（电路与系统专业论文）数字电视调谐器中混频器的设计.pdf

摘要 近几十年来，随着数字电视广播和个人通讯的迅速发展，人们逐步实现了随 时随地通信的梦想，与此同时对收发机各方面性能的要求也越来越高，比如：重 量、体积、功耗、价格等等。在这种情况下，c m o s 射频集成电路成为人们研究 的焦点。c m o s 技术有着低成本、高集成度等优点，随着c m o s 工艺技术的不 断进步，使它在高频电路有了更好的表现。射频设计工程师越来越多的利用低成 本高产量的c m o s 技术来实现无线前端。 数字电视调谐器是电视接收的重要部件，它主要是对模拟电视机的升级，使 模拟电视机能接收和收看数字电视节目，同时具有所有广播和交互式多媒体应用 功能。混频器是数字电视调谐器中的不可缺少的关键模块，其设计技术一直是射 频集成电路的研究热点，且都是围绕混频器各项性能指标展开的，它需要在增益、 线性度、噪声系数、隔离度、功耗等性能之间进行折衷。由于混频器是射频接收 机的第二级电路，所以混频器的增益和噪声系数的要求可适当放宽些。 本文介绍了课题的研究背景、研究现状以及论文的主要内容和研究成果，并 列出了近十几年的混频器的性能参数，它使我们清楚了混频器的设计时所考虑的 各项性能，为后面的电路设计奠定了基础。然后简述了混频器的基本原理、主要 性能参数和主要结构。第三章利用m e n t o r e d a 工具进行混频器的电路级设计， 并对数字电视调谐器的三波段混频器进行仿真和阻抗匹配。论文的最后一章叙述 了模拟集成电路版图的设计要点，然后基于s m i co 1 9 u mc m o s 工艺对混频器进 行版图级设计。 关键词：数字电视调谐器；g i l b e r t 混频器；阻抗匹配；版图设计 数字电视调谐器中混频器的设计 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o f d i g i t a l t vb r o a d c a s ta n dp e r s o n a l c o m m u n i c a t i o ni nr e c e n t d e c a d e s , p e o p l eh a v e r e a l i z e dt h ed r e a mo f c o m m u n i c a t i o na n y w h e r ea n da n y t i m e , b u tt h ep e r f o r m a n c e so ft r a n s c e i v e ri s r e q u i r e dt ob em o r ea n dm o r eh i g ha tt h es a m et i m es u c ha sw e i 【g h t , v o l u m e ， p o w e ra n dp r i c e i nt h i ss i t u a t i o n 。c m o sr fi n t e g r a t e dc i r c u i tc a m et ob et h e f o c u so fd e s i g n e r s c m o st e c h n o l o g yh a st h ea d v a n t a g e so fl o wc o s ta n dh i g h i n t e g r a t i o na n dh a se x h i b i t e dm o r ea n dm o r es u p e r i o r i t i e si nh i i g hf r e q u e n c y c i r c u i t sa l o n gw i t ht h ep r o g r e s so fc m o sm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y r f e n g i u e e r sa c h i e v ew i r e l e s sf r o n te n ds of r e q u e n t l yb ye m p l o y i n gc m o s t e c h n o l o g yw h i c hh a sl o wc o s ta n dh i 咖y i e l d v i g j t a lt vt u n e ri so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tp a r t sf o rt vr e c e i v i n g i ti st h e u p g r a d eo fa n a l o g yt va n dh e l p sa n a l o gt vr e c e i v ea n db r o a d c a s td i g i t a lt v p r o g r a m sw h i l ep o s s e s s e s t h e a p p f i e a t i o n f u n c t i o n o fa hb r o a d c a s ta n d i n t