（电路与系统专业论文）低电压高线性cmos混频器的研究与设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 近年来，随着无线通信系统的迅速发展，低成本、低功耗、高性能c m o s 射频集 成电路的研究和开发引起人们的广泛关注，用c m o s 工艺实现无线通信系统的射频前 端不仅必要而且可能。c m o s 射频前端由发射和接收模块组成，其中混频器作为接收 机中的一个关键部分，其性能的好坏，直接影响整个通信系统的性能。其中低电压高 线性度混频器的研究成了当前研究的一个热点。 本文以射频接收机前端关键器件中的混频器为研究对象，在系统分析混频器的性 能指标的基础上，针对低电压和高线性度两个性能指标，提出了一种改进的低电压高 线性度混频器电路。具体工作如下： 本文首先分析了c m o s 混频器的国内外研究现状，其中重点分析了高线性度、低 电压混频器的现状。区别于常见的幂级数分析法，这里将采用v 0 1 t e m 级数分析法，并 通过具体的共栅电路，分析影响混频器线性度的因素。详细分析了改进线性度的传统 的派生项叠加技术和改进的派生项叠加技术，并指出其存在的不足。在此基础上采用 了改进的派生项叠加技术，利用n m o s 和p m o s 管并联电路组成互补跨导级电路，用 于同时取消二阶和三阶非线性电流，达到提高混频器线性度的目的。接着采用了l c 折 叠式结构，提出了基于改进的派生项叠加技术的低电压高线性混频器。 最后，基于t s m c0 1 8 m 工艺，并利用安捷伦公司的a d $ 2 0 0 8 软件，对所设计 的混频器进行仿真。仿真结果为：电源电压为o 8 v ，功耗为4 5 6 m w ，转换增益为5 8 2 1 ( 1 b ，噪声系数为7 8 7 8d b ，1 d b 功率压缩点为。4 d b m ，三阶交调点为1 9 2 6 2d b m 。仿 真表明该电路在线性度和电压方面具有一定的优势。 关键词：c m o s 射频集成电路；蓝牙；v o l t e r r a 级数分析法；派生项叠加技术； 三阶交调点 西南交通大学硕士研究生学位论文 第l i 页 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，d e m a n df o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e mh a sb e e ni n c r e a s e d t r e m e n d o u s l ya n di th a sm o t i v a t e das 仃o n gi n t e r e s tt o w a r d st h ed e v e l o p m e n to fc m o 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 ) a tl o w c o s t ，l o w - p o w e ra n d h i g h - p e r f o r m a n c e a r ff r o n t - e n do faw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mu s i n gc m o st e c h n o l o g yi sn o to n l y n e c e s s a r yb u ta l s of e a s i b l e c m o sr ff r o m e n di sm a d eu po fr e c e i v e ra n d t r a n s m i t t e r , a sa v e r yi m p o r t a n tp a r to fr e c e i v e r , t h ep e r f o r m a n c eo fm i x e rd i r e c t l ya f f e c t st h ep e r f o r m a n c eo f e n t i r er e c e i v e rf r o n t e n d 。a n dt h er e s e a r c ho nl o wv o l m g ea n dh i 曲l i n e a r i t yh a sg a i n e d i n c r e a s i n gi n t e r e s t i n g t h ep a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e st h er e s e a r c hs t a t u sa n ds i g n i f i c a n c eo fm i x e r t h e nt h e b a s i ct h e o r i e so fm i x e ra r es u m m a r i z e ds y s t e m a t i c a l l y ac m o sm i x e ri sp r e s e n t e dw i t ha n e wc i r c u i ts c h e m et or e a l i z el o w v o l t a g ea n dh