（电路与系统专业论文）dvbc调谐芯片中高性能混频器的设计与实现.pdf

摘要 随着数字视频广播技术的不断发展和数字有线电视的快速普及，数字电视将拥有十分广阔的市 场前景。数字电视调谐器是数字电视接收机的前置级部件，在数字电视技术中占有十分重要的地位。 混频器是射频接收机的重要组成部分，在通信系统完成信号频段的搬移。高性能的接收机要求混频 器满足一定的增益，有较高的线性度和较低的噪声系数。由于混频器处于接收机射频的最后一级， 其线性度直接决定接收机的线性度。本文研究了基于数字有线电视( d v b c ) 标准的数字电视调谐 器中高性能的c m o s 下变频混频器的设计与实现。 本文首先介绍了混频器的基本工作原理、分类和几种典型的拓扑结构。然后通过介绍一般的非 线性系统，分析了混频器的输入1 d b 压缩点c p i 和输入三阶互调点i i p 3 等重要的衡量线性度高低的 指标以及增益和噪声系数等指标，然后本文介绍了c m o s 吉尔伯特混频器的性能分析并在此基础上 列出了优化混频器线性度的六种设计方案，详细分析了单平衡、双平衡c m o s 混频器的非线性跨导 模型和采用的正交反馈优化技术提高吉尔伯特混频器线性度的原理和设计方法。在比较各种调谐器 架构优劣性能的基础上，本文采用了三波段单变频架构调谐器，混频器核心部分在低波段采用电阻 源级负反馈技术，中高波段采用正交反馈技术，并给出本振缓冲、中频输出和偏置电路的具体设计。 在电路设计完成后，用c a d e n c ev i r t u o s o 软件实现了电路的版图设计。 本课题的实现基于特许半导体( c h a r t e r e d ) 公司0 2 5 0 mc m o s 工艺库，整个调谐芯片在c h a r t e r e d 公司进行了流片验证。经过严格测试，结果表明该混频器( 包含中频放大器) 低频段增益约3 4 d b ， l i p 3 达一9 d b m ：中高频段增益约3 4 d b ，i i p 3 达7 d b m ，各项性能都能够很好地满足系统指标要求。 带有该混频器的调谐芯片已经能够成功接收南京数字有线电视各频道节目。 关键词：混频器；高线性度；正交反馈：数字电视调谐器；0 2 5 1 x mc m o s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ed i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n ga n dt h ee x t e n d i n go f t h ed i g i t a l d i g i t a lt v h a ss h o w ni t sp r o m i s i n gf u t u r e t u n e ri st h ef r o n t e n do fd i g i t a lt v s oi tp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei nd i g i t a l t vt e c h n o l o g y m i x e ri sa ni m p o r t a n tp a r ti nt h er fr e c e i v e r , t r a n s l a t i n ga l li n c o m i n gs i g n a lt oa n o t h e r f f e q u e n c y ah i g hp e r f o r m a n c er e c e i v e rr e q u i r e st h eh i g hp e r f o r m a n c em i x e rw h i c hs h o u l dh a sm o d e r a t e g a i n ，h i g hi i n e a r i t ya n dl o wn o i s ef i g u r e m i x e re x i s t si nt h ei a s ts t a g eo f t h er fr e c e i v e r , r e s u l t i n gi nt h e l i n e a r i t y o ft h em i x e rd e c i d e st h el i n e a r i t yo ft h ew h o l er e c e i v e r i nt h i st h e s i s ，t h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no ft h eh i g hp e r f o r m a n c ec m o sd o w n c o n v e r s i o nm i x e rf o rd v b ct u n e ri nh d t v a r e s t u d i e d i nt h ef i r s tp a r to ft h et h e o r y , c l a s s i f i c a t i o na n dt o p o