e r a c t i v em u l t i m e d i a m i x e ri st h ei n d i s p e n s a b l em o d u l ei nt h ed i g i t a lt vn l n e r t h ed e s i g nt e c h n o l o g ya l w a y si sr e s e a r c h i n gah o t s p o ti nr fi c ，w h i c hi sa r o u n d t h em i x e r s p e r f o r m a n c ei n d e x i tn e e d st om a k ec o m p r o m i s ea m o n g 弘i n ， l i n e a r i t y ，n o i s ef i g u r e , i s o l a t i o na n dp o w e r 舢m i x e ri st h es e c o n dc i r c u i to fr f r e c e i v e r , t h eg a i na n dn fc a nb er e l a x e dp r o p e r l y i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，r e s e a r c hb a c k g r o u n d r e s e a r c hs t a t u sa n dt h em a i n c o n t e n ti si n t r o d u c e da t f i r s t , t o g e t h e rw i t hl a s ts e v e r a ly e a r s p e r f o r m a n c e p a r a m e t e r so fm i x e r w h i c hm a d eo n ec l e a rt h a tw h a ts h o u l db et a k ei n t oa c c o u n t w h e nd e s i g nam i x e r t h e nm i x e r s b a s i cp r i n c i p l e , m a i np e r f o r m a n e e p a r a m e t e r sa n dm a i nf r a m ea r ei n t r o d u c e d i nt h et h i r dc h a p t e bah i g h p e r f o r m a n c em i x e ri sd e s i g n e db ye d at o o l so fm e n t o rg r a p h i c s m e a n w h i l e , t h r e ew a v eb a n dm i x e ro fd i g i t a lt vt u 丑e ra r es i m u l a t e da n di m p e n d e n c e m a t c h e dw e l li nt h ee n d ，t h eo u t f i n e so fl a y o u td e s i g ni na n a l o gi ca r e 丝塑坚 一 i n t r o d u c e da n dt h e nt h el a y o u tf o rt h em i x e ri sp r e s e n t e db a s e do ns m i c o 1 8g mc m o st e c h n o l o g y k e yw o r d s ：d i g i t a lt vt u n e r ；g i l b e r tm i x e r ；i m p e d a n c em a t c h i n g ；l a y o u t d e s i g n m 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，也不包含为获得凄搬击葛或其他教育机构 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：马；黾 签字日期：泖 年审月哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解安 钣大i 爹有关保留、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，允许论文被查阅和 借阅。本人授硼蝴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) 学位论文作者签名：弓；铵 导师签名： 醢喜考 签字魄唧年峪月哆日签字魄w 7 年月哆日 学位论文作者毕业去向： 工作单位：电话： 通讯地址：邮编： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景及其意义 近几年，无线通讯系统发展十分迅速，正是它的蓬勃发展推动了低成本、 低功耗c m o s 无线收发机的研究与开发，比如无绳电话和蜂窝电话、第三代移动 通信系统( 3 g ) 、无线局域网( w e a n ) 等等“”，给无线接收机前端的实现提出了 低成本、高集成度和高性能的要求。