（微电子学与固体电子学专业论文）用于蓝牙接收机的cmos混频器设计.pdf

摘要 随着c m o s 工艺的快速发展，射频、中频和基带等电路更趋于集成在同一块芯片中 。在蓝牙接收系统的射频前端电路中，混频器起着将射频信号进行频谱搬移的作用， 是电路的核心部件。本课题根据蓝牙标准针对蓝牙接收系统的特性参数设计了一种可 以在深亚微米c m o s 工艺下制造的取样混频器模块，使其能够同蓝牙接收系统后端的数 字基带信号处理部分集成在同一块芯片上，并针对其易受折叠噪声影响的特点设计了 片上数字抽取滤波器以及产生用于驱动整个混频器模块的信号的数字信号发生模块， 进一步为设计单片蓝牙接收机提供了可能。 论文采用t s m c0 1 8 u mc m o s 工艺，在c a d e n c e 的s p e c t r e 仿真环境下对所设计的 新型混频器电路进行仿真，结果表明电路射频频率为2 4 0 5 g h z ，本振频率为2 4 g h z ， 中频输出频率为5 m t l z 。仿真结果得到的噪声系数为2 6 d b ，卜d b 压缩点为一8 d b m ，输入 三阶截断点i i p 3 为o d b m ，供电电压为1 8 v ，满足蓝牙接收机的参数标准。仿真结果 证明新的混频器结构在线性度上有较大优势，同时后接的片上数字抽取滤波器对折叠 噪声的抑制较为突出，有效地改善了取样混频器的噪声特性。 关键字：c m o s取样混频器蓝牙射频数字滤波器单片 a b s t r a c t i n t e g r a t e dc i r c u i th a sb e e nd e v e l o p e dr a p i d l ya l o n gw i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to f c o m st e c h n o l o g y r a d i o 仃e q u e n c y , i n t e r m e d i a t el j r e q u e n c ya n db a s e b a n dc i r c u i t sa l e i n t e n dt ob ei n t e g r a t e do nas i n g l ec h i p m i x e ri sak e yp a r to fb l u e t o o t hr e c e i v e rs y s t e m ， w h i c hf u n c t i o n st om o v et h e1 j r e q u e n c yo fr fs i g n a li ns p e c t r o g r a m t h i sp a p e rd e s i g n e da s a m p l i n g m i x e rm o d u l ei na c c o r d a n c ew i t hb l u e t o o t hs p e c i f i c a t i o n ，w h i c hc a l lb e m a n u f a c t u r e di nd e e ps u b m i c r o m e t e rp r o c e s s e s d e s i g n e dm i x e rm o d u l ec a nb ei n t e g r a t e d w i t ht h ed i 舀t a lb a s e b a n ds i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l eo nas i n g l ec h i p m o r e o v e r , s i n c e s a m p l i n gm i x e ri sa l w a y sa f f e c t e db yf o l d e dn o i s e ，t h ep a p e ra l s od e s i g n e do n - c h i pd i g i t a l d e c i m a t i o nf i l t e ra n di t sd r i v e rc i r c u i to fd i g i t a ls i g n a lg e n e r a t i o nm o d u l e ，w h i c hg r e a t l y e n l a r g et h ep o s s i b i l i t yo fd e s i g no fs i n g l ec h i pb l u e t o o t hr e c e i v e r t h em i x e rd e s i g n e dw i t ht s m c0 1 8 u mc m o st e c h n o l o g yi ss i m u l a t e du n d e r s i m u l a t i o ne n v i r o n m e n to fc a d e n c es p e c t r e ，w i t