（电路与系统专业论文）cmos低电压高性能混频器的设计.pdf

摘要 随着c sr f i c 的快速发展，使得射频、中频和基带集成在同一块芯片 中成为可能。在无线局域网的r f 前端电路中，混频器是非常重要的部分，它 影响相邻电路和接收机的整体性能。在本论文中，我们的主要工作是在吉尔 伯特混频器( g i l b e r tc e l lm i x e r ) 的原型上，设计了一种可以工作在低电 压下具有优良性能的新型混频器。 为了达到低电压高性能的目的，我们对传统的吉尔伯特混频器做了两方 面的改避。一方面我们引入了一种新的低电压结构，这种低电压结构由电容 和电感所组成的共振电路以及耦合电容构成，采用这种结构可以有效地降低 整个电路的供电电压，在其它的一些电路中也可以采用这种结构，比如低噪 声放大器。另一个方面，我们对吉尔伯特混频器的跨导级做了调整，引入了 新的跨导单元结构，即用三个差分对取代原来电路的一个差分对，这样敞的 结果是提高了混频器的跨导，从而提高了整个电路的增益和线性度。所以， 提高增益和线性度意味着提高混频器的性能，同时降低了供电电压意味着降 低功率消耗，也就是说，在移动设备中用同样的电池可以延长使用时间。 本论文的混频器使用n e co 3 5u n lc m 0 s 工艺。射频频率为2 4 g h z ，本振 频率为2 2 g h z ，中频频率为2 0 0 心z 。仿真结果得到的转换增益为7 4 8 d b ，1 d b 压缩点为一3 4 d b ，输入三阶截断点为8 2 d b m ，供电电压为2 5 v ，噪声系数 为1 2 4 d b ，消耗功率为儿8 m w 。 关键词：混频器，射频，低电压，高增益 a b s t r a c t t h ed e v e l o d m e n to fc m o sr f i cd e s i g nm a k e st h ef a b r i c a t i o no fs y s t e m o nac h i p ( s o c ) ，c o n s i s t i n go fr a d i of r e q u e n c y ( r d ，i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y ( 1 f ) ，a n db a s e b a n df r e q u e n c y ，t ob er e a i i z a b i e m i x e ri st h em o s ti m p o r t a n t b l o c kj nw l a nf r o n t - e n dr e c e i v e r s t h ep e r f o r m a n c eo ft h em i x e ra f & c t st h e a d j a c e n tb i o c k sa 玎dt h eo v e r a l ir e c e 沁e rp e r f o r m a n c e t h em a i np u r p o s eo f p r o p o s e dm i x e ri s t 0d e m o n s t r a t ei o w e rv o i t a g ea p p l i c a t i o nw i t l lh i g h e r c o n v e r s i o n g a i n a n d l i n e a r i t y ， b a s e do nt h et r a d i t i o n a lg j l b e r tm i x e r p r o t o t y p e 1 1 0a c h i e v et h j sp u r p o s e ，w em o d i 匆t h et r a d i t i o n a lg i l b e r tc e m j x e ri n t w ow a y s o nt h eo n es i d e ，w ea d o p tan e wl o wv o l t a g es t r u c t u r e ，i ti s c o m p o s e do fr e s o n a n tc i r c u j ta 玎db y p a s sc a p a c i f o r t h i ss t r u c t u r en e e dl o w e r s u p p l yv o l t a g e t h i sl o wp o w e rs t r u c t u r em a y b eu s e di ns o m eo t h e rc i r c u i t s ， f o re x a m p l e ，w ec a nf i n di ti nl o wn o i s ea m p l i f i e l0 nt h eo t h e rs i d e ，w em o d i f y t h eg ml e v e io fg i l b e r tc e nm i x e no n ed i f f e r e n t i a 】p a i ri s r e p l a c e db yt h r e e p a i r s a st h er e s u l t ，t h ev a j u eo fg mj si m p r o v e d ，s ot h ec o n v e r s i o ng a i na n d l i n