（通信与信息系统专业论文）超宽带低噪声放大器和混频器的研究与设计.pdf

1 r e s e a r c ha n dd e s i g no fu w bl n aa n dm i x e r g u os h e n g q i a n g b e ( h u n a nn o r m a lu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o r 馅n gc h u n h u a m a y , 2 0 1 1 ，、iil11 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 储签名：名陟瑟吼铷年月少日 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。本人授权湖南大学可以将本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和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 日期：文1 年f 月侈日 日期：函年f 旯ff 日 顶十学位论文 摘要 超宽带( u l t r a w i d eb a n d ，u w b ) 技术是当前无线通信技术领域发展极为迅速 的一种新型无线通信技术。超宽带技术以高速率、高容量，低功耗和低成本等特 性受到通信学术界和产业界的重视，并将获得日益广泛的应用。因此，研究并提 高超宽带射频通信电路性能，对无线通信的发展具有重要的科学意义和现实意义。 本文的研究对象为超宽带低噪声放大器与混频器。在系统分析了近年来国内 外超宽带低噪声放大器和混频器的研究状况后，提出了一种新型低电压增益可调 超宽带低噪声放大器电路和和一种超低电压混频器电路。本文所做的主要工作如 下： 首先在近年来超宽带低噪声放大器的研究基础上，提出了一种工作在 3 1 10 6 g h z 的低电压增益可调的超宽带低噪声放大器。该低噪声放大器电路主要 由两级构成：第一级为输入匹配级，采用共栅结构实现宽带输入匹配；第二级为 放大级，采用改进型共源共栅结构组成，这种结构在获得良好增益的同时大大降 低了对电源电压的要求。电路采用了一种新型增益控制机制，在不影响放大器其 他性能指标的前提下，改变共源共栅级共源管的偏置电压实现增益可调。通过采 用电感负载峰值技术和极问串联电感峰值技术，在整个频带内获得了良好的增益 平坦度。仿真结果表明，在0 8 5 v 的电源电压下，该电路在整个带宽内实现了良 好的输入输出匹配( s 1 1 8 3d b ，s 2 2 8 d b ) ，增益最高达到l6 2 7 d b ，并实现了 1 1 1 6 2 7 d b 范围内可调，最小噪声系数为2 4 4 d b ，功耗为1 7 m w 。 然后在传统吉尔伯特混频器的基础上，提出了一种应用于3 1 1 0 6 g h z 的超 低电压混频器。通过使用多路输入技术，折叠式结构，输出级放大等技术，本文 所提出的混频器取得了良好的性能：工作电压仅为0 6 v ，功耗为6 6 m w 。仿真结 果显示，在3 1 10 6 g h z 频带内，混频器的转换增益达到了1 3 18 d b ，i i p 3 大于 0 d b m ，1 d b 压缩点大于1 2 d b m ，噪声系数在1 5 7 d b 以下。 本文提出的放大器和混频器电路采用t m s c0 1 8 9 mr fc m o s 工艺，使用 a d s5 1 2 具进行仿真，v i r t u o s ol a y o u te d i t o r 工具完成版图设计。与已经提出的超 宽带低噪声放大器和混频器电路比较，所提出的放大器电路在工作电压、功耗、 增益等方面有一定优势，提出的混频器结构新颖，在工作电压、功耗、转换增益 和线性度方面性能较好。 关键字：超宽带；低噪声放大器；混频器；增益可调；超低电压 i i 超宽带低噪声放人器和混频器的研究。j 设计 a b s t r a c t u w b( u l t r a w i d e b a n d ，u w b ) t e c h n o l o g y i st h ec u r r e n tw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，an e wt y p eo fe x t r e m e l yr a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y u l t r a w i d e b a n dt e c h n o l o g yf o ri t sh i g h - s p e e d ，h i g h c a p a c i t y ，l o wp o w e ra n dl o wc o s tf e a t u r e s ，i sb e i n gp a i da c a d e m i