i g hl i n e a r i t ys i m u l t a n e o u s l y t h em a i nw o r k s o ft h i sp a p e rc o n s i s to f f o l l o w i n ga s p e c t s ： f i r s t l yt h ep a p e rs u m m a r i z et h ep r o g r e s sa n dr e s e a r c h e so fc m o sm i x e r , i nw h i c hm o s t w o r kf o c u so nl o wv o l t a g ea n dh i 曲l i n e a r i t ya s p e c t s a n dt h e nv o l t e r r as e r i e sa p p r o a c hw a s g i v e nf o r t h ea n a l y s i so ft h el i n e a r i t yo fm i x e ro nac o m m o n - g a t e ( c g ) s t r u c t u r e t h en e e d f o rs i m u l t a n e o u sc a n c e l l a t i o ni s i n v e s t i g a t e d f i o r 廿1 es h o r t c o m i n go ft h ec o n v e n t i o n a l d e r i v a t i v es u p e r p o s i t i o n ( d s ) m e t h o da n dm o d i f i e dd sm e t h o d t h e nan e w m o d i f i e dd s m e t h o di sp r o p o s e db yac o m p l e m e n t a r yp m o s t r a n s i s t o r , i no r d e rt os i m u l t a n e o u s l yc a n c e l t h es e c o n da n dt h i r d o r d e rn o n l i n e a r i t i e si nc o m m o n g a t et r a n s c o n d u c t a n c es t a g eo fm i x e r f i n a l l yal o w e rv o l t a g ea n dh i g m yl i n e a rc gm i x e ri sd e s i g n e db a s e do nl cf o l d e d c o n s t r u c t i o na n dm o d i f l e dd ss c h e m e t h ep r o p o s e dc i r c u i t sa r es i m u l a t e db ya g i l e n t sa d s 2 0 0 8b a s e do nt s m c0 18 “m t e c h n o l o g y t h er e s u l t ss h o wt h es u p p l yv o l t a g eo f0 8 v , t h ep o w e rc o n s u m p t i o no f4 5 6 r o w , t h ec o n v e r s i o ng a i no f5 8 2 1 d b ，t h en o i s ef i g u r eo f7 8 7 8 d b t h ei n p u tp 1 d bc o m p r e s s i o n p o i n to f 一4 d b ma n dt h ei i p 3o f19 2 6 2 d b m s i m u l a t i o ns h o w st h a ti ti sm o r ee x c e l l e n tt h a l l r e c e n t l yp u b l i s h e dc m o sd e s i g n so nt h el i n e a r i t ya n dt h ev o l t a g e k e yw o r d s ：c m o sr f i c ；b l u e t o o t h ；v o l t e r r as e r i e s ；d e r i v a t i v es u p e r p o s i t i o n ( d s ) m e t h o d ； t h i r di n p u ti n t e r c e p tp o i n t ( i i p 3 ) 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密a 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“扩) 学位论文作者躲鎏聋 日期：如归6 ，口 指导老师签名：l 妒一 日期：油10 6 ，id 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 通过阅读并整理大量的文献资料，总结了改进混频器线性度和低电压的方法，并 分别比较了各种方法的优劣。