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c m o s 射频前端接收器电路设计 摘要 摘 要 近年来，随着无线通信技术的快速发展，相关领域的专用集成电路的设计研究 备受关注;伴随着半导体工艺技术的不断进步， mo s 器件的特征频率 ( f t ) 可达几 个g h z 甚者更高的水平， 原来在射频和微波领域内占主导地位的三五族化合物半导 体工艺如砷化稼 ( g a a s )以及硅双极型工艺正在逐步被 c mo s工艺所代替。采用 c m o s 工艺进行射频电路设计的一个好处是， 使得模拟射频收发器电路和基带信号 处理电路由同种工艺实现， 迎合了单片系统集成 ( s o c )的发展趋势。 因为低中频结构接收机 ( l o w - i f a r c h i t e c t u r e r e c e iv e r )能够避免在信号处理过 程中使用分离器件，提高系统的集成度;而且，从信号处理角度来看，采用了多相 信号和多通路的处理方式，能抑制镜像信号，所以，我们选择低中频结构接收机为 所设计系统的结构。 依照t o p - d o w n 的 设计流 程， 我们对工作 进行了 缤密地规划: 首先对 接收机结 构进行了比 较分析，确定低中频接收机为系统使用的结构并使用 a d s对其进行了 仿真验证: 在此基础上， 对低噪声 放大器 ( l o w n o is e a m p l i f i e r ) ， 下变频混频器 ( d o w n - c o n v e rt e d m ix e r ) ，复数域滤波器 ( c o m p l e x b p f )和可变增益放大器 ( v a r i a b l e g a i n a m p l i f ie r ) 进行了 设计，同 时对片上电 感进行了 较为深入的 研究; 最后， 对部分模块进行了流片 测试，并且对测试结果 进行了仔细分析。 本论文着重对混频器和电感进行了 叙述:一方面，设计并仿真了多种结构的混 频器电路 在对仿真结果进行了比 较中阐述了各种结构的优缺;另一方面，在电感 等效模型和损失模型介绍的基础之上，对测试电感和测试电路的设计和测试进行了 详细描述，并对测试和仿真结果进行了比 较分析 关键字 变频混频器 c m o s 射频集成电 路， 低中频接收机， 镜像抑制， 低噪声放大器， 下 多相位滤波器，可变增益放大器，片上电感等。 第i 页 c mo s 射频前端接收器电路设计 ab s t r a c t ab s t r a c t b e c a u s e o f t h e r a p i d d e v e l o p m e n t o f t h e w ir e l e s s c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , t h e d e s ig n a n d r e s e a r c h o f t h e in t e g r a t e d c ir c u i t s i n t h e r e la t e d f ie l d h a s g a i n e d m o r e a n d m o r e a t t e n t i o n i n r e c e n t y e a r s . a n d w it h t h e a d v a n c e o f t h e i c p r o c e s s t e c h n o l o g y , t h e c u t - o f f f r e q u e n c y ( f t ) o f m o s d e v ic e s c a n r e a c h s e v e r a l g i g a - h e r t z o r m o r e . i t i s s u r e t h a t c m o s p r o c e s s w i l l b e r e p l a c in g t h e i i i - v c o m p o u n d p r o c e s s s u c h a s g a l l i u m a r s e n i d e ( g a a s ) o r s i l ic o n b i p o la r p r o c e s s t h a t w e r e d o m in a n t i n t h e fi e l d s o f r a d i o f r e q u e n c y ( r f ) a n d m ic r o w a v e . s i n c e b a s e - b a n d s i g n a l s a r e p r o c e s s e d i n t h e d i g i ta l d o m a i n , a n d n e a r l