（电路与系统专业论文）低功耗高线性度cmos下混频器的设计.pdf

摘要 摘要 针对目前射频集成电路发展的趋势和无线通信技术的发展状况，结合射频、 中频和基带处理三部分电路单片集成( s o c ) 的实现需求，设计了用于8 0 2 1 1 9 无线通信系统接收机中的c m o s 下射频混频电路。 首先，论文通过分析目前无线通信技术的发展现状以及8 0 2 1 1 9 技术独特 的优势论证了设计c m o s 射频8 0 2 1 1 9 混频器的必要性。对混频电路的混频原 理、技术指标等进行了深入分析，获取了在设计中用到的频率等关键参数。 其次，根据射频集成电路设计流程和工艺实现方案比较结果，选择了高集 成度低功耗易生产加工的完全c m o s 工艺，具体分析了器件的射频等效模型。 根据t s m c0 2 5t i m 的射频工艺库，对n m o s 管、片上电感、片上电容、片上 电阻进行了研究，选取了综合性能好的m i m 电容和螺旋电感。 然后，对c m o s 下变频混频电路进行设计优化。设计的混频电路主要是使 在传统的吉尔伯特混频器电路的基础上，跨导级采用c m o sg m 单元结构，三个 差分对取代原来电路中的一个差分对，延展了线性工作范围，将输入的射频电 压信号转变为电流信号，作为开关级的偏置电流。该跨导单元提高了射频、中 频、本振三个端口相互之间的隔离度，从而提高了混频器的跨导，最终提高了 整个电路的增益和线性度。开关级采用g i l b e r t 双平衡结构，将射频电流信号转 换为中频电流信号，同时可以提高线性度和隔离度：另外引入了一种l ct a n k 槽结构，达到了低电压高性能的目的。负载级将中频电流信号转换为中频电压 信号输出，采用p m o s 管与电阻并联的有源负载结构，可以提高输出电压，进 而提高增益。各部分的偏置电流由镜像电流源提供。 最后，在a d s 2 0 0 8 仿真平台上，结合电路的工作原理，仿真测试了混频器 改进电路的各项性能参数，验证了设计的正确性和改良结果。 关键词：单片集成：隔离度；线性度：转换增益；功耗 a b s t r a c t a bs t r a c t a c c o r d i n gt o t h ec u r r e n td e v e l o p m e n to ft h ec m o sr f i ca n dt h ew 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 , c o m b i n e dw i t hm o n o l i t h i ci n t e g r a t e d r e q u i r e m e n t so f t h et h r e ep a r t s ( 瓯i fa n db a s e b a n dc i r c u i t ) ，c m o sr fd o w n c o n v e r s i o nm i x e rf o r 8 0 2 1lgc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sd e s i g n e d f i r s t l y , t h en e c e s s i t yo fd e s i g n i n gt h er e s e a r c ho fc m o sr fm i x e rf o r8 0 2 1lg c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sd i s c u s s e db ya n a l y z i n gt h e a c t u a l i t yo ft h ew l a n d e v e l o p m e n ta n dt h eu n i q u ea d v a n t a g eo ft h e8 0 2 1lgt e c h n o l o g y t h em i x i n g p r i n c i p l e a n dt e c h n i c a li n d i c a t o r si s a n a l y z e dd e e p l y s u m m a r i z e ds o m ek e y f r e q u e n c yp a r a m e t e r st h a tw i l lb eu s e di nd e s i g n s e c o n d l y , b a s e do nr f i cd e s i g nf l o wa n dc o m p a r i s o no fp r o d u c t i o nt e c h n o l o g y , s e l e