对v o l t e r r a 级数分析法进行了分析和研究，研究了v o l t e r r a 级数分析法对于单端共栅结构i i p 3 的影响因素。在深入分析了传统的派生项叠加法的 基础上分析了改进的派生项叠加方法，根据派生项叠加法改进三阶跨导系数的方法， 引出了二阶跨导系数的改进方法，由此提出了新的改进的派生项叠加法。在低电压方 面重点分析了本文所采用的l c 折叠式混频器结构。设计出了基于l c 折叠结构和基于 改进的派生项叠加法的低电压高线性度混频器。最后利用a d s 软件，分别进行了直流 电压仿真、谐波仿真、转换增益仿真、噪声系数仿真、l d b 压缩点仿真和三阶交调点 仿真。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 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 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：唾备 日期：7 , o l o b l o 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 1 1 课题研究背景及意义 第1 章绪论 近年来，无线移动通信飞速发展，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的研究。其中射频技术对它的发展做出了 重大贡献，射频集成电路( r f i c ) 的应用前景将变得十分广阔，而其已经成为当前热点 研究课题之一。 随着人类社会的发展和科学技术的巨大进步，琳琅满目的电子产品出现在我们的 面前，如手机、电脑、打印机、数码相机以及各种信息家电类。在享受科技给我们带 来的便利的同时，也对越来越多的蜘蛛网式的有线连线感到厌烦。蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术 是解决上述问题的一种无线连接技术标准，于1 9 9 8 年由爱立信、诺基亚、i b m 、东芝 和i n t e l 联合提出。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 围内( 1 m - l o m ，也可以通过外接功率放大器，使其范围扩展至l o o m ) 建立低成本、 短距离的无线连接。与其他无线局域网标准相比，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1 1 。 蓝牙系统包含无线收发单元，其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 ( 即工业、科学、医学) 频段。一个完整的蓝牙系统由射频单元， 链路控制单元，链路管理和一个支持主机终端接口功能的单元组成，完整的蓝牙系统 框图如图1 1 所示。2 4 g h z 射频单元包括r f 前端和基带处理部分，r f 前端又叫收发 器，它决定着整个蓝牙系统的基本性能指标，如误码率，发射功率和信道的抗干扰能 力等。其中链路控制单元执行基带协议和其他底层链路程序，包括建立网络、差错控 制、鉴权和保密。链路管理单元负责链路的建立、鉴权、链路硬件配置和其他一些协 议。 图1 1 蓝牙系统组成框图 2 4 g h z 蓝牙射频无线通信系统中的射频前端由发射机和接收机组成。接收机的射 n n 交n 大学硕士研究生学位论文 第2 页 频前端主要包括低噪声放大器( l n a ) 、混频器( m i x e r ) 、本地振荡器( l o c a lo s c i l l a t o r ) 和功率放大器( p o w e r a m p l i f i e r ) 等模块。接收机的体系结构主要有以下三种形式：超 外差式、零中频和低中频。典型的超外差式接收机结构如图1 2 所示。 d 图1 2 超外差式接收机结构框图 接收机首先通过前置滤波器选出所需要的射频信号，然后通过低噪声放大器对射 频信号进行放大，鉴于混频器的频谱搬移特性，因此在混频之前，必须滤除镜像干扰 信号，因此用到了镜像抑制滤波器。为了提高接收机的选择性，混频器输出的中频信 号一般还要经过信道选择滤波器进行信道选择。 由于射频接收机接收到的信号频率一般不固定，同时高频信号处理困难且成本较 高，因此接收机通常需要把接收到的射频信号变换到频率固定的中频或基带信号进行 处理，在射频信号到中频或基带信号的频谱搬移过程中，信号的调制规律不变，所改 变的只是被调信号的载频，实现这种频谱搬移功能的模块，称之为混频器。混频器作 为接收机的关键模块，负责实现频谱的线性搬移，每个无线通信系统至少要用到一个 以上混频器，其性能直接影响整个系统的性能。 混频器的设计通常需要考虑线性度、转换增益、噪声系数、隔离度以及功耗等性 能指标。其中线性度是一个关键因素，一个电路的非线性会造成增益压缩、谐波失真、 交调和互调等问题。