（微电子学与固体电子学专业论文）移动终端系统中混频器的设计与分析.pdf

中文摘要 摘要：近些年来，移动终端核心芯片的研究成为业界关注的焦点。射频集成电 路( r f i c ) 是无线通信领域中不可缺少的关键电路，是无线通信的主要瓶颈。为 了满足产品化后高可靠性和低成本的要求，用c m o s 工艺实现单片集成的r f i c 正 逐渐成为研究的一个热点。作为其射频芯片组中的一个重要的模块，混频电路可 以实现基带信号到射频信号的转换，同时也可以完成射频信号到基带信号的反转 换，它是所有无线射频系统中必不可少的核心模块。 混频器是射频集成电路的核心模块，每个无线通信系统中至少要用到一个以 上的混频器，其性能直接影响到整个系统的性能以及系统对其它功能模块的要求。 对于本次设计，作者采用了j a z z 公司的s b c 3 5 xc m o s 工艺进行了相关设计，得到 一个可用于移动终端射频芯片的混频器设计结果。 本论文在绪论中主要研究当前国内外在r f i c 领域的研究现状和相关的课题背 景，简述了无线射频系统以及混频器在无线射频系统中的作用，最后给出本论文 的工作内容和论文的组织结构；第二章介绍了混频器的一般工作原理和一些主要 的性能参数，对混频器的结构和种类进行了探讨，并对其性能进行了描述；在第 三部分中，基于吉尔伯特混频器结构，定义并分析了混频器的主要性能指标，并 且就如何改善和提高这些性能指标进行了分析；对于第四部分，根据系统的指标 要求，确定本设计中混频器的电路结构，接着分析了混频器的性能指标及其相应 的工艺的选择；在这个基础上，对混频器进行设计与进一步的优化。这些优化针 对移动终端射频芯片的特点，主要集中在功耗、偏置、本振幅度、增益、线性度、 噪声以及阻抗匹配等方面，并且给出了基于这些优化结果的一种混频器设计电路 图以及相应的仿真结果，分析了仿真结果；第五部分主要阐述射频集成电路设计 中版图设计时的注意事项，并给出了本混频器电路的版图结果和后仿真结果。最 后，对相关工作进行了总结，提出了电路的改进方案以及今后工作的重点和方向。 本论文设计的混频器主要是应用于移动终端芯片中的接收端，所以是一个下 变频混频器。最后，本论文所实现的混频器主要性能指标为：工作电压3 3 v 、工 作频率2 2 g h z 、噪声系数为1 6 d b 、输出中频频率为1 0 m h z ，功率转换增益3 5 d b 。 关键词：射频c m o s ；吉尔伯特混频器；噪声；线性度；版图 分类号：t n 7 7 3 a b s t r a c t a b s t r a c t ：i nr e c e n ty e a r s t h em o b i l et e r m i n a lc h i p sh a v eb e c a m et h ef o c u so f a t t e n t i o ni ni n d u s t r y a s 觚i m p o r t a n tg r o u po fm o d u l e si nr a d i oc h i p s ，m i x i n gc i r c u i t c a nt a k ei m p l e m e n t a t i o no fb a s e - b a n ds i g n a lt ot h er a d i of r e q u e n c ys i g n a l ，a n da l s oc a n c o m p l e t et h er fs i g n a l st ot h eb a s e - b a n ds i g n a l si nt h ea n t i - c o n v e r s i o n , i ti s t h e e s s e n t i a lc o r em o d u l e si na l lo ft h er a d i of r e q u e n c ys y s t e m i nt h ef i e l do fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s ，r a d i of r e q u e n c yi n t e g r a t e dc i r c u i t ( r f i c ) i st h ei n d i s p e n s a b l ek e y c i r c u i t ；t h em a i nb o t t l e n e c ko fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i no r d e rt om e e tt h ep r o d u c t w i t ht h el o w c o s ta n dh i g hr e l i a b i l i t yr e q u i r e m e n t s ，u s i n gc m o st e c h n o l o g yt oa c h i e v e s i n g l e - c h i pi n t e g r a t e dr f i ci sg r a d u