y a l l d i g i t a l in t e g r a t e d c ir c u it s a r e m a n u f a c t u re d u s i n g c m o s t e c h n o l o g y n o w a d a y s , i f r a d i o fr e q u e n c y c i r c u it s a r e a l s o d e s i g n e d a n d m a n u f a c t u r e d u s i n g c m o s , it i s p o s s i b le t o in t e g r a t e b o t h t h e r f a n a l o g p a r t a n d b a s e - b a n d d i g it a l p a r t i n o n e c h i p . t h i s i s a t t r a c t i v e , a n d a ls o i n c o n f o r m it y w it h t h e d e v e l o p m e n t t e n d e n c y o f s i l i c o n o n a c h ip ( s o c ) t h e d e s i g n p r o c e s s e s o f s e v e r a l k e y b u i ld in g b l o c k s a r e p r e s e n t e d i n t h i s t h e s is . t h e r e c e i v e r e m p l o y s l o w - i f a r c h i t e c t u r e , p o ly - p h a s e s i g n a l a n d m u l t i - c h a n n e l p r o c e s s in g t o r e a l i z e h ig h - f r e q u e n c y a n a l o g s i g n a l p r o c e s s . i n o r d e r t o r e d u c e t h e i m p a c t a r i s in g f r o m c o m m o n m o d e n o i s e , f u l l y d i ff e r e n t i a l c i r c u i t s a r e p r e f e r r e d . a c c o r d in g t o t h e t o p - d o w n d e s ig n fl o w , w e d e s c r i b e o u r w o r k in t h e s e q u e n c e t h a t : t h e a r c h it e c t u r e s o f r e c e i v e r s , t h e b e h a v io r a l v e r i f i c a t io n o f t h e r e c e i v e r , l n a d e s i g n , d o w n - c o n v e r s i o n mix e r d e s i g n , o t h e r b u i ld in g b l o c k s ( p o ly - p h as e f i l t e r a n d v g a ) d e s i g n , o n - c h i p s p i r a l i n d u c t o r d e s i g n , a n d s o o n . k e y w o r d s : c m o s r f i n t e g r a t e d c i r c u it s , l o w - i f r e c e i v e r , i m a g e r e j e c t io n , l o w n o i s e a m p l i f ie r , d o w n - c o n v e r s io n m ix e r , p o ly - p h a s e f i lt e r , v g a , o n - c h ip i n d u c t o r 第 1 1 页 c m o s 射频前端接收器电路设计第一章 绪论 1 . 2课题研究的目 标与思路 众所周知，应用于个人无线通信领域的手持设备需要具备以下特点:高性能， 低功耗和低成本。现今，巨大的市场需求和技术的快速进步已成为个人无线通信产 业发展的重要推动力。 由于具有良 好的高频性能，双极型工艺和砷化稼工艺一直是模拟射频前端电路 的主流工艺:然而，工艺的非兼容性使我们无法将射频模拟前端电路和数字基带处 理电路集成在同一块芯片上。