ca n di n d u s t r y a t t e n t i o n w i t h o u td o u b t ，u w bw i l lb eu s e dm o r ea n dm o r ew i d e l y s os t u d y i n ga n d i m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo fu l t r a w i d e b a n dr fc i r c u i t s i s v e r yi m p o r t a n tt ot h e d e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t h i sp a p e rt a k e sl o wn o i s ea m p l i f i e ra n dm i x e ra sr e s e a r c hs u b j e c t s ，w h i c ha r e t h ek e ym o d u l e si nt h eu w br fr e c e i v e rf r o n t - e n d an e wl o w v o l t a g ev a r i a b l eg a i n u w bl n aa n dan e wu l t r al o wv o l t a g eu w bm i x e ri sp r o p o s e d ，b a s e do nt h e s y s t e m a t i ca n a l y s i so ft h et e c h n o l o g i c a ls t u d ys i t u a t i o na t h o m ea n da b r o a do ft h e l n aa n dm i x e r t h em a i na c h i e v e m e n t so ft h i sw o r kc o n s i s to ff o l l o w i n ga s p e c t s ： f i r s t ，au w b 3 1 - t o10 6 一g h zl o w v o l t a g ev a r i a b l eg a i nl n ai sp r e s e n ti nt h i s p a p e r ，w h i c hi s b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h eu w bl n a ac o m m o n - g a t es t a g ef o r w i d e b a n di n p u tm a t c h i n gi se m p l o y e d am o d i f i e dc a s c a d es t a g e s ，w h i c hc a nw o r ka t l o w e rv o l t a g e s ，i su s e dt oo f f e r ss u i t a b l eg a i n ag a i nc o n t r o lm e c h a n i s mi s a l s o i n t r o d u c e di nt h ep r o p o s e dd e s i g nb yv a r y i n gt h eb i a s i n gv o l t a g eo ft h eg a i ns t a g e w i t h o u ti n f l u e n c i n gt h eo t h e rf i g u r e so fm e r i to ft h ec i r c u i t b ye m p l o y i n gt h el c p e a k i n g ，f l a tg a i ni sa c h i e v e do v e rt h e7 5 0 0 m h zu w bs p e c t r u m s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h ep r o p o s e du w bl n aa c h i e v e sp o w e rg a i nw i t hag o o di n p u ta n do u t p u t m a t c h ( s 1 1 0 。在电路设计和仿真时，可以通过系统的噪声系数n f 来判 的噪声性能，并依此进行改进和优化。 析低噪声放大器电路进行噪声时，我们可以从网络角度分析，也可以基于 构分析。基于网络分析时，可以把低噪声放大器视为一个二端口网络。任 有噪二端口网络的内部噪声都可以在输入端置入两个噪声源来等效：一个 号源串联的噪声电压源曙和一个与信号源并联的噪声电流源，：，原二端口 为一个无噪二端口网络，如图2 6 所示。 