a l l yb e c o m i n ga h o tr e s e a r c h f o rt h i sd e s i g n ，t h ea u t h o ru s et h ej a z z ss b c 3 5 xc m o sp r o c e s st oc a r r yo u tt h e d e s i g n ，a n dg e tam i x e rc i r c u i tw h i c hc a nb eu s e df o rm o b i l et e r m i n a lc h i p si nr a d i o f r e q u e n c y , t h es i m u l a t i o nr e s u l t sc o n f i r mt h ev a l i d i t yo f t h ec i r c u i t ，a n dl a y o u ta l s op a s s t h ev e r i f i c a t i o no fd e s i g nr u l e s f o rt h i sp a p e r , i nt h ef i r s tc h a p t e r , i tw i l lb ea ni n t r o d u c t i o no nr a d i of r e q u e n c y s y s t e ma n dt h er o l eo fm i x e ri nt h er a d i of r e q u e n c ys y s t e m ，t h e ni n t r o d u c et h ec u r r e n t d o m e s t i co fh o m ea n df o r 顿辨a n dt h eo r g a n i z a t i o n a ls t r u c t u r eo ft h ep a p e r t h es e c o n d c h a p t e r , o nt h eb a s eo fu n d e r s t a n d i n gt h er a d i of r e q u e n c ys y s t e m ，t h eg e n e r a lp r i n c i p l e a n dt h em a i np a r a m e t e r so fm i x e r , t h es t r u c t u r ea n dt y p e so fm i x e rw i l lb ed i s c u s s e d ， a n dd e s c r i b ei t sp e r f o r m a n c e o nt h et h i r dp a r to ft h ep a p e r , w ew i l lg i v et h ed e f i n i t i o n o fam i x e ra n dt h er e l e v a n tp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r sb a s e do ng i l b e r ts t r u c t u r e a n dt h e n g i v eo u ts o m em e t h o d so fh o wt oi m p r o v ea n de n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo ft h em i x e r 1 1 1 e f o u r t hc h a p t e r , t a k e st h e i n s p e c t i o no fl 强c h i pa r c h i t e c t u r e ，a n a l y z e s t h e p e r f o r m a n c eo fm i x e ra n dt h ec h o i c eo ft h ec o r r e s p o n d i n gp r o c e s s ，a n db a s e do nt h e s e a n a l y s e s ，c o n d u c t so nt h em i x e rw i t hf u r t h e ro p t i m i z e st ot h ed e s i g n t h e s ep a r a m e t e r s w h i c ho p t i m i z e df o rm o b i l et e r m i n a lr fc h i pf e a t u r e s m a i n l yc o n c e n t r a t e di np o w e r , b i a s ，l os i g n a lm a g n i t u d e ，g a i n ，l i n e a r i t y , n o i s ea n di m p e d a n c em a t c h i n g , a n d s oo n a s f