e a r i 够a r ei m p r 0 v e dt o o w er e a l i z eah i 曲p e r f o r m a n c em i x e r ni o ws u p p l y v o l t a g e ，i tm e a n so u rm o v a b l ed e v i c ec a nw o r kl o n g e r t h e n e wl y p em i x e ri sd e s j g n e dw i t hn e co 3 5 u mc m o sp r o c e s s a lt h e f r e q u e n c y r fo f2 4 g h z ，l oo f2 2 g h za n di fo f2 0 0 m h z ，t h es i m u l a t i o n r e s u l ts h o w st h ec o n v e r s i o ng a i no f7 4 8 d b ，t h ei n p u tp - 1 d bc o m p r e s s i o np o i n t o f 3 4 d b ma n di i p 3o f8 2 d b m t h es u p p l yv o i t a g eo ft h em i x e ri s2 5 vw i t h n o i s ef i g u r eo f1 2 4 d ba n dt h et o t a lp o w t re o n s u m p t i o no f1 1 8 m w ： k e yw o r d ：m i 【e r ，rf i yv o i t a g e ，h i g hg a i n 图目录 图2 1 超外差接收机基本结构一一一一一一一一一一一一一一一6 图2 2 镜像干扰示意图一一一一一一一一一一一一一一一一7 图2 ，3 镜像干扰和中频干扰的关系一一一一一一一一一一一一一一9 图2 4 超外差接收机中半中频效应一一一一一一一一一一一一一一l o 图2 ，5 超外差接收机中频率的变换过程一一一一一一一一一一一一l l 图2 6 零中频接收机示意图一一一一一一一一一一一一一一一一一1 2 图2 7 直接变频的正交输出方式( q u a d r a t u r e0 u t p u t ) 一1 3 图2 8 自我混频( s e l f m i x i n g ) 一一一一一一一一一一一一一一1 4 图2 9 偶次谐波失真一一一一一一一一一一一一一一一一一一一1 4 图2 ，1 0 h a r t l e y 镜像抑审4 结构一一一一一一一一一一一一一一一一1 6 图2 1 1 h a r t l e y 结构和w e a v e r 结构镜像抑制的图解1 7 图2 1 2 w e a v e r 接收机结构一一一一一一一一一一一一一一一一1 8 图2 1 3 第二镜像一一一一一一一一一一一一一一一一一一一1 9 图3 1 交叉调制干扰一一一一一一一一一一一一一一一一一一2 2 图3 2 输入三阶截断点一一一一一一一一一一一一一一一一一一一2 2 图3 3 非线性电路的串联效应一一一一一一一一一一一一一一2 3 图3 41 一d b 压缩点定义图一一一一一一一一一一一一一一一一一2 4 图3 5 单边带噪声系数频谱一一一一一一一一一一一一一一一一2 6 图3 6 双边带噪声系数频谱一一一一一一一一一一一一一一一一2 6 图3 7 混频器原理一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一2 7 图3 ，8 非线性混频器一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一2 8 图3 9 非线性混频器一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一z 8 图3 1 0 单平衡混频器一一一一一一一一一一一一一一一一一一3 0 图3 1 l 电流切换原理一一一一一一一一一一一一一一一一一一3 0 图3 ，1 2 双平衡混频器一一一一一一一一一一一一一一一一一一3 1 图4 1 l c t a n k 结构一一一一一一一一一一一一一一一一一一3 5 图4 2 采用l c t a n k 后的g i l b e r t 混频器一一一一一一一一一一3 6 图4 3 m i m 电容结构图一一一一一一一一一一一一一一一一一一一3 7 图4 4 m i m 电容等效电路一一一一一一一一一一一一一一一一一3 7 图4 5 螺旋电感一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一3 8 图4 6 平面螺旋电感的等效电路一一一一一一一一一一一一一一3 9 图4 7c m o sg mc e l l 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一4 0 图4 8 低压高增益高线性度混频器一一一一一一一一一一一一一4 2 图4 9 射频输入端反射损耗一一一一一一一一一一一一一一一一一4 4 图4 1 0 本振输入端反射损耗一一一一一一一一一一一一一一一一4 4 图4 儿增益随l 0 输入功率变化的响应一一一一一一一一一一一4 5 图4 1 2 对应r f 输入功率变化的p 一1 d b 值一一一一一一一一一一4 5 图4 1 3 三阶交调得到的i i p 