i s 申 含噪声的 二端口网络 l 订 潍。一夸 无噪声的 二端口网络 图2 6 二端口网络噪声等效模型 中为信号电流源，为信号源内部导纳，曙是输入端短路时有噪网络的 声功率等效到输入端的值，j ：是输入端开路时有噪网络的输出噪声功率等 入端的值，两者与网络内部噪声源的大小无关。我们可以得到该二端口网 1 4 硕一i ：学位论文 络的噪声系数，见公式( 2 1 3 ) 。 肝：l 。l g fl + 1 i n + r j v n 1 ( 2 - 1 3 ) l 若基于电路结构，则噪声系数为电路总的短路均方噪声电流瑶删除以由输入 噪声源引起的短路均方噪声电流如，即 ，互一、 n f = 1 0 j g l 等i ( 2 h ) l n , r 对于一个级联系统，系统均采用分立元件，且元件的输入输出阻抗都匹配到 了标准阻抗，则噪声级联可以采用弗里斯f r i i s 公式： f ：+ 掣+ + 受l ( 2 1 5 ) 肚+ 一+ 上g i g l g n _ 1 q - 5 其中f n 为第n 级相对于标准源阻抗的噪声因子，g n 为第n 级的有效功率增 益。由公式( 2 15 ) 可知，一个级联系统中，前两级电路的噪声性能对整个系统的噪 声性能影响最大。为了减小整个系统的噪声系数，一方面要尽量减小前两级电路 的噪声系数，另一方面适当提高前两级电路的增益。作为接收机中的第一级电路， 低噪声放大器的噪声性能和增益对整个系统的性能影响尤为明显。 2 2 3 增益和增益可调 2 2 3 1 增益 对于l n a 来说，增益是一个很重要的指标。适当的增益能够减小后级电路 噪声对电路性能的影响，增益过大会导致后续的混频器过载。l n a 电路的增益与 电路放大级m o s 管的跨导值有关，m o s 管的跨导值可通过其偏置电压控制。其 次，l n a 的增益还与l n a 的负载有关。 2 2 3 2 增益控制 实际应用中，l n a 接收的信号时强时弱。若要使l n a 能始终输出强度适当 的信号，l n a 增益最好是可调的。根据控制方式不同，目前研究的增益可调l n a 可分为离散增益可编程l n a 和连续增益可调l n a 。离散增益可编程l n a 能够通 过编程设置两种或者两种以上特定增益值的增益模式，适用于某些特定的场合。 连续增益可调l n a 则能在一定范围增益范围内实现增益的连续可调。超宽带低 噪声放大器中，在调节增益大小时，要尽量不影响电路在整个工作频带内的输入 输出匹配、增益平坦度和噪声系数等性能。 现有文献根据不同的应用需求提出了多种不同的低噪声放大器增益控制技 1 5 超宽带低噪声放人器和混频器的研究0 设计 术。f e i h u ac h e n 等人在文献 5 1 采用了旁路选择技术( 见图2 7 ) 。这种方法使 用多个m o s 管组成不同的支路，通过开关信号控制m o s 管的开闭来调节电路负 载，实现不同增益模式的选择。这种方法只能选择离散的增益模式，不能实现连 续增益控制。 图2 7f e i h u ac h e n 等人提出的l n a 电路结构 电流分离技术也是一种增益控制技术，主要见于差分结构【5 2 ，5 引。h u iz h e n g 等在文献 5 2 】中用了这个技术，如图2 8 所示。当v c 低于m o s 管m 8 ，m 9 的阈值 电压时，m 8 ，m 9 相当于断路，此时电路增益最大。随着v c 持续增大，m o s 管 m 8 ，m 9 开启，流经m 8 ，m 9 的漏电流会逐步增大，但流经m 5 ，m 6 的电流不变， 从而导致流经m 7 ，m l o 的电流即输出电流变小，从而增益也会逐渐减小。这种方 法能控制增益连续变化，并且电路的功耗保持不变。 图2 8h u iz h e n g 等提出的l n a 电路结构 在带有反馈结构的低噪声放大器中，电路的增益与反馈电阻有关。文献 5 4 】 通过改变反馈结构实现增益可调，见图2 9 。当m o s 管m 2 工作在线性区时，m 2 相当于一个可变电阻，改变栅极电压v c 可以改变m o s 管的等效阻值。这种方法 1 6 硕一j ：学位论文 能实现增益连续可调，但目前仅应用于窄带放大器中。该方法应用于超宽带低噪 声放大器时，能实现的增益变化范围比较小。并且电路增益在变化时，整个频带 内的增益平坦度会恶化，功耗会明显增加。 r fo u t i； 图2 9 采用反馈技术调节增益的l n a 电路结构 文献 2 2 】采用改变放大级m o s 管跨导的方法，即改变放大管的偏置电压或者 电流，从而改变放大管的跨导，最终改变增益。这种方法对电路增益平坦度影响 不大，但对噪声有一定影响。使用该方法时通常需要加入噪声消减技术。 2 2 4 线性度 线性度也是低噪声放大器的一个重要的性能指标。一个l n a 除了放大信号 和不引入过多额外噪声之外，还必须保证信号能够不失真地传输。电路的非线性 会给输出信号带来非线性失真。电路输出的信号波形与输入信号波形相比较，若 输出信号中产生了新的频率分量，就说明产生了非线性失真【55 1 。