c t e daf u l lc m o s p r o c e s st e c h n o l o g yo fh i g hi n t e g r a t i o n ，l o wp o w e ra n de a s yt o p r o d u c e ，a n da n a l y z e dt h er fe q u i v a l e n tm o d e lo ft h ed e v i c ei nd e t a i l a c c o r d i n gt o o 2 5u l nr fs p i c ef i l eo ft s m c ，d e v i c e sm o d e li n c l u d i n gn m o s f e t , i n d u c t o r so n c h i p ，c a p a c i t o r so nc h i p ，r e s i s t o r s o nc h i pi ss t u d i e dd e e p l y , s e l e c t e dm m c a p a c i t o r sa n ds p i r a li n d u c t o r s 、析mt h eb e s to v e r a l lp e r f o r m a n c e t h i r d l y , o p t i m i z a t i o no fc m o sd o w n c o n v e r s i o nm i x e rc i r c u i ti sd e s i g n e d b a s e do nt h et r a d i t i o n a lg i l b e r tm i x e rc i r c u i t ，t r a n s c o n d u c t a n c e l e v e lu s e sc m o s g mc e l ls t r u c t u r e t h et h r e ed i f f e r e n t i a lp a i rt or e p l a c et h eo r i g i n a lc i r c u i to na d i f f e r e n t i a lp a i rt oe x t e n dt h el i n e a ro p e r a t i n gr a n g e ，c o n c e r t e dt h ei n p u tr fv o l t a g e s i g n a li n t oac u r r e n ts i g n a l ，a sb i a sc u r r e n to ft h es w i t c h l e v e l t r a n s c o n d u c t a n c e - l e v e li n c r e a s et h er f , i f , t h el o t h r e e p o r ti s o l a t i o nb e t w e e nt h e m ，t h u se n h a n c i n g t h et r a n s c o n d u c t a n c eo ft h em i x e r , a n du l t i m a t e l yi m p r o v et h eo v e r a l lc i r c u i tg a i n a n dl i n e a r i t y s w i t c h - l e v e lu s i n gg i l b e r td o u b l e b a l a n c e ds t r u c t u r e ，t h er fc u r r e n t s i g n a li sc o n v e r t e dt oi fc u r r e n ts i g n a l ，a n dc a ni m p r o v et h el i n e a r i t ya n di s o l a t i o n a l s o ；l c t a n ki st a k e ni n t ot h es t r u c t u r et o a c h i e v e l o w v o l t a g e a n d k g h p e r f o r m a n c e l o a d - l e v e lc a r lc o n v e r t c u r r e n ts i g n a li n t ot h ei fv o l t a g es i g n a l ， a b s t r a c t l o a d l e v e ls e l e c ta c t i v el o a ds