3 值一一一一一一一一一一一一一一4 6 图4 1 4 转换增益随i f 输出频率的响应一一一一一一一一一一一一4 6 图4 1 5 单边带噪声系数随l 0 输入功率的变化4 7 图4 1 6 中频信号输出电压波形一一一一一一一一一一一一一一一4 7 图4 1 7 射频输入端反射损耗一一一一一一一一一一一一一一一一4 9 图4 1 8 本振输入端反射损耗一一一一一一一一一一一一一一一一4 9 图4 1 9 增益随l o 输入功率变化的响应一一一一一一一一一一一5 0 图4 2 0 对应r f 输入功率变化的p 一1 d b 值一一一一一一一一一一一5 0 图4 2 1 三阶交调得至的i i p 3 值一一一一一一一一一一一一一一一5 l 图4 2 2 转换增益随i f 输出频率的响应一一一一一一一一一一一一5 l 图4 2 3 单边带噪声系数随l o 输入功率的变化5 2 图4 2 4 中频信号输出电压波形一一一一一一一一一一一一一一一5 2 表目录 表1 18 0 2 1 1 a b g 特性比较一一一一一一一一一一一一一一一一4 表4 1 三种尺寸的m i m 电容等效电路参数一3 8 表4 2 不同形状电感的k 值一一一一一一一一一一一一一一一一一4 0 表4 3 两种结构仿真结果的比较对照表5 3 独创性声明 v7 6 5 3 9 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及取得的 研究成果。据我所知，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，也不包含为获缲蜊瓠磁 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谢意。 学位论文作者签名：i 妻q 坦 签字日期：一厂年，月，2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解瘳4 弘五有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阕和 借阅。本人授权名 缸谚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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者鼢傅谴锄鲐溽弱 签字日期：珈r 年厂月，2 日 签字日期：灯年丁月日 学位论文作者毕业去向： 工作单位： 电话： 通讯地址： 邮编： 筇一章绪论 第一章绪论 1 1 无线局域网( w l a n ) 综述 无线局域网( w l a n ) 是无线通信技术和计算机技术结合发展的产物，是利 用无线技术实现快速按八以态网的技术。与有线局域网相比，w l a n 建网迅速、 造价低廉、移动灵活、容易扩展，具有很大的优越性。它还有一个好处是它使 用2 4 g h z 频段，其运营者不必申请频谱许可证，可以随时建网使用。在实际应 用中，i e e e 8 0 2 1 1 x 技术在性能表现上优于h 。m e r f 、蓝牙等技术，逐渐成为 2 4 g h z 无线网络应用中使用最为广泛的标准。 1 2 支持w l a n 的国际标准i e e e 8 0 2 1 l x 介绍 w l a n 的技术标准由i e e e 8 0 2 1 l 委员会负责制定，它在1 9 9 7 年6 月制定了 全球第一个w l a n 标准i e e e 8 0 2 1 l 。 8 0 2 1 1 协议”3 主要规范了开放式系统互连参考模型( 0 s i r m ) 的物理层和 媒体接入控制( m a c ) 层。物理层确定了数据传输的信号特征和调制方法，定 义了三种不同的物理媒介：红外线、直接序列扩频( d s s s ) 和跳频扩频( f h s s ) ， 后两者是射频( r f ) 传输标准，工作于2 4 g 开放频段( 即i s m 频段) ，d s s s 使用 d b p s k 或d q p s k 基带调制，f h s s 使用g f s k 调制。m a c 层利用载波检测多址接入冲 突避免( c s 姒c a ) 协议而不是冲突检测的方式来让用户共享无线媒体。 1 2 18 0 2 1 1 b i e e e 8 0 2 1 1 b ( 也称w i f i ) 是1 9 9 9 年9 月通过的标准，为目前主导的标准， 即当前市场上的w l a n 产品主要基于此标准。其工作频段为2 4 2 4 8 3 5 g h z ，在 美国即工业、科学和医疗( i s m ) 频段，是不需要许可证的。8 0 2 1 l b 的物理层 采用d s s s 和补码键控( c c k ) 编码方式，速率可以随工作环境在儿m b i t s 、 5 5 m b i t s 、2 f b i t s 、lm b i t s 之间动态调整。在数据速率较高时，可以通 过改变扩频系数和调制方式来提升速率。但对所有速率的8 0 2 1 1 b 而言，报头 都以固定速率lm b i t s 传送。 c m o s 低电压高性能混额器的投计 在网络安全机制上，8 0 2 1 1 b 提供媒体接入控制( m a c ) 层的接入机制和加 密机制，达到与有线局域网相同的安全级别“1 。 1 2 28 0 2 1l a i e e e 8 0 2 1 1 a 扩充了标准的物理层，规定物理层工作在u n i i 波段的5 g h z 频段，在射频采用多载波调制技术正交频分复用( o f d m ) 技术来传输数据， 支持的速率有6 、9 、1 2 、1 8 、2 4 、3 6 、4 8 、5 4 m b p s 。