ht h ef o l l o w i n gr e s u l t s ：r fi j r e q u e n c yi s 2 4 0 5 g h z ，l of r e q u e n c yi s2 4 g h z ，g a i n e di ff r e q u e n c yi s5 m h z t h em i x e rh a san o i s e f i g u r eo f2 6 d b ，1 - d bc o m p r e s s i o np o i n to f - 8 d b m ，a n dl i p 3o fo d b m d e s i g n e dm i x e r , w h i c h i s p o w e r e db y1 8 vv o l t a g e ，t o t a l l ym e e t st h et e c h n i c a ln e e d so fb l u e t o o t hr e c e i v e r s i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e st h a td e s i g n e dm i x e rh a sa d v a n t a g ei nl i n e a r i t y , a n dar e l a t i v e l y g o o dn o i s ef i g u r ed u et ot h ef o l l o w i n go n c h i pd i g i t a ld e c i m a t i o nf i l t e r k e yw o r d s ：c m o ss a m p l i n g - m i x e r b l u e t o o t hr f d i g i t a l - f i l t e rs i n g l e - c h i p 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，用于蓝牙接收的c m o s 混频器设 计是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：鱼逸丝9 年月兰日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定 ，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和t - - n l ( i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 垒盘鲨2 年三月三豹 指导导师签名： 姐丞绰年月卫日 1 1 研究的背景及意义 第一章绪论 随着人类社会的发展和科学技术的进步，琳琅满目的电子产品出现在了我们的面 前，诸如：手机、计算机、个人数字助理、打印机、数码相机、m p 3 播放器以及各种信 息家电类产品。人们在享受它们给生活带来便利的同时，也对它们之间越来越多的蜘 蛛网式的连线感到厌烦。蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术是解决上述问题的无线连接技术标准， 于1 9 9 8 年由爱立信、诺基亚、i b m 、东芝及i n t e l 联合提出乜1 。它是语音和数据无线传 输的开放性通信标准，其目的是在一个小范围( 1 m - 1 0 m ，也可以通过外接功率放大器， 使其范围扩展至l o o m ) 内建立低成木、短距离的无线连接。与其他无线局域网标准( 例 如：i e e e8 0 2 1 1 ) 相比，蓝牙技术有一整套协议，可以应用于更多场合，它跳频更快( 1 6 0 0 次秒) ，因而更稳定，同时还具有功耗更低和更灵活等特点口1 。蓝牙系统由无线收发单 元、链路控制器、链路管理器和提供到主机端接口功能的支持单元组成。其中无线收 发机的工作频段选在全球通用且无须申请许可的2 4 g h zi s m ( e o 工业、科学、医学) 频 段。 现代的无线通信系统中，由于c m o s 工艺生产费用低，集成密度高，且静态时电路 不存在直流电流，收发机的数字处理部分大多采用c m o s 工艺实现。但由于c m o s 器件 的跨导小，导致c m o s 工艺实现的射频电路通常功耗较大，收发机的前端电路一般采用 双极型工艺或砷化镓工艺。通常系统中的数字处理部分能占到芯片面积的7 5 9 6 以土，考 虑到集成度、功耗及成本等指标的要求，只有实现c m o s 集成射频前端，才能最终实现 单片集成的无线通信系统。目前，随着c m o s 工艺的不断进步和成熟，其沟道长度不断 减小，单位电流增益截止频率f 。己经接近砷化稼水平h 1 。这使得用c m o s 工艺实现无线 通讯产品的单片集成成为可能，利用c m o s 工艺设计射频集成电路已经成为世界范围内 的研究热点。 