l o g yo fm i x e ra r ei n 仃o d u c e d t h 朗t h i sp a p e r e x p l a i n st h e 1d bc o m p r e s s i o np o i n ta n dl i p 3o f m i x e rb ya n a l y z i n ga no r d i n a r yn o n l i n e a rs y s t e mp r e s e n t s a n dt h ec o n v e r s i o ng a i na n dn o i s ef i g u r eo f m i x e ra sw e l l ad e t a i l e da n a l y s i sa b o u tg i l b e r tm i x e ri sg i v e n ； n o n l i n e a rm o d e l so fs i n g l e b a l a n c e da n dd o u b l e b a l a n c e dm i x e r s t r a n s c o n d u c t a n c es t a g e sa r ea n a l y z e d s e r i o u s l y l i n e a r i t yo p t i m i z a t i o nm e t h o d sb a s e do nt h eg i l b e r t - t y p e m i x e ra r es u m m a l i z e db a s e do n f o r e n a m e dt h e o r y 1 1 1 em e t h o da p p l i e df o rt h i st h e s i si s c r o s s c o n n e c t e dt r a n s c o n d u c t a n c e m i x e r s s t r u c t u r e so ft h r e e b a n da n dq u a l i t a t i v ea n a l y s i so ft h ev a r i o u ss u b m i x e rc i r c u i t sa r eg w e n ，t h et e c h n i q u e o fd e g e n e r a t i o nf o rl o wb a n da n dt r a n s c o n d u c t a n c es t a g e sc r o s s - c o n n e c t i o nf o rm i d & h i g hb a n d s ，l i n e a r i t y o fm i x e rh a sb e e ng r e a t l yi m p r o v e d t h ev a r i o u ss u b m i x e rc i r c u i t sa r eg i v e n ，i n c l u d i n gl ob u f f e r , i f o u t p u ta n dc u r r e n tb i a s t h el a y o u ti sd e s i g n e di nc a d e n c ev i r t u o s o n ec h i pi sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e db yc h a r t e r e d0 2 5 u x nc m o sp r o c e s s 1 1 1 e m e a s u r e m e n t r e s u l t ss h o wf m ep e r f o r m a n c e s ，w h i c hg r e a t l ym e e tt h er e q u i r e m e n t so fs y s t e ms p e c i f i c a t i o n s ，l i p 3o f + 8 5 d b m g a i no f3 4 d bf o rl o wb a n d ，a n dl i p 3o f 7 d b m ，g a i no f 3 4 d bf o rm i d & h i g hb a n d n et u n e rc h i p w i t ht h em i x e rh a ss u c c e s s f u l l yr e c e i v e dd i g i t a lt vp r o g r a m s i n d e x ：m i x e r ；h i g hl i n e a r i t y ；c r o s s c o n n e c t e dt r a n s c o n d u e t a n c e ；d i g i t a lt vt u n e r ；0 2 5 p r oc m o s ； 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其它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。 