根据不同速率需求，o f d m 子载波可采用b p s k 、d p s k 、1 6 q a m 、6 4 q a i 四种基带调制方式。 区别于8 0 2 1 l b ，8 0 2 1 1 8 采用了前向纠错( f e c ) 技术，这虽然增加了基 带处理的复杂度，但可以在较高速率下延长传输距离。 1 2 38 0 2 “g 8 0 2 1 1 9 是i e e e 为了解决8 0 2 i i a 与8 0 2 1 l b 的互通而在2 0 0 3 年6 月出台 的个标准，它是8 0 2 1 l b 的延续，两者同样使用2 4 g h z 通用频段，互通性高， 被看好是新一代的w l a n 标准。 在容量方面，8 0 2 1 l g 的速率上限已经由由l l i b p s 提升至5 4 m b p s ，但由于 2 4 g h z 频段干扰过多，在传输速率上低于8 0 2 1 1 a 。”3 在兼容性方面，8 0 2 儿g 与8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 l b 同时兼容是8 0 2 1 l g 的大 亮点，它同时支持8 0 2 1 1 b 的c c k 和8 0 2 1 l a 的o f d m ， 8 0 2 1 1 9 还支持p b c c ( p a c k e tb i n a r yc o n v 0 1 u t i o n a lc o d i n g ，分组二进制卷积码) 技术。8 0 2 1 l g 中规定的调制方式有两种，一种为i n t e r s i l 公司提案采用的c c k 一0 f d m ，另种 为订公司提案采用的p b c c 一2 2 ( 也称c c k p b c c ) 调制方式，其中采用p b c c 一2 2 方 式的t i 提案保持了对i e e e 8 0 2 1 l b 的完全兼容，并使最高传输速率达到了 2 2 飓p s ，目前已经有不少符合该标准的产品。而c c k o f d m 则作为8 0 2 ，u g 的强制 5 4 m b p s 模式，同时支持两种模式的8 0 2 1 1 9 产品便可以在与8 0 2 n b 网络兼容 的情况下，最高提供与8 0 2 1 1 a 标准相同的5 4 m b p s 连接速率。 1 2 4其他8 0 2 1 1 标准 除了以上三个比较完善的版本( 8 0 2 1 l a ，8 0 2 “b ，8 0 2 1 l g ) ，i e e e 还出 ；f ；一章绪沧 台了修正现存协议缺陷的一些加强版本，作为以上协议的扩展。 8 0 2 1 】c ，它是关于8 0 2 1 1 网络和普通以太网之间的互通协议，现已包含 在大多数产品中。 8 0 2 1 1 d ，该协议最初致力于开发工作在其他频率的8 0 2 儿b 版本，使其在 许多没有2 4 g h z 波段的国家和地区也可以使用。由于i t u t 的推荐和许多厂 商的压力，大多数国家都已经开通了这个波段。然而，8 0 2 1 1 d 仍然可以用在 其他授权波段上。 8 0 2 1 1 e ，该协议将q o s 功能( 服务质量) 加入到8 0 2 1 1 网络上，它用t d m 方式取代类似e t h e r n e t 的m a c 层，为重要的数据增加额外的纠错功能。 8 0 2 1 1 f ，该协议是为了改善8 0 2 1 l 中的切换机制而制定的，以使用户能 够在两个不同的交换分区( 无线信道) 之间，或在加到2 个不同的网络上的接入 点之间漫游的同时保持连接功能。 8 0 2 1 l h ，该协议的主要目的是对8 0 2 i i a 的传输功率和无线信道选择增 加更好的控制功能，即动态频率选择( d f s ) 和传输功率控制( t p c ) 。它与8 0 2 1 l e 相结合，适用于欧洲地区。 8 0 2 1 1 i ，该协议负责处理8 0 2 1 1 网络最明显的个问题：安全性。它不 是e p 的加强版本，而是建立在a e s ( 美国的官方加密系统) 上的一个全新标 准。 8 0 2 1 l j ，该协议是一个新的标准，目前只是一个草案，目的是解决8 0 2 1 l a 和h i p e r l a n 2 的互通问题，因此它不是一个统的标准，而是e t s i 和i e e e 的 联合标准。 8 0 2 1 l n ，下个无线新标准，该标准希望将w l a n 的传输速率增加至 1 0 0 m b p s 以上，势必成为8 0 2 1 1 b 、8 0 2 1 1 8 、8 0 2 1 1 9 之后w l a n 领域的另一场 重头戏。 c m o s 低电压高性能混频器的避计 1 2 6 比较 鉴于前三个标准应用的最为广泛，所以仅对这三个标准进行简要的比较， 如下表所示 8 0 2 1 l a8 0 2 1 1 b 8 0 2 1 l g 工作频段( g h z ) 52 42 4 最大速率( m b i t s ) 5 41 l5 4 调制方式 o f d mc c k o f d m c c k 传输距离( 同速率) 短长 较长 抗干扰性强 弱较强 兼容性弱 弱强 表l ，i8 0 2 n 8 b g 特性比较 t a b l e l 1c h a r a c t e rc o m p a r i s o no f8 0 2 i l a b g 1 3 本课题的任务 设计符合8 0 2 1 1 9 规范的混频器电路。 