在理论分析和电 路设计中，常常采用l d b 压缩点( 1 d bc o m p r e s s i o np o i n t ，1 d bc p ) 和三阶互调 点( t h i r do r d e ri n t e r c e p tp o i n t ，i p 3 ) 来描述系统的线性度性能，非线性电路的l d b 压缩点和三阶互调点定义如图2 1 0 。 喻h 输入 图2 1 0 非线性电路的l d b 压缩点和三阶互调点 1 7 超宽带低噪声放火器和混频器的研究吁设计 l d b 压缩点用来描述系统功率增益因电路的非线性发生的变化，定义为系统 输出功率增益比理想线性增益减小l d b 时的输入输出信号功率。此时的输入功率 称为输入l d b 压缩点，输出功率为输出1d b 压缩点。为保证l n a 具有足够高的 线性度，设计时应使输入l d b 压缩点高出系统最大输入信号功率约3 - 4 d b 。三阶 互调点是用来描述系统受到三阶互调的影响程度，它是理想的一阶输出曲线和理 想的三阶输出曲线的交点。该交点对应的输入信号功率为输入三阶互调点i i p 3 ， 对应的输出功率为输出三阶互调点( o u t p u tt h i r do r d e ri n t e r c e p tp o i n t ，o i p 3 ) 。如 果电路存在奇数阶非线性，当相邻信道存在两个干扰信号，假设信号频率分别为 c o 。和，那么这两个干扰信号在奇数阶非线性作用下，会产生两个三阶互调积成 分。这两个成分的频率分别为2 。一和2 0 。- - c o 。它们叠加在有用信号上，就会 造成干扰。l d b 压缩点和i i p 3 的值越大，说明电路的线性度越好。 对于一个多级级联系统，每一级的非线性和系统总的非线性之间的关系可以 用下面的公式来表征： 鬲1 * 南+ 南+ 饼+ ( 2 6 ) 鬲2 面西+ 面西+ 面西 “ u 1 0 其中a 。表示每一级电路的电压增益，( 1 l p 3 ) n 表示每一级电路的i i p 3 。由公式 ( 2 1 6 ) 可以看出，一个级联系统的i i p 3 小于每一级的i i p 3 。由于进入后级电路的 输入信号经过了前面各级电路的放大，因此后级系统的线性度也要求更高，即i i p 3 的值更大1 4 9 。 2 3常见的c m o s 低噪声放大器电路结构 目前常见的c m o s 低噪声放大器电路结构中，能够提供电阻性输入阻抗的结 构主要有四种，分别是：输入端并联电阻共源结构、并联一串联反馈结构、源简 并电感共源结构和共栅结构，见图2 1 1 。 ( a ) 输入端并联电阻共源结构 ( b ) 并联一串联反馈结构 1 8 硕i j 学位论文 ： ( c ) 源简并电感共源结构( d ) 共栅结构 图2 1 1 常见的四种低噪声放大器结构 图中r 。均表示信号源内阻，r f 表示反馈电阻，r l 表示漏极负载电阻，r e 表 示源极电阻，l s 表示源极电感，l g 表示栅极电感，z l 表示漏极负载阻抗，z 。表 示源极阻抗，z i n 表示等效输入阻抗，v b 表示偏置电压，v 叫表示输出电压。这些 结构都可以提供合适的功率和增益，但在噪声系数和输入匹配等方面会有所不同 【5 6 】 o 图2 1 1 ( a ) 是输入端并联电阻共源结构。通过在m o s 管栅极并接一个电阻尺。 实现输入阻抗匹配。设r 为5 0q ，令r 口= r 。，就可得到阻抗的实部匹配。忽略栅 漏电容c 一的影响，可求得该结构的输入阻抗： z i n = r 刘c 伊 ( 2 1 7 ) 在栅源电容c ，。较小的情况下可以达到较好的阻抗匹配。该结构的电压增益为： a v 一气衣( 2 1 8 ) 其中g 。为放大管m l 的跨导。 若仅考虑沟道电流热噪声，可以得到该放大器的输出噪声功率： n 。“f = k t r 5 9 三尺上鲈+ k t r p 9 2 r + 4 k t w , d o 尺工a f ( 2 1 9 ) 其中y 为体阈值参数，劭。为= 0 时m l 的跨导值。 信号源内部阻抗产生的噪声功率为： n r ，= 五巩g 。2 v ( 2 2 0 ) 如果输入端没接尺，输出噪声功率中将不会有k t r ，g 。2 r 。v ，可以得到放大器 的噪声因子为： f ：n o u t ：l + 上l ( 2 2 1 ) n r 占 ag m r s 其中a = g m g a o 。 输入端接入尺p ，且r p = r s 时，放大器的噪声因子为： 1 9 f ：兰盟：2 + 4 y 上 f 2 2 2 ) n r s ag m r s 由公式( 2 2 1 ) 和( 2 2 2 ) 可以看出，r 。不仅引入了自身的热噪声，还使输入信号 在进入m o s 管之前出现衰减，这将导致更高的噪声。 图2 1 1 ( b ) 为并联一串联反馈结构。并联一串联反馈可以使放大器的输入阻抗 和输出阻抗相当宽的频带内保持恒定。