针对这种趋势，射频设计工程师越来越多 的利用低成本高产量的c m o s 技术来实现无线前端，c m o s 技术使得射频和基带 电路的集成成为可能。 混频器是无线通信系统的核心模块，每个无线通讯系统都要用到一个以上的 混频器，其性能直接影响整个系统的性能。通常混频器在射频系统中起着调制和 解调的作用。在发射机中，混频器将中频信号搬移到射频频段；而在接收机中， 混频器将接收到的射频信号搬移到中频频段上。以超外差接收机哪为例，混频器 的位置如图卜1 所示： 图1 一i 超外差接收机方框图 f i g u r ei - is u p e r h e t e r o d y n er e c e i v e rb l o c kd i a g r a m 本课题采用的是d v b c 标准，参考英飞凌( i n f r o e o n ) 公司出品t u a 6 0 3 0 型芯片的结构。本次设计的调谐器是用于数字有线电视机顶盒前端调谐部分， 系统架构采用一次变频( s i n g l ec o n v e r s i o nt u n c r ) 结构方案，如图1 - 2 所示。 号固 一 习一翌|l 蛩 一 i 燃 一器一一波一 一游一 一置一 线一前一 燃卿 数字电视调谐器中混频器的设计 带通滤 波器 选频回 路 选频回 路 选频回 路 a g c 双调谐 回路 双调谐 回路 双调谐 回路 瓣耐 滤波器i ! 竺! ! ! ， 高波段卜- 1 高波段 混频器k 一振荡器 中波段卜叫中波段 混频器i 卜_ 一振荡器 低波段i + - 1 低波段 混频器l t 一4 振荡器 图1 2 兰波段一次变频结构框图 f i g u r e1 - 2t h es t n l c t u r eb l o c kd i a g r a mo f t h r e ew a v eb 锄ds i n # e - c o n v e r s i o n 目前射频集成电路采用的工艺主要可分为两类：硅和g a a s 工艺，硅工艺 主要包括b i p o l a r 、b i c m o s 和c m o s 工艺，g a a s 工艺主要包括m e s f e t s 、h b t 和 p h e m t ，以往的射频集成电路都不采用c m o s 工艺，但是随着c m o s 工艺技术的发 展，不断增高的单位增益截至频率足以满足射频电路的要求，它的优点低成本、 集成度高使人们越来越多的采用c m o s 工艺技术。 数字电视是继黑白模拟电视、彩色模拟电视之后的第三代电视系统。数字电 视由于采用数字技术传输和处理电视信号，抗噪声能力要比传统的模拟电视高出 许多，因此拥有较好的图像和声音品质。数字电视系统是目前广泛应用的模拟电 视系统发展的必然趋势，有鉴于此，世界上许多国家都成立了相关的组织推广数 字电视技术，如美国的a t s c ( a d v a n c e dt e l e v i s i o ns y s t e m sc o n u n i t t e e ) 、加拿大 的d t v i n c 、日本的d i g i t a l b r o a d c a s t i n g e x p e r t s c r r o u p ( d b e g ) 、欧洲的e u r o p e a n b r o a d c a s tu n i o n ( e b u ) 等机构。目前西方重要工业国家关于数字电视的产业技 术准各和商业准备业已基本完成。我国也计划于2 0 1 0 年全面实现数字电视广播， 2 0 1 5 年停止模拟广播电视的播出，数字电视基本上成为我国电视广播播放的主 力。 2 第一章绪论 1 2 相关研究现状 混频器是射频接收机的关键模块之一，它实现频率转换的功能，它的性能 影响整个射频接收机的性能，众多设计技术和新颖电路结构都是围绕混频器的各 项性能展开的，混频器的各性能参数相互影响、相互制约，所以混频器需要综合 考虑增益、线性度、噪声系数、隔离度及功耗等性能指标。当前应用最广泛的 c m o s 混频器结构是基于吉尔伯特乘法器的双平衡结构混频器。吉尔伯特结构是 1 9 6 8 年b a r r i eg i l b e r t 提出的用于高精度乘法器的电路结构，后来被广泛应用于 有源混频器。 由于g - ；j b e r t 混频器结构具有低的本振功率、较高的变频增益，并且具有很 高的l o i f 和r f i f 的端口隔离度，所以现在应用最广泛的结构就是g i l b e r t 核 心单元以及在此单元结构的局部优化电路。 1 3 论文的主要内容及研究成果 本论文的工作主要是用c m o s 射频集成电路对数字电视调谐器中的混频器 进行设计、对射频端、本振端、中频端进行输入输出的端口匹配以及对其进行版 图级设计。 c m o s 混频器的设计性能指标如下： 电压增益：1 0 d b ： 噪声系数：l o d b ( s s b ) ； 输入三阶交调点i ，3 ：3 d b m ； 端口阻抗：5 0 欧姆。 