随着c m o s 工艺的飞速发展，其特征频率 ( 价 ) 大大 提高，足够满足大部分通信电路的要求:又因为电路实现所使用的工艺相同，使得 数模电路的单片集成成为可能;加之c m o s工艺低成本的特点， 现今在c m o s工 艺上实现模拟射频前端收发电路得到了广泛的关注。然而，受限于国内较落后的工 艺制造水平，从事无线通信电路领域研究的科研单位和公司，其工作主要集中在基 带数字信号处理芯片的研究，射频前端模拟电路部分很少涉及。 我们尝试着探寻用 c m o s 工艺实现射频模拟前端电路的设计思路。 在此目 标的 指引下，我们开展了一系列针对性的工作。 在芯片的设计过程中，反映了作者的电 路设计思路，从对通信标准的理解，设计指标的理解，对接收机电路的结构分析比 较和验证，到对关键模块的设计，以 及对芯片的实现与测试等等。本篇论文对这一 过程给出了详细的叙述，整理并归纳了所获得的经验和教训。 1 . 3 r f 基础概念 射频电路工程师在进行电路 设计时，常常需要应用到关于信号与系统方面的理 论知识。本节中，着重对射频电路设计中常用的概念和术语进行描述，包括:非线 性和时变系统 ( n o n l in e a r i t y a n d t i m e v a r ia n c e s y s t e m ) .噪声 ( n o i s e ) 、失真 ( d i s t o r t i o n )等等。 1 .3 . 1 非线性和时变系统( n o n l i n e a r it y a n d t i m e v a r i a n c e s y s t e m ) 当 一个系统的 输出信号可以 用各个独立的输入信号的 线性组合 ( 或者叠加) 表 示时， 此系 统是线性的 系 统。 例 如， 设有一个 线性系 统， x , ( t ) 和 x 2 ( t ) 为两个独立输 入信号;信号经过系统后，对应的输出 信号分别为y i ( t ) 和y 2 ( t ) ,即: x i ( t ) 令y ( t ) i x 2 ( t ) 今y z ( t )( 1 一 1 ) 第2 页 c m o s 射频 前端接收器电路设计 第一章 绪论 因为系统为线性系统，所以对任何的常数a 和b ，可以得到: a x , ( t ) +b x 2 ( t ) 令a y , ( t ) + b y 2 ( t ) ( 1 - 2 ) 任何系统，如果它不能满足以上的条件表达式，则认为其是非线性系统。需要 注意，根据以上定义，当一个系统具有非零的初始值或者有限的偏置时， 我们同样 把它们视为非线性系统。 时不变系统的系统具有这样的特性:当 输入信号存在一个时间延迟时，其输出 信号出 现同 样的 时间延迟。 这可以 表示为， 如果x ( t ) 4 y ( t ) 为一个时不变系 统， 则 x ( t - r ) 4 y ( t - r ) ，二 为一 任意数值。 不 满足此特性的系统都定义为时变系统。 虽然非线性和时变都是非常明确的概 念，人们仍然在一些场合下混淆两者。例如， 图 1 - 2 ( a )为 一 个 开 关 电 路 ，其 中 v - , ( t ) = a ,c o s (o , t 为 控制 信 号， v j t) = a , c o s 6 ) , t 为 输 入 信 号; 当v , ,( t ) 0 时， 开 关闭 合， v j ,( t ) 0 时， 开关断开。 在图1 - 2 ( b ) 中， 输入和输出分 别为v . ( t ) 和 v . .,( t ) ， 此系统为非 线性的 时 变 系统;图 ! - 2 ( c ) 中 输入和输出信号分别为 v . a t ) 和v _ ( t ) ，为 线性的时变系统。 对于一个绘性时李系统夹说 ( 图 了 - 2的 卜 . 念户 川 t .;, 而丫|! 图1 - 2 ( a ) 简单的开关电路图: ( b 非 线 性时变系统; ( c ) 线性时 变系 统 ( c ) ) ， 其输出 信号中 可能 会出 现与输入信号频率不同的 频率分量。当 一个系统的 输 出 信号 不 受以 前输 入信号 影响 时， 我们 称 此系 统为 无记忆的 ( m e m o r y - l e s s ) 。 对 一 个线性无记忆系统，其输入输出关系可表示为: y (t ) 二 二 (t ) ( 1 - s ) 对非线性无记忆系统， 其输入输出 关系可以用多项式 ( 1 - 4 ) 表示: y ( r ) 二 a , + a ,x (t ) + a , x ( t ) + a , x (t ) + 一( 1 - 4 ) 1 . 3 .2 噪声 ( n o i s e ) 无线通信系统中，接收机所接收到的信号往往非常微弱;为了避免系统本身所 引 入的 噪声将信号“ 淹没” ， 在电 路设计中 需要尽量抑制其引 入系统的 噪声 量。 本节 将对噪声以 及其相关的概念和术语进行叙述， 并给出级联系统的噪声系数计算方法。 