t l l l c n l r eo fr e s i s t o ri np a r a l l e lw i t hp m o s ，i tc a n i m p r o v et h eo u t p u tv o l t a g e ，t h e r e b yi n c r e a s i n gt h eg a i n t h r e ep a r t so ft h eb i a s c u r r e n ti sp r o v i d e db yt h ec u r r e n tm i r r o rs o u r c ec i r c u i t l a s t l y , c o m b i n e dw i t ht h ec i r c u i tp r i n c i p l e ，s i m u l a t e dt h em i x e rc i r c u i tw i t h a d s 2 0 0 8s o f tw a r e t e s t e dt h ep a r a m e t e r so fm i x e rc i r c u i ts h o wt h a tt h ed e s i g nh a v e a c c o m p l i s h e dt h er e q u i r e m e n t sf u l l y p r o v e dt h ed e s i g ni sf i g h t k e y w o r d s ：m o n o l i t h i ci n t e g r a t i o n ；i s o l a t i o n ；l i n e a d t y ；c o n v e r s i o ng a i n ；p o w e r c o n s u m p t i o n i i i 第一章引言 1 1 研究背景 第一章引言 进入二十一世纪后，无线移动通信技术的发展使人们利用无线电频谱就可以 进行双向通信，无线局域网、蜂窝式个人通信与基站、无线接入系统、卫星通信、 全球定位系统g p r s 等技术的涌现给人们带来了很大的方便。其中射频技术对它 的发展做出了重大贡献。由于人们对无线数据通信的要求不断提高，为了避免使 用接插电缆线，而采用高频电磁波进行无线传输，使得频谱资源变得越来越宝贵。 在实际应用中，工作在2 4 g h z 免申请频段的i e e e 8 0 2 1 l x 技术标准，与正在发 展中的h o m er f 、蓝牙等技术相比，各项性能优势明显，在办公场所得到广泛 应用。 在无线通信快速发展的同时，人们不断追求低功耗和低价格高集成度的接收 机芯片系统。近十年来，r f 射频信号处理技术得到快速发展，c m o s 工艺技术 日新月异，d s p 基带信号处理换代产品大量涌现，射频与基带系统组合到同一片 上集成系统( s y s t e mo nc h i p ；s o c ) 成为可能。在8 0 年代，接收机中的功率放 大器、低噪声放大器、混频器、压控振荡器等r f 电路，通常采用砷化镓或者双 极型硅工艺；而中频和基带电路采用c m o s 工艺加工成型，芯片之间进行混合 集成。进入9 0 年代后，射频电路主要采用b i c m o s 工艺，但价格昂贵不易成型， 由于工艺不同很难与c m o s 基带部分进行系统单片集成。由于具有c m o s 工艺 价格低、集成度高、体积小、功耗小等优势，近年来发展迅速，完全采用c m o s 工艺实现射频电路与数字基带电路集成在一个芯片上，逐渐成为射频集成电路设 计的主要研究方向。 到目前为止还没有成熟的c m o si e e e 8 0 2 1l x 技术射频通信芯片在市场上 出现，结合不断发展的c m o s 工艺和i e e e 8 0 2 1 1 x 技术优势，选用c m o s 射频 集成电路实现i e e e 8 0 2 1 1 x 无线通信，满足市场的低功耗高性能需求，意义重大。 1 2 本论文的主要工作 本论文结合i e e e 提出的无线局域网8 0 2 1 l g 标准，先比较分析无线收发系 低功耗高线性度c m o s 下混频器的设计 统中混频器的工作原理和各种结构，系统结构上延用外差电路( h e t e r o d y n e c i r c u i t ) ，该结构相对成熟且采用c m o sr f 工艺很容易集成。采用0 2 5 u m c m o s r f 工艺，着重改善增益、功耗、隔离度和线性度等重要参数，对传统 g i l b e r t 电路进行优化，设计出一种新型的2 4 g h z 低功耗高线性度下变频混频器 混频器，并根据协议利用a d s 2 0 0 8 仿真测试了各项性能参数，验证了混频器改 进电路的正确性。 