本论文设计的是基于数字电视调谐器的下变频混频器，其主要章节如下： 第一章绪论中简述了本课题的研究背景、研究现状以及论文的主要内容和 研究成果，随后列出本论文的结构。 第二章简述了混频器的基本原理、主要性能参数和主要结构。 第三章介绍混频器的设计流程，对数字电视调谐器的三波段混频器进行仿 真，最后对其进行阻抗匹配。 第四章叙述了模拟集成电路版图的设计要点并对混频器进行版图设计。 3 数字电视调谐器中混频器的设计 第二章混频器的基本概念 2 1 混频器的基本原理以及分类 混频器作为射频接收机的重要模块，其研究一直是射频集成电路的重点及焦 点。通常混频器在射频系统中起着调制和解调的作用，本文设计的混频器为接收 机的混频器，它将射频信号搬移到中频频段，即为下变频混频器，它位于低噪声 放大器之后。 混频器在接收机系统中主要作用是频谱搬移功能，它使信号自某一个频率变 换成另一个频率。混频器是将不同频率的信号相乘，以实现频率的转换。混频器 一共有三个端口，一个是射频r f ( r a d i of r e q u e n c y ) 端口，输入输出的是射频 信号；二是本振l o ( l o c a lo s c i l l a t o r ) 端口，输入的是本振信号；三是中频 i f ( i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y ) 端口，输出的是中频信号。混频器在频域上起加法 器或减法器的作用，而频域上的加减法都是通过时域上的乘法实现的。如图2 1 所示为混频过程中的频谱图。 v l o m 一口+ 口 图2 - 1 混频过程中的频谱图 f i g u r e2 - 1t h es p e c t r u mo f m i x i n gp r o c e s s 4 第二章混频器的基本概念 混频器的核心是对射频信号和本振信号在时间域进行相乘。乘法的基本作用 可以用式( 2 - 1 ) 所示的三角恒等式来表示： 州州) ) ( 州州) = ! 学【酬一) l + c o s 细t o + 国r f ) f 】( 2 - 1 ) 式中p 0 为射频信号的振幅，圪d 为本振信号的振幅。从上式的模型可以看出， 混频器混频后产生的中频信号含有两个频率分量，输入信号频率之刃b + 国。和 与输入信号频率之差刁k - - ( d r f ，中频信号的幅值正比于射频信号和本振信号的 乘积。 混频器的种类很多，按不同的分法可以分为不同的种类： 按是否能够提供增益，混频器可以分为有源混频器和无源混频器。无源混频 器具有低功耗、高线性度、低噪声的优点，但增益小于1 ，存在混频损耗，主要 应用于军事航天等领域。有源混频器有更高的隔离度，而且可以提供更高的增益， 可以降低混频器后面的各级噪声对接收机总噪声的影响。 按所用的非线性器件的不同，可以分为二极管混频器、晶体管混频器、场效 应管混频器等。 根据的电路结构的不同，有可以分为单管混频器、环形混频器、单平衡混频 器、双平衡混频器。 根据实现方法的不同，可以分为叠加型混频器和乘积型混频器。 根据工艺的不同，又可以分为基于双极工艺混频器和基于m o s 工艺的混频器。 2 2 混频器的主要性能指标 在接收机系统中，对混频器提出的要求除混频增益外，主要有噪声系数、线 性度、隔离度、输入输出阻抗等。众多设计技术和新颖电路结构都是围绕混频器 的性能指标展开的，但是混频器需要在上述的性能指标之间做折衷，应用的系统 不同对各项指标的要求也是不同的，侧重点也不一样。 2 2 1 增益 混频增益是指混频器的输出中频信号电压k ( 或功率只) 对输入信号电 压圪( 或功率) 的比值，用分贝表示，即： 5 数字电视调谐器中混频器的设计 a , = 2 0 1 9 姜，- g 。= l o l g - - 堇- 以上两式只不过是两种不同的计算方法，但结果是一样的。 2 2 2 噪声系数 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 噪声系数的定义是在输入端信号的信噪比( s n r ) 除以在输出端信号的信噪 比，用分贝表示如下： n f ：l o l g 堡! 墨! ! ( 2 4 ) ( b 只) 。 混频器紧跟在低噪声放大器的后面，属于接收机的前端电路，它的噪声性能 对接收机的影响显著，降低混频器的噪声系数不但可以降低系统噪声系数，还可 以减轻前端低噪声放大器的设计压力。 在一个典型的混频器中，实际上有两个输入频率可以产生一个中频频率，一 个是射频r f 信号，另一个称为镜像信号，所以噪声系数分为两种；单边带噪声 系数( s s dn f ) 和双边带噪声系数( d s bn f ) 。单边带噪声系数一般比双边带噪声 系数高3 d b ，但是在通常情况下我们并不指出一个噪声系数是单边带的还是双边 带的，一般都默认为是双边带噪声系数。 2 2 3 线性度 混频器作为接收机的第二级电路，其线性度是接收机线性度的主要因素，在 现代高性能的通信系统中动态范围要求是非常严格的。