双环反馈还降低了放大器对器件参数变化 的敏感性，提高了放大器的线性度。并联一串联结构的小信号等效电路见图2 1 2 。 图2 1 2 并联一串联结构的小信号等效电路 在输入端a 点处加入一个测试电压，设电阻r e 3 = 电压为k ， g m 咯= g m 吆一k ) ：且 式中表示电阻栅源电压。 从而可以得到 2 焉g m 忑r e m l 管的漏极电流屯为： i d = g m 嗨2 瓦g 历m k e v i n2 9 埘 那么就有： ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 其中g 肌谚2 瓦g m 忑。 根据基尔霍夫电流定律，还可以得到： 竽：百l o u t p ( 2 2 6 ) 一= 一十p ”y i ，hl r fr l “l 吼“1 、 。 由公式( 2 2 4 ) 一公式( 2 2 6 ) ，可求得放大器的电压增益： 2 0 硕十学位论文 俨等i n = 警4 - = 等擎 亿2 7 ， l 生 一，l 吃 该放大器的输入阻抗为： 2 面r f 。丽r f + r l ( 2 2 8 ) 输出阻抗为： 尺刎= 丽r f + r s ( 2 2 9 ) 由公式( 2 2 8 ) 和( 2 2 9 ) ，可以看出当r s = r 时，r 加= r o u ，。选定合适的反馈电 阻尺。，可以同时满足输入匹配和输出阻抗匹配，因此这种结构放大器应用很广泛。 但是该结构引入了多个电阻，不可避免的产生更多的热噪声，对整个放大器的噪 声性能影响很大。 图2 11 ( c ) 给出的放大器结构是源简并电感型共源结构，这种结构是目前应用 最普遍的低噪声放大器结构。它利用源简并电感可以得到具有正实部的输入阻抗。 该结构的小信号分析模型如图2 1 3 所示。 怎蒜 h j v v v 一乔翮 f o 0 0 1o 。( t 。 ) v s 上 图2 1 3 源简并电感型共源结构小信号分析模型 由图2 1 3 司以求得该放大器的输入阻抗： 毗专1 等户 娟g “一+ 瓦 其中c g s 为m o s 管的栅源电容，c o r 为m o s 管的截止频率， 詈申乐有关。 2 1 ( 2 3 0 ) 与m o s 管的偏 超宽带低噪声放大器和混频器的韧f 歹与议计 由公式( 2 3 0 ) n - 矢1 ：1 ，源极电感t 引进了输入阻抗的实部，l g 和巳构成一个谐 振网络。调节厶使嘶厶= r 。，然后调整l g 和m o s 管参数，使l c 网络谐振在工 作频率点，就可以得到输入阻抗虚部为0 ，从而实现阻抗匹配。但l c 网络只谐 振在有限的带宽内，极大地限制了放大器的工作带宽。由于理想电感不会引入额 外的热噪声，消耗较多的直流功耗，因此放大器还可以在较低的功耗下获得较优 的噪声性能。 图2 1 1 ( d ) 为共栅结构，该结构利用共栅管的输入阻抗来达到输入阻抗匹配的 要求。该结构输入阻抗的实部为共栅管的阻抗，即1 g 。当1 g 朋= r ，且输入阻 抗虚部( 由共栅m o s 管的源极寄生电容和信号源阻抗引起) 不是很大时，即可 实现阻抗匹配。又因共栅m o s 管位于放大器电路的第一级，其噪声性能对整个 放大器电路的噪声性能影响很大。在输入输出端端口匹配的前提下，共栅级的噪 声因子为： ，、一 f l + ! 坚垡q 丝丕 4 k t r s( 2 31 ) ：1 羔 a 其中r 。为信号源阻抗实部，为m o s 管m l 的跨导，4 k t y g d o 为m o s 管m l 产生的电流。对于长沟道m o s 管器件，y 2 3 ，a l ，对于短沟道m o s 管器件， y 会增大，口 l ，通常yl a 2 。当电路工作在高频时，共栅管中存在的各种寄生 参数和源端所接偏置阻抗所引入的噪声都导致低噪声放大器的噪声性能下降。此 外，为了实现输入匹配，共栅管的跨导可调范围较小，能够提供增益有限，因此 共栅结构常常采用了多级放大结构。 2 4 小结 本章首先简要介绍了低噪声放大器性能要求，然后详细分析了低噪声放大器 设计中采用的性能参数，给出了s 参数的定义和物理意义、分析了放大器电路中 的主要噪声源并给出了噪声系数的定义。接着介绍了目前文献中常采用的增益可 调的方法，然后对放大器电路线性度的表征参数l d b 压缩点和三阶互调点进行了 定义。最后对常见的c m o s 低噪声放大器电路结构( 输入端并联电阻共源结构、 并联一串联反馈结构、源简并电感共源结构和共栅结构) 的增益和噪声性能进行 了详细分析，指出了每种结构存在的优缺点。 2 2 硕卜学位论文 第3 章混频器基本原理和性能分析 混频器是无线收发机射频前端中一个重要的部件。在发射机中，它在功率放 大器之前，将中频信号搬移到射频段上，实现上混频。在接收机中，它在l n a 之后，将l n a 放大之后的射频信号搬移到中频频段，实现下混频。下面以下混 频器为例分析混频器的原理、性能和电路结构1 4 9 】。 3 1 基本原理 混频器在本质上是一个乘法器，混频的过程实际上就是将两个输入信号在时 域上相乘，在频域上表现为两个信号的频率相加和相减，在输出端口输出含有和 频分量和差频分量的信号。