第3 页 c m o s 射频前端接收器电路设计第一章 绪论 1 . 3 . 2 . 1噪声 ( n o i s e )及噪声系数( n o i s e f i g u r e ) 通常认为噪声是和信号无关的随机千扰。主要有以下几种常见的噪声:热噪声 ( t h e r m a l n o i s e ) , l / f 噪声 ( 1 / f n o i s e ) ， 沟道噪声 ( c h a n n e l n o i s e ) 和散射噪声 ( s h o t n o is e )等等。在射频接受电路中，电阻热噪声和沟道噪声起主要作用。 热噪声是由于器件中电子运动的不确定性引起的，其表达式为: v 三 = 4 k t b r ( 1 - 5 ) 其中k 为b o lt z m a n n 常数， t为绝对温度， b是噪声带宽， r是热噪声电阻值 。 。 是等效的热噪声电 压。 沟道噪声是流过能结 ( e n e r g y b a r r ie r i= 2 q ! )的电流随机扰动的结果，其表达式为: ( 卜 6 ) 其中4 式电 荷量， i 是流过沟道的电 流值， i n 是等效的噪声电 流。 一个电路模块的噪声性能常用模块的噪声因素 1 。 对n o i s e f a c t o r 进行对数变换， 得到模块的 噪声系数 ( n o i s e f i g u r e ) ， 简记为 n f( 单位: no i s e d b) : f i g u r e ”1 0 l o g j r ( n o i s e f a c t o r ) ( 1 - 8 ) 1 . 3 . 2 . 2灵敏度 ( s e n s i t i v i t y ) 灵敏度通常被定义为:对特定应用中的接收机，其输出信号满足一定信噪比条 件下，可以检测出的最小输入信号值 ( 常以d b m作为单位衡量) 。 在射频接收机应用中， 其输入端需要对阻 抗进行匹配以 便传输的能量最大。 如 图1 - 3 所示， 当 接收机输入阻 抗 ( r ;7, ) 与 信号源 输出阻抗 ( r s ) 匹配时， 应该以v s 第 4页 c m o s 射频前端接收器电路设计 第 一 章 绪论 还是 v ;。 来衡量接收机的灵敏度? 在实际应用 中， 几乎所有的射频接收机输入端都匹配到5 0 欧姆，因此我们常常以传输到射频接收机输入 端的信号能量来衡量接收机的灵敏度。 如g s m 标准规定的接收机灵敏度为一 1 0 2 d b m , d c s 1 8 0 0 标准规定的接收机灵敏度为一 1 0 0 d b m等等。 由噪声系数的表达式可以推算出输入信号 灵敏度的表达式: 、 _ s n r .， p ,;， / p a s 入 厂 厂=二 二 二 三 竺 =一 二 生 二 二 兰 立 s n r , , s n r _ 其中p s ig 为 输入 信号 能 量， p x s 源电 阻 噪声 能 量， 对于带宽为b的信道有: r e c e i v e r v s 图卜 带信号源的接收机输入端 ( 1 - 9 ) 且两者的带宽都取单位带宽。 只 ,8 .m ， 二 凡 、 n f, s n r , . , b 对 ( 1 - 1 0 )取对数，可以得到: p , ,。 , i ., = p . i d8,1 h z + n f i da + 二. ; id8 + 1 0 lo g b 其中，b的单位是h z . ( 1 一 1 0 ) ( 1 - 1 1 ) 1 . 3 . 2 . 3级联系统的 噪声系数 ( n o i s e f i g u r e o f c a s c a d e d s t a g e s ) 图 1 - 4为一级联网络示 意图， n e t w o r k l 和n e t w o r k l 为两个组成模块，其噪声系 数和能量增益分别为:( f 1 , g , )和 ( f 2 , g 2 ) 。其输入 端的总噪声系数f i t 为: s i g n a l s o ur ce ne t wo r k 9 o u t p u t c i r c u it 图1 - 4二级联网络示意图 ; ， 一 ; 十 (f 2 - 1)( ， 一 ， 2 ) 鱿 由 式 ( 1 - 1 2 ) 可以 推广到n 个 模块组成的电 路网 络， 其噪声系数表达式为 第 5 页 c mo s 射频前端接收器电路设计第一章 绪论 f _ 一 f , 十 (f - 1) 十 g 1 ( f一 1 ) 十 一( 1 一 1 3 ) ，m。 1 .3 . 3非线性失真 ( d i s t o r t i o n ) 模块的噪声特性决定了其可检测到的最小信号强度，即模块的灵敏度，而它的 非线性特性则决定了电路可以接受的最大可处理信号强度。综合而来，以上两者决 定了 模块的动态接受范围。本节将对电 路非线性特性相关的概念和术语进行叙述， 并给出级联系统的线性度计算方法。 