j 3 1 混频器的设想 在w l a n 前端设计芯片上，目前国外通常的采用的工艺是b i c m o s 或者s i g e ，其优点是简化了电路设计，缺点是很难与基带芯片集成。在系统结构上， 目前大部分公司采用外差电路( h e t e r o d y n ec i r c u n ) ，所以设想采用c m o sr f 工艺，这样易于集成。 1 3 2 工艺选择 目前集成电路工艺主要分为硅双极工艺( b i p 0 1 a r ) 、m v 族f 砷化镓) 、 硅锗工艺和c m 0 s ( c 鲫p l e m e n t a r ym e t a 卜弧i d e s e j l l j c o n d u c t o r ) 工艺。传统 的射频集成电路( r f i e ) 主要有砷化镓( g a a s ) 工艺和硅双极工艺实现，而c m 0 s 工艺则凭借低功耗、低成本等显著优点，成为数字集成电路的主要工艺。 随着c m 0 s 工艺特征尺寸不断降低，c m 0 s 工艺的特征频率f ，不断提高对应于 0 3 5 u m 、o 2 5 u m ，0 1 8 u m 的c m o s 工艺的特征频率f 扮别为1 3 5 g i z 、1 8g h z 、 4 9g h z 。m o s 管的特征频率已经和v 族与硅双极工艺器件的特征频率非常接 近。另外，工艺的诸多改进提高了c m 0 s 工艺模拟电路的性能：( 1 ) 提高无源器 件的品质因素，例如将顶层金属加厚；( 2 ) 提高有源器件的隔离度；( 3 ) 利用 一 竺二至望堡 钛合金、铜互连、低k 介质，降低多晶硅和n 型、p 型有源区的电阻率，降低引 线电阻等，而且c m o s 工艺实现的模拟电路和数字电路兼容实现大规模集成，人 们于是考虑到用c m o s 工艺实现射频集成电路，与采用同种工艺的基带电路集成 在同一块芯片上，实现片上系统。目前，大量完整的工作于g h z 的接收发射电 路已由c m 0 s 工艺实现，典型的应用范围包括g s m ，c d 姒，i e e e 8 0 2 1 l a b g ，蓝 牙和g p s 等。 此外，c 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 ( m p ，m u l t i p r o j e c t 一f e r ) 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。 本文采用n e c 0 3 5 唧c m o s 工艺实现2 4 g h z 下变频混频器。 l _ 3 3 本论文的内容 本论文从无线局域网的国际标准8 0 2 1 1 9 出发，在具体分析无线收发机中 混频器的工作原理和各种结构的基础上，结合增益、噪声、线性度等重要参数， 对传统g i l b e r t 电路进行改进，设计出一种新型的低压高性能混频器，并进行 仿真验证。 具体章节为： 第一章概述本课题的研究背景、研究设想和目标 第二章接收机系统结构分析 第三章分析混频器的原理、特性、类型和结构 第四章设计低压高性能混频器并分别对c m o sg il b e r t 型混频器和新型混频 器进行仿真。 第五章本论文的结论 c m o s 低电压高性能混额器的投计 第二章接收机系统结构分析 目前，在通信过程中存在很多通信协议，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，这样就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 ) 。 在设计接收机时，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( s u p e r h e t e r o d y n er e c e i v e r ) 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，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，8 m 1 图2 1 是其方框图。 卜一置十璺+ 曩一- 图2 1 超外差接收机基本结构 f i 9 2 1s t r u c t u r eo fs u p e r h e t e r o d y n er e c e i v e r 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厶附近的噪声和干扰信号。随后进入到下一级的低噪声放 第二书接收机系统结椅打析 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 e f 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。 2 1 1 镜像干扰7 1 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 ) 。 _ _ ， ，。， 图2 2 镜像干扰示意图 f i 9 2 2i m a g ei n t e r f e r e 如图2 2 所示，假设射频信号为c o s k ，本振信号c o s q 。r ，中频信号c o s 脚。f 镜像信号为c o s 甜。