理想上我们希望i f 输出 正比于r f 输入信号的幅值，这是我们在有关混频器讨论中对线性度解释的含义， 但是现实的混频器存在某一限制，超出了这一限制，输出与输入之间就会有非线 性关系，即当输入信号功率逐渐增大时并到一定程度的时候，存在着非线性失真 的问题。线性度主要由l d b 压缩点和三阶交调点皿来度量。 l d b 压缩点是实际线性曲线偏离理想曲线l d l 时输入信号的点，如图2 2 所 示，随着输入信号的能量的不断上升，增益衰减至l d b 时对应的输入信号功率成 6 第二章混频器的基本概念 为l d b 压缩点，用来表征增益因非线性而下降的现象。当输入信号功率较小时， 混频增益为定值，输出中频功率随输入信号功率线性的增大，以后由于非线性， 输出中频功率的增大将趋于缓慢，直到比线性增长低于l d b 时所对应的输出中频 功率电平称为i d b 压缩电平，记为b ，。如图2 2 所示。只，棚所对应的输入信 号功率是混频器动态范围的上限电平，而由噪声系数确定的最小信号输入功率是 动态范围的下限电平。 b i n ) 一- y _ il 7 l d bi i p 3 p 靴( i 图2 - 2 混频器线性度参数的定义 f i g u r e2 - 21 ) e f m i f i o no f m i x e rl i n e a r i t yp a r a m e t e r s 三阶交调点皿。用两个幅值相等、频率相近的正弦信号的三阶交调是估算 混频器的线性度特性的合适方法，即一个所希望的信号( r f 信号) 与一个可能 的干扰信号同时加入到混频器的输入端。理想情况下，两个相迭加的r f 输入中 的每一个都进行频率变换而不会相互干扰，然而实际的混频器将总是显示出某些 相互调制效应，。输出信号的频率分量为彩= l m o j r f l4 - n ( a m ：2 i ，当m 和n 不为0 时 输出的频率分量就称为互调分量。所以三阶互调量谢，的频率分别为 2 几一口口2 和2 彩舻2 一n k l ，距基波分量较近，很容易落在中频带宽内，就会对 有用中频产生干扰，如图2 3 所示 7 数字电视调谐器中混频器的设计 图2 - 3 棍频器三阶互调产生示意图 f i g u r e2 - 3s k e t c hp i c t u r eo f m i x e rl l l 糟es t e p si n t e r m o d u l a t i o n 为了衡量非线性系统的三阶互调干扰抑制能力，引入了三阶交调点i p 3 ，所 以i p 3 是根据i m 3 计算出来的，交调点对应的输入信号能量称为输入三阶交调点 i i p 3 ，对应的输出信号能量称为输出三阶交调点o i p 3 ，如图2 - 2 有这些定义总 结。 2 2 4 隔离度 理论上，混频器各端口之间是隔离的，实际上由于各种原因，总有极少量功 率在各端口之间串通，隔离度( i s o l a t i o n ) 就是来衡量这种串通大小的性能指 标，其定义为本端口与其串通到另一端口的功率之比，用分贝表示。所以混频器 有三个隔离度参数，分别对应l 0 一r f 、l o i f 和r f i f ( l o r f 表示在r f 端 口测到的l o 的功率值与l o 输入功率之比) 。本振( l o ) 口向射频( r f ) 口的泄漏会 使本振大信号影响l m 的工作。r f 口向l 0 口的串通会使r f 中包含的强干扰信 号影响本地振荡器的工作，如产生频率牵引等现象，从而影响本振输出频率。l o 口向i f 口的串通，本振大信号会使以后的中频放大器各级过载。r f 信号如果隔 离不好也会直接到中频输出口，但是一般来说，由于r f 频率很高，都会被中频 滤波器滤出，不会影响输出中频。 第二章混频器的基本概念 2 2 5 输入输出阻抗 在射频集成电路设计中，为了在模块测试的时候或者要求模块与模块之间可 以有效地直接相连，就需要使前后端口之间达到阻抗匹配。同样混频器的三个端 口之间也要求阻抗匹配，混频器r f 及i f 口的匹配可以保证与各滤波器相接时正 常地工作，l 0 口的匹配可以有效地使本地振荡器做最大功率传输。 一般我们所说混频器的性能指标主要指它的三大性能指标：转换增益、噪声 系数、线性度，也就是说这三大指标是我们最关注的。为了更清楚的了解混频器 的发展概况，为以后的理论分析和电路分析奠定基础，下面列出了近十几年的 g i l b e r t 混频器的转换增益、噪声系数、线性度的汇总图。 如图2 - 4 所示，混频器的增益范围大致为1 0 d b 1 5 d b 之间，其中有四个增 益比较突出，一个是1 9 9 6 年文献【9 1 报道的结果，其电压增益非常低达到3 0 d b ， 采用的欠采样混频技术，此类混频器的核心电路是高性能采样保持电路，由于他 是采用采样方式实现频谱搬移的，电路中运算放大器带来了高噪声，也会混淆宽 图2 - 4c m o s 混频器增益汇总图 f i g u r e2 - 4t h ef i g u r eo f c m o sm i x e rg a i n 带噪声，最终导致该混频器的噪声系数很大。其余的三个分别是2 0 0 1 年和2 0 0 2 年文献【l o 】、【1 1 、【1 2 报道的结果，它们的增益非常高都达到了2 0 d b 以上，这 三篇文章分别采用了c m o sg 。