研究生签名：舞亟迷 日期：型：里至：三7 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：沿幺雌 导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 本章介绍了课题背景以及混频器在国内外的研究发展状况，阐述了本课题的主要工作和目标， 最后介绍了本文的组织架构。 1 1 课题背景 随着数字电视在全国范围的推广普及，数字电视接收机的应用范围也越来越广，人们对于数字 电视及其相关产业也有了越来越多的关注和研究。数字电视就是指从演播室到发射、传输、接收的 所有环节都是使用数字电视信号或对该系统所有的信号传播都是通过由0 、l 数字串所构成的数字流 来传播的，数字信号的传播速率是每秒1 9 3 9 兆字节，如此大的数据流的传递保证了数字电视的高 清晰度，克服了模拟电视的先天不足。同时还由于数字电视可以允许几种制式信号的同时存在，每 个数字频道下又可分为几个子频道，从而既可以用一个大数据流( 每秒1 9 3 9 兆字节) ，也可将其分 为几个分流。 d v b ，数字视频广播d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g 的缩写，是由d v b 项目维护的一系列国际承认的 数字电视公开标准。d v b 系统传输方式有如下几种： 卫星( d v b s 及d v b s 2 ) 有线( d v b c ) 地面无线( d v b t ) 手持地面无线( d v b h ) 这些传输方式的主要区别在于使用的调制方式，并且不同方式对应用的频率带宽的要求不同。 利用高频载波的d v b s 使用q p s k 调制方式，利用低频载波的d v b c 使用q a m 6 4 调制方式，而 利用v h f 及u h f 载波的d v b t 使用c o f d m 调制方式。 广义的数字电视指电视信号的处理、传输、发射和接收过程中使用数字信号的电视系统或电视 设备。其具体传输过程是：由电视台送出的图像及声音信号，经数字压缩和数字调制后，形成数字 电视信号，经过卫星、地面无线广播或有线电缆等方式传送，由数字电视接收后，通过数字解调和 数字视音频解码处理还原出原来的图像及伴音。因为全过程均采用数字技术处理，因此，信号损失 小，接收效果好。 经电视台发射的数字电视信号由调谐器接收，经过数字解调、信号解码及解调复用器，分别通 过视频、伴音及数据压缩解码，恢复出原来的数字电视信号。由于射频接收机接收到的信号频率范 围较宽( 有线数字电视信号5 4 m h z 8 6 0 m h z ) ，同时高频信号处理困难而且成本较高，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，实现这种频谱线 性搬移功能的模块，称之为混频器( m i x e r ) 。实现频率转换的混频器是射频接收机中不可缺少的关 键模块，以超外差式接收机的基本结构方案【i l 为例，混频器的位置如图l - l 所示。 射 电 信 本振 图1 1超外差接收机部分结构图 l 东南大学硕士学位论文 接收机首先通过频带滤波器从众多的电波中选出所需的射频电视信号，然后采用低噪声放大器 ( l o wn o i s ea m p l i f i e r ，简称l n a ) 对微弱的射频信号进行放大，鉴于混频器的频率搬移特性，射 频信号在与本振信号混频之前，必须滤除镜像干扰信号( i m a g es i g n a l ，简称i m ) ，实现此功能的滤 波器称为镜像抑制滤波器。由于传输路径上的损耗和多径效应，接收机接收的信号是微弱且又变化 的，并伴随许多干扰，这些干扰信号强度往往大于有用信号，因此接收机的主要指标是灵敏度和选 择性【1 1 。 混频器作为接收机的关键模块，其c m o s 设计技术的研究已成为混频器研究领域的热点，p y c h a n 于1 9 9 3 年采用c m o s 工艺实现了i g h z 高线性度的下变频混频裂引，随后，越来越多的c m o s 混 频器电路及设计技术如雨后春笋般地被提出。本文提出的混频器设计技术主要是应用于c m o s 混频 器电路的设计，因此。在本文以下内容中，除特殊说明外，所有的混频器都是指c m o s 混频器。混 频器位于低噪声放大器之后，直接处理放大后的射频信号，为实现混频功能，混频器还需要来自压 控振荡器的本振信号，其电路完全工作在射频频段，因此混频器的设计通常需要考虑转换增益、线 性度、噪声系数、端口隔离度以及功耗等性能指标。为了弥补中频滤波器的损耗以及降低混频器后 续电路噪声对系统噪声的贡献，混频器需要有一定的转换增益。混频器的线性度是各项性能中最重 要的性能，直接决定接收机的动态范围，射频接收机的动态范围s f d r ( s p u r i o u s f r e ed y n a m i cr a n g e ) 可由下式表示【3 1 ： s f d r = 2 ( p _ 1 1 e 3 广- 一f ) 一s n r 血 其中，f = 一1 7 4 d b m + n f + 1 0 l o g b ，n f ( n o i s e f i g u r e ) 为噪声系数，口为带宽，s n r m ，。