从2 0 0 1 年英国的c s r 公司推出第一款c m o st 艺实现的蓝牙芯片以来，其他几家 人公司( b r o a d c o m 、t i 、e r i c s s o n 、s t ) 也相继推出了自己蓝牙产品，国外的不少研 究机构也报道了自己的研究成果嵋1 。在国内，随着2 0 0 0 年第一块工作频率高于2 g h z 的c m o s 射频集成电路研制的成功阳1 ，许多工作在g h z 范围的c m o s 集成电路也相继被报 道。但总体来说，在无线通信领域内的集成电路设计，国内仍与国外存在着一定的差 距，射频电路设计的核心技术仍掌握在国外的几家大公司手中。如何尽快地突破和解 决射频集成电路的设计难点，拥有我国自行设计研制的芯片，是我国集成电路设计产 业的当务之急。 作为无线收发机的重要组成模块混频器电路，它主要用来实现频率的变换。在 接收机中，混频器将接收到的射频信号搬移到中频上，以便更好的恢复信号；而对于 发射机，它的作用则正好相反，它将由基带产生的低频信号搬移到射频频段，以利于 信号的有效辐射。混频器的一些性能参数对收发机的性能起着至关重要的影响。例如： 混频器的噪声严重影响着接收机的灵敏度，而它的增益决定着接收机中混频器后级模 块对系统性能的影响程度，发射机中混频器的非线性将造成发射信号的泄漏，干扰其 他的无线用户。因而对它的深入研究是非常必要的，特别是在c m o s 工艺所允许的电源 电压越来越低的情况下，混频器的设计难度增大，传统的结构已不能很好的满足系统 所要求的性能指标，如何对它进行改进，使其能够顺应c m o s 工艺技术的发展要求，更 是设计中必须要考虑的问题。 1 2 论文研究主要内容 本论文研究的主要内容有： ( 1 ) 针对现今广泛应用的两种蓝牙接收机：超外差接收机及零中频接收机，分别 分析并比较两者的结构和特点。 ( 2 ) 分析混频器的种类及参数如线性度、噪声、增益、功耗以及隔离度等性能之 间的关系，做出合理的优化方案。 ( 3 ) 完成应用于蓝牙接收机的下变频混频器整体结构的设计，包括整体结构的确 定、元器件的选择、元器件尺寸的计算和优化选择、端口匹配的设计等，并针对混频 器的各种特性参数完成全部前端仿真。 ( 4 ) 针对取样混频器的折叠噪声设计片上数字滤波器。 ( 5 ) 完成系统的版图设计，并对整个版图进行d r c 和l v s 检测。 ( 6 ) 此次设计采用t s m c0 2 5 u m 工艺库，用c a d e n c e 的s p e c t r e 进行电路模拟仿 真，用v i r t u o s ol a y o u te d i t o r 绘制版图，并用a s s u r a 进行版图的d r c 及l v s 验证。 1 3 论文的组织结构 第二章分析了蓝牙接收机的两种结构：超外差接收机与零中频接收机，比较其电 路结构和特点；第三章分析了混频器的结构，性能参数以及设计要点，并完成了用于 零中频接收机的取样混频器的电路结构设计以及前仿真。针对其受到的折叠噪声的影 响，设计了片上数字滤波器。第四章进行了整个系统的版图设计，并完成了d r c 与l v s 验证。 2 第二章射频接收机系统结构分析 目前，在通信过程中存在诸如蓝牙等众多通信协议，它们有的工作在不同频段上， 有的甚至使用同一频段，这样在同一频段上就有不同协议传输的信号存在，它们之间 会发生干扰，加上自然界本身就存在干扰，这样使得射频信号在传递时和接收时有一 定程度的衰减。接收机要从众多的噪声干扰中接收到有用的信号，靠的是接收机在接 收特定信号时抗干扰的能力，即选择性( s e l e c t i v i t y ) ，以及接收机接收信号的灵敏度 ( s e n s i t i v i t y ) h 1 。不同结构的接收机各有其特性和应用范围，要看具体的应用采纳合 理的结构，一般考虑的重点在于接收机的成本，功率消耗，复杂度，集成度。下面将 常用的接收机结构作简单描述和分析。 2 1 超外差接收机 超外差接收机的结构是由a r m s t r o n g 在1 9 1 8 年率先提出的阳，这个结构至今影响 深远，人们不断的采用它，同时进行改进。这种结构适用于多种通信协议，具有良好 的选择性和灵敏度是其主要的优点，图2 1 是其方框图。 i fl 0 图2 1 超外差接收机基本结构 超外差接收机工作原理为：射频信号被天线接收以后，经过一个频带选择滤波器 滤除射频频率k 附近的噪声和干扰信号。随后进入到下一级的低噪声放大器( l n a ) 进 一步放大射频信号并抑制噪声的干扰。镜像消除滤波器的作用在于降低镜像噪声信号 对有用信号的影响，接着射频信号经过混频器与本地振荡信号进行调制，在混频器的 输出端得到下混频后的中频信号( i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y ，i f ) ，再通过一个通道选 择滤波器送到下一级。中频信号的频率值由设计者根据通信协议和具体需要而定。 3 2 1 1 镜像干扰 镜像干扰由镜像频率而来，即在镜像频率上有一个干扰信号，经过混频器与本地 振荡信号调制，使得在中频频率产生一个由下变频而来的镜像干扰噪声，进而间接影 响了欲接收信号的品质。换句话说，降低了接收信号的信号噪声比( s n r ) 。 