的功耗、较高的线性度和较好的高频特性， 但是其较差的噪声系数在很多场合下限值了它的应用。 v d d 图2 - 1 l 单平衡电流开关混频器 电流开关混频器是先将射频电压信号转换为射频电流信号，然后用本振控制的开关切换射频电流的极 性方向，将射频电流用符号函数加以调制，产生变频后的电流信号，输出电流随后在负载上产生压降，形 成输出电压信号。 图2 - 1 1 给出了一个简单的单平衡电流开关混频器原理图。 第二章混频器概述 m 1 是输入射频跨导管，将输入的射频电压转化为射频电流，1 1 1 2 和m 3 在本振的作用下交替导通和截止。 当m 2 导通m 3 截止时，输出电压为o r f g m r ，当 1 2 截止m 3 导通时，输出电压为一u r f g m r 。由于跨导管的 使用，电流开关混频器具有了放大的功能。输出电压表达式为： u i f2u r f g mr s g n ( u l o ) 2g mr v r f c o s ( c o r f t ) s g n ( u l o ) 7r1 = 三g m r v r r fi s i n ( o j r f + a ) l o ) t s i n ( w r y 一i ) l o ) t + 言s i n ( ( i ) r f + 3 w l o ) t 111 一百1s i n ( c o r f 一3 l o l o ) t + i ls i n ( t o r f + 5 c o l o ) t 一言s i n ( r f 一5 ( ) l o ) t + i b i a ss i n ( t o l o ) t jjj 1 一i b i a ss i n ( 3 c o l o ) t + i b i a ss i n ( s c o l o ) t + l ( 2 2 2 ) 转换增益为g m r v a v ，因为此结构是单平衡结构，直流信号与射频信号一起被符号函数调制，因此在输出 端出现了本振频率信号。 如图2 1 1 所示，单平衡结构的另一个缺点是开关管的漏极电压跳变幅度较大，当1 1 2 关断的瞬间，从 v d d 流经 1 2 的电流通路突然被截断。由于寄生电容的存在， 1 2 的漏端电压不能突变，要经过一个充电的 过程来达到v d d 。而当m 3 突然导通时，m 3 的漏端电压也有一个放电的过程，从v d d 逐渐下降到工作点电 压。这样的两个过程就导致了在信号的开关的过程中会产生畸变，影响了系统线性度。 基于前面所描述地双平衡开关理论的电流开关混频器又被称作吉尔伯特混频器1 2 2 1 ，其原理图如图 2 - 1 2 所示。在吉尔伯特混频器中，m 5 、m 6 以及尾电流源组成了射频输入跨导级。射频电压以差分的形式 作用在射频管m 5 、m 6 上，转化成差分的射频电流。尾电流源的作用在于消除共模电流对输出工作点的影 响。经输入跨导级转换的射频差分电流，在双平衡开关对m 1 一m 4 的导通切换作用下，当l o 为正时，将射 频电流i + 导向左侧电阻，i 一导向右侧电阻，在输出端形成v + 的差分输出电压。当l o 为负时，将射频电流 i + 导向右侧电阻，i 一导向左侧电阻，在输出端形成v 一的差分输出电压。等同于将差分电流用符号函数加以 调制，完成混频功能。由于被调制的是差分电流量，不含直流成分，因此在输出端没有本振频率的信号出 现。 图2 1 2 吉尔伯特混频器 与电压开关型混频器不同的是，开关管t 作在饱和区而不是线性区。这样射频管和本振开关管构成了 c a s c o d e 结构，增强了射频信号与输出端的隔离。而且对开关管的尺寸和本振信号的幅度都降低了要求。 同时也改善了混频器的线性度和噪声性能。 第二章混频器概述 而且，吉尔伯特混频器采用了双平衡结构，有效的解决了如图2 - 1 1 所述的单平衡混频器中出现的开 关管漏极在开关切换过程中变化幅度过大的问题。在单平衡结构中，由于两负载通路需要交替导通和关断 导致了切换瞬间输出结点有个充放电的过程，造成了输出波形畸变。在吉尔伯特混频器中，这个问题被有 效缓解了。注意剑单平衡混频器的输出结点在开关过程中的变化幅度会达至r j l b i a s r ，而在图2 一1 2 所述的吉 v d d 图2 - 1 3 适合于深微米工艺下的双平衡混频器 尔伯特混频器中，当本振信号为正时，外侧的m o s 管m 1 和m 4 导通，负载电阻上形成一定的压降。输出 结点的电压为v d d 一0 5 i b i a s r 当本振信号为负时，外侧的m o s 管m 1 和m 4 截j ：，内侧m o s 管m 2 和 m 3 导通。输出结点的压降本来由m 1 和m 4 导通维持，当开关切换时转而由m 2 和m 3 维持，在这个过程 中交替导通关断的只是不同的开关对，而负载支路不需要经历导通和关断的过程。输出结点的电压没有跳 变，开关过程对输出信号不产生干扰。 对于双平衡电流开关混频器来说，为了适应深微米工艺下不断降低的电源电压，从电源到地层叠的 m o s 管数目需要降低。通常的做法是去除吉尔伯特混频器的输入跨导尾电流源。吉尔伯特混频器的尾电流 源作用在于：对输入共模信号，流过差分跨导对的电流始终维持相等，为0 5 l b i a s ，负载上的压降对共模 输入始终恒定。