为最小输出 信噪比，p i i p 3 为系统输入三阶互调量( i n p u t r e f e r r e dt h 砌一o r d e ri n t e r c e p tp o i n t ，简为i i p 3 ) ，表达式 如式( 1 2 ) 1 3 ： i ：鱼婴丝：+ g r f f d t e r g l n a g h a a g e f d t e r( 1 2 ) p l l p3p i i p31 2 v ap h p 3 其中，p i i p 3 删和尸，尸j 脚，分别为低噪声放大器和混频器的输入三阶互调量，g r f f i l t e r ，毋朋和 g 慨甜讹，分别为频带滤波器、低噪声放大器和镜像抑制放大器的功率增益。由式( 1 2 ) 可见，l n a 具有一定的增益，混频器的p l i p j 胁，折算到系统输入端口，要除以l n a 的增益，因此接收机的j p 肿， 主要取决于混频器的p l l p ， ，船，。 c m o s 工艺最大的最大优点是成本低、集成度高、电路设计与工艺线生产关系不大且工艺良率 高，可实现无工艺线设计( f a b l e s sd e s i g n ) 技术。因此，只有实现c m o s 集成射频前端，才能实现 接收机的单片集成，才能缩小系统，降低系统成本。伴随着片上系统s o c ( s y s t e m o n c h i p ) 时代的 到来，将射频集成电路和数字集成电路、模拟集成电路集成在同一块芯片上是集成电路设计发展的 必然趋势，数字集成电路自动化设计早已成熟，模拟集成电路的设计自动化也开始迈向商业化的道 路，因此优良的设计方法成为集成电路研究的重心。 1 2 混频器的国内外研究现状 作为射频接收机的关键模块，混频器的设计技术的研究一直是射频集成电路的研究热点。众多 设计技术和新颖电路结构都是围绕混频器各项性能展开的，混频器需要在增益、线性度、噪声系数、 隔离度、功耗等性能之间做折衷，应用系统不同对各项性能的要求亦不同。本课题设计和实现的数 字电视调谐器采用欧洲的d v b c 标准，要求数字电视调谐器动态范围大于3 0 d b ，因而需要混频器有 相对高的线性度。本课题的重点混频器线性度的优化。 c m o s 混频器电路结构中应用最广泛的是基于吉尔伯特乘法器的双平衡结构混频器，在此，我 们称之为吉尔伯特混频器。吉尔伯特单元电路是b a r r i eg i l b e r t 于1 9 6 8 年提出的用于高精度乘法器的电 路结构【4 j ，后来被广泛用于有源混频器 5 - 9 1 ，此类混频器具有隔离度高、对本振噪声和伪信号噪声抑 制能力强的优点，由吉尔伯特电路衍生的混频器被广泛用于各种性能的优化，如用于提高转换增益 2 第一章绪论 的结构”】，用于线性度优化的结构【1 m 16 1 ，用于降低噪声系数的结构【1 7 t 们，同时，作为双平衡结构混 频器的代表电路，其优越的隔离度性能【2 i 】亦是被广泛采用的另一主要原因。本论文的研究对象即是 c m o s 工艺实现的吉尔伯特混频器电路。除了吉尔伯特混频器结构之外，c m o s 混频器还有其他几种 电路结构。例如：乘法器结构的混频器电路：这类混频器主要是通过构建时域上的数学乘积实现频 域上的频率变换，此类电路可有效的降低电压，减小电路功耗，且线性度较高，但是其主要的缺点 是增益低、噪声系数高。欠采样混频器电路：这类混频器是通过采样的方式实现频率转换的，噪声 系数比较大。电位混频器电路：此类混频器可以获得很高的线性度，但是同样具有噪声系数大的缺 点。无源混频器电路：这类混频器不需要电源电压，功耗很低，且线性度较好，缺点是电路损耗比 较高。 在c m o s 混频器研究领域内，研究工作可分为两大类，一类是电路结构的创新，另一类是典型 结构的理论分析及优化方法研究。电路结构的创新又可以分为两类：一是根据理论分析，提出全新 的电路结构，此类混频器一般会衍生出新的优化电路，如文献【i o - 1 3 ：二是基于某一典型结构的局部 电路优化，典型结构的理论分析及优化方法研究主要是吉尔伯特单元电路的分析研究，如详细分析 吉尔伯特混频器线性度性能的文献 t o - t 2 】、详细分析吉尔伯特混频器噪声性能的文献1 1 7 - 2 0 1 。 本文的设计更接近于结构方案的优化创新，在折衷考虑混频器的各个性能的情况下着重优化吉 尔伯特单元的线性度。 1 3 论文设计目标和主要工作 本课题的设计目标是设计出满足数字电视调谐器系统要求的高性能的混频器：要求达到较高的 线性度，较好的增益，并且兼顾噪声。