l m i x e r l o 图2 2 镜像干扰示意图嗍 如图2 2 所示，假设射频信号为c o s o j r f t ，本振信号c o s 缈， 镜像信号为c o s f ，其中 如一l 厂d 一i = i 厶一厶i 所以有用中频为： 镜像中频为： ! 睡 中频信号c o s f ， ( 2 1 ) c o s i f t = c o s ( o r f t c o s ( 1 ) l o t - 丢 c 。s ( r f 一加) + c 。s ( 冗f + l d ) r 】 ( 2 2 ) = 丢 c 。s 上f f + c 。s ( 冠f + 工d ) f 】 c o s o ) t f t = c o s o ) i m t c o s o - 丢b s ( 一吡。) + c o s ( + 吼。弘】 ( 2 3 ) - 三 c o s f + c o s ( + 吡。y 】 由上面两式可知，射频信号和干扰信号经过混频器后，虽然其他的高频信号与和 频信号可以由频带选择滤波器滤除，但是两者的中频项都重叠在同一频率上，如果附 近频率的干扰噪声功率比欲接收的信号功率大时，镜像频率对中频信号的干扰也相应 增加。 一般的处理方法是在混频器的前一级预置一个镜像抑制滤波器，其作用在于消除 镜像频率上的干扰噪声，避免镜像信号与有用信号同时进入混频器经过混频后进入信 号处理的下一级。这种方法适用于r f 与i f 频差较大的情况，即选择高中频的方式。 4 2 1 2 中频频率的选择 我们知道，中频频率的设定与镜像抑制滤波器的规格有关，这是因为在两高低不 同的中频频率，若使用相同的镜像抑制滤波器，镜像干扰噪声的消除与中频频率干扰 的抑制之间存在着折中( t r a d e - o f f ) 的关系。 图2 3 镜像干扰和中频干扰的关系( a ) 高中频( b ) 低中频u 训 由图2 3 a 可以看出，在设计超外差接收机时，将经过混频器得到的中频设为高中 频时，则此接收机对于消除镜像干扰有较好的性能，但同时无法有效的消除邻近频率 的干扰，这是因为其中频频率较高，难以实现高q 值的通道选择滤波器有效地消除邻 近频率的干扰。 图b 与图a 相反，因为下变频后频率为低中频，信号在射频频率时，与镜像干扰 的频率距离近，因此镜像抑制滤波器无法有效的抑制镜像干扰，这样，与a 相比，较 多的镜像干扰就被降到此低中频上，但同时低中频的滤波器比较容易实现高q 值，能 很好的抑制邻近频带的干扰。 为了解决超外差接收机中中频频率的选择问题，往往采用多次降频的方法，从而 降低对通道选择滤波器设计时对其q 值的要求。 2 1 3 半中频效应 如图2 4 示，当外界干扰频率为半时，经过混频器下混频后，将在中频频 带产生一个频率为芋的信号。又因为i 一吡。i = ，所以芋= 警。 虽然这个信号不直接影响i f 信号，但其二次谐波将落在i f 上，从而对接收机造成干 5 扰。为避免半中频的影响，将半设计在镜像消除的频带内，这是一个解决此问 题的方法。 2 图2 4 超外差接收机半中频效应 2 1 4 超外差接收机的频率变换 a i 、 i毋- b p h吩蛳 w c 粤吒一， 吩哳z 一畸埘 。乓1 一， 铷z 一吩印 图2 6 超外差接收机中频率的变换过程 从图2 5 我们可以清楚地看出超外差接收机中频率是如何变换的。当接收机通过 6 降低噪声的干扰。当r f 信号通过低噪放后，与l 0 信号吼d 经过混频器( m i x e r ) 混 频而产生中频信号( i f ，) ，其中= 一吒d 。因为混频器是一个非线性器件， 因而也会混频出其它频率的信号，如上图中的2 r f o ) i f 就是由两倍r f 频率减掉i f 的 一个高频信号。所以经过一个低通滤波器( l p f ) 将接收机的其它高频信号滤除，而留下 我们需要的i f 信号，进入基带部分进行信号处理。 这样一种将高频信号转变为低频信号的过程称为下混频( d o w n c o n v e r s i o n ) ，相反 的，在发射机系统中，将中频信号转变为射频信号通过天线向外发射出去的过程称为 上混频( u p c o n v e r sio n ) 。 2 2 零中频接收机 2 2 1 零中频接收机结构 r b。士 c ：田 - 图2 6 零中频接收机示意图 在上一节中讨论了超外差式接收机，其工作原理是将高频信号转换为较低的中频 信号。而零中频接收机中将本振信号与射频信号选用同样的频率，这样经过混频器后 就直接将输出信号降频到直流( d c ) ，这称为零中频( z e r o - i f ) 或直接降频 ( d i r e c t - c o n v e r s i o n ) 。因为中频频率，f i f _ o ，理论上不会受到镜像干扰噪声的影响， 可以省去面积庞大的镜像抑制滤波器，所以l n a 也不需要作额外的阻抗匹配电路，在 成本，功耗以及片上系统( s o c ) 的实现上，很有优势。这种直接降频的结构，应用于振 7 幅调制系统中，通常采用的双边带调幅信号，用单一路径，经混频器降到基频。在用 于调频( f m ) 或调相( p m ) 方式时，则需采用具有9 0 。