然而，目前各种用来提高混频器线性度的线性化技术都是以牺牲 噪声和增益为代价的【23 1 ，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， 高线性混频器的设计难度增大，因此对低电压高线性度的混频器的深入研究是非常必 要的。在高性能的通信系统中，对动态范围的要求越来越高，动态范围的上限是由输 入信号引起的非线性来确定的，而下限是由噪声系数确定的。在设计过程中，设计者 往往都力求各性能达到最佳，但是在实际设计中，这些参数大多会相互牵制，这将导 致设计变成一个多维优化的问题【4 】。因此在实际的设计过程中，如何达到自己的设计目 的，需要在这些参数中进行适当的折衷。 当前，射频前端主要采用的工艺有g a a s 、硅和s i g e 工艺，其中硅工艺包括b i p o l a r 、 b i c m o s 和c m o s 工艺。以c m o s 结构为核心的集成电路技术，近2 0 年来按照摩尔 定律的发展，即缩小器件的特征尺寸，提高器件的性能，增大集成电路芯片规模。随 着器件特征尺寸的缩小，m o s 器件的特性如特征频率f = r ，最高频率k 和噪声系数等 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 都有很大提高，可以获得很好的频率特性【56 1 。又由于c m o s 工艺具有工艺成熟、成本 低、功耗低，能与数字电路、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 ，s y s t e m o n c 1 1 i p ) 的很有前途的技术，因此，越来越多的工程师采用 c m o s 工艺来实现r f i c ，利用c m o s 工艺设计r _ f i c 已经成为世界范围内的研究热点。 1 2 研究现状 1 2 1c i _ o sr f i c 国内外研究现状 国外移动通信r f i c 厂家主要有m a x i m ，a d i ，m o t o r o l a ，r f m d ，s t 等推出了满 足2 g 和3 g 移动通信的系列r f i c 电路。目前，国外的r f i c 制造水平在o 1 8 u m 和0 1 3 u r n 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 m 工艺，只有很少数单位掌握o 1 s u m 和o 1 3 u m 的制造工艺。 从2 0 0 1 年英国的c s r 公司推出第一款c m o s 工艺实现的蓝牙芯片以来，其他几 家大公司t i 、b r o a d c o m 、e r i c s s o n 、s t 也相继提出了自己的蓝牙产品，国外的不少研 究机构也报道了自己的研究成果【6 埔们。 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，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。国内采用硅技术已经研制 出了各种移动通信r f i c ，如中电2 4 所已采用s i g eb i c m o s 工艺，制作出集成度达3 万个元器件的g s m 9 0 0 d c s l8 0 0 声音及数据双频单片收发信机。学术研究主要集中在 清华大学微电子学研究所、东南大学射频与光电集成电路研究所、中国科学院、浙江 大学等极少数单位，其中东南大学已经研制出了s 波段的o 3 5 u r nc m o s 工艺的l n a ， 2 0 0 1 年，东南大学射光所利用0 3 5 u r nc m o s 工艺实现1 9 g h z 上变频器【l0 1 ，清华大学 2 0 0 2 年也利用c m o s 工艺设计出2 4g h z 无源混频器，东南大学正在利用0 1 3 u m 工 艺研制基于8 0 2 1 1 a 的5 g h z 频段的无线局域网接收机。 1 2 2 混频器线性度国内外研究现状 混频器的线性度直接决定了接收机的动态范围，如何提高其线性度成了混频器研 究中的热点问题。对于有源混频器来说，跨导级的非线性是三阶失真的主要原因】， 因而大多数对于混频器线性的改进方法都是针对混频器跨导级进行的。近年来出现了 大量提高线性度的文献，2 0 0 2 年，s a l e mrf 等提出了种不带尾电流的射频输入技术 2 1 ，该技术在很大程度上提高了混频器的线性度，但是该结构不利于抑制共模信号。 更常见的改进线性度的方法就是源级电感负反馈法，该方法不仅可以用来实现输入匹 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 配还广泛用来改善混频器的线性度【l3 1 4 1 ，但这种方法会牺牲混频器的增益。 综合近期国内外的研究报道，在混频器的线性化研究中，主要使用到的线性化技 术有： ( 1 ) a b 类跨导级。文献 1 5 n 用该技术设计了一款混频器，该混频器只提高了i d b 压缩点。2 0 0 4 年，h u a n g - c h ew 萌等提出了由a b 类跨导级组成的混频器【l 引，该方法 改善了混频器的线性度，但跨导级的使用也同时增加了混频器的功耗，同时在输出级 中会产生杂散成分。 ( 2 ) 分段线性技术。沈怿皓掣1 7 j 采用了分段线性技术，该技术通过将多个带有独立 基极偏置电压的差分对并联，由于每个差分单元在输入范围上是线性的，因此将多个 这样的差分对沿输入合理搬移，输出表现为多个线性区间的叠加，总体上获得一个较 大的线性度。