1 .3 .3 . 1相关的概念和术语 我们常用线性模型( l i n e a r m o d e l ) 来近似模拟电路模块在小信号输入条件下的 输出响应;当输入信号不断增大的过程中，电路模块的非线性 ( n o n - l i n e a r ) 特性 显得越来越重要，而且常常伴随着许多有趣的现象。为方便起见，我们对无记忆时 变系 统 ( m e m o r y l e s s , t i m e - v a r i a n t s y s t e m s ) 进行分析，且假设其输入输出 信号 间关系为: a t ) 二 。 ,x ( t ) + a , x ( t ) + a , x (t ) ( 1 - 1 4 ) 1 谐波分量 ( h a r m o n i c s ) 设 输 入 信号 是 一 正 弦 波 信号 ， 二 ( t ) = a c o s co t 。 将 输 入 信 号 带 入( 1 - 1 4 ) 式 可 得: + a 1 a 厂11、 + y w = 3 a , a 4 耐 十 旦 上 丝 。 。 、 2 创 十 旦 兰cos 3 ca t( 1 - 1 5 ) = a , a cos ml+ a 2 a c o s t co t + c c 3 a 3 c o s 3 r) t 1 )对理想的全差分电路，y ( t ) 是 “ o d d s y m m e t r y ”的;但失配使电路的输出带 具有偶次谐波分量; 2 )当a 很小时，可以近似认为n 次谐波分量与a 成正比。 2 .增益抑制 ( g a i n c o i o n ) 对 ( 1 - 1 5 )的输入输出关系式来说:当输入信号幅值a很小时，输出的谐波分 第 6页 c mo s 射频前端接收器电 路设计 第一章 绪论 量常常省 略不记，电 路的 增益近似等于a , ; 随 着信号幅值a的增加， 由于电路模块的非线性， 其小信号增益随着输入信号能量的变化而变 o u tp ul e v e i o i p3 ， 。 a 兰乡 宁 广 一 lj f u n d a m e n t a l 化 其 增 益 “ !。 ，二 3 a 3 a 4 ) ， 一 般 情 “ 下 “ 小于0 ，当a增加时， 增益值将减小。 在射频 电 路中， 常常用1 d b抑制点( 1 d b c o m p r e s s i o n p o i n t ) 来衡量这种效应，其定义为:当电路模 1 d b尸 in p u tl e v e l c o mp r e s s i o n p o i n t 图1 - 5 1 d b抑制点和i i p 3 点 块小 信号增益降 低i d b时 所对应的 输入信号能 量为此电路模块的1 d b抑制点( 如图 1 - 5 所示) 。 3 . 钝化与阻 塞 ( d e s e n s it iz a t io n an d b l o c k i n g ) 设 输 入 信 号 为 :- (t) = a , c o s o x + a , c o s 、 其 中a , c o s w t 和a z c o s 、分 别 为 有 效信号和干扰信号，且a , 1 ghz 输出 信号最大值 ( o u t p u t s i g n a l c a p a b i l it y ) - 8 d bm 输入信号最大值 ( i n p u t s i g n a l c a p a b i l i t y ) 2 6 d b m - 1 3 d b m w i t h o d b g a i n i i p 3 - s d b m -o d b m ( 常取一 1 d b m ) nf w r r i 7 由于系统的非线性，两信号间交叉调制，生成的3 阶分量分别位于 ( 2 w , rt wr r i ) 和 ( 2 w - - w , 12 ) 频率点上。 通过对w . r ， w , rz , ( 2 w r r e w , n ) 和 ( mn w r re ) 进行分析， 可以 得到接收通路的t o i 和c 2 i 值， 其结果由 表2 - 7 所示。 由 于输入的 激励信号 都是理想的信号， 难免会带来较理想的结果， 因此我们需要对仿真的结果进行辩 证地接受，以此作为定性分析的一种尺度。 第 i s 页 c m o s 射频前端接收器电路设计 第二章 接收机结构选择与 行为级仿真 表2 - 7 t o i a n d c 2 i d i s t o r t i o n s i m u l a t i o n s ”仿真结果 2 . 5小结 本章首先简要地介绍了 g s m9 0 0标准;对几种常见的接收机结构进行了分 析和比较， 最终确定选择低中频结构为我们的接收机结构; 并且得到了一组组成 模块的性能指标值。在此基础上，我们用a d s软件对低中频结构的接收机通路 进行了行为级的仿真， 得到了收发机接收通路上各节点增益、 信号能量和噪声系 数的分布情况等等接收机性能指标，定性地验证了 所得的性能指标的 可行性。 