理想混频器的示意图如图3 1 所示。 乏1 c ! o s o 。n p t o ? _ 一卜ixl _ - 卜 ky k p m 图3 1 理想混频器的不意图 若设射频信号v 盯为： = c o s o ) n f t 本振信号v 加为： = c o s 0 9 l o t 可以得到中频信号v ，f 为： ( 3 1 ) ( 3 2 ) v f f2v 秽r f = 圪f ) c o s o ) l o t c o s c o n p t ( 3 3 ) = 圭【c o s ( 灯一加) + c 。s ( ( - o n e + ( - o l o ) 】， 相乘之后得到的差频分量l 胙一加i 经过后级滤波器分离出来即为中频信号 v 俨。但是混频器并不能完全工作在理想状态，它只是一个能完成相乘功能的非线 性电路。它在实现信号相乘的同时，将射频信号、本振信号和夹杂在其中的干扰 信号通过其非线性特性产生的高次方项产生组合频率，若这些组合频率落在中频 频带范围内，就成了噪声，会干扰有用信号。因此在混频器设计时应尽量提高混 超宽带低噪声放大器和混频器的研究与设计 频器线性度，减小干扰。 根据混频器电路的实现方法，可将混频器分为平方律型混频器和乘法器型混 频器【4 9 1 。 3 1 1 平方律型混频器 平方律型混频器是利用器件的i v 方程满足平方律方程，通过方程中的平方 项实现相乘。我们以一个长沟道m o s 管构成的混频器电路为例，如图3 2 所示。 v b b s 图3 2 由单个m o s 管构成的混频器 m o s 管m l 的i v 方程满足平方律方程，其漏极电流l 满足 厶：j 1 。w r 、v 伊一巧) 2 ( 3 4 ) 其中p 为器件表面迁移率，c 硝为单位面积栅氧化物电容，为有效沟道宽 度，三为有效沟道长度。 把射频信号和本振信号都加在栅极，则可得 侈= v r f + v l o + r b z a s ( 3 5 ) 将式( 3 5 ) 代入式( 3 4 ) 可得 詈s 一吁) 2 + o r f + v l o ) i 2 + 2 0 r f + v l o x v b i a s 一吁 等s 一吁) 2 + 2 ( v r f + v l o x v b i a s 一吁) + v 知+ v 呈。+ 1 ( 3 6 ) i r f v l oj 若v 肛和v l d 均为正弦型信号，设v 盯= c o s 0 ) 肼，v = c o s o ，则公 式( 3 6 ) 可改写为 j 朋 办 硕士学位论文 ，d ：丢心似_ w s 一吁) 2 + 2 ( c o s ( o r f t + v l oc o s o j l o t 耽朋s 一吁) + v r f c o s ( 0 r f t ) ；2 + v l o c o s c o l o t ) 2 + 2 v r f c o s c o r f t v l o c o s o l o t j = 心似了w s 一吁) 2 + 2 c o s o ) r f t + v l oc o s a o l o t s 一吁) + c o s ( o r f t ) 2 + ( v l o c o s t o l o t ) 2 + 2 v r f v l 0 【c 。s 0 l o - r f ) + c o s ( ( o l o + 。r f ) l j ( 3 7 ) 由式( 3 7 ) 可看出，j 包含有直流成分、基频成分、和频和差频成分和二次谐 波成分。该电流通过晶体管漏极所接的谐振负载转换为电压信号。通过交流耦合 滤除直流成分之后，在选用合适的滤波器即可得到比较纯净的中频输出信号v 伊。 3 1 2 乘法器型混频器 乘法器型混频器是先将射频r f 电压信号转变为电流信号，然后在电流域内 与本振l o ( l o c a lo s c i l l a t o r ) 信号相乘，得到中频i f ( i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y ) 信号分 量。乘法型混频器电路常采用吉尔伯特( g i l b e r t ) 乘法器结构。图3 3 给出了一个典 型的吉尔伯特混频器电路结构，m 5 、m 6 组成跨导级，其作用是将输入r f 电压信 号转换成电流信号。m l 、m 2 、m 3 、m 4 在l o 信号的控制下交替开和关，实现频 率变换。 