混频器主要性能指标如表1 1 所示： 表1 1混频器( 包括中放) 性能指标 低波段 中波段 高波段 射频输入频率( m h z ) 4 8 1 6 01 6 0 4 4 04 4 0 8 8 0 中频输出频率( m h z )3 6 转换增益( d b ) 2 9 + 53 5 + 53 5 士5 输入三阶互调点( d b m )61 21 2 l d b 压缩点( d b m ) 1 4 2 1 2 l 噪声系数( d b ) l l课题调研，查阅资料了解主流的高线性度混频器的原理和结构，分析优缺点； 分析现有的下变频混频器的电路结构和工作原理； 根据系统要求，定义混频器的拓扑结构和电路； 对电路各个模块进行仿真和优化，直至满足设计要求； 设计版图，进行版图后仿真，验证主要性能指标，并流片； 芯片测试，数据整理、分析和总结。 1 4 论文结构 本文共分为五个章节。 第章是绪论，首先介绍了本文的研究背景和国内外研究状态，提出混频器线性度的研究是本 论文关注的重点，最后列出了本论文的主要工作和实现目标。 第二章是混频器设计的基础理论，介绍混频器的基本原理、分类和主要性能指标。 第三章是高性能混频器的优化设计，重点分析了关于混频器线性度的主流优化技术，其中详细 分析了本论文中采用的正交反馈优化结构。 第四章给出了d v b c 调谐芯片中高性能混频器的具体实现要求和各模块采用的具体实现方式 3 东南大学硕士学位论文 以及仿真结果初步分析。 第五章给出了芯片测试原理以及结果和分析。 最后部分是总结和展望。 4 第二章混频器概述 第二章混频器概述 作为射频接收机的关键模块，混频器的研究一直是射频集成电路设计领域中的重要课题之一。 本章首先介绍混频器的基本混频理论知识，然后将混频器分类分析。着重研究各种典型的混频器， 并给出性能比较，最后给出了混频器的性能定义。 2 1 混频器的基础理论 混频器在接收机系统中主要负责频率的搬移功能，频率搬移实现的最基本理论模型可描述为： ( 彳c o s q f ) ( b c o s 够f ) = 二警 c o s ( q 一丘- 0 2 ) t + c o s ( a 】i + 锡) 刁 ( 2 1 ) 二 一一 上式中a c o s 0 4 t 和b c o s 觋f 分别代表两个输入信号，只要电路中构成这两个信号的乘积，理论上就 可以实现频率的搬移功能。从式( 2 1 ) 可以看出，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，通常而言，混频器的输入信号分别定义为射频信号r f ( r a d i of r e q u e n c y ) ，频率记 为( o r f ，和本振信号l o ( l o c a lo s c i l l a t o r ) ，频率记为l ( ) ，混频器的输出信号定义为中频信号i f ( i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y ) ，频率记为f - o f ，为此，表达式( 2 1 ) 可以表示成混频器更常见的数学模 型： ( 如c o s 唰) ( c o s 咏? ) = a l o r b r rl r 叫, 一) 件c o s ( + 咏) 刁 ( 2 2 ) 式中a o 表征本振信号的振幅，b 肛表征射频信号的振幅。从上式可以看出，混频器产生的中 频信号含有两个频率分量：加+ 肝和一o ) r f ，不同应用领域的混频器，中频输出选择不同的频 率分量，其他干扰频率分量一般采用滤波器进行滤除，本文讨论的混频器中频输出采用差频分量， 即肛= ( 0 i d 9 o ) r f 。当o ) f o ) r f 时，混频 器称为上变频器，输出高中频信号，本文所提出的混频器设计技术主要应用于下变频器设计。 由此可见，乘法器是混频产生的基础，由乘法型混频器演化而来的开关型混频器是现今混频器设 计的热点，混频器系三端口器件，采用l o 开关信号调制f u f 信号，从而输出频率较低的i f 信号。l o 信号一般驱动管子在两个状态：导通或者截止之间转换。开关调制混频器如图2 1 所示。 玩d 工 际f = ( a ) 开关混频器原理 = ( b ) 用m o s f e t 代替开关 图2 1开关调制混频器 为更清楚分析开关调制混频器，可做以下数学分析： 若射频信号和本振信号定义如下 = c o s ( a ，r f t ) ，i + 1 ，0 ts ( 万功t o 、! 吃。= k ( 刀j 兰f ( 2 刀) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 东南大学硕士学位论文 中频信号则为： = 圪d f 将式( 2 3 ) 进行f l o u r i e r 级数展开：( 采用余弦形式) 协划掣c o 舭训朋a 将式( 2 2 ) 和式( 2 5 ) 代入式( 2 4 ) 可得： v 2 一另 c o s ( + ) 件c o s ( 一) 卜j 1c 。s ( 3 c o t o + ) f 1 3 e o s ( 3 一) f + 三c o s ( 5 + ) f g o s ( 5 一) f - ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 由上式可见，经过开关调制后，中频输出端会出现以本振信号奇次谐波为中心的上下边带变频 分量，输出频谱如图2 2 所示。图中基波本振信号产生的差频信号是我们需要的中频信号。 