第 均页 c mo s射频前端接收器电路设计 第二章 低噪声放大器设计 第三章 低噪声放大器设计 3 . 1引言 低噪声放大器 ( l n a )是射频接收机关键模块之一，其功能是:在抑制噪声影 响的同时， 对接收到的r f 信号进行放大。由于l n a直接与片外带通滤波器连接， 为了保证最大的能量传输效率， 我们需要考虑输入端阻抗的匹配问题。 本设计是“ 上 海一 应用材料研究与发展基金” 资助的项目“ 针对g s m标准的单片c m o s 射频前端 及接口关键 i p模块设计研究”中的一部分。此 l n a设计采用中芯国际 ( s mi c ) 0 . 1 8 u m数字标准c m o s 工艺: 使用安捷伦公司a d s 作为电路仿真软件;电路工作 电压为3 . 3 v ，中心频率为9 4 0 mh z ;为了满足片上测试的要求，电路的输入端和输 出端的阻抗都匹配到了5 0欧姆。 3 . 1 . 1 l n a的一般描述 对于采用低中频结构的接收机来说， l n a紧随天线之后， 是集成模块与分离模 块的接口电路。 因为在无线通信系统中， 我们所关心的是媒介实现的功率传输能力， 所以，我们需要从最大化的功率传输效率角度来对 l n a进行优化设计;同时，为 了提高信号的信噪比以改善信号的质量，我们需要增强电路对噪声的抑制能力。因 此， 对l n a的设计就是在满足能量传输效率最大的基础上实现低噪声的信号放大。 l n a对于无线接收机的重要性勿庸置疑， 因此有关其研究的学术讨论几乎无所 不在。总的来说， 对 l n a的设计就是对其 3 个相互联系的参数指标，电路增益、 阻抗匹配和噪声系数，进行权衡的过程。 3 . 1 . 2 l n a的设计指标 根据g s m9 0 0 无线通信标准，采用c mo s 工艺设计了的l n a ，由标准确定的 主 要设计指标由表 3 - 1 所示。 第 2 0 页 c mo s 射频前端接收器电路设 计 第二章 低1声放人7 0n 设计 表3 - 1 l n a设计指标 电路单元 指标 1 s d b-i a d b 低噪声放大器 噪声系数 输入阻抗 v , ) ， m o s 管的漏端电压应该取尽量小的值， ;一 一 一瑟 二 r 一 一 一 j n i 斗一 - 一 _一 - 图4 - 2高线性混频器 这样可以增大电路的输入信号幅度。 第二部分是直流偏置电路，用来提供m o s 管的栅压。此电路会对m o s 管线性工 作的输入幅度产生影响，也是关键的模块之一。一般情况下，为了保证m o s 的工作 状态以及尽量增加输入信号幅度，倾向于选取一个较大的偏置电压值。 第二部分由一个运算放大器构成。 它有2 方面作用: 一是用来实现信号由i -v 的转换， 并给输出信号提供适当的增益以及对输出信号进行滤波: 二是确保4 个m o s 管的漏电平相等，以保证混频器的线性性能。 此混频器的工作原理可由公式表示为: 第 2 9 页 c mo s 射频前端接收器电路设计第四章 棍独器的设计 毕 q x lvr,+ : 一 、 一 v, - 2i 一 v, ) x (vd 一 v,+,; ) (4-4 ) 几 一 j3 x v,o + v .onr - v,tr 一 。 - 12 (v i) 一 咧 x (vu 一 v,f ) (4-5 ) 几 一 ,3 x v,o + vco/ 二 一 。 _ l (vd2 一 、 习 4 1. 一 、 )(4 -6 ) i, 一 ,6 x lvf,o + 、 一二 一 v,. - 1 (v i)2 一 v a,. ) x (vn 一 、 )(4- 7 ) 犷工 ; 是流过 4 个 m o s 管的电流表达式:v o 、 是m o s 管栅极的偏置电压值。经过 交又祸合，其输出端得到输出电压为: v , u ， 一 v ,. ， 一 a x ( i , + 1 2 ) 一 (q , + i a ) ) ( 4 - 8 ) 其中八 为运放部分的增益值。 v , 一 v = a x ,6 x (v , , - v . ) x 4 - 4 )一 ( 4 - 7 )带入 ( 4 - 8 ) ，可以得到; 一 v . ( 4 - 9 ) 由此式可以看出， 其输出值为v rs i 和v 1, 的乘积。 经过这一运算可以得到i f 信号。 通过上面的叙述我们知道:此电路是属于无源混频器的一种，它具有很高的线 性度，但它的增益较低，噪声性能也比较差，不适合于我们所要设计的系统需要。 2 .传统的g i l b e r t 混频器 图4 - 3 所示为传统的g i l b e r t 混频器电路图，也是这次设计中所采用的混频器 电路图:它由g i l b e r t 单元和共源输入级共同构成，属于有源棍频:通过镜像电流 源m 、 - m , 为混频器提供偏置电流， 使晶体管都处于饱和工作区。