图3 3 吉尔伯特混频器电路结构 如果本振信号电压足够强，m l 、m 2 、m 3 、m 4 可近似为理想开关，则混 2 5 设计 ( 3 8 ) 方波信号，t 为跨导管m 5 ， ( 3 9 ) sin(krr2) ( 3 10 ) k x 4 、 对于跨导管m 5 ，m 6 ，其输出电流为 2 i s 2g m v r f c o s t o p o i g 朋= g i n 5 = g i n 6 ( 3 1 1 ) 由此可以得到吉尔伯特混频器的输出电流为： j o = g m v r f 喜警 c o s ( k z o z o + ，+ c o s ( k 0 9 w - c o 肚，】 ( 3 1 2 ) 从公式( 3 1 2 ) 可以看到，输出电流中含有所需的差频分量1 0 3 l o 一国腰i 和其他谐 波分量，经过滤波之后可以得到所需的中频分量： 0 = g m ，脬兰c o s h d 一脬，= g m v r f3 c o s 俨f( 3 1 3 ) 吉尔伯特混频器又称为双平衡混频器，即射频信号，本振信号均采用差分输 入的形式，l o ，r f ，i f 端口之间具有良好的隔离度，并且增益较高，是目前超 宽带电路混频器领域研究最广泛的结构。 3 2 混频器性能指标 混频器是无线收发机中的核心模块，它的性能对整个系统的性能影响很大。 混频器性能指标不仅包括转换增益、线性度、噪声系数、输入输出匹配等，还有 端口隔离度和镜像抑制等混频器特有的性能指标【4 9 1 。在设计时，我们要先弄清楚 各项性能的含义以及表征方法。 3 2 1 转换增益 混频器的转换增益，定义为输出中频信号大小和输入射频信号大小之比。电 压转换增益a 矿和功率转换增益g ，分别为 a v = v l f ( 3 1 4 ) 2 6 硕1 二学位论文 g p = 誓 ( 3 15 ) p 、 其中v ，肛分别为中频输出信号和射频输入信号电压，分别为中 频输出信号和射频输入信号功率。 由于射频端口的阻抗和中频端口的阻抗不同，功率增益和电压增益的关系为 g p = 毒= 躲r s = 彳堕r l ( 3 1 6 ) ， 、7 其中r s ，r 分别为信号源阻抗和输出负载阻抗。 对于吉尔伯特混频器，当l o 信号的幅度足够大，混频器中的开关对管工作 在理想开关状态时，根据式( 3 1 3 ) 有 v l f2 l f r l = g 。v 盯二c o s 伊，吃( 3 1 7 ) 2 g m r 产c o s c o ( f t v r f 从而得到 4 ：堡：三g 。r v r f 冗 ( 3 1 8 ) 此处为混频器跨导级的跨导值，尺为混频器电路的负载阻抗，为中频 信号频率。 由公式( 3 18 ) 可看出，吉尔伯特混频器的电压转换增益与跨导级的跨导值和混 频器负载阻抗有关。增加跨导或者提高负载可以有效提高混频器的转换增益。 转换增益反映了射频输入信号到中频输出信号衰减或放大的程度。根据转换 增益是否大于1 ，混频器可分为两大类：转换增益小于1 为无源混频器，转换增 益大于l 为有源混频器。无源混频器具有较大的线性范围和传输速度，有源混频 器能提供一定的增益，可以有效降低混频后各级噪声对接收机总噪声的影响【4 9 1 。 3 2 2 失真和线性度 通常混频器的输入信号能量都比较高，当输入信号幅度增强时会存在非线性 失真的问题。因此混频器必须具有较高的线性度，它决定混频器能处理的信号的 最大强度。 与低噪声放大器类似，混频器的线性度也用1 d b 压缩点，三阶互调点和线性 动态范围等指标来描述【55 1 。1 d b 压缩点定义为变频增益下降l d b 时相应的射频信 号输入( 或输出) 功率值。三阶互调点i p 3 定义为三阶互调产生的中频分量与有用 中频相等时的射频信号的输入( 或输出) 信号功率，在混频器中常用i i p 3 做参考。 线性动态范围定义为1 d b 压缩点与混频器的基底噪声之比为混频器的线性动态范 2 7 超宽带低噪声放人器和混频器的研究与设计 围，用d b 表示。如果输入l d b 压缩点和输入三阶互调点都主要是由三阶非线性 引起，那么i i p 3 会比输入l d b 压缩点高约9 6 d b ，在实际设计中通常为10 15 d b 。 对于超宽带混频器，i i p 3 的值通常要求高于1 5 d b m 。 进入混频器的射频信号经过l n a 放大后，信号强度肯定会比进入l n a 的输 入信号强度要大，因而对混频器线性度的要求比对l n a 要求的要高。混频器的 线性度优化时要根据混频器电路的实现方法进行。对于平方律型混频器，需要提 高其混频管的平方律特性；对于乘法器型混频器，应该尽量改善跨导级m o s 管 的i v 特性，使之呈线性关系【4 引。 3 2 3 噪声性能 下混频器通常位于低噪声放大器之后。由于l n a 已经提供了一定的增益， 因此对下混频器的噪声要求不像对l n a 那么苛刻。但混频器自身通常会引入很 大的噪声，为降低对前级l n a 增益的要求，下混频器也需要具有较低的噪声系 数。对于下混频器来说，存在两种类型的噪声系数：单边带噪声系数( s i n g l es i d e b a n dn o i s e f i g u r e ，s s bn f ) 和双边带噪声系数( d o u b l e s i d eb a n dn o i s e f i g u r e ，d s bn f ) 。下变频产生的中频信号的频率只与射频信号、本振信号频率之 差的幅度有关系，射频信号和它的镜像信号都会被变换到相同的中频频带上。