相差输出的接收机结构，以避免接收 信号的流失n 。因为信号降到d c ，所以不必使用通道选择滤波器，而是各串接一个低 通滤波器( l p f ) ，滤除基带上的噪声，再经过a d 转换器，将基频的信号转换为数字信 号进行处理。 2 2 2 直流偏移 图2 7 直接变频的正交输出方式 q 直接降到零中频的方式，虽然省去了镜像抑制滤波器，但并非没有缺点。其中最 主要的就是直流偏移。其原因在于混频器的r f 端口和l 0 端口隔离度不够高所致。因 本振功率很大，所以本振信号在隔离度有限的情况下泄漏到混频的输入端b ，或者是因 为辐射而经过天线接收进入低噪放a 点，这叫本振泄漏( l ol e a k a g e ) 。 同样的，若是r f 信号混合到其它端口，称为射频信号泄漏( r fl e a k a g e ) 。当这些 频率相同的泄漏信号经过混频器与本振信号混频后，也会在输出端信号产生d c 项信号， 这称为自混频( s e l f l e a k a g e ) 。 当低噪放或混频器输入端有强大的干扰信号时，它也会祸合到本振输出端口造成 自我混频。原本由直接降频到直流的信号因此而受到干扰。 l o l b l 图2 8 自我混频( a ) l ol e a k a g e 本振泄漏( b ) i n t e r f e r e rl e a k a g e 强干扰泄漏 8 2 2 3 二次谐波失真 f e e d l h r o u g h l 。 伊掌亭吖 图2 9 偶次谐波失真 如图所示，如果在接收的射频频率附近由两个相近的强干扰噪声信号，经过非线 性电路，其二阶互调( i m 2 ：s e c o n d o r d e ri n t e r m o d u l a t i o n ) 项会位于基带附近，又因 为混频器的隔离度有限，使得这个二阶交调项由射频输入端耦合到基频输出端，间接 影响了输出信号的质量，这一现象称为偶次谐波失真( e v e n - o r d e rh a r m o n i c d i s t o r t i o n ) n 刳。它的测量可以通过输入二阶截断点( i i p 2i n p u ts e c o n d - o r d e r i n t e r c e p tp o i n t ) 判断，其原理是：利用两个相同功率且频率相近的信号输入待测的非 线性电路，在电路输出端测量在不同输入功率下，二阶交调项对输出功率的影响。在 抑制偶次谐波的方法上，一方面我们可以增强混频器的隔离度和提高其线性度，另一 方面可以采用差分结构消除偶次谐波。 2 2 4 闪烁噪声 1 闪烁噪声因为其功率谱密度函数与厂成正比，而且和器件尺寸成反比，所以频率越 低，此噪声越大，对接收信号的影响也越大n3 1 。在零中频接收机中，信号被降到直流， 闪烁噪声的影响不容忽视。为降低这种影响，我们可以提高l n a 或混频器的增益，同 时选用有源混频器比无源混频器要好，因为有源混频器的增益大，从而减小了噪声的 影响。 2 3 镜像抑制接收机 超外差接收机中用一个镜像抑制滤波器来消除镜像频率的干扰。另外，我们可以采 用设计镜像抑制接收机的方法来抑制镜像信号，同时避免在芯片外挂一个高q 值的镜 像抑制滤波器提高集成度。比较典型的镜像抑制接收机为h a r t l e y 和w e a v e r 结构，它 们都是利用两个相互正交的本振信号，分别与两混频器下变频来消除镜像干扰n 副。 9 2 3 1h a r t l e y 结构 这种结构，主要由相差9 0 。的两个混频器组成，这是由输入的本振信号相差9 0 。产 生的效果。至于镜像抑制，是利用混频器和9 0 。的相移器对i ，q 两路径的镜像信号造 成1 8 0 。的相移，在输出端经加法器将镜像干扰消除。 m i x e r l 图2 1 0h a r t i e y 镜像抑制结构n 5 1 详细推导如下 令输入信号为厂( f ) _ 如c o s f + 彳删c o s o ) i m t( 2 4 ) 、分别是r f 信号和镜像信号的频率 本振信号相位差9 0 。，分别为c o s ，s m 。当信号f ( t ) 由r f 端口输入时， 经过一对相位差9 0 。的混频器混频而在a ，b 点产生不同的信号： 厶o ) 目- a 芋 s i n ( w w + y + s i n ( 一y 】+ t a i m 【s l n r , ( 吡。+ ) t + s i n ( 一弘 ( 2 5 ) 厶。，。 等b s c + ) t + c o s ( 一) f 】+ t a i m p r s c 吡。+ ) t + c o s ( 一弘 ( 2 6 ) 当l ( f ) 与厶( f ) 经过低通滤波器后，高频成分( 吡。+ ) 和( 吡。+ ) 被滤除，则c ， d 两点的信号为： 1 0 f c ( t ) = 等s i n ( 吡。一) f + 争s i n ( 一啦 ，d ( f ) a 2 r ec o s ( 一y + 等c o s ( 吡。一y ( 2 7 ) 而c 点信号经过一个9 0 。相移，得到e 点的信号为 f a t ) = a 2 盯c o s ( 一吡。