混频器的各项性能指标要求如下： 转换增益：7 4 d b ； 隔离度：7 0 d b ； 线性度：l d b 压缩点3 4d b m ，三阶交调点8 2 d b m ； 噪声系数：1 2 5 d b ； 静态功耗：1 2 m w 。 1 3 本论文的主要内容及研究成果 本论文改进了c m o s 下变频g i l b e r t 混频器，可以用于8 0 2 1 1 9 无线通信系 统，主要设计成果包括： 1 分析了i e e e 无线局域网8 0 2 1 l g 标准，并提取主要频率设计参数。 2 选取片上器件模型。从台积电( t s m c ) 射频工艺库出发，对n m o s 管、 电感、电容的等效模型进行了系统研究，特别是对电路重要性能影响较大的沟道 效应和寄生效应。 3 改进了适用于8 0 2 1 1 9 无线通信系统的c m o s 下变频混频电路，并对该 电路进行优化。设计的混频电路主要是使在传统的吉尔伯特混频器电路的基础 上，跨导级采用c m o sg m 单元结构，三个差分对取代原来电路中的一个差分对， 提高了射频、中频、本振三个端口相互之间的隔离度，从而提高了混频器的跨导， 最终提高了整个电路的增益和线性度。开关级采用g i l b e r t 双平衡结构，可以提 高线性度和隔离度：同时引入了一种l ct a n k 槽结构，达到了低电压高性能的目 的。负载级采用p m o s 管与电阻并联的有源负载结构，可以提高输出电压，进 而提高增益。 4 在a d s 2 0 0 8 仿真环境下，调用t s m c 的射频库中的m o s 管、电感、电 第一章引言 容的等效模型，仿真测试了混频器改进电路的各项性能参数，验证了设计的正确 性和改良结果。 第二章i e e e 8 0 2 1 l x 技术与射频混频原理 2 1 无线局域网( w l a n ) 及i e e e 8 0 2 1l x 标准介绍 随着市场需求的不断提高，无线局域网技术也得到_ 刖3 t t 。所未有的发展机遇。而 推动无线局域网技术发展的物质基础是以高集成度微电子技术。 2 1 1 无线局域网 由于无线通信技术和计算机技术的快速发展，无线局域网( w l 心) 应运而 生，它主要采用射频( r a d i of r e q u e n c y ：r f ) 的技术，采用电磁波在空气中发送 和接受数据，无需线缆介质( 如目前普遍使用的双绞铜线c o a x i a l ) 的局域网络。 i e e e 8 0 2 1 1 委员会按照各主要生产厂家的技术标准，负责制定统一的无线局域 网标准并推广使用，1 9 9 7 年6 月，该委员会首次提出了无线局域网标准 i e e e 8 0 2 1 1 。 2 1 2i e e e 8 0 2 11 8 0 2 1 1 协议【l 】对开放式系统互连参考模型( o s i r m ) 的物理层和媒体接入 控制层( m a c ) 做出了统一规范。在检测方式上，原来采用的是m a c 冲突检测 方式，8 0 2 1 1 中m a c 层改进为载波检测多址接入冲突避免( c s m c a ) 协议， 给使用无线局域网的用户带来了极大的便利。由于传输的数据信号具有的不同特 征，8 0 2 1 l 中定义了红外线、直接序列扩频( d s s s ) 和跳频扩频( f h s s ) 三种 物理媒介，其中直接序列扩频( d s s s ) 和跳频扩频( f h s s ) 是射频传输标准， 使用于免注册申请2 4 g 频段。物理层相应确定了不同的调制方法，其中跳频扩 频采用g f s k 调制，直接序列扩频采用d b p s k 或d q p s k 基带调制。先后使用 的技术标准主要有以下三种： 1 8 0 2 1l a i e e e 8 0 2 1 1 a 规定物理层在u n i i 波段的5 g h z 频段，扩充了原先标准的物理 层，其中射频部分根据不同速率( 6 、9 、1 2 、1 8 、2 4 、3 6 、4 8 、5 4 m b p s ) 需求， 4 第二章i e e e 8 0 2 1l x 技术与射频混频原理 选用多载波调制技术和正交频分复用( o f d m ) 技术来传输数据。正交频分子载 波可采用四种不同的基带调制方式：绝对移相键控( b p s k ) 和相对移相键控( d p s k ) 调制、正交振幅调制16 q a m 、正交振幅调制6 4 q a m 。 为了区别于8 0 2 1 l b ，8 0 2 1 l a 采用了前向纠错( f e c ) 技术，虽然增加了基 带处理的难度，但可以在较高速率下延长传输距离，一定程度上弥补在相同速率 下传输距离相对较短的缺陷，但技术兼容性差。 