但是其中增加了差分对的个数，功耗和输入电容也会相应的增加。 ( 3 ) 反馈技术。va p a r i n 等【j8 j 使用了反馈技术来提高线性度。观察场效应晶体管直 流转移特性，其三阶派生项在中反型区会从正变成负，而这正是三阶非线性的主要来 源，反馈技术可以通过抵消该非线性效应来提高线性度。但是这一技术的缺点是晶体 管必须工作偏置在恰好合适的静态工作点上，这就限制了输入级的跨导，导致增益下 降和噪声系数提高。 ( 4 ) 派生项叠加d s ( d e r i v a t i v es u p e r p o s i t i o n ) 技术和改进的派生项叠加技术。d r w e b s t e r 等人【”】首先提出了d s 技术的概念，d s 技术是用两个分别工作在弱反型区和 强反型区的晶体管并联来实现的。通过仔细选择晶体管的宽度和偏置电压使得工作在 弱反型区的正三阶派生峰值和工作在强反型区的负的三阶派生峰值相互抵消。这样， 三阶派生项就会接近零，从而使得线性度得到大大的改善。文献【2 0 】采用该方法使l n a i i p 3 由无补偿前的5 5 d b m 提高到了1 5 6 d b m ，而混频器的i i p 3 由无补偿前的2 5 d b m 提高到了9 d b ，而且由于辅助m o s f e t 工作在弱反型区，因而该方法基本上不提高混 频器的功耗。传统的d s 技术只是考虑了怎样消除三阶跨导，而没有考虑二阶跨导对电 路产生的影响。当电路的三阶跨导接近零以后，二阶跨导成了产生三阶非线性的主要 因素。文献 2 1 提出了一种改进的d s 技术，这种技术考虑了二阶非线性的影响，这种 方法采用两个电感来调谐对三阶交调项( i m 3 ) 具有主要影响的二阶和三阶非线性的幅 度和相位，让它们的幅度相等、相位相反，从而使得输出时i m 3 项为零，使l n a 的 i i p 3 由无补偿前的1 0 5 d b m 提高到了1 7 2 d b m 。 ( 5 ) 电流注入法。采用在本振级共源节点加入电流源以加大跨导级的直流电流，而 不影响本振级电流，使得在线性度及增益增加的同时，而不影响噪声，以获得好的线 性度和噪声特性【2 22 3 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 1 2 3 低电压混频器的国内外研究现状 目前，c m o s 有源混频器的低功耗设计技术可分为两类：一是降低混频器的直流 电流，其中最典型的是采用电流复用技术。二是降低混频器的电源电压。为了降低混 频器的工作电压及功耗，在低电压应用中，可以用一个并联l c 振荡回路来代替d c 电 流源以构成一个“零净空的a c 电流源，这一振荡回路能排除任何最不希望有的干 扰分量。如果有几个这样的分量存在，可以采用并联l c 回路的串联组合。1 9 9 8 年， 喇i n d e rm a n k u 等人提出了一种l c 折叠式结构的r f i c 电路1 2 引，该电路成功的运用于 低噪声放大器和混频器上，使低噪声放大器在不改变其他性能参数的情况下，电源电 压由原来的2 v 降低到1 v 。2 0 0 3 年，w a n g 等人提出将跨导转换成的射频电流通过电 流镜耦合到开关级从而消除了尾部的电流源【2 5 1 ，但是消除尾电流后使得电路的直流工 作点不稳定。2 0 0 4 年，w a n g 又在此基础上加入共模反馈( c m f b ) 2 6 1 对该电路进行了 改进，该电路提高了混频器的线性度，由于加入c m f b ，也增加了部分功耗。为了降 低混频器的功耗，有学者提出了电流复用单元结构f 2 7 2 8 1 ，它由两个互补的单平衡结构 混频器组成，上下两个电流源匹配。这种电流复用型混频器只需单端输入，但却实现 了本振输入口与混频器输出口之间的隔离，同时又具有单平衡和双平衡结构的优点。 理想情况下，与同类传统的g i l b e r t 型结构相比有相同的增益，但它的功耗却比同类传 统的g i l b e r t 型结构降低了一倍。然而，这种结构的混频器由于在电源对地的通路上有 四个管子堆叠，需要相对高的电源电压，不适于低电压工作。t n c k s a n g 等设计的射频 前端，混频器的跨导部分通过复用l n a 的直流电流来降低电流消耗【29 1 ，通过折叠式共 源共栅来降低工作电压，因而该射频前端能同时工作在低电压低电流条件下。 1 。3 研究内容与主要工作 本文以射频接收机前端关键器件中的混频器为研究对象，在系统分析混频器的性 能指标的基础上，针对低电压和高线性度两个性能指标，提出了一种改进的低电压高 线性度混频器电路。具体工作如下： 首先通过阅读并整理大量的文献资料，总结了改进混频器线性度和低电压的方法， 并分别比较了各种方法的优劣。论文对混频器的非线性产生的原因进行了分析，并在 传统的幂级数分析方法的基础上，重点研究了v o l t e r r a 级数分析法，并利用该方法分析 了影响单端共栅结构i i p 3 的原因，为后面的电路的改进提供了理论依据。在深入分析 了传统的派生项叠加法的基础上，图文并茂分析了改进的派生项叠加方法，根据派生 项叠加法改进三阶跨导系数的方法，引出了二阶跨导系数的改进方法，由此提出了新 的改进的派生项叠加法。