图2 - 2 混频器输出频谱示意图 虽然吉尔伯特电路原是用于模拟乘法器，但是现在，吉尔伯特混频器已发展成为开关型混频器 的典型电路，基于吉尔伯特单元电路的混频器成为当前混频器领域中最主流的电路结构。 2 2 混频器的主要性能 2 2 1 线性度 混频器作为射频接收机的第二级有源电路，其线性度是接收机线性能的主要决定因素。下面我 们首先介绍非线性网络的数学模型，然后给出输入三阶互调l i p 3 和输入l d b 压缩点的定义，最后给出 级联系统的线性度与单元模块线性度之间的关系。 在射频电路的分析中，如果网络输出信号波形与输入信号波形相比较，在输出信号中产生了新 的频率分量，就说明该网路产生了非线性失真。非线性网络通常表示如下： 少= a l x ( t ) + a 2 x 2 ( ，) + x 3 ( ，) ( 2 8 ) 式中，y 为输出信号，x 为输入信号，一般只需考虑非线性的前三项。此时若输入信号为： x ( t ) = ac o s ( 甜) ：其中彳为信号幅度，则输出信号为： y = 等+ 一+ 孚 c o s o l + 竿c o s 2 甜+ 竿c o s 3 甜 晓9 ， 式( 2 9 ) 可见，输出信号中除了0 2 频率项外又出现了新的频率分量：2 和3 ，因此我们称 输入频率为基波分量，称2 扒3 分别为二次谐波分量和三次谐波分量。对于小信号而言，伍， 6 第二章混频器概述 ( 3 a f t 3 ) 4 ，谐波分量可以忽略不计，因此系统增益为a ，。但是随着信号幅度的不断增大，a 3 己不 能再忽略，通常a 3 0 ，系统增益会随着输入信号幅度a 的增大而下降，在射频电路中，我们采用l d b 压缩点来表征这种增益因非线性而下降的现象，如图2 3 所示，随着输入信号能量的不断上升，增 益衰减至l d b 时对应的输入信号功率称为l d b 压缩点，由此可以得出： 4 一曲= ( d 幻 ( 2 1 0 ) 图2 3l d b 压缩点 当非线性网络同时接收两个幅度相等、频率相近的信号时，即：x ( f ) = a c o s ( f ) + a c o s ( c o ：f ) ， 则输出信号为： y ( t ) = ( q + j 9 a 2 ) a c o s a l t + ( o e + 三彳2 ) a e o s o 町+ i 3 吗a 3 c o s ( 2 0 一t 4 ) t + i 3 吗a 3 c o s ( 2 哆一q ) f + ( 2 1 1 ) 由上式( 2 1 1 ) 可见，在输出信号中，除了基波分量和c o ：外，还包含了它们的各种组合频率( 不 仅仅是谐波) ，即输出信号的频率分量为：= j m o ) q - ，1 ( o ：j ，m ，n = 0 ，土l ，士2 ，m 和门不为0 时的频率 分量相当于和c o ：相互调制产生的，因此称为互调分量。由于三次失真产生的三阶互调量i m 3 ( 3 一 i n t e r m o d u l a t i o n ) 频率2 0 9 广：和2 c o ：0 3 。距基波分量较近，很容易落入信号带宽内，造成信号干扰，如 下图2 - 4 所示： 非线性系统 1 2 0 j l 一& 妇 0 9 2 2 a n 。0 ) 1 i m 3 图2 - 4 非线性系统三阶互调量产生过程 图中的a p 为输出基波信号与输出三阶互调干扰信号的功率差，图中的三阶互调量( 线性形式) 为： 3 -i i m 3 = 二l 必彳3 i ( 2 1 2 ) 4i 。 通常，为了衡量非线性系统对三阶互调干扰的抑制能力，人们引入了三阶互调点i p 3 ( t h i r di n t e r c e p t p o i n t ) 的概念，即随着输入信号能量的升高，三阶互调量会在某一点与基波量相交，如图2 - 5 所示， 交点对应的输入信号能量称为输入三阶互调点i i p 3 ( i n p u ti p 3 ) ，对应的输出信号能量称为输出三阶 7 东南大学硕士学位论文 p 图2 5 三阶互调 互调点o i p 3 ( o u t p u ti p 3 ) ，据此我们可以得出： a i p 3 = ( 2 1 3 ) 其中我们假设了q 远大于詈爿2 ，由式( 2 1 。) 和( 2 1 3 ) 可以得出l d b 压缩点与输入三阶互 调点之间的近似关系： 兰堕。3 0 3 。9 6 d b 4 一凹 若信号均采用d b 形式， 个简便的i i p 3 表达式： i i p 3 = p l n + t a p ( 2 1 4 ) 三阶互调量以三倍于基波量的斜率增加，通过简单计算我们可以得到一 ( 2 1 5 ) 其中，尸，。为输入信号功率，上式可以帮助我们很方便地计算, 4 41 l p - 线性系统的输入三阶互调点。 2 2 2 转换增益 虽然混频器输入信号与输出信号频率不同，但为了表征混频器的信号能量转换特性，人们仍然 采用输出信号与输入信号之比来表征混频器的转换增益。混频器转换增益有两种表征形式：一是输出 中频信号功率与输入射频信号功率之间的比值，即功率增益： g ，= 毒= 盟v 玉l r s ( 2 1 6 ) 其中v 扩和v r f 分别为中频输出电压和射频输入电压的有效值，皿是负载电阻，瓜是源电阻。