o l l o w ，o nt h i sb a s i s ，g i v eo u tt h er e s u l t so fam i x e rc i r c u i td e s i g na n dt h ec o r r e s p o n d i n g s i m u l a t i o nr e s u l t s p a r tf i v ef o c u s e so nt h el a y o u td e s i g ni s s u e so fr a d i of r e q u e n c y i n t e g r a t e dc i r c u i ta n dt h ea t t e n t i o ni nt h ed e s i g no fm i x e rc i r c u i t ，a n dt h e ng e t st h e l a y o u to fm i x e rc i r c u i ta n dt h ep o s t - s i m u l a t i o nr e s u l t s f i n a l l y , g i v e sas u m m a r yo f t h e t o t a lw o r k t h em i x e rd e s i g n e df o rm o b i l et e r m i n a l si nt h i sp a p e l i st h em a i nc h i pi nt h e r e c e i v e r ，o fd o w nc o n v e r s i o n f i n a l l y ，t h ep a p e ra c h i e v e st h em a i np e r f o r m a n c ea s v o l t a g e3 3v ，t h ef r e q u e n c yo f2 2g h z ，t h en o i s ef a c t o ro f16d b ，i fo u t p u tf r e q u e n c y o f10m h z p o w e rc o n v e r s i o ng a i n so f - 3 5d b k e y w o r d s ：r fc m o s ；g i l b e r tm i x e r ；n o i s e ；l i n e a r i t y ；l a y o u t c l a s s n o ：t n 7 7 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交 通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文储签名j 1 常舔 签字日期：曲。譬年6 月l b 日 导师签名： 硷乙 签字日期： 腓6 月i o 日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京交通大学或其他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。 学僦文储虢巍娜签字眺抄浒6 月m 5 9 致谢 本论文的工作是在我的导师骆丽教授的悉心指导下完成的，骆丽教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来骆老 师对我的关心和指导。 骆丽教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向骆老师表示衷心的谢意。 骆丽教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心 的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，王学贞、赵建飞、俞帆、朱振梁、晏欣欣等 同学对我论文中的电路和版图的设计与仿真等研究工作给予了热情帮助，在此向 他们表达我的感激之情。在此祝愿他们拥有一个美好、幸福的未来。 另外也感谢家人，感谢我的父母和弟弟妹妹们，他们的理解和支持使我能够 在学校专心完成我的学业。 1 1r f i c 的发展历程 1引言 近年来，无线和移动通信系统迅速发展，便携式电话、无线电报和无线局域 网、全球定位系统( g p s ) 、宽带无线接入，r f i d 和智能手提设备等被广泛应用， 它们在我们的日常生活中发挥着越来越重要的作用，巨大的市场需求促使人们对 低成本、低功耗、小尺寸、高集成度、高可靠性无线移动通信系统的研究，作为 其关键模块，射频集成电路( r f i c ) 理所当然地成为当前的研究热点。 r f i c 的发展主要经历了三个时期：早期，g a a s 工艺技术占据着r f i c 的主要 舞台，这主要是因为g a a s 器件具有较高的迁移率、截止频率、较高振荡频率和较 低的噪声系数，并且在其衬底上可以制造高品质因数的无源器件，在高频应用中 具有明显优势。但是采用g a a s 技术来制作高集成度低成本的集成电路时也有很多 缺点，例如它有较高的缺陷密度和成本、较低的集成度和优良率、易碎。