2 8 0 2 1 1 b ( w i - f i ) 8 0 2 1 1 b 是1 9 9 9 9 通过的无线局域网标准，工作频率为2 4g h z 到 2 4 8 3 5 g h z 之间，属国际开放频段，不需要注册申请，当前市场上的w l a n 产 品主要基于此标准。它的物理层采用直接序列扩频和补码键控编码方式，按照所 使用的具体工作环境要求，速率动态调整为1 1 、5 5 、2 、1l v l b i t s 。 相对于8 0 2 1 l a ，8 0 2 1 l b 传输距离长，但速率较低，抗干扰性和兼容性差。 为了提高抗干扰能力，安全级别接近或达到有线局域网，8 0 2 1 l b 网络接入控制 层采用了接入机制和加密机制【2 】。 3 8 0 2 1 l g 为了解决8 0 2 1 1 a 与8 0 2 1 1 b 两种模式的互通难题，i e e e 在2 0 0 3 6 制定了一 个同时兼容8 0 2 1 l a 与8 0 2 1 1 b 的8 0 2 1 1 9 标准，它使用2 4 g h z 通用频段，是 8 0 2 1 l b 的延续，是正在被广泛采用的新一代w l a n 标准。 在传输速率上，8 0 2 1l g 的速度上限已经由11 l v l b p s 提升至5 4 v l b p s ，除了支 持8 0 2 1 1 b 的c c k 外，还同时支持8 0 2 1 l a 的o f d m 调制技术。另外，分组二 进制卷积码( p b c c ) 调制技术是8 0 2 1 1 9 新引进的技术。 、 采用8 0 2 1 1 9 技术标准的厂商已经很多，包括d - - l i n k ，a i r g o 、b e r m a i 、 b r o a d c o m 以及杰尔系统、a t h e r o s 、思科、i n t e l 等等，产品包括无线网卡、无线 路由器等，而且已经大量在p c 、笔记本电脑中应用。 为了实现高带宽、高质量的w l a n 服务，使无线局域网达到以太网的性能 水平，w i f i 联盟推出了8 0 2 1 1 a b g 后面的一个新的无线传输标准协议 8 0 2 1 l n 标准，8 0 2 1 1 n 标准虽然到2 0 0 9 9 年才得到i e e e 的正式批准，但采用 m i m o ( 多入多出) 与o f d m ( 正交频分复用) 复合技术的产品已经出现。在提 高无线传输质量的同时，也使传输速率得到极大提升，可以将w l a n 的传输速 率提供到3 0 0 m b p s 甚至高达6 0 0 m b p s ，是正在发展中的新标准。 综上所述，可以得到本文所设计的混频器的技术参数，r f 频率为2 4 g h z ， l o 信号为2 2 5 g h z ，i f 频率为1 5 0 m h z 。 2 射频技术与混频原理 2 2 1 射频的概念 c m o s 射频集成电路的显著优点有低功耗、低成本和高集成度，可以用来设 计单片集成系统，s o c 开发国外也处于探索阶段，所以我们要积极发展国内的 r f i c 行业，力争占领国内市场。 用于无线通信的模拟电路是在g h z 波段，由于工作频率的提高，我们得不 断开发和改进模拟和数字电路。表2 - 1 是i e e e 委员会公布的频谱图，结合频谱 图射频频段的概念就不难理解了，表中射频频段为从f 到s 波段【3 1 。 表2 1i e e e 频谱 t a b l e2 - 1i e e es p e c t r u m 频段频率波长 e l f ( 极低频) 3 伊一3 0 0 h z10 0 0 0 一一l0 0 0 k m v f ( 音频) 3 0 0 一3 0 0 0 h z1 0 0 旷一l o o k m v l f ( 甚低频) 3 3 0 k h z1 0 0 _ 一l o k m l f ( 低频)3 0 _ 一3 0 0 k h z 1 0 - 一l k m m f ( 中频) 3 0 0 _ 一3 0 0 0 k h z l 一0 1 k m h f ( 高频) 3 3 0 n 珏i z1 0 0 - 一1 0 m v h f ( 甚高频)3 0 - 3 0 0 m h z1 0 _ 一l m u h f ( 特高频) 3 0 0 - 3 0 0 0 m h z1 0 0 _ 一l o c m s h f ( 超高频)3 3 0 锄1 舻一l c m e h f ( 极高频) 3 0 - 一3 0 0 g h zl m 1 c m 亚毫米波 3 0 0 - 一3 0 0 0 g h z 1 一o 1 m m p 波段o 2 3 一lg l i z 1 3 峭0 c m l 波段l 一2 g h z 3 0 _ 一1 5 c m s 波段 2 4 g i i z1 5 7 5 c m c 波段 4 8 g h z7 5 3 7 5 c m x 波段 8 1 2 5 g h z 3 7 5 2 4 c m k u 波段1 2 5 一1 8 g h z2 4 一1 6 7 c m k 波段 l8 2 6 5 g h z i 6 7 一1 1 3 c m k a 波段 2 6 5 4 0 g h z1 1 3 _ o 7 5 c m 6 第二章i e e e 8 0 2 1l x 技术与射频混频原理 2 2 2 混频器概述 在射频系统进行调制和解调时，混频器起的频谱搬移作用。