，其中 矗= 一丘h 厶一厶 ( 2 1 ) 所以有用中频为： 一 靡厶 峄 c m o s 低电压高性能混额器的投计 c o s m f = c 0 s 脚盯，c o s 翻。， = 去【c 。s ( 棚刚? 一曲) + c 。s ( 甜灯+ 甜。v 】 ( 2 2 ) = 娄【c 。s 珊旷，+ c 。s ( 出肼+ 。) ， 镜像中频为 c o s 国扩f = c o s f c o s 埘l d ， = 吉 c 。s ( 。一。) + c 。s ( 国。，+ 国- 。) ， ( 2 3 ) - = 【c o s ( p 伊，+ c o s ( 脚m + c 吼d ) 门 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 j 【i 频差较大的情况，即 选择高中频的方式。 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。删 第二章接收机系统结构分析 。 图2 3 镜像干扰和中频干扰的关系( a ) 高中频( b ) 低中频 f i 9 2 ，3r e l a t i o no fi m a g ea n di fi n t e r f e r e 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，比如本章2 1 节中采用两次降频，可以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 如图示，当外界干扰频率为! ! 堑 旦丝时，经过混频器下混频后，将在中频 频带产生一t 频率为半的信号。又因为 一。 = f 。圹，所以 c m o s 低电压离性能混频器的发汁 国肼一d 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，面对接收机造成干扰。为避免半中频的影响，将要! ! 堕设计在镜像消除 的频带内，是一个解决此问题的方法。 图2 4 超外差接收机半中频效应 f i 9 2 4h a l f i fe f f e c t 第二章接收机系统结构分析 2 1 4 超外差接收机的频率变换 o bc q 口a h f 毋每。毋 咯吨。嗨，2 镪，一畸钟 曰毋一i一。 咯2 镪，一姆 图2 5 超外差接收机中频率的变换过程 f i 9 2 5f r e q u e n c yt r a n s l a t i o ni ns u p e r h e t e r o d y n er e c e i v e r 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 机通过天线接收到r f 信号后，为了抑制混频器的高噪声系数，一般先经过低噪 放( l n a ) ，以降低噪声的干扰。当r f 信号w 。通过低噪放后，与l 0 信号w 。经 过混频器( m i x e r ) 混频而产生中频信号( i f ，w f ) 其中w = w 一w o 。因 为混频器是一个非线性器件，也会混频出其它频率的信号，如上图中的 2 w 。一“k 就是一个由两倍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 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 s i o n ) c m o s 低电压高性能混额器的投计 2 2 零中频接收机 2 2 1 零中频接收机结构“ m “ 一 ， 毋， o n k 霉il o f 4 卜- 口4 _ 卜_ ， 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 d n v e r s i o n ) 。因为中频频率0 = 0 ，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( 瑚) 或调相( p m ) 方式时，则 需采用具有9 0 0 相差输出的接收机结构，以避免接收信号的流失。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 第一二荜接收机系统结社j 舒昕 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。m 3 1 二 图2 7 直接变频的正交输出方式 f i 9 2 7q u a d r a t u r eo u t p u ti nd i r e c tc o n v e r s o n 2 2 2 直流偏移( d co f f s e t s ) “” 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 o 1 e a k a g e 同样的，若是r f 信号耦合到其它端口，称为射频信号泄漏( r f1 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，它也会耦合到本振输出端 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。 