假 如镜像信号频带位置没有存在有用信号，那么测得的噪声系数为单边带噪声系数； 反之存在有用信号则为双边带噪声系数。通常对同一个混频器来说，s s bn f 要 比d s bn f 高约3 d b f j 。 i fr fl o2 l o 3 l o 频率 图3 4 混频过程中的噪声转换 相比低噪声放大器，混频器的噪声系数往往要高很多。这是因为除了射频信 号，中频信号里还可能存在混频过程中混合进来的其他频率的噪声，如图3 4 所 示。由于混频电路存在非线性，本振信号也可能产生高阶谐波成分。这些谐波成 分与其它频带内的噪声混频之后也位于中频频带内。这些噪声会导致混频器的噪 声性能更加恶化。 3 2 4 端口隔离度 端口隔离度是混频器电路一个很重要的指标。混频器有三个端口，分别是射 频端口，中频端口和本振端口。由于混频器的本振信号和射频信号信号强度较大， 2 8 硕 ：学位论文 易于泄露到其他端口，干扰电路性能，因而要求混频器的各端口之间的隔离度要 好。若本振信号泄漏到中频端口，本振信号的噪声会导致整个混频器的噪声提高， 而且功率相对较大的本振信号可能阻塞中频信号。如果本振信号泄漏到了射频端 口，本振信号就有可能通过天线被发射出去，导致周边接收机形成带内干扰。这 些本振信号还可能从射频端口进入混频器中与本振信号再次混频，出现“自混频” 现象，产生直流分量，造成直流偏移。如果射频信号泄露到了本振端口，则会干 扰本振信号，影响电路的正常工作。若是射频到中频的隔离度不高，则可能将混 频器之前电路的直流分量传输到中频端口，也会形成直流偏移。基于以上原因， 端口隔离度成为混频器设计中不得不考虑的一个性能指标。吉尔伯特混频器因其 固有的较高端口隔离度的特性而成为混频器电路设计中倍受青睐的电路结构【4 9 1 。 3 3 超宽带吉尔伯特混频器的优化技术 传统的吉尔伯特混频器常用于窄带领域。在超宽带领域，由于工作频率很高， 频带很宽，因而需要对传统吉尔伯特混频器进行优化才能应用于超宽带领域【57 1 。 现有文献已经提出了许多基于吉尔伯特结构的优化电路。下面介绍针对超宽带混 频器性能提出的几种典型优化技术。 3 3 1 带宽拓展技术 良好的输入匹配对减小输入信号反射，降低噪声，改善增益平坦度都十分重 要。为了实现在超宽带内的输入匹配，常见于分布式混频器中的l c 梯形网络被 广泛用超宽带吉尔伯特混频器的射频端口或者本振端口 4 0 , 5 8 , 5 9 】。 图3 5 采用l c 梯形网络作匹配的混频器电路结构 文献 5 9 提出的混频器电路结构见图3 5 。该混频器电路结构的射频端口和本 实现 混频 注入 了一 又不 噪声 大的 主要 为并 如图 达到 硕i ：学位论文 图3 7k i h w ac h o i 等提出的混频器电路结构 3 3 4 电流复用技术 电流复用技术主要被用在吉尔伯特混频器的跨导级，旨在进一步降低电路功 耗，提高混频器增益【4 0 , 6 6 , 6 7 】。文献【6 6 】将传统跨导级的单个m o s 管改为c m o s 反 相放大器，提高了跨导级的跨导值，有助于提高电路的增益，改善噪声性能。电 路结构见图3 8 。同时还注意到该电路也采用了l c 梯形网络实现输入匹配。在 3 1 8 g h z 频带了混频器增益达到了l3 5 15 5 d b ，双边带噪声为1 1 1 4 5 d b 。 图3 8 采用了电流复用技术的混频器电路结构 3 3 5 负反馈技术 源极电感负反馈技术不仅可以实现电路的输入匹配，还被广泛用来改善吉尔 伯特混频器的线性度。随着工作频率的提高，吉尔伯特混频器跨导级和本振级 3 l 超宽带低噪声放人器和混频器的研究与设计 m o s 管的寄生电容会导致电路的转换增益、噪声性能和线性度恶化。加入谐振电 感则可以抵消寄生电容影响，提高噪声性能和线性度等。2 0 0 6 年p e t e rp a l i w o d a 采用了源极电感反馈技术，在跨导级m o s 管的源极和漏极各串联了一个电感， 噪声和线性度得到明显提高。该混频器在1 8 v 电压下，在3 1 4 9 g h z 频带内的 单边带噪声为5 d b ，i i p 3 为o 7 9 d b m ，电压增益1 7 7 d b ，功耗为8 1 m w t 3 8 】。由于 电感在不同频率处阻抗不同，在较大带宽内源极电感会导致混频器转换增益波动 过大。2 0 0 8 年d e l o n g 改用了源极电阻反馈技术【6 ，结合电流注入技术，设计了 3 1 4 9 g h z 的u w bm i x e r ，其i i p 3 为1 2 4 d b m ，电路结构如图3 9 所示。 v f i n 图3 9d e l o n g ；f l l 用电流注入和源极电阻反馈技术设计的u w bm i x e r 3 3 6 负载优化技术 常见的吉尔伯特混频器负载可分为无源负载和有源负载。 电阻是常见的无源负载，增大负载电阻值可有效提高混频器负载，但同时会 提高对供电电压的要求