另 外一个是输出中频信号与输入射频信号的电压比值，即电压增益： g = 竖 v r f ( 2 1 7 ) 当输入电阻和负载电阻相等时，两种增益的d b 形式相等。功率增益更多的是应用于频率更高的 微波系统，本课题最高频率小于1 g h z ，这样一个系统传输的仍是电压信号，故最终的芯片测试验证 仍采用电压增益。 2 2 3 噪声系数 混频器位于低噪声放大器后面，其噪声系数对系统灵敏度性能影响显著，降低混频器噪声系数 不但可以降低系统噪声系数，而且还可以减轻低噪声放大器的设计压力。 8 第二章混频器概述 噪声是一个随机过程，噪声的值在任何时候都不能被预测，只能通过“统计模型”来完成对它的 测量。噪声主要包括热噪声( t h e r m a ln o i s e ) 、闪烁噪声( f l i c k e rn o i s e ，亦称为，矿噪声) 、散弹噪 声( s h o tn o i s e ) 三种。 噪声系数描述信号通过某一电路后信噪比( s i g n a l - t o - n o i s er a d i o ，简称s n r ) 的下降程度，定 义为电路的输入信噪比与输出信噪比之间的比值p p p s l n t f = ! ! 坐! s o | no ( 2 1 8 ) 式中，s 为输入信号功率，为输入噪声功率，为输出信号功率，o 为输出噪声功率。对于一个 二端口网络而言，若电路的功率增益为q ，输入输出信号和噪声的关系是s o = q s ，( n o i s e f i g u r e ) 可表示为： ，：s , u o ：旦 ( 2 1 9 ) s o n lg n n t 噪声系数通常用d b 形式表示： n f = 1 0 l o g l of ( 2 2 0 ) 根据噪声系数的定义，鉴于混频器自身的特性，混频器噪声系数有两种定义形式：单边带噪声 系数( s i n g l e - b a n dn o i s ef i g u r e ，s s bn f ) 和双边带噪声系数( d o u b l e b a n dn o i s ef i g u r e ，d s bn f ) ， 分别表示如下： 2丽s,n,2而丽s,n,=且gps,(2gpn,+n。,)乾l-+轰j 眨2 。 5 器。丽丽2 s , 面2 n , 丽2 丽嚣丽小轰 眨2 2 ， 其中，墨为输入信号，m 为输入噪声，儿，为内部电路噪声。有上两式可以得出，s s b n f 比d s b n f 高3 d b 。 近年来，混频器噪声分析多见于吉尔伯特混频器电路，如对混频器衬底噪声的分析，对混频器开 关对的噪声分析等，下文中将给出具体分析。 2 2 4 隔离度 由于混频器工作在系统的最高频率，电路中的寄生效应容易造成端口之间的馈通，导致端口信 号相互干扰，特别是大功率本振l o 信号对其它信号的干扰最为严重，也就是l o 信号到i f 端口、 r f 端口的馈通。 从单端混频器( s i n g l e - e n dm i x e r 简称s e m ) 到单平衡混频器( s i n g l e - b a l a n c em i x e r 简称s b m ) ， 再从单平衡混频器到双平衡( d o u b l e b a l a n c em i x e r 简称d b m ) 结构的演变，主要特点就是提高了 端口与端口之间的隔离度。在双平衡( d b m ) 结构的混频器中，某一端口信号相对于另外两个端口 都是差分形式，理论上馈通可以相互完全抵消，但是实际电路中由于器件的失配以及其它因素，还 会存在信号间的馈通，尤其是本振信号对其他端口的影响，因此。在确保混频器性能满足要求的前 提下，尽量减小本振信号的能量也是混频器设计以及接收机系统设计追求的目标之一。 混频器隔离度的决定因素主要有两个：端口之间的寄生通路和电路匹配性，相应地，提高隔离 度的方法也主要分为两类：1 ) 切断端口之间的寄生通路，如文献 2 1 】提出的共源共栅输入技术， l o t o r f 馈通仅为7 9 d b ；2 ) 降低电路不匹配对隔离度的影响，如文献 2 2 1 采用的传输门开关技术， 其隔离度比单管开关的混频器提高了2 0 d b 。 9 东南大学硕士学位论文 2 3 混频器的分类 混频器按照不同标准可以进行不同的分类。 2 3 1 按拓朴结构分类 从拓朴结构上来分，混频器有单端( s e m ) 、单平衡( s b m ) 、双平衡( d b m ) 等结构。 2 3 i 1 单端混频器( s i n g l e e n dm i x e r ) 单端混频器结构简单，噪声也较低，这种非平衡结构不能有效的在中频端抑制r f 和l o 信号。 通常需要在这类混频器电路的输入端或输出端加入选频网络，这样可以达到衰减某些频率信号的目 的。如图2 - 6 所示。 v i r + 圪o v r r 图2 - 6 单端混频器图2 7 单平衡混频器 2 3 1 2 单平衡混频器( s i n g l e b a l a n c e dm i x e r ) 图2 7 是一个单平衡混频器的电路结构。