输入 级用共源电路，因此这种结构的混 频器具有一定的转换增益 ( 即 c d ) ， 这对电路的噪声有一定的抑 制作用。 设计g i l b e r t 混频器时，我们 需要在转换增益、噪声系数和电路 线性度间进行权衡，这几点也是我 们衡量电路质量的重要设计指标。 未成_一_ 一 才 吮下、 , - r - p a 一 一 灭 嗦 下 一 飞面 目 - 一 - s .卧 一 箭一 经 艺; 乡畔 象 云 卜 蕊 暇 兰二 住二 乡卜恋 一 仁 二 军. 图4 - 3 g i l b e r t 型混频器电路图 第 3 0页 c m o s 射频前端接收器电路设计 第四章 混频器的设计 对下变频混频器来说 其转换增益卞 要由 射频接收端m 0 s 的跨导和 1 f 输出端的负载 所决定;噪声主要来源于开关m o s 晶体管以 及输入m o s 晶体管的沟道噪声，当然负 载电阻也带来一定的噪声分量;电路的线性度主要受输入级的跨导影响。对一个理 想的g i l b e r t 混频器来说，当其l o 信号为正弦波时，其主要的性能公式为: q = 兰 s - rb r l ( 4 - 1 0 ) i n ( f )1 i 9 l a l o v c f ) ( 4 - 1 1 ) v (f )a ( w 1 l )co 令 一厕从 zyr2 i . y , f 2nr ir2r ( 4 - 1 2 ) ( 4 - 1 3) v , . a : 2 , f 2 5 ( f o r 1 % t h d ) gnw 探探 崛 1 _ ( wl “ 2刘、 ( 4 - 1 6 ) 载值;1 。 g : 是混频器的电压转换增益: b . . r 1 为r f 级的跨导值; r为 ( f ) 为由开关级引入的输出噪声电流值:i o 为偏置电流值: 丫中 刀其 的幅度; v .对应于跨导级的输入信号范围; v 、 为当输出电 流的t h d 为 i f 输出端的负 a 。 为 l o信号 1 % 时， 所对应 的r f 输入信号值。由式 ( 4 - 1 0 ) ( 4 - 1 6 )可知，l o 信号的幅值a l ，直流偏置电 流值1 ,. 和r f 输入m o s 晶体管的跨导值b . . r， 等之间存在着相互制约的关系， 对混频器 的性能指标起着重要的作用。我们需要在这几个参数间进行取舍 ( 尤其是在电路线 隆 度和电路噪声之间存在着矛盾的关系) ，以便实现电路设计目 标。 3 .源极跟随器型混频器 图4 - 4 所示为一个源极跟随器型的混频器电路图。 从图可知， 此电路具有如下 的 特征: 此结构混频器基于g i l b e r t 单元，用两个源极跟随器作为电 流调制器来代 替了 传统g i l b e r t 混频器的共源输入级;交叉藕合晶体管m , - m ; 和输入跟随器晶休 竹对m ; , m , 复用偏置管m和 m提供的偏置电流。这样的结构带来的好处是:1 )由 第 3 1 页 c mo s 射频前端接收器电路设计 第四章 棍频器的设计 于使用源极跟随器作为输入端， 输入 级的信号增益接近于 1 ，于是提高了 混频器的线性度;2 )由于叠合的晶 体管数减少， 此结构适合低电源电 压 的工作情况;3 )因为 m , -m , 管复用 1 ,. 电流，所以电路的功耗相对较低。 但我们需要注意的是: 由于使用源极 跟随器作为输入级， 整个混频器的转 换增益将受到影响: 与此同时， 在相 同j清况下， 此电路的噪声性能也会较 传统的g i l b e r t 混频器要差。 图4 - 4源极跟随器型混频器 此混频器的转换增益 ( c o n v e r s i o n g a i n )可由公式 ( 4 - 1 7 )表示为: ( 4 - 1 7 ) -汗，一 -+ 一 v .澎 卜 一 (w2 co,vf, l ) d1,: 一 pa 其中， v l o 为l o 信号的幅度: p为输出端主导极点对应频率; i f 是输出中频信 号的频率;a. 为源极跟随器的增益;r , 为线性p m o s 晶体管m ,., 和m l.r 的等效电阻值， 其大小由 ( 4 - 1 8 )决定: r , = c 二 w l1ic , (- /_ !(vl ml.l 一 vf一 v., q ,) ( 4 - 1 8 ) 对电路进行交流小信号分析，可知在图中所示的x 和 y 两点处的极点决定了电 路最大的输入频率，可表达为: p2 g m , + g m b i +9 m 2 +g m a 2 +g m 5 + g m a 5 + g o s + 9 0 7 ( 4 - 1 9 ) c 二 十 l ,x ,1 + c r2 + c g cs 考虑电路热噪声在电路噪声中占主要作用，并且认为电路具有良 好的对称性， 在l o 信号为高时， 开关管的跨导与其静态时的跨导相等， 那么我们可以推导此混频 器电路的单边带噪声系数可表示为: : 二 兰 * a 止+ 土十 g- rr + 4 (g m s + g m , )z r , + l 3“ ， g m l 9 . 