在低电压方面重点分析了本文所采用的l c 折叠式混频器结 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 构。根据前面的分析，设计出了基于l c 折叠结构和基于改进的派生项叠加法的低电压 高线性度混频器。最后利用a d s 软件，分别进行了直流电压仿真、谐波仿真、转换增 益仿真、噪声系数仿真、l d b 压缩点仿真和三阶交调点仿真。仿真结果表明，该方法 能在低电压的情况下，极大的改善混频器的线性度。 1 4 章节安排 本文的组织结构及各章内容介绍如下： 第l 章绪论简要介绍了本文研究背景及意义，然后介绍了c m o sr f i c 、混频器线 性度以及低电压的国内外研究现状，最后介绍了本文的主要工作和文章的结构安排。 第2 章混频器概述从混频器的工作原理入手，介绍了混频器的架构及分类，详细 的介绍了混频器的各项性能指标，其中重点分析了混频器的线性度，为后面的设计工 作打下良好的理论基础。 第3 章混频器线性分析与研究首先分析了混频器非线性产生的主要原因，针对目 前所采用的幂级数分析方法的基础上，介绍了v o l t e r a 级数分析法，并推导了共栅结构 跨导电路三阶交调点公式，由此给出了影响混频器线性度因素，对后面的设计起到了 很好的指导作用。最后研究了线性补偿技术中的派生项叠加技术和改进的派生项叠加 技术，为后面提出改进的派生相叠加技术做好铺垫。 第4 章混频器的设计对于混频器跨导级电路的选取做了一定的分析，最后提出采 用具有良好匹配特性的共栅跨导电路。接着在第3 章的基础上提出了新的基于改进的 d s 技术高线性度混频器的结构。最后详细分析了低电压混频器的l c 折叠结构，并给 出了混频器总体设计电路。 第5 章混频器的仿真针对所设计出的低电压高线性度混频器，分别进行了直流电 压仿真、谐波仿真、转换增益仿真、噪声系数仿真、l d b 压缩点仿真和三阶交调点仿 真，并对仿真结果进行了总结。 论文最后总结了本文的研究成果，并指出有待该善的地方，同时为以后的研究工 作指明方向。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 第2 章混频器概述 混频器是无线收发机中的重要组成部分，主要用来实现信号频率的变换。在发射 机中，混频器的作用是把低频信号变为射频信号，再由天线发射出去；在接收机中， 把射频信号变成容易处理的低频信号。混频器作为无线移动通信系统中的核心模块， 每个无线移动通信系统至少都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。例如在接收机中，低噪声的混频器可以减小 系统对l n a 增益的要求，高变频增益的混频器可以减小后级噪声对接收机噪声的影响。 本章首先介绍混频器的工作原理，接着介绍了混频器的架构及分类，最后对混频器的 性能进行了总结分析，其中重点分析了混频器的线性度。 2 1 混频器工作原理 混频器模块应至少包含三个信号：两个输入信号和一个输出信号。通常一个输入 端口接收从低噪声放大器l n a 来的射频信号r f ( r a d i of r e q u e n c y ) ，频率为，另一 个端e l 接收锁相环p l l 模块提供的本振信号l o ( l o c a lo s c i l l a t o r ) ，频率为纯d ，输出信 号为中频信号i f ( i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y ) ，频率为。混频器的基本的原理如图所示。 其中假设： l o 召c o s ( o j i d f ) 图2 1 混频器基本原理 ( f ) = 如c o s ( 6 0 w t ) ( 2 - 1 ) ( f ) = c o s ( o ：j )( 2 2 ) 则混频器的工作原理可表示成如下： ( f ) = ( f ) ( f ) = ( 4 0c o sc o l o t ) ( a 舻c o s f ) = 盘生 c o s ( 一) t + c o s ( + q 。) 幻( 2 - 3 ) 可见乘法产生了在输入信号的频率和( o r f + 纯。处与频率差处一的输出信 号，它们的幅值正比于r f 和l o 信号幅值的乘积。混频器的频谱搬移过程如图2 2 所 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 不o ( 国 f k ( 国 ( 哆即 国 ( a ) i 心信号频谱图 ( b ) l o 信号频谱图 ( c ) i f 信号频谱图 图2 2 混频器的频谱搬移 不同的应用领域，中频输出的频率分量选择不同，本文讨论的混频器中频输出采 用差频分量，即= 一o g t o 。当 绵f 时，混频器称为上变频器， 输出高中频信号，可通过一个带通滤波器可取出需要的差频成分。 由图2 1 可以看出，混频器主要是一个乘法器，目前，主要有三种基本方法实现 混频器的乘法功能：一是利用电路或器件的非线性特性，如二极管混频器，它主要是 利用二极管电压到电流的指数关系特性；二是直接构成电路乘法器，如吉尔伯特乘法 器；三是利用开关调制构成信号时域上的乘积，吉尔伯特混频器是开关型混频器的典 型电路。 