它由一个共源的驱动级m 1 和一对由l o 驱动的差分对 组成。它的输入信号是一个单端的r f 信号和一对平衡的l o 信号，输出是平衡的i f 信号。 驱动级m 1 将栅极的f u f 信号转换成漏极的电流信号，差分对m 2 和m 3 在l o 大信号的控制下 轮流导通。因为l o 采用了差分的工作方式，所以输出的中频信号可表示为： i j f 2 g m v r f s g n ( v w ) ( 2 2 3 ) 其中 s g i io 加) = 砉i 咖( 国川一i 1s i n ( 3 田川+ 亍is i n ( 5 叫) l q 2 4 ) 代入式( 2 2 3 ) 可以得到 = ；4a r f c o s c o n ，( s i n ，一；s i n3 q 。f + 一) g ，冠 = 昙彳肛【s i n ( + ，一s i n ( c o w 一，一 s i n ( 3 c o w + y + 专s i n ( 3 c o c o c o 肚) t + i 1s i n ( 5 c o i ，o + c o 盯) t i 1s i n ( 5 一c o 肛) t 讽 ( 2 2 5 ) 对比式( 2 2 5 ) 和式( 2 7 ) 可以发现，理想的单平衡混频器抑制了r f 信号到i f 端的馈通，而且提 高了转换的效率。同时差分的l o 信号可以有效的抑制l 0 信号的共模噪声带来的影响。而且i 强信 号和l o 信号在电路不同的地方输入，因此可以降低这两个信号相互之间的干扰。 但是另一方面，单平衡混频器的缺点是l o i f 的馈通。这是因为m 2 和m 3 毕竟不是两个理想 的开关，这个电路在正常工作时每个m o s 管都有一定的直流偏置，这样m 2 和m 3 就组成了对l o 的差分放大器。这个电路不仅是一个混频器，还是一个l o 的放大器，所以l o 到i f 的馈通很难抑 制。这一点并不能在式( 2 2 5 ) 中看出，因为这里只分析了r f 小信号的行为。考虑m 1 的直流偏置， 式( 2 2 3 ) 可改写为： 1 0 第二章混频器概述 1 1 1 = = 【i o ，+ g 。v 盯) s g n ( v m ) ( 2 2 6 ) 同样把式( 2 2 4 ) 代入上式展开后，就会在中频信号中出现l o 的奇次谐波。 2 3 1 3双平衡混频器( d o u b l e - b a l a n c e dm i x e r ) c m o s 双平衡混频器( 如图2 8 所示) 的电路由对差分r f 驱动级m i 和m 2 、一个差分开关 组m 3 、m 4 、m 5 和m 6 、一个尾电流源和负载组成。其工作原理与单平衡混频器的工作原理相似， 也是由l o 驱动差分开关组中不同的m o s f e t 轮流导通，完成r f 信号与l o 信号相乘。 i f + i f 乙 图2 8 双平衡混频器 双平衡结构的混频器能有效的抑制l o 到i f 端的馈通。比较图2 7 和图2 8 ，对于单平衡混频器 l o 信号对于输出始终是一个差分信号，所以l o 信号会被放大到中频；而在双平衡混频器中l o 信 号对于中频输出始终是一个共模信号，可以很容易的被抑制。因此对于理想的双平衡混频器，r f 信 号和l o 信号都不会出现在中频端。 在单平衡混频器的结构中，m 1 管的漏极存在一个频率为2 ( 0 1 o 的电压波动，这个电压波动会通 过m 1 管的栅极和漏极之间的寄生电阻泄漏到r f 端。在双平衡结构中，由于m 1 和m 2 之间的对称 性，这个电压波动成为了r f 的共模干扰信号，因此也能被抑制掉。差分的r f 信号输入方式也抑制 了r f 信号中共模噪声。 但是双平衡混频器使用了两倍于单平衡结构的器件，大大增加了电路的复杂性，同时也提高了 电路的功耗和噪声。 2 3 2 按中频信号分类 从信号的频率转换来分，有上变频和下变频混频器两种。输出i f 频率高于输入r f 频率的为上 变频，可以是和频也可以为差频；输出频率低于输入频率的为下变频，只能为差频。在下变频中， l o 信号低于r f 信号的，称为下边带l o ：l o 信号高于r f 信号的，称为上边带l o 。一般射频信 号输入是单边带，与r f 信号相对于l o 信号在频谱上成中心对成的i m 镜像信号一般是我们不想要 的，在混频过程中滤去。根据中频信号频率的不同，下变频又分为高中频( 如3 6 m h z 的中频信号) 、 低中频( 一般在几十到几百k h z ) 、零中频( 又称直接变频混频器) 。对于高中频混频器，一般需要 在混频器的后面加一级带通滤波器( b p f , b a n dp a s sf i l t e r ) ，比如中心频率3 6 m h z 、具有8 m h z 带宽 的声表面滤波器( s a w ) ，它有很好的矩形系数，但是无法集成在芯片上。而采用零中频或者低中频 就不需要集成这样的一个s a w ，只需片上集成一个简单的二阶无源r c 低通滤波器，极大地提高了 集成度。但是零中频会带来直流偏差( d co f f s e t ) ，它是由自混频引起的，并且如果变频器的本振端 口与射频端口之间的隔离性能不够好，本振信号