单元电路、采用的电流注入技术和高摆幅负载技 术提高增益。 9 数字电视调谐器中混频器的设计 ：。”。x i 。! 鼍 _ 一j jj t 誊哥? l 一+ 。：“一= 。嚣+ + 静 ： - + ： + ： + -r- ：+ 。 ： ； ：t 图2 - 5c m o s 混频器噪声系数n f 汇总图 f i g u r e2 - 5t h ef i g u r eo f c m o sm i x e r n f 如图2 5 所示，混频器的噪声系数都集中在5 2 0 d b 之间，性能最好的为2 0 0 1 年、2 0 0 4 年和2 0 0 5 年文献【1 3 】、【1 4 “1 5 】报道的结果。 图2 - 6c m o s 混频器兰阶交调点i i p 3 汇总图 f i g u r e2 6t h ef i g u r eo f c m o s m i x e ri i p 3 如图2 - 6 所示，混频器的三阶交调点p 3 都集中在一1 0 2 0 d b m 之间，其 中四个比较高的都是1 9 9 6 年之前设计的结果，但是它们的噪声系数都很高，由 于这个明显的缺点，现在很少采用这几种结构的混频器。 第二章混频器的基本概念 2 3 混频器的主要基本结构 本小节我们将根据混频器电路结构的不同来介绍，分为单管混频器、单平衡 混频器和双平衡混频器，我们将分别详细介绍它们的基本结构。 2 3 1 单管混频器 慨s 广_ 百 2 v ”+ v l o + 理想情况下二极管的伏安特性为： j = l ( e v , 一n 其中l 为二极管的反向饱和电流，巧为热电压，室温下约为2 6 r i f t 将上式用泰勒级数展开，得到 m 嘭+ 品+ 品阑 所以管子的电流为 + 掣+ k 3 1 j ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 訾卜 m 数字电视调谐器中混频器的设计 输出端接负载时非线性情况更加复杂，但其中包含了v 。v 上d 项。这个电路非 常简单，它能工作在很低的本振功率下，但也同时限制了动态范围。此电路还可 以工作在很高的频率，但存在不少缺点，主要有：各端口之间没有完全隔离；杂 波响应非常严重；插入损耗大。单二极管混频器常用于微波频率，特别广泛的用 于波导中。 v b i a s 图2 - 8 三极管混频电路 f i g u r e2 - 8c i r c u i to f t r i o d em i x o r 三极管混频器如图2 - 8 所示，其指数模型为 堕 i f = 0 斥一1 ) ( 2 9 ) 在形式上，它与二极管的指数模型类似，它们都是指数律的非线性电路，输 出信号中的频率分量多，效率低。 伽 图2 - 9m o s 管混频器和作为开关的混频电路 f i g u r e2 - 9c i r c u i to f m o s f e tm i x e ra n ds w i t c hm i x e r m o s 管混频器如上图2 9 ，长沟道k 0 s 管的电流电压接近平方律关系，所以获 1 2 第二章混频器的基本概念 得较少的谐波输出，降低谐波对电路的干扰。假如m o s 管工作在饱和区，则漏极 电流可表示为： f d = 譬( 吲2 = k 缈矗+ 缈品c o s ( o j 。f ) 一c o s ( 功f ) 】一巧 2 = k a + b c o d c o s ( 和2 。o 腰0 譬e c c c o s o s ( 2 c o l o o t ) + c o “一弦十c o s 肛+ y + j ( 2 - 1 0 ) 其中只有乞c o s ( ，一彩b ) f 是所需要的中频信号，它的效率不是很高。 平方律混频器的优点是不希望有的频率分量通常与中频频率较远，因此很容易去 除。由于这一理由，两端混频器通常设计成在最大实用的范围内与平方律的特性 一致，这样就降低了滤波的难度。 图2 - 1 0 右端的电路是矾o s 管作开关的混频电路， ，：v 腰1 + s g _ n ( 一v l o ) = 枷s ) b + ( s i n a ，w t - 丁s i n 3 w w t + a ) 1 = 挂c 。s 彩+ 去【s m ( + ) i n ( 一缈。) f j 1 s 衄3 + ) ， 瓤嘞”人 ) 协 输出信号中出现r f 信号，存在r f 馈通。另外，l o 信号可以同时耦合到输入 输出端。 数字电视调谐器中混频器的设计 图2 - 1 0 双栅h o s 混频电路 f i g u r e2 - 1 0c i r c u i to f d u a l - g a t em o s f e t m i x e r 双栅m o s 场效应管混频电路( d u a l - g a t em o s f e tm i x e r ) 如图2 - 1 0 所示，为 了便于说明双栅场效应管的作用原理，将它用两个级联的场效应管表示m 1 7 - 作在饱和区，m 2 工作在线性区，输出电流为 o = v 盯g 稚 ( 2 1 2 ) 把m 1 近似成源极跟随器，则 * 以詈* 肛等 ( 2 - 1 3 ) o ：肛孚陆 ( 2 1 4 ) 双栅场效应管混频器具有混频失真小、动态范围大、王作频率高等优点 2 3 2 单平衡混频器 单平衡混频器也有很多种，比如单平衡二极管混频器、单平衡开关混频器、 双极型单平衡结、m o s 单平衡结构。