y 一譬c o s ( 一y ( 2 8 ) 由( 2 7 ) ( 2 8 ) 可清楚看到，在d ，e 两处，r f 信号同相位而镜像信号差1 8 0 。，这样用加 法器合成即可消除镜像信号，最后在中频留下所需要的信号。 2 3 2w e a v e r 结构 在上一节h a r t l e y 结构中，我们在一对具有分9 0 。相位差的混频器之后放置一个 9 0 。的相移器，使得需要的信号同相位，镜像信号相差1 8 0 。，从而达到镜像抑制的效果。 而w e a v e r 结构，采用另一个相位差9 0 。的混频器代替9 0 。的相移器，利用二次混频将镜 像消除m 1 。 r fl f 图2 1 1w e a v e r 接收机结构1 7 1 w e a v e r 结构镜像抑制滤波器的主要优点是，使用有源的混频器取代无源的相移器。 n 踟这样信号在传输时，不会因为经过无源器件而衰减，但是w e a v e r 结构中存在第二镜 像的问题( s e c o n d a r yi m a g e ) 。设所需要的信号为，第一和第二本振频率分别为q 和 假定有一个信号频率为2 吡一+ 2 q ， 第一次降频时，降到一q 而2o ) 2 一+ 2c o , 降为2 吐一+ q 第二次降频时，降到q 一而2 一+ 2 蚴降为一+ q r f i n p o q2 n l q + 2 q皑 2 q 一雌q 呵。哩q 图2 1 2 第二镜像 由此可知，虽然w e a v e r 结构能将镜像信号消除，但却产生第二镜像的问题。如此 一来，在结构图中的低通滤波器就必须改为带通滤波器以避免第二镜像信号造成干扰。 另一个解决第二镜像的方法是在第二次混频时采用直接降频的方法。但是这样一 来，直接降频的问题也随之而来，如直流偏移( d co f f s e t s ) 和自我混频( s e l f m i x i n g ) 1 9 】 1 2 第三章混频器模块设计与仿真 混频器在接收机系统中是重要的组成部分之一，其位于接收机前端，低噪声放大 器后级，将接收到的射频信号线性的搬移到中频上。由于线性时不变系统不可能在输 出中产生输入中没有的功率谱分量，所以混频器中必须至少有一个非线性的或者是时 变的元件以便提供频率变换啪1 。混频器其实就是利用非线性器件提供的乘法功能实现 混频作用的，由于乘法器只能间接的产生中频信号，所以同时它还会产生许多我们不 需要的频率分量。 3 1 混频器的种类 混频器的分类主要有以下几种：从是否有静态电流来分，可以分为有源混频器和 无源混频器，前者一般提供大于o d b 的增益，而后者的增益小于o d b ，即不但不提供增 益，还会衰减；从混频器所使用的器件类型来分，可以分为双极型混频器和c m o s 混频 器，前者又包括三极管混频器和二极管混频器；按照混频器电流结构来分，可以分为 单管跨导型混频器、单平衡混频器和双平衡混频器。下面分析主要的几种混频器结构： 无源混频器、单平衡混频器以及双平衡混频器。 3 2 1 无源混频器 a b 图3 1 混频器原理 混频器在收发机中起的作用是频率转换，实际上相当于一个乘法器，如图3 1 所 示。假设输入端a 、b 两个信号为正弦波和，则混频器的输出信号为： 似s i n f ) ( b s i n f ) = 譬b s ( 叱一y c o s ( 叱+ 魄) f 】 ( 3 1 5 ) 由上式可知，混频器的输出信号包含两个输入信号的和频与差频，也就是通常说 的上混频和下混频。针对不同的目的( 升降频) ，我们可以取出有用的信号，同时用滤 波器去除另一个信号。混频器在高频上的实现，通常利用电路的非线性特性来达到使 1 3 两路信号相乘的效果，常用的方法有： ( 1 ) 使用非线性器件 ( 2 ) 使用开关，用本振信号进行切换 第一种方法利用器件的非线性，比如二极管、b j t 、m o s f t e 。其中二极管和b t j 的 输入输出信号呈指数关系，而m o s f t e 的输入输出呈平方率的关系。其原理为输入两个 信号，利用器件的非线性产生多次谐波，取出二次交调项，就得到升频和降频信号。 x o ( t ) ( t ) 图3 2 非线性混频器2 1 3 假设；o ) + v o ( t ) ，则经过非线性器件得到输出信号为： v o ( t ) 一口o + 口1 o ) + 口1 2 0 ) + 口，拥3 0 ) + 人 我们由( 3 1 6 ) 知道，输出包含直流项， + v d ( t ) ( 3 1 6 ) r f 馈通，l 0 馈通，r f 与l 0 的多次谐波。 其中，平方项是我们希望的信号，展开有口：p 之o ) + ( f ) v 加( f ) + 2 0 ) j ，其中中间项 积化和差可以得到( + 吐d ) 和( 一) 两项，后面一项即降频后的信号。与二极 管和b j t 相比，m o s f e t 的效果要好一些，因为平方率特性可以获得较少的谐波输出， 降低谐波对电路的干扰。 i t ) r o m 厂 厂 厂 广 。 