混频器的输出为低频信号，很难在片内使用电容耦合。因此混频器与后级模块的连接方式 通常为直接耦合方式。所以混频器的共模抑制能力特别是直流共模抑制能力就显得十分重要。而吉尔伯特 混频器冈为尾电流源的使用，在有共模输入的情况下也可以维持输出端的电压恒定。如果去除了尾电流源， 输入共模信号会直接引起输出共模电压的改变，影响后级电路的偏置点。由于混频器输出信号为差分输出， 后级电路一般为基于运放的结构，输入为差分输入且具有一定的共模抑制比。冈此只需要保证混频器的直 流共模输出恒定便可以避免后级电路工作点发生过高的偏移。解决方法是对去除尾电流源的吉尔伯特混频 器增加直流共模反馈电路，维持输出直流共模信号的稳定。 带有直流共模负反馈同路的改进型双平衡电流开关混频器如图2 - 1 3 所示1 2 3 | 。混频器主体电路为去除 尾电流源的吉尔伯特混频器。一个运算放大器负极输入端接参考电压，正极接输出直流共模电压，运放的 输出为射频跨导管提供偏置电压。对于共模信号而青此负反馈环路将输入共模信号引起的输出共模电压的 波动抑制掉。为下一级提供稳定的直流偏置。 对吉尔伯特混频器的另外一种改进型结构如图2 1 4 所示1 2 4 1 ，该改进型结构主要目的是改善吉尔伯特 混频器的线性度和转换增益。 1 4 图示的混频器在输入射频管 度和噪声性能往往是随着偏置电 能大，大的负载和大的直流偏置 压供电下是不能被接受的。解决 这样就可以采用较大的负载电阻 2 2 5 新型混频器 图2 - 1 4 改进了线性度和增益的吉尔伯特混频器 双平衡开关电流混频器的思路统治通信电路混频器设计达数十年时间，在此期间也有一些新的混频器 思路被提出来，比较典型的有开关跨导混频器和开关负载混频器。 开关跨导混频器1 2 5 l 的设计思路和传统混频器的区别由图2 - 1 5 所示，从图中可以看出，传统的混频 器是对跨导级的输出电流进行极性的切换，而开关跨导混频器则是交替激活两组极性相反的跨导电路米实 现符号函数对射频信号的调制；其电路原理图如图2 1 6 所示。 a ) b j 图2 - 1 5 开关跨导混频器与传统混频器原理的对比 在图2 1 6 的开关跨导混频器中，跨导级n m o s 管工作在饱和区，本振信号驱动的开关管由两组c i d o s 反相器构成，当l 0 为高电平时使得左边跨导级源端接地，输出放大后的射频电压，极性为正。右边跨导 级的源端被接到v d d ，电路失去了放大功能。当l o 为低电平时，右边跨导级的源端被接到地，输出放大后 的射频电压，极性为负。左边跨导级的源端接到v d d ，跨导级不工作，通过开关级的动作，相当于射频信 】5 号 线 工 振 换 的 低 活 跨 储 电 便 第一二章混频器概述 另一种新的混频器结构被称为负载开关混频器。综上所述，以开关为混频原理的混频器，其开关动作 包括了电流方向开关混频器，跨导开关混频器。众所周知混频器一般由跨导级、电流开关级、负载级构成。 前两者都有人应用为混频核心，文中所描述的便是以负载级的开关作为混频电路的核心。其电路图如图 2 - 1 7 所示： 该混频器电路的工作原理为：开关管由n m o s 构成，当l o 信号为低时，开关关断，射频差分电流在 负载上产生压降，作为差分输出电压。当l o 信号为高时，开关打开，输出电压被强制设置为0 。此开关在 l o 周期信号下不断打开和关断，相当于射频信号与一个频率为本振频率的方波相乘，这个过程所实现的功 能与单平衡混频器相类似。为了实现双平衡混频器的功能从而阻止本振到输出端的馈通，作者在此基础上 进行了改进，提出了以下电路结构( 如图2 1 8 所示) 。 图2 一1 8 具有双平衡混频器特点的负载开关混频器 输出结点上的电压v o u t + 为左边的”与右边的v 一的平均值，v o u t - 为左边的v 与右边的v + 的平均值。 其效果为左边的混频输出与右边的混频输出相减再除以2 。左右的本振信号反相，相减后相当与射频信号 与一个正负对称的方波信号相乘。实现双平衡功能，阻止了本振向输出端的馈通。 上恍 6 忱 图2 - 1 9 亚采样混频器 1 7 第二章混频器概述 用高性能的c m o s 开关来实现的混频器称为亚采样混频器1 2 6 1 。这种混频器( 如图2 - 1 9 所示) 的采用 主要是由于下变频输出的i f 信号带宽往往都比载波频率要小，所以只要满足莱奎斯特定律，采样频率就可 以比载波频率小。这种混频器有一个问题，即噪声过大。由于采样的时候，不仅采到了信号还采到了噪声， 输入端的噪声也被叠加到了输出i f 信号中，并且噪声和r f 信号的增益差不多大小，而且输入r f 信号的带 宽要比i f 信号的带宽大很多，所以该系统的噪声很大( 2 5 d bs s bn f ) 。尽管电路的线性度很好，但它的大噪 声系数完全抵消了它的这一优势。这种类型的混频器的动态范围还不如一般结构的混频器的动态范围大。 理论上l n a 可以用米抑制这种混频器中的噪声，但实际上要想在抑制噪声的同时提供很大的增益和很好的 线性度是很雉的，而且整个系统的动态范围也会受影响，所以要采用这种电路结构就必须解决好这些问题， 这样就增加了设计难度。 2 2 6 小结 混频器的发展大致依照以下脉络进行，最先人们发现电路的非线性特性可以用来实