平衡二极管混频器的优点是l o 与i f 之间的 隔离度很好，缺点则是r f - - i f 隔离较差。下面我们将详细分析双极型单平衡结 和m o s 单平衡结构。 非线性器件提供的乘法间接产生混频，由于它是间接地产生混频，所以非线 性器件通常会产生不希望的谐波分量。下面介绍的都是直接基于乘法的混频器， 具有很好的性能，信号的输入有各自的端口，所以射频与本振有很好的隔离。 1 4 一m 瓦m ，ill口。iiii上一 1 盱 v 第二章混频器的基本概念 图2 - 1 1 单平衡混频器 f i g u r e2 - 11s i n g l eb a l a n c em i x e r 以上两种混频器都是电流开关混频器，将r f 电压信号变换成电流信号，然 后在电流域内执行乘法，那么开关所控制的就是电流。这样做的好处是：可以通 过输出端接适当的负载，获得一定的增益；可以获得更好的端口隔离；更适于低 电压工作，对l 0 的幅度要求降低。 下面分析图2 1 l 所示的双极型单平衡混频器， l ：= l e x p 粤 1 c 3 = l 唧弩 v l d 2 v 鼬2 一v 3 1 d = i n + l 吐 等2 唧芋2 唧管k 硌1 协杀 治 如2 币l e l k = 如一如= i c j t a r t h z v l 。 ( 2 一1 6 ) 其中t a n h 为双曲正切函数如下图 数字电视调谐器中混频器的设计 图2 - 1 2 双曲正切函数曲线 f i g u r e2 - 1 2c u r v eo f h y p e r b o l i ct a n g e n tf u n c t i o n 当h 3 时，t s n h ( x ) = s g n ( x ) 即2 6 巧时，q 2 和q 3 相当于两个电流开关。 图2 一1 2 右端为m o s 管单平衡混频器，为了简化计算，我们假设m o s 管工作在 饱和区，于是根据饱和萨式方程得： 1 0 2 = 置( p 淼2 一) 2 ( 2 1 7 ) i d 3 = x ( p 公3 一玩) 2 ( 2 1 8 ) v = y 露l y 铝，= h 疆三一厩) 瓶( 2 - 1 9 ) x 0 = i 口2 + i d l 一2 0 i d 2 i d ； ( 2 2 0 ) 4 1 0 2 1 0 3 = ( l i 一髓b 2 ) 2 ( 2 - 2 1 ) l d 2 = ( ，d 2 一1 0 3 ) 2 = ( 厶2 + l 3 ) 2 4 ，d 2 厶3 ；i d l 2 一( 如l j b 2 ) 2 ( 2 - 2 2 ) 对厶。进行归一化 0 2 ：箬小( 1 一箱2 ( 2 - 2 3 ) d i1 d l l 2s g n ( v w ) ( 2 - 2 4 ) 又手= k c v s ：一) 2 = 足( ，一) 2 ；k 2 ( 2 2 5 ) 1 6 第二章混频器的基本概念 l 2 另石= v 屹，则 s g n ( v ) o = 撕= 百j 巧可s g n ( x ) ，i 卅 2 时，差分对中有一个管子截止，输出电流不再改变。所以，v l o 2 时 1 2 和m 3 相当于电流开关。与b j t 相比，这里l o 信号的摆幅要求更大。短沟道m o s 管的电压电流不再是平方关系，但这对开关工作影响有限，它影响的是跨导管m 1 的工作，进而影响混频器的线性度。 单平衡结构实现了较好的l o - r f 和r f - i f 端口隔离，但是l o i f 之间没有隔 离，这个问题可以通过双平衡结构解决。 1 7 数字电视调谐器中混频器的设计 2 3 3 双平衡混频器 0 图2 1 4 双平衡混频器 f i g u r e2 - 1 4d o u b l eb a l a n c ei i l i x c r 假设l o 足够大从而使差分对的作用像一对电流换向开关，为了避免本振信 号泄漏到输出端口，可以将两个单平衡混频电路合在一起组成一个双平衡混频 器，即两个单平衡混频器对l o 而言是“反并联”的，而对r f 信号则是并联的。 如上图所示，这种结构统称为g i l b e f t 结构。一次l o 项在输出端的和为零，而 变换后的r f 信号在输出端加倍，所以这种结构具有很高的l o - r f 隔离度，在输 出端减轻了对滤波器的要求。如果仔细设计版图，那么这一电路的i c 实现一般 都能提供4 0 d b 的l o - r f 隔离，并且还有可能超过6 0 d b 。 第三章c m o sg i l b e r t 混频器分析与设计 第三章c m o sg i l b e r t 混频器分析与设计 3 1 采用的结构 由于g i l b e r t 单元具有隔离度高、对本振噪声和伪信号噪声抑制能力强的优 点，所以当前应用最广泛的混频器就是g i l b e r t 电路为代表的开关型混频器，本 设计采用的就是g i l b e r t 结构，这种双平衡混频器以在第二章简述过，为了便于 介绍把此结构重画于下图： 图3 1o i l b e r t 混频器电路 f i g u r e3 - 1c i r c u i to f g i l b e r tm i x e r 在上图中，m 和m 2 为互导管同时也是放大管，作用是把r f 电压信号转化 成电流信号和对射频信号起到放大作用。