典型的非线性器件实现的混频器电路如图2 3 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 v d d 图2 - 3 非线性器件作用的混频器 图2 - 3 中的晶体管是一个长沟道器件，它的i v 方程满足平方律方程： l = 1 2k 。w ( 一巧) 2 ( 2 - 4 ) 其中颤= c ：，射频信号和本振信号都加到晶体管栅极，则 = + 陆+ v l d ( 2 - 5 ) 则可以得到 厶= 1 2k 。w 三 ( s 一巧) 2 + 2 ( ( v b u s 一巧) ( + 屹。) + v 去+ 吒。+ 2 v r f v l 。】( 2 - 6 ) 如果和屹d 都为正弦信号，从式( 2 6 ) 可以看出，输出信号中包含有直流成分、 基频成分、和频和差频成分以及二次谐波成分。 2 2 混频器的架构及分类 混频器按不同标准可以进行不同的分类：根据功能不同可分为上变频混频器和下 变频混频器；根据混频器是否提供转换增益，可将混频器分为有源混频器和无源混频 器；根据电路的拓扑结构不同，可以将混频器分为非平衡混频器和平衡混频器，平衡 混频器又可以分为单平衡混频器和双平衡混频器。 上变频混频器用于发射机中，其作用是将频率较低的基带信号或中频信号转换成 频率较高的射频r f 信号。下变频混频器用于接收机中，其作用是将频率较高的射频 r f 信号转换成频率较低的中频信号或者基带信号。本文设计的混频器为下变频混频 器。 无源混频器最大的优点就是功耗低，实现零直流功耗【3 0 1 ，同时具有高线性度、低 噪声的优点，但增益小于1 ，存在混频损耗。无源混频器避免了输入电压信号到电流信 号的转换，直接将输入电压信号与本振信号在电压域进行混频，常用的无源混频器电 路如图2 - 4 所示，无源混频器主要应用于军事航天等领域。无源混频器与有源混频器 相比，其缺点是增益小，端口隔离度不高，射频信号和本振信号的馈通对整个电路的 西南交通大学硕士研究生学位论文 第10 页 影响较大，因此导致了无源混频器的应用并不广泛。 卜il o - 卜- l o 图2 4 无源混频器 有源混频器具有更高的隔离度，而且可以提供比较高的增益，可以降低混频以后 各级噪声对接收机总噪声的影响，但是线性度较差。对线性度、噪声、增益、功耗等 因素的综合考虑下，目前，在高集成度的收发机中，有源混频器的用途最为广泛。 在有源混频器中，又可以根据输入信号和本振信号是否采取差分形式分为三类： 如果输入信号和本振信号都采取差分形式，这类混频器称为双平衡混频器；如果输入 信号采取单端形式，而本振信号采取差分形式，这类混频器称为单平衡混频器；如果 输入信号和本振信号都采取单端形式，这类混频器称为非平衡混频器。下面主要介绍 单平衡混频器和双平衡混频器。 1 单平衡开关型混频器 目前大部分有源混频器都是基于开关型混频器进行工作的，一种典型的开关型混 频器为单平衡开关型混频器，其结构如图2 5 所示 图2 5 单平衡开关型混频器 由图2 5 可知，单平衡混频器由三部分组成：跨导级，开关级和负载级。其基本的 工作原理为：射频信号i 心经过跨导级放大器m i ，将输入信号转换为电流信号，开关 级m 2 和m 3 通过大的本振信号作为开关控制信号控制开关管的导通和截止，通过交替 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11 页 导通开关管实现混频功能，产生中频输出，再经过负载将小信号电流转换为差动输出 电压信号。当不考虑m o s 管开启、关断所需要的时间，即将开关级看成一个理想的开 关，其输出信号为理想方波信号，因此混频器的输出电流为： 乙，( f ) = s g n ( v l d ) s + kc o s ( c o t ) 】 a 11 = z ，r c o s ( c o 工o t ) 一专c o s ( 3 q d f ) + 专c o s ( 5 c o w t ) 一】 s + g 。c o s ( c 0 v c t ) 411 = 号s c o s ( 纰d ) 一专c o s ( 3 r - o l ) + 专c o s ( 5 c o w t ) 一 ，1 + r a 三g 。 c o s ( 魄o + c o r f ) t + c o s ( c o w r - o e c ) t 一吉c o s ( 3 t o w + 弦 111 一c o s ( 3 + c o e c ) t + i 1c o s ( 5 c o l d + ) f + c o s ( 5 一) f + 】 ( 2 7 ) ) 41 j 1 j 其中s g n o , d ) = 号 c o s ( q ) 一专c o s ( 3 观d f ) + 专c o s ( 5 q d f ) 表示由本振信号控制 的双向开关函数。，伽表示偏置电流，g m 表示跨鲁管m 1 的跨导。从式( 2 7 ) 可以看出， 混频器的变频增益为( 2 9 。r l ) i x ，混频过程会引入2 万的电压损耗。 由输出频谱图2 - 6 可以看出，输出中不仅包含有l o 的各奇次谐波与输入射频信号 的和频和差频成分，而且还包含了本振信号成分。由于输出中包含了本振信号成分， 因此产生了本振泄漏。极强的本振馈通信号会增加混频器输出电压的摆幅，使得混频 器输出端出现饱和，降低了混频器的l d b 压缩点。