中期， 随着硅双极技术的不断进步，g a a s 场效应管对于硅双极工艺的优势迅速减小。 b i c m o s 工艺技术将硅双极工艺技术与c m o s 工艺技术相结合，集中了二者的优 点，形成了新的工艺技术，从而实现了低功耗和高速度，已成为主要的工艺技术 之一。 利用c m o s 工艺实现的r f i c 在上世纪九十年代中期开始复苏，随着器件特 征尺寸的缩小，m o s 器件的性能如特征频率，最高频率和噪声系数等都有很大提 高，可以获得很好的射频特性，在r f i c 中用c m o s 工艺代替传统的g a a s 、b i p o l a r 等其它工艺成为可能。加上其工艺成熟、成本低、功耗低，可以与数字电路、模 拟电路系统单片集成等优点，是实现数字与射频系统单片集成( s o c ) 的很有发 展前途的技术，所以越来越多的工程师尝试采用c m o s 工艺来实现r f i c 。因此在 r f i c 领域，尽管g a a s 、b i p o l a r 在目前体现了最好的性能，但从长远看来，低成 本的c m o s 工艺无疑是最有吸引力的，这样由硅双极型和g a a s 模块组成的r f 前 端有望由低成本的c m o s 工艺实现。此外，c m o s 工艺相对于另外两种工艺容易 获得，而且可以通过多项目晶圆服务，高校、研究所和中小型公司可以更容易获 得c m o s 工艺流片服务。近几年c m o sr f i c 得到了迅速发展，并对一直在射频 领域占主导地位的b i p o l a r 和g a a s 技术构成了挑战【1 】。 在c m o sr f i c 方面，近几年来，世界上各大半导体公司为了应对日益激烈的 竞争，纷纷投巨资提升其设计和工艺水平，高性能的产品不断推出。国内由于设 计和半导体制造工艺水平的限制，使其产品在可靠性、稳定性、参数均匀性等方 面长期落后于国外产品。目前，国外的r f i c 制造水平在0 1 8 u r n 和0 1 3 u m 工艺上 已经相当成熟，并已经向9 0 n m 和6 5 n m 方向发展，而国内还主要集中在0 3 5 u r n ， 0 2 5 u r n 工艺，只有很少数单位掌握o 1 8 u m 和0 1 3 u m 的制造工艺。 随着c m o s 器件尺寸的进一步减小，c m o s 技术在r f i c 领域的应用将更加 广泛。随着市场需求的进一步推进，硅c m o s 技术在射频领域的应用除了对低噪 声、低成本、低功耗方面的优化以外，正逐步朝着更高频率和更宽频带的方向发 展。 1 2 研究背景与应用现状 混频器是射频收发器的关键模块，围绕不同的系统架构和指标，混频器有多 种设计技术，其目的是取得各项指标( 增益、线性度、噪声、隔离度、功耗) 的 最佳折衷，以满足系统的需求。 目前移动终端收发器中应用最为广泛研究也最为深入的是基于g i l b e r t 单元的 双平衡混频器，该电路结构来自于b a r r i eg i l b e r t 提出的高精度乘法裂2 1 。经过良好 设计的g i l b e n 混频器具有较好的隔离度和噪声抑制性能，因此该结构的混频器有 很多改进的版本，用于特别优化其中的某项性能，如提高线性度的结构【3 】【8 1 【1 4 】、提 高转换增益的结构【4 】以及在接收器中改善噪声性能的结构【5 】等。 除了g i l b e r t 混频器外，无源混频器也是应用较广泛的电路结构 6 1 。该无源电 路结构简单，不需要电源电压，理想情况下无静态功耗，并且线性度性能较好； 缺点在于无源混频器电路存在插入损耗，通常可以采用后置的有源电路提供足够 的增益。 在c m o s 混频器的设计方面，通常是通过对一些经典的电路结构进行合理的 建模来刻画混频器性能指标，建立混频器直观工艺参数( 宽长比、过驱动电压) 与混频器性能指标之间的关系，进而根据该关系对原结构进行优化或改进，使得 混频器性能得以改善。然而由于混频器涉及频谱的搬移，模型比较复杂，建模的 精度有限，因此很多时候设计经验非常重要，手动设计结合c a d 工具来完成混频 器的设计。由于反复模拟混频器电路的性能需要较多的时间，因此最近几年来， 用于射频集成电路的自动优化技术也得到了一定的研究，人们使用很多算法来优 化设计目标，最终在设计变量的全局范围内得到一个最优解。目前常见的算法有 遗传算法、几何规划等。 另外一类混频器的电路结构中采用了运算放大器r 丌，高输出带宽的运放将被开 关调制的电流信号转化为电压信号输出。该电路可以工作在较低的电源电压下， 2 具有低功耗和高线性度的优点。在诸多种类的混频器电路中，本论文重点研究基 于g i l b e r t 单元的高性能下混频器设计。 1 3 本论文的主要工作 对于本论文的任务，主要是设计一个可应用于移动终端芯片接收端的高性能 直接下变频混频器( d o w nc o n v e r t e rm i x e r ) ，它的基本原理是将高频信号经放大和 下变频后转换为固定的中频信号。作者采用了j a z z 公司的s b c 3 5 xc m o s 工艺来 进行设计和实现。 