它们工作在饱和状态，互导管性能是混 频器的主要因素，混频器的转换增益直接取决于它的有效跨导。m l 、舵作为混 频器的射频输入电路，它的参数对整个混频器的影响很大。m 3 、m 4 、惦、m 6 这 四个1 4 0 s 管为开关管，通过开关电路对射频电流信号进行开关调制，实现混频功 能。本振输入电压使这四个管子交替导通进行混频，从而在中频输出端得到想要 的频率分量。r l 主要负责把混频输出的电流信号转化为电压信号。i s 是尾电流， 实际的电路一般是由电流镜产生的。 1 9 3 2 混频器的性能分析 混频器的变换增益定义为中频输出与射频输入的比值，为了便于分析我们在 混频器上标出电流方向，如图3 - 2 所示。 例3 - - 2 传统的g i l b e r t 型混频器 f i g u r e3 - 2t r a d i t i o n a lg i l b e r tm i x e r 利用基尔霍夫电流定律，我们可以把输出电流表示为 k = i o 。一i o ：= 0 厶+ ，d ，) 一o 。+ 厶。)( 3 1 ) i d l = 等+ 0( 3 2 ) r 厶：= 等一0 ( 3 3 ) 在理想情况下，上面四个开关管等效于四个电子开关，分别受+ 、p 厶一控 制，e p 当m , 、帆闭合时，鸩、m ；断开，当坞、眠断开时，虬、鸠闭合， 这两对开关交替起作用，以达到混频的作用。 当坞、帆闭合时，地、鸩断开时 z o , = i d 3 = 厶i( 3 4 ) 厶2 = j d 6 = 厶2 ( 3 5 ) 由以上几式可以得出 第三章c m o sg i l l m a 混频器分析与设计 k = 如一1 0 2 = 2 i 玎 ( 3 6 ) 同理当m 3 、m 6 断开时，弛、鸩闭合时 1 d l = 1 0 5 = i d 2 ( 3 7 ) 1 0 2 = 1 0 4 = i d i ( 3 8 ) 1 w = z o l j & = _ 2 0 ( 3 9 ) 合并式3 - 6 、3 - 9 得到 l 口= 毯f s 如d 、( 3 - 1 0 ) 其中凹k ) = 晏( s m ) + 掣+ 掣+ a ) ( 3 - 1 1 ) 式为理想开关函数的傅立叶级数展开。 1 w = 2 i d s q ( m ) 嘞* m ) + 了s i n ( 3 a ，l o t ) + 掣+ a ( 3 - 1 2 ) 图3 - 2 的射频差分信号为； 0 = g 。i 啊= g c o s ( c o 舻t ) ( 3 1 3 ) 将上式代入式3 一1 2 ，我们可以得到中频频率处得中频信号电流为 = 2 9 m - 詈剃k 一y ( 3 - 1 4 ) 由上式可以得出理想情况下混频器的增益“”为 g a 拈昙r l ( 3 - 1 5 ) 从上面的式子我们可以得出，如果要提高混频器的增益有两种方法：一个是 提高互导管的跨导，例如常用的采用c m o sg 。单元技术可以提高跨导：第二个 是提高负载吼，人们提出了多种提高负载的技术，比如：高摆幅负载技术“”、 有源负载技术“”。但是实际上，m o s 管开关管不可能工作在理想情况下，我们只 能是开关管更多的接近理想状况，人们常常采用电流注入技术“们来提高开关对的 工作性能。 由于3 - 1 5 是开关管理想情况下的模型，所以对此模型进行修正是非常有必要 的。下面我们将介绍文献 2 0 的作者提出的修正模型，以及四种本振信号作用下 2 1 数字电视调谐器中混频器的设计 的增益的修正模型。 混频器的增益模型为 g a i n = 三瓯吃 ( 3 1 6 ) 万 其中g - 。为互导级电路的有效跨导 g m , f r a n - 一从q 曙) 。眩一l 矗旭) + 以q 曙) 拗吒一圪l h 一厥叱一钿 c ， 式中以为电场下的迁移率，c 。为单位面积栅氧电容，( f 形三k 为跨导管的宽长 比，( 引工l 为开关管的宽长比，眩一l 为跨导管的过驱动电压，为开 关管的阈值电压，名为沟道调制系数。 当本振信号为理想方波输入时，混频器的电压增益为 g 豳= 毫g 啪r l ( 3 - 1 8 ) 当本振信号为非理想方波输入时，混频器的电压增益为 g a i n = 2 g , , , 4 c o s 滢) 上式中c o s ( 竽) 是一个修正因子，其中妒是非理想方波与理想方波的相位差， 它使得混频器的效率降低。 当本振信号为理想正弦波输入时，由于是正弦信号，所以在某个时间段出现 锄= 昙吃脚也去 石 丑，n ( 3 2 0 ) 式中g ：为本振为理想正弦信号时的跨导，作者采用了其均方根值表征信号幅 度对跨导管的影响。 当本振信号为理想非正弦波输入时，电压增益为 第三章c m o sg i l b e r t 混频器分析与设计 锄= 昙4 ( t 钤老 ( 3 2 1 ) 与3 2 0 相比较多了一个l