c m o s 低电压高性能混额器的投计 z 口 ( b ) 图2 8 自我混频 f i 9 2 8i l l u s t r a t i o no fs e l f _ m i x i n g ( a ) l ol e a k a g e 本搌泄漏( b ) i n t e r f e r e rl e a k a g e 强干扰泄漏 2 2 3 二次谐波失真 图2 9 偶次谐波失真 f i 9 2 9e v e n o r d e rh a r o n i cd i 8 t o r t i o “ 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 ti o n ) 项会位于 基带附近，又因为混频器的隔离度有限，使得这个二次交调项由射频输入端耦 一 厂i 脑 一一育臣 第二二荦接收机系统结倚分折 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 r h a r m o n i cd i s t o r t i o n ) 。它的测量可以通过输入二阶截断点( i i p 2 i n d u ts e c o n d o r d e ri 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( f l i c k e rn o i s e ) 1 闪烁噪声因为其功率谱密度函数与之成正比，而且和器件尺寸成反比，所 3 以频率越低，此噪声越大，对接收信号的影响也越大。在零中频接收机中，信 号被降到真流，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。 “6 “”“”1 2 3 镜像抑制接收机 在前面，我们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o 值的镜像抑制滤波器提高集成度。下面介绍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。 2 3 1h a r t l e y 结构 这种结构，主要由相差9 0 0 的两个混频器组成，这是由输入的本振信号相差 9 0 0 产生的效果。至于镜像抑制，是利用混频器和9 0 0 的相移器对i ，q 两路径的 镜像信号造成1 8 0 0 的相移，在输出端经加法器将镜像干扰消除。” c m o s 低电压高性能混额器的投计 详细推导如下 m 扭e | 2 图2 1 0 h a n l e y 镜像抑制结构 f i 9 2 1 0t h eb l o c kd i a g r 锄o fh a r t l ya r c h i t e c t u r e 令输入信号为，( f ) = 爿fc o s 钟 f + 爿c o s f ( 2 4 ) 国。与国。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 脚 d f ，s n d 。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： 小h 争s i n ( + ) h s i n ( 一“ ( 25 ) 十譬【s i n ( + ) h s i n ( 眈。一) f 】) 厶( ，) = 二塾【c 。s ( c 。+ 国。，p + c 。s ( 吼。一印。x 】 2 ( 2 6 ) 4 + ! 当 c o s ( 。+ 国，埘弦十c o s ( l 。一。) f ) 当兀( f ) 与厶( f ) 经过低通滤波器后，高频成分( 国+ 甜 ) 和( d + 甜w ) 被滤除，则c ，d 两点的信号为： 肌) = 争s n ( 一脚妙+ 譬s i n ( 一， 即 芦 盆l 回 匝 芦 ， 曲f 9 = 第一章接- 恢机系统结构分析 ，d 价等c 。s ( 一f + 譬c o s ( 吼。一弘 = o ，则由( 3 8 ) 式中 可推知，因为接受的信号被数级电路放大，在每一级电路线性度相同的情况下， 电路的级联造成总体线性度的降低，但若在设计上提高后级电路的线性度，则 相对可以提高级联电路的整体线性度，所以，由上式可知后级电路对整个系统 的线性度的影喻较大。 3 1 4 卜d b 压缩点 一般来说，电路的增益是一个固定的数值，因此其输入功率和输出功率的 关系在直角坐标系中表现为一条具有恒定斜率的直线，但是随着输入功率的增 加，输出功率也随之改变，当输入功率达到一定值，电路的工作状态进入饱和 区，输入和输出的关系就不再是线性关系了。当在某一特定输入功率时，其对 应的输出功率比理想的线性功率值低1 d b 时，输入功率值称为1 d b 压缩点( 卜d b c o m p r e s s i o np o i n t ，p 一1 d b ) ，如图3 。4 所示。 c m o s 低电压高性能混额器的投计 p 。( d b n t ) 3 1 5 转换增益和转换损耗 转换增益和转换损耗( c o n v e r s i o ng a i n l o s s ，c g c l ) 指的是电路辁出信 号的功率( 或电压) 与输入信号功率( 或电压) 的比值。若大于1 表示信号被 放大，称为转换增益；小于1 表示信号衰减，称为转换损耗。一般与电路的有 源还是无源有关，在混频器中，转换增益和损耗在上混频和下混频中的定义不 同，如下式所示： d c g c z ( 妒一。”w 坩d n ) = 1 0 1 0 9 等 ( 3 9 ) 1 f 口 c g c e ( 如m f ”w 朋向订) = 1 0 i o g 罟 ( 3 1 0 ) 3 1 6 噪声系数 要想知道个系统在噪声上的表现如何，常引入噪声因子( n d i s ef a c t o r f )