本文完成的主要工作有以下几点： ( 1 ) 分析混频器的原理和各个主要参数指标，并掌握它们之间的相互关系和 影响因素； ( 2 ) 在分析影响混频器各个指标的因素以及各个指标间折衷关系的基础上， 设计一个可用于移动终端系统的下变频混频器，然后通过仿真验证系统指标的实 现； ( 3 ) 在上一步完成的混频器电路的基础上进行版图设计，并完成后仿真工作。 1 4 本论文组织结构 本文分为六章。第一章为绪论，介绍了射频集成电路的发展历程，指出了当 前国内外的研究现状和课题背景、本论文的研究任务和组织结构； 第二章介绍了混频器的基本理论、拓扑结构和种类，并简要介绍了混频器的 主要性能参数。本章首先分析了混频器的几种拓扑结构以及它们的优缺点，接着 简单介绍了混频器的主要性能参数； 第三章对衡量混频器性能指标的几种主要参数，包括线性度、变频增益、噪 声系数和阻抗匹配进行了详细的分析，并针对它们的系统要求，提出了各种不同 的优化方案； 第四章根据系统指标确定混频器的结构和集成工艺，该混频器基于传统的吉 尔伯特结构，但又对它进行了多方面的优化，包括恒定跨导偏置电路、尾电流设 计和匹配网络设计等，接下来通过s p e c t r er f 工具对设计进行了仿真； 第五章是对上面完成的混频器电路进行版图设计，采用c a d e n c e 公司的 v i r t u o s ol a y o u te d i t o r 工具完成电路版图设计，并进行后仿真工作与分析； 第六章为结论，讨论了下一步的研究方向及对全文的总结。 3 2混频器原理 混频器是移动通信射频收发系统的重要模块，多用以提升或是降低信号频率， 便于系统的正常运作。目前对射频集成电路的设计主要局限在射频接收和发射系 统子模块的研究。本章首先对射频的概念进行介绍，然后概述了混频器的混频原 理以及其性能指标参数。 2 1 射频的概念 近年来由于移动通信、卫星通信的迅猛发展，工作频率日益提高，射频和微 波电路得到广泛的应用。在当今最通用的频谱分段中，射频的范围通常指从v h f 到s 波段，即频率为3 0 m h z - - 4 g h z 的范围f 1 2 1 。本文所研究的移动终端射频系统通 常指收发机系统，而本论文设计的混频器则为下变频混频器，其工作频率为 2 2 g h z 。 2 2 混频的基本原理 混频实际上是一种频谱的线性搬移过程，它使信号从某一个频率变换成另一 个频率，在射频系统中起着调制和解调的作用。具体的说，在发射机中一般用上 混频，它将已调制的中频信号搬移到射频段；而在接收机中一般为下混频【】，它 将接收到的射频信号搬移到中频上。通常混频器有三个端口，分别为输入端口、 本振输入端口和输出端口，如图2 1 所示。 图2 1 混频的基本原理 f i g u r e 2 1t h eb a s i cp r i n c i p l e so f m i x i n g 混频原理简单来说是将不同频率的信号相乘，以实现频率的转换。混频器电 路的核心部分是将两个信号在时域中相乘，原理通过三角恒等式( 2 1 ) 来理解： ， ( a o o s o l t ) ( b o m 0 2 t ) = 纠2 【o 嘁甜一o j 2 ) t + o r e ( o , , 1 + a , 2 ) t 】( 2 1 ) 设射频信号为： 4 讥( f ) = v 1 0 c o l t ( 2 - 2 ) 另设本振信号为： v 2 ( t ) = v 2 c o s c 0 2 t ( 2 3 ) 相乘得： y l y 2 v l v 2 = _ - 【c o s ( 国1 一c 0 2 ) t + c o s ( c o l + c 0 2 ) t 】 ( 2 - 4 ) 二 于是得到两个不同频率的信号，分别为( v i v 2 2 ) c o s ( c o l - c 0 2 ) t 乘l ( 圩吃2 ) 叫础+ 础。 因此乘法产生了输入信号频率之和与频率之差两种输出信号，它们各自的幅值正 比于射频信号和本振信号幅值的乘积。因此，如果本振信号的幅值不变，那么射 频信号中任何幅值的调制都将传递给了中频信号。 混频器的频谱搬移如图2 2 所示。 ( 彩) w o ( c o ) 喇 ( a ) r f 信号 ( b ) 本振信号 ( c ) 上移和下移频谱成分 图2 2 混频器的频谱搬移 f i g u r e2 2t h es p e c t n l mm o v i n go f m i x e r 2 3 混频器的技术指标 对于混频器电路来说，其主要的性能指标参数有转换增益、噪声系数、线性 度、端口隔离度等。下面将对这些性能参数指标进行简要的说明。 2 3 1 转换增益 混频器一个重要的特性就是频率变换增益，也称转换增斟1 2 1 ，它通常定义为 输出中频信号的电压大小和输入射频信号电压大小之比。电压增翻厢功率增益g 分别定义为： 肛熹 ( 2 5 ) p 叫 g = 一p l ( 2 - 6 ) ps 其中p 三为负载从射频电路网络获得的功率，风是射频电路网络从信号源获得的 功率。 