图3 3 非线性混频器( 5 0 占空比) + v o 1 4 第二种方法如图3 3 所示，假设l 0 信号为5 0 9 6 占空比的方波，相当于一个切换 开关，o ) = a rc o s o ) r f t ，则由傅立叶级数展开后，得到： f , o m l 2 + 争州+ 学+ 学+ 】 v o ( t ) ；a rc o 广s o j e , f t + 争c o s 袖州+ 竺学+ 人1 ( 3 1 8 ) z石 i j l 由( 3 1 8 ) 式可知，第二种方法与第一种相比，没有l o 的偶次谐波。输出信号成分 为r f 馈通，降频后的信号和偶数阶的交调项。偶数阶交调项和r f 馈通仍会在混频器 中产生噪声，如果r f 输入信号中有直流成分，还会在输出端产生l o 馈通，这些都对 混频器的噪声系数有影响。此外，电压增益只有三瞳列，对输入信号的放大能力一般。 以上说的都是无源混频器，其缺点是增益小，端1 3 的隔离度不高，r f 和l o 的馈通 对整个电路的影响较大。在使用较大振幅的l o 信号时可以达到开关的目的，不过同时 就增大了l o 信号的功率。简单的说，无源混频器的噪声系数和增益不够理想，但是结 构相对简单，且线性度较好。为消除由于隔离度不高带来的馈通效应，可以使用平衡 结构的电路改善。 3 3 2 单平衡混频器 有源混频器是目前较常用的类型，与无源混频器相比，有源混频器的转换增益较 大，噪声系数较小，端口的隔离度也较好。不过消耗的功率略大，线性度较差一些。 下面对常见的单平衡和双平衡混频器进行分析。 v rm 口m v f ( t l 图3 4 单平衡混频器2 3 1 单平衡混频器的r f 信号经过跨导放大级m 1 ，将输入信号转换成电流信号，再经过 1 5 电流切换级m 2 和m 3 ( l 0 信号使得切换开关的频率为本振频率) ，产生和频与差频分量， 再经过负载将小信号电流转换为差动输出电压信号。 f ( t ) 昌f l 0 1 ( t ) + fl 0 2 ( t ) t i m e 图3 5 电流切换原理 如图3 5 所示，电流切换级的l o 信号起开关作用，对和用傅立叶级数表示： 删= 1 2 + 争蚶+ 字+ 学+ a 融 m _ _ + 1 争f + 学+ 半+ a 1 溆2 。， z万ij) l 假设输入的r f 信号为v r f ( f ) = 4 c o s t o 肝t ，经过两个反相切换的l o 信号后的输出 信号为： 喇吨，m ( f ) | 争吡+ 半+ 学+ a 1 ( 3 2 1 ) 万i j) i ；4 o o s 啦争吲+ 学+ 学+ a 1 ( 3 2 2 ) 万ij)l ( 3 2 2 ) 与( 3 1 8 ) 式比较，( 3 2 2 ) 式消除了r f 馈通。并且由它的二阶乘积项计算 可得其增益约为彳2 ，若4 = 1 ，则电路约有6 b d 的电压增益值乜劓。然而，由于跨导 输出仍然有直流分量，所以单平衡混频器无法避免l o 馈通的影响。 3 3 3 双平衡混频器 双平衡混频器，也称为g i1 b e r t 混频器。它利用m o s 差分对实现跨导放大级，再 经过两对反相切换的电流切换级电路使r f 信号降到中频，经交叉混合到负载级输出。 相对于单平衡混频器，它进一步消除了l o 馈通，端口间的隔离更好，由于使用的元件 更多，噪声和功耗要大一些。如图3 6 所示： 1 6 图3 6 双平衡混频器篮1 假设m l 和m 2 工作在饱和区，信号为高频方波信号，如( 3 2 2 ) 式。由m o s f e t 性质， 知道m 1 和m 2 的输入电压和输出电流的关系式为： 1 = 七。( k 珏。一) 2 ：= 七：( p 高：一虼) 2 i3 | i d i4 - i d 2 其中吒= 丢以巳等，信号中包含直流偏压和交流小信号， ( 3 2 4 ) 和( 3 2 5 ) 式化 简可得：f 砌一七。( y 白一v 曲) 瓜一瓜一压。一：) - 压心，一y 伊：) = 瓜陆) ( 3 2 6 ) 为m 1 和m 2 的栅极差分电压值， y 盯一v 鼯l v 2 - ，g ，l 一 ，伊2 ( 3 2 7 ) ( 3 2 5 ) 和( 3 2 6 ) 为两个未知数和的联立方程式，解此方程式得到两个解为： f ：d l = 冬+ 瓜( 等) l d 1 - - - - - f i 一厄( 等) ( 3 2 8 ) 和( 3 2 9 ) 式中，根号内为非负数，所以 立s1 2 ls 豫 ( 3 2 8 ) ( 3 2 9 ) 1 7 嘲 动 d 卫 m 狙 限 3 豇 ( g k l s 再 当在偏压点时，可得 冬咄一咿 由以上关系式，把( 3 2 8 ) 和( 3 2 9 ) 改写成： 诤一( 击) ( 等 ( 3 3 0 ) ( 3 3 1 ) 假如当等 一吆时，可以推得小信号的近似公式 f ：d l l 冬+ ( 矗) ( 争 ( 3 3 2 ) f ：d 2 _ 一) ( 等 ( 3 3 3 ， 令如2 瓦万1 5 = 七一一) ，则我们可以得到 l 。d 1 m 鲁( 等) ( 3 3 4 ) l d 2m 嘞( 等) ( 3 3 5 ) 我们从( 3 3 4 ) 和( 3 3 5 ) 两式发现，这两个电流是m 1 和m 2 这两个管子上加的输入 差分电压信号转变成的差分电流信号，然后这个信号由m 3 - m 6 调制。