5 9 . 5 )g m 5 k (. ( 4 - 2 0 ) 4 折叠式g i l b e r l . 混频器 第 3 2页 c m o s 射频前端接收器电路设计 第四章 棍频器的设计 毕吧于一一一一- -一- b 气 乍 手 蓦 乙启八公 .竖、神 津六班。 如2 中所述， 传统的g i l b e r t 混频 器的转换增益和噪声系数无法被同时 优化。 众所周知， 要降低电路的噪声系 数，需要尽可能增加电路的转换增益， 而增益的提高需要输入管具有较大的 跨导值，在 叭 ， 一定的情况下，提高 输入管的静态偏置电流不仅可以增加 其跨导值， 而且能够降低晶体管的沟道 电阻: 然而， 从 2 中的叙述可知， 传统 图4 - 5折叠式 g i l b e r t 混频器 的g i l b e r t 混频器的噪声主要来源于开关管，降低开关管引入噪声的一个有效方法 就是降低开关管的静态偏置电流，这与增大电路的转换增益的方法是相互制约的。 于是，人们提出了如图4 - 5 所 5 的折叠式g i l b e r t 混频器，我们可以对输入管和开 关粉进行相互独立的静态偏置设置，因此同时对电路的噪声和增益优化可以同时实 现。 与传统的g i l b e r t 混频器相比较， 折叠式g i l b e r t 混频器具有如下好处: 其一 是此结构的混频器叠合的晶体管层数少， 适合使用于低电源电压的工作环境; 其二， r f 信号输入级和开关级的偏置电流可以分别进行设置， 使得在设计过程中可以同时 对电路的增益和噪声进行优化; 其二， 使用p m o s 作为输出， 可以适当降低输出端的 1 / f 噪声。其输出电流和 r f 级的输入信号范围表达式分别为: i。 一 2 沂 霖不 ，v。、 悬 v ， =9 . r f v i ( 4 - 2 1 ) ( 4 - 2 2 ) 然而，在 r f 输入级使用片上电感不仅使得芯片的面积大大增加;又由于片上 电感的q 值普遍较低，在高频信号处理过程中引入诸多寄生效应，使得电路的性能 指标难以达到要求。此外，使用p m o s 管作为输出端，因为p m o s 管的载流子迁移率 较低，严重地影响了整个电路的工作速度，因此我们在设计过程中选择了传统 g i l b e r t 混频器作为设计结构。 4 . 3电路的设计 第 3 3 页 c m o s 射频前端接收器电路设计第四章 混频器的设计 x . r , y,一 熟 盆 ;l,2 s n ;l s -1 2 n l俘巴曰” 己 t r v r e s s 备。 n 写 自 仍 司出 蕊 ， 拼 介 杯 ” 扫. 乙r ; 仆 ， 司仪e 扮飞 n 黔 动曰 托 - an mo 洛、 _ _ 、 、 ! 柏阳 之乏 乡 月 摇 三 二卜分 、 o 2 巴刀 获三 雀 鑫 1 k 1 0 k 1 00 k 1 m 1 0 m1 0 o m1 g f r e q( h z ) f飞时讯门r犯冲 筱犷一一-一一 一 图4 - 1 8 l o = 0 d b m , l s e巨 n h , 2 8 n h , a= 4 n h 时噪声一 频率图 l r v ,i r _ y 6 - 1 l 匕 卜 介 卜 溉 ; 怪 。 币 。 次 ， 砂 之 了险 1 父 夕 j 下分 绷成 户 龙 。_ :卜 ， 1 e p t r ill ; f = 1 2 n ; n o i s eflo u r=b g u re m9入 卜 、 1 0 f _. . j. r-一一 1 k 1 0 k 1 0 0 k 1 m f r a q( h z 份沙称 屯 _ 7 l 丁叮 7万 可习5 刀丁一 图4 - 1 9 l 0 = 1 d b m , l s - 1 2 n h 和l s = 1 6 n h 时的噪声一 频率图 4 .3 . 3进一步的工作 对混频器而言，线性度和噪声系数是2 个非常重要的性能参数。如何在低电 源 电 压条件下获得更高的 线性度和更低的噪声系数显得越来越重要。结合集成电路中 各器件的特性， 对传统g i l b e r t 混频器进行适当改进，可以设计出满足低电源电压 第 3 9 9 1 c mo s 射频前端接收器电路设计 第四章 混频器的设计 操作要求的下变频混频器电路。 本节中， 我们将对2 种结构的混频器电路进行介绍 它们是近一段时间内r f / m i x e d - s i g n a l 小组需要研究的对象。 4 . 3 . 3 . 1 改进的g i l b e r t 混频器 通过分析， 我们发现影响传统g i l b e r t 混频器线性性能的因素主要有以下2 点: 1 ) i 昆 频器的转换增益: 由转换增益与电路线性度的关系知， 过大的转换增益使电路 的线性性变差。在交流情况下，传统g i l b e r t 混频器输入输出信号间的关系类似于 一个共源结构的放大器，输入级跨导和输出级负载的变换都会引起电路转换增