2 3 2 噪声系数 噪声系数定义为输入信噪比( s n r ) , = a 与输出信噪比( 蛳= 只的比 值： f = 勰( s n r ) = 篇1 o ( 2 - 7 ) ，_ = 一= 一 ，1 、 o|no ￥1 ) 噪声系数用分贝表示： 肝( = 1 0 1 0 9 f ( 2 - 8 ) 因为频率变换的原因，混频器的噪声系数定义要比通常的噪声定义复杂一些。 混频器的噪声系数定义【1 3 1 为： f = 坐垫竺11 d ( 删r c e ) ( ( o ，) ( 2 9 ) 其中，( ) 是在中频的所有输出噪声，o ( 一) ( ) 是信号源在中频口输 出的噪声。 混频器的噪声系数通常分为双边带( d s b ) 和单边带( s s b ) 噪声系数。双边 带噪声系数中的信号源包括射频信号的噪声和镜像频的噪声，单边带则只包括射 频信号的噪声。所以，一般来说有： n o , s o “r c e ) d s a = n o , s o 甜r c e ) s 鼢4 3 d b ( ( i ) i f )( 2 1o ) 朋= 一3 据 ( 2 1 1 ) 6 2 3 3 线性度 混频器对输入的射频小信号而言是线性网络。但是，当输入的信号逐渐增大， 由于器件的非线性，也存在着非线性失真问题。混频器的线性度主要用l d b 压缩点 和三阶交调截点来衡量【1 4 1 。 ( 1 ) l d b 压缩点 l d b 压缩点定义为增益下降l d b 时相应的输入( 或输出) 功率值。由图2 3 可知， l d b 压缩点是中频输出功率偏离( 低于) 线性变化功率值l d b 处的交点。 2 0 l 图2 3 混频器的l d b 压缩点 f i g u r e2 3ld bc o m p r e s s i o np o i n to f m l x c r ( 2 ) 三阶交调截点i i p 3 j - t p l ， r r p 3 i i p 3 图2 4 三阶交调截点 f i g u r e2 4t h et h i r d - o r d e ri n t e r c e p tp o i n to f m i x e r 当两个频率( 缈，c 0 2 ) 十分接近的射频信号输入混频器时，由于器件的非线性， 这两个信号相乘会产生许多频率组合的分量( + m e a l + n 0 2 ，m ，力为整数) ，对有用信 号产生干扰，称为交调失真。由三次方产生的频率组合2 幼一0 ) 2 和2 0 y 2 - - 0 9 1 ，距离基 波分量较近，容易对基波产生干扰，称为三阶交调失真。三阶交调截点( i i p 3 ) 定 义为三阶交调功率达到和基波功率相等的点，此点对应的输入功率表示为i i p 3 ，此 点对应的输出功率表示为o i p 3 ，如图2 4 所示。 2 3 4 阻抗匹配 阻抗匹配的目的是得到最大传输能量。在常用的差分对结构中，由于射频端 口和本振端口分开，可以分开考虑各自的阻抗匹配。由于差分晶体管相对发射极 输入信号是虚地，因此输入阻抗即为各管的输入阻抗。从一般的非平衡输出的射 频、本振信号源到差分对平衡端口需要一个“不平衡一平衡”的变换器。如果不 7 用此变换器而将差分对采用一端基极接地的单端输入方式，差分对的发射极已经 不是虚地，为了保持平衡，发射极的电位就要通过增加阻抗进行抬高。 2 3 5 隔离度 隔离度是表征混频器内部电路平衡度的一个指标。混频器的三个端口：r f 端 口、l o 端口、i f 端口，理论上应该是严格隔离的。实际设计时，由于混频器内部 电路的不平衡，各端口间不是完全隔离的。隔离不理想会产生以下几个方面的影 响：l o 端口向r f 端口的泄漏会使本振大信号影响混频器的工作，甚至产生天线辐 射；r f 端口向l o 端口的串通会使射频信号中包含的强干扰信号影响其正常工作； l o 端口向i f 端口的串通，本振大信号会使以后的各级电路过载。射频信号如果隔 离不好也会直接通到中频输出口，但是由于r f 频率很高，都会被中频滤波器虑除， 不会影响中频。 2 4 混频器的种类与结构 混频器的发展经历很长时间，产生了多种混频器结构。根据所使用的非线性 器件，主要可以分为二极管混频器、晶体管混频器和场效应管混频器等；根据电 路结构的不同主要可以分为不平衡、单平衡和双平衡混频器等；根据混频器的增 益特性，又主要可以分为有源混频器和无源混频器。 2 4 1 非线性混频电路 理论上任何非线性器件都具有混频的功能【1 9 1 。例如由一个二极管电路加上滤 波器件构成的混频器，如图2 5 所示，输入为： 协= 协+ 仇d + 矿赢 ( 2 1 2 ) 则流经管子的电流为 ，o 【1 + v 肚谚+ _ v l o + ( v 肚互+ 可v l o ) 一2 一t - ( v 肚i + 可v l o 一) 3 + 】( 2 13 ) 。 阼2 所26 阼3 。 、- 7 1 ，d 材f = i r ( 2 1 4 ) 输出中包含了需要的v 肚v l o 项。这个电路非常简单，而且可以工作在很高的 频率下。但存在不少缺点，比如：端口之间完全没有隔离；杂波响应非常严重7 插入损耗大( 有用的输出信号功率只占小部分) 。 