假设l o 级使用一 个高频的方波来驱动，其数学表达式为： 勋( 训= ( n 吡+ 学+ 半+ a ) 假设i f 端输出阻抗为r 输入信号 ，。，s i n 。f ，m 3 一m 6 为理想的开关，则流过 的电流分别为： l d 3 - - - - g m 等c 扣n 嘣+ 学+ 学川q石j) l 。d 4f f i - g i n 等c 扣h 学+ 半圳 ( 3 3 6 ) ( 3 3 7 ) 1 8 翌尊堕嚣 l d 5 = g m 等( 扣n 吡+ 半+ 半+ a ) ( 3 3 8 ) 6 ；一g 用等仁) ( s i n 吡o t + t s i n 3 c o l o t + t s i n 5 t o l o t + a ) ( 3 3 9 ) q兀3 ) 输出的i f 的电流为0 “，+ 屯，) 一( f d 。+ 。) ，代入( 3 3 7 ) 一( 3 3 9 ) 式，得到输出 信号和输入信号的关系式： v w = f ，。r l r ( i n w + 丁s i n 3 t o l o t + 丁s i n 5 t o l o t + 人) ( 3 4 0 ) = g 。r s i n f ( 昙) ( s i n 螂+ 丁s i n 3 w l o t + 丁s i n 5 t o w t + a ) 从( 3 4 0 ) 取出二阶交调项，可以得到我们想要的中频信号： = ( z ) g 。rs i n t o e x t s i n 嘣 ；( 兰) g 。r b s ( 一y c o s ( + ) f 】 ( 3 4 1 ) ；( 兰) g 。吃 c d s ( 吐k ) f c o s ( n k + n b ) f 】 我们可以由( 3 4 1 ) 知道，当满足( 3 3 0 ) 条件时，g i l b e r t 混频器的转换增益为： c g ：2 9 r l ( 3 4 2 ) 矧 万 3 2 混频器的特性 由于混频器是一个三端器件，因此它在高频参数和性能的考虑上区别于其它高频 电路，在电路设计时，输入端的转换增益、噪声系数、端口间隔离度、卜d b 压缩点、 三阶截断点等重要参数间存在折中的关系，即提高某项指标往往要牺牲另外的指标， 在具体设计时要具体对待，即有针对性地提高我们希望的指标，放宽其它的指标。 3 1 1 非线性效应 在一般电路中，我们通常利用线性模型来表示其在小信号时候的系统响应1 。可 是在收发机中，由于高频信号邻近频带的强干扰噪声的影响，产生非线性的响应，因 此这一线性的模型不足以表示接收机在小信号时的完整系统响应，对于一个非线性系 统，我们可以用( 3 1 ) 式来表示： 1 9 ) ，o ) 一口l 石o ) + 口2 x 2 0 ) + 口3 工3 0 ) + 人 ( 3 1 ) 在( 3 1 ) 中，假设输入信号是一个正弦波信号x ( t ) 一a c o s ( o 瞳) ，则上式可写成： y o ) = a l ac o s ( c o t ) + 口一2c o s 2 ( 耐) + a v 4 3c o s 3 ( 耐) 一口1 a c o s ( 耐) + 口一2 下1 + c o s ( 2 耐) + 口一3 里竺鱼堕掣 ( 3 2 ) = 等+ ( 口1 彳+ 竿) c o s ( 咖等酬2 咖等c o s ( 3 c o t ) 由上式可见，输入单一频率的信号经过一个非线性的系统，响应输出多个信号， 这些输出信号的振幅和频率各不相同，其中位于频率的信号是基频( b a s e b a n d ) 信号， 而频率的高阶项如2 c o ，3 则称为谐波( h a r m o n i c s ) 。一般来说，谐波的振幅小于 基波信号，对系统的影响有限，但随着输入信号的增强，谐波的干扰能力也增强，间 接影响整个系统接收信号的能力，因此如何去除谐波对整个系统的影响，是高频电路 设计的一个研究方向 3 0 o 3 1 2 交调失真 使用不同频率的正弦波信号输入一个非线性系统时，在输出端会产生多项正弦波 信号，其频率为两个输入信号谐波的频率之和或差。这个现象称为交叉调制 ( i n t e r m o d u l a t i o n ，i m ) 口1 。尤其在混频器中，受到交叉调制的影响最为严重，利用 ( 3 1 ) 式，假设两个输入信号为x ( t ) 一a mc o s ( o s 。t ) + 4c o s ( 哗) ，并且系统响应谐波输出 取到第三项，则( 3 1 ) 式可写成： y o ) = a i ( a 1c o s c o l t + 4c o s w ) + 口2 0 电c o s n 矿+ 4c o s o 叱t ) 2 + 口3 ( a lc o s c o l t + 4c o s o 哆) 3 ( 3 3 ) 将上式展开后，就得到基频项和各阶交互调制项， q ，：( 口- 4 + 三口，彳+ 吾口，州) c o s 唧+ ( 口以+ 三口，4 + 吾口以彳) c o s 叫 c 3 4 ， q 0 ) 2 ：a t 4 a