因此这种混频器的输出端通常要引 入滤波电路，以衰减馈通来的本振信号。 ji | | ；| | |。 国3 c o5 c o了 r l 图2 - 6 单平衡混频器的输出频谱成分 2 双平衡混频器 为了减小本振泄露，同时又增大本振信号摆幅，将两个单平衡电路合在一起就构 成一个双平衡混频器。双平衡混频器又称为g i l b e r t 单元，目前广泛应用于c m o s 接收 机的成熟的混频器结构是g i l b e r t 双平衡混频器。最初的g i l b e r t 型乘法器是采用双极性 工艺实现的，它完全是在电流域内完成信号相乘功能的。而对于c m o sg i l b e r t 型乘法 器，由于c m o s 器件是电压控制器件，首先需要将输入的电压信号变换成电流信号， 各种跨导运放电路以及简单的m o s 管都可以实现电压到电流转换。g i l b e r t 型乘法器在 没有预失真电路的情形下，本振的线性输入范围很小，所以当g i l b e r t 乘法器作为混频 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 器应用时，本振信号通常是作为开关控制信号加在m o s 管的栅极上，通过交替开启、 关断m o s 管来实现信号的频率转换。射频( r f ) 电压信号由跨导级转换成电流，两对开 关对在本振信号的控制下将射频电流换向切换到负载上而实现混频。传统的g i l b e r t 双 平衡电路如图2 7 所示。 v d d b + l o - r f 图2 7 传统的g i l b e r t 双平衡混频器 类似于单平衡混频器的分析方法，则双平衡混频器的输出电流为： o ( f ) = s g n ( v l o ) 芒譬+ 年c 。s ( f ) 一s 弘( v l 0 ) f 孚一年c 。s ( f ) 】 = s 印( v ) kc o s ( c 0 e , f t ) 411 2 亨c o s ( c o r o t ) 一专c o s ( 3 f ) + 专c o s ( 5 f ) 一】g 。c o s ( c a w t ) ，) 1 2 亏g 。 c 0 s ( + a ) 灯) t + c o s ( t a w w w ) t s ( 3 ( o w + 弦 11 1 一专c o s ( 3 w l o o g e 矿) t + 专c o s ( 5 c o l o + ) f + i j tc o s ( 5 0 9 l d 一) m ”】( 2 - 8 ) 从上式可以看出，混频器的变频增益与单平衡结构一样都为( 2 岛吃) 万。输出信号 中既不包含射频信号的成分，也不包含本振信号成分，端口隔离度得到很大的提高。 由其频谱图2 8 可以看出，输出仅由劬疗的各奇次谐波与输入射频信号的和频和差频成 分组成，所有的偶次谐波在输出端都被抑制，减少了输出频谱中的杂散成分，提高了 混频器的动态范围和线性度。而且由于开关对采用差分对形式，本振输入端与射频输 入端之间也有很好的隔离，如果仔细设计版图，那么这个电路一般都能提供4 0 d b 的 l o i f 隔离，并且有可能超过6 0 d b 5 1 。另外，差分输入的射频信号也可以有效的抑制 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 射频信号存在的共模噪声。但是在增益相等的情况下，由于单平衡结构所用的器件少， 因而其噪声性能比双平衡混频器好，同时，双平衡结构的功耗是单平衡的2 倍。 jl l|l|l|! l c , a z d 3 5 7 吃o 图2 8 双平衡混频器的输出频谱成分 由单平衡混频器和双平衡混频器的分析可以看出，混频器主要由跨导级、开关对 和负载三部分组成，下面针对双平衡混频器分别对这三部分进行分析。 ( 1 ) 跨导级电路。该电路由m 1 和m 2 两个互导m o s 管构成，其作用是将输入的 射频电压信号转换成电流信号，并对其进行放大。互导管的性能是混频器性能的主要 决定因素，由上面的分析得到，混频器的转换增益( 2 9 , r l ) 万直接取决于互导管的有 效跨导g ，混频器的线性度很大程度上取决于互导管电压到电流的转换特性。 ( 2 ) 开关级电路。该级电路由两个差分开关对管m 3 和m 4 、m 5 和m 6 构成。混频 器是通过开关电路对互导级电路形成的射频电流信号进行开关调制，实现混频功能。 理想开关级电路的工作状态等效于四个电子开关，分别由本振信号来控制开启和关断。 当开关管工作在理想状态时，开关电路的参数对混频器性能没有任何的影响，但实际 上，m o s 管无法工作在理想开关状态。因为两个开关对并不能实现完全的开关切换， 而是存在两个开关对同时导通或同时截止的状态，造成混频器性能衰减，引起电路的 非线性。同时，开关对管自身寄生参数对混频器电路的性能也存在一定的影响。 ( 3 ) 负载级电路。负载级电路的作用是把混频产生的中频电流信号转换成电压信号 输出。混频器可以采取三种负载形式：电阻、晶体管和l c 电路。电阻作负载比较简单， 它不会引入非线性，而且具有很宽的带宽，是混频器中最常用的负载形式，但电阻上 会引入直流压降，为了不使开关对和跨导级中的晶体管离开饱和区，电阻的阻抗不能 太大，这会限制混频器的转换增益，