8 2 4 2 无源混频器 图2 5 利用非线性器件的混频器 f i g u r e2 5t h em i x e ru s i n go f n o n l i n e a rd e v i c e 非线性混频器是通过它们提供的乘法间接产生混频作用，由于只是间接地产 生混频，所以这些非线性通常会产生许多不希望的频谱分量，此外非线性混频器 只有两个端口，r f 和l o 信号在同一个输入端口，两者没有很好的相互隔离。而 基于开关式的混频器，各个信号有各自的端口，三个信号( r f 、l o 和i f ) 之间 有较好的隔离，而且c m o s 工艺提供了m o s 管很好的开关性能，因此可以利用 开关来实现性能优异的混频器。 无源混频器主要以无源开关式混频器为主【2 0 】，如图2 6 所示。四个m o s 管连 接成桥式结构，这些开关由本地振荡信号进行反相位的驱动。所以任何时候仅有 对角线上的一对晶体管导通。当m l 和m 4 导通时，v l f 等于v r f ，而当m 2 和m 3 导 通时，等于v p , f 。等效的描述是：混频器把输入的r f 信号乘以l o 信号的单位 幅值方波。虽然无源开关式混频器本身不消耗直流功率并具有较高的线性度。不 过，通常比有源混频器需要更大的l o 功率，如此一来将会对其它电路造成负担， 而且无源开关式混频器隔离度通常不是很好，l o 信号有可能通过耦合的方式影响 其它电路。 图2 6 无源开关式混频器 f i g u r e2 6p a s s i v es w i t c h i n gm i x e r 9 r h 2 4 3 有源混频器 有源混频器【2 1 】【2 5 1 将r f 电压信号经由跨导放大器转换为电流信号，电流经过 l o 信号切换开关晶体管产生混频效果。有源混频器主要包括不平衡、单平衡和双 平衡三种结构。下面说明各种不同结构有源混频器的工作原理。 ( 1 ) 不平衡混频器 不平衡混频器是比较常用的一种混频电路，通常由单个晶体管、场效应管或 双栅极场效应管构成。以单个晶体管为例，其原理电路图如图2 7 所示。基带信号 和本振信号同时加到晶体管的基极，在集电极输出射频信号，本振信号和晶体管 偏置电压共同作为偏置信号，这时晶体管的跨导变成时变跨导g i n ( t ) 。 设基带输入信号为文t ) ，则混频器的输出电流可以表示为： k ( f ) = 伽( f ) g i n ( t ) g m l l r b nc o s ( o ) t 。一国船) f ( 2 - 1 5 ) 输出电压为： 协( f ) = 勋l 乙v b 8 c o s ( ( o b a 一) f ( 2 - 1 6 ) l o 本振信号 基带信号 b b r f 射频信号 图2 7 不平衡混频器 f i g u r e2 7t h ei m b a l a n c em i x e r 不平衡混频器具有结构简单的特点，因此具有很好的噪声性能，但是因为本 振信号是不平衡的，所以不平衡混频器不能够抑制本振端口到射频端口的泄漏， 因此其端口之间的隔离度很差。 ( 2 ) 单平衡混频器 图2 8 显示了一个单平衡有源混频器的结构。它由一个基带信号驱动的跨导器 ( m 1 ) 和本振信号驱动的差分对( m 2 和m 3 ) 组成。 l o 号 图2 8 单平衡混频器 f i g u r e2 8s i n g l e - b a l a n c e dm i x e r 基带信号驱动的跨导器m l 的输出可以表示为： i d = 埘i + g , i v b b ( 2 - 1 7 ) 这里， i d e z 为m i 的静态源极电流，g i n l 为m 1 的跨导，啪为基带输入信号。 设本振驱动的电压为v w o ，则本振驱动的差分对管( m 2 、m 3 ) 的输出可以表 示为： 砌警 当本振电压足够大时，本振驱动晶体管呈现开关特性，此时混频器的输出电 流为： 如o ) ( 万2 ) 勋1 c o s ( 缈朋一c o , o ) t( 2 1 9 ) 其输出电压为： 协( f ) = 拖= ( 万2 ) 跏l 圪幺c o s ( ( o s s c o c o ) t( 2 2 0 ) 单平衡混频器相对于不平衡混频器来说，因为本振信号的平衡输入，减少了 本振信号向射频信号的泄漏，提高了混频器端口之间的隔离度。并且由于开关管 的特性，可以在较低的本振驱动电压下实现良好的开关性能的线性度，降低系统 功耗。 ( 3 ) 双平衡混频器 将两个单平衡混频器结合到一起，使基带信号也通过差分的方式输入，就构 成了双平衡混频器。在集成电路中最常见的双平衡混频器就是吉尔伯特( g i l b e r t ) 双平衡混频器，它主要由六个晶体管，共两组差分对构成：下面两个晶体管( m l 和m 2 ) 是一个差分跨导器，它将输入的基带信号转化为电流；上面四个晶体管 ( m 3 m 6 ) 在本振大信号的驱动下轮流导通，形成开关管，对基带信号转化的电 流进行调制。如图2 9 所示为一个基本的吉尔伯特混频器结构。 l 0 本振信号 基带信 n v o u t 射频信 号输出 图2 9 基本的吉尔伯特混频器 f i g u r e2 9b a s i cg i l b e r tm i x e r 差分的基带信号通过一个由偏置尾电流源i , a u 控制的差分跨导器对，基带电压 信号被转换为差分电流信号： 厶( f ) = g m y b s ( t )( 2 2 1 ) 这里，黝= ( 1 2 ) 肠k 为跨导对的跨导，巧2 6 m v 为热电压。在本振大信号 驱动电压的控制下，m 3 、m 4 工作在开关状态，其输出可以表示为： ，( f ) = s 1 ( f ) 厶( f ) = 跏s l ( f ) ( f ) ( 2 - 2 2 ) 这里，s - ( f ) = 丢+ 詈 c 。s ( 国c 。f ) 一号c 。s ( 力c 。f ) + c 。s ( 国t 。f ) 一) 因此，混频器的差分输出电流为： 厶( f ) = = 4 跏( f ) c o s ( c o r o t ) 一j 1c 。s ( 3 纰以) + ；1c 。s ( 5 砒。f ) 一) ( 2 2 3 )万j) 混频器的输出电压为： 1 2 伽“1 = 厶五 = 昙酗哪) c o s ( 旷三c o s ( 3 舭卅；c 。s ( 5 纰沪) ( 2 2 4 ) 万 j )2 4 二勖zv 最b ( t ) c o s ( r o , o t ) 其中，g 肌是跨导晶体管对的跨导，z 工是负载阻抗。 吉尔伯特双平衡混频器主要具有以下优点： ( 1 ) 占用面积小，功耗低； ( 2 ) 输出能有效地抑制直流、本振和其它奇次谐波分量； ( 3 ) 采用差分开关形式可以使用比较小的本振功率； ( 4 ) 采用双平衡结构，在保证一定的线性度的前提下比其它结构具有更高的隔 离度，非常适合于直接转换发射机的设计； ( 5 ) 在集成电路制作中具有良好的良品率。 因此它被广泛地应用到射频集成电路中。但是传统的吉尔伯特混频器的线性 响应范围比较低，噪声分析困难；特别是其采用了三层的晶体管结构，使得不容 易用低电压来实现，并增加了系统功耗。 2 5 小结 本章主要是简单介绍了混频器的工作原理，指出了衡量混频器性能的技术指 标，之后分析了不同种类混频器的特点及其各自的工作原理，为下一步更好地设 计混频器系统结构做好了准备。 1 3 3混频器主要性能指标分析 3 1 混频器的噪声分析 由上一章可知，对于混频器，有两种噪声系数：单边带噪声系数( s s bn f ) 和双边带噪声系数( d d bn f ) 。单边带噪声系数适用于外差式接收机。这种情况 下，l o 频率偏离于r f 信号频率。l o 信号两边频带内的噪声都被下混频至i j i f 频带， 而有用信号只存在一个边带中。而对于直接变频接收机，r f 信号直接下变频到基 带。这种情况下，两个边带都有有用信号。外差式接收机比直接变频接收机下变 频多了两倍的噪声。因此，典型地，s s bn f i ：i , d s bn f 大3 d b 1 5 】。图3 1 中是对两种 噪声系数的对比。 功率 0 i fr fl o 频率 0 l f r f频率 ( a ) 单边带噪声( b ) 双边带噪声 ( s s bn o i s e )( d s bn o i s e ) 图3 1 单边带噪声与双边带噪声的比较 f i g u r e3 1c o m p a r e dw i t ht h en o i s eo fs s ba n dd s b 值得注意的是，l o 的谐波分量也会把噪声变频至i j i f ，这在噪声计算中不能忽 略。仔细选择混频器的带宽有助于减少混频器的总噪声。图3 2 说明了本振谐波对 混频器输出噪声的影响。 图3 2l o 谐波对噪声性能的影响 f i g u r e3 2t h ei m p a c to fn o i s ep e r f o r m a n c ew i t hl oh a r m o n i c 下面针对c m o s 单平衡混频器进行噪声分析，图3 3 所示。单平衡混频器结构 1 4 、 勿 、 卜血粕 、 翟。 、 、卫 、 l三邂 ，爱笠盯 =，一 为双平衡结构的一半，它们在原理上是一致的，其结果同样适用于双平衡混频器。 单平衡混频器，由输入跨导晶体管m 卜开关晶体管m 2 、m 3 以及负载电阻凤构成。 混频器的噪声分别来自跨导级、开关级和负载。晶体管的闪烁噪声和沟道热噪声 是混频器两个主要的噪声来源。这里主要分两部分加以讨论。 踟 ：= ； 图3 3c m o s 单平衡混频器 f i g u r e3 3c m o ss i n g l l e - b a l a n c e dm i x e r 3 1 1 闪烁噪声对输出的影响 晶体管在低频时，主要呈现的噪声为闪烁噪声，由于其噪声频谱密度与l f 成 正比，所以又称为1 纩噪声【2 1 1 。其产生的原因在于m o s 管栅极氧化层与衬底基板 界面之间，由于硅晶体管末端与此界面产生共价键，当载流子经过时，会随机地 被此共价键捕获，而后再随机释放，因而导致晶体管栅极的闪烁，其可以表示为 一个晶体管栅极串联的电压噪声。 一 k l2 = 石云一( 3 - 1 f ) c 似况 7 其中k 为与工艺相关的常数，一般而言闪烁噪声的频率大于1 m h z ，其对晶 体管噪声的贡献远小于沟道热噪声。 ( 1 ) 开关管的闪烁噪声 对于开关对而言，闪烁噪声可视为一缓慢变化的偏置电压并且此电压与开关 管的偏置无关。