混频器在接收机 解调时，将射频频率搬移到中频频率上。而发射调制时，中频频率被搬移到射频 频率。其中下混频器为接收机中的混频器，使用在接收电路前端低噪声放大器的 后面。 通常下混频器有三个端口，射频输入信号i 讧端口，本振输入信号l o 端1 3 ： 中频信号i f 端口。混频器是将不同频率的信号相乘，以实现频率的转换。时域 分析时，除了本振信号外，输入射频i 强信号的波形与输出中频i f 信号的波形 相同。频域分析时混频是频谱的线性搬移，同样除了本振信号外，输入射频盯 信号与输出中频i f 信号的频谱结构完全一样。 混频的频谱图像如图2 1 ： v r “w ) v t o ( w ) v o l t ( w ) k w m = - w l ow r f + w l o 下移和上移频谱分析 图2 1 混频过程中的频谱图像 f i g u r e2 - 1 t h es p e c t r u mi m a g e si nt h em i x i n gp r o c e s s 完成频谱线性搬移功能的关键是要获得两个输入信号的乘积，实现乘法作用 的电路是乘法器，下列的三角恒等式可以帮助理解乘法器的基本作用： ( 么c o s 国l f ) ( 曰c o s ( 0 2 t ) = 掣 c 。s ( 国，一国：) t + c o s ( 国，+ 国：) f 】 2 ( 2 。1 ) 低功耗高线性度c m o s 下混频器的设计 由此可见，输出信号频率为输入信号频率之和与频率之差，乘法器输出信号 的幅值与射频信号v r f 和本振信号幅值v l o 的乘积成正比。若本振信号v 。o 的幅值 恒定，则中频信号v i f 得到了射频信号v r f 中幅值调制全部结果。 要保证在频谱搬移时，射频的频谱结构不变，对射频信号来说混频器参数随 本振信号做周期性变化，为线性系统。为了保证混频器工作在线性时变状态， r f 输入要求是小信号，l o 输入应该是大信号。工作在线性时变状态的非线性器 件可以用来实现乘法作用，其中二极管、场效应管( f e t ) 和双极型晶体管( b j t ) 是常用的非线性器件。二极管混频电路由于不需要偏置，功耗低，开关速度快而 得到应用，但其他性能指标达通常不到要求。场效应管是平方律特性器件，与指 数特性的b j t 相比，由它组成的混频器产生的无用频率成分要少一些，综合性 能全面，在实际电路中得到广泛应用。 ( 1 ) 指数。二极管和b j t 的输入输出信号呈指数关系i c i s e m ，变 换增益g c = g 。磊v l 厂o 。 ( 2 ) 平方率( s q u a r e 1 a wm i x e r ) 。长沟道m o s f e t 的输入输出呈平方率的 关系i o z c z o l 。w ( 一_ ) 2 ，变换增益a c = 型2 l v 。 ( 3 ) 开关特性。利用本振信号对m o s 管进行开和关的切换，在保证本振 l o 信号对称的前提下，若电混频器路采用对称结构，那么偶次分量及直流分量 不出现在输出频谱中。由于c m o s 管接近于一个理想的开关，所以使用c m o s 管的开关混频器的具有偏置电流为零，闪烁噪声小等重要性能。 假设l o 信号为5 0 占空比的方波，v 灯( f ) 2 如c o s f ，则由傅里叶级 数展开后，得到： 删7 1 is i n 3 0 ) l o t - + 半+ 沼2 ， 哪) = 生产+ 争卜扣h 掣弩堕+ 型呼咝+ - ( 2 - 3 ) 由( 2 3 ) 可以看出，输出频谱中没有没有l o 的偶次谐波。但由于存在r f 馈通信号分量、l o 馈通分量和偶数阶的交调项等谐波，增大了混频器的噪声系 数。另外电压增益较小( g v ；) ，放大输入r f 信号的能力不强。 第二章i e e e 8 0 2 1 l x 技术与射频混频原理 早期的混频器一般直接利用器件的指数和平方率特性，通常构成无源混频 器，无源混频器具有结构简单、频带较宽、功耗较低、线性度较高等优点，可是 由于集成度低、没有变频增益，端口隔离度较差等因素，无源变频器在大部分单 片集成电路中不被采用。当前单片集成电路中主要选取利用开关特性的有源混频 器，虽然它消耗的功率较大，线性度稍差，但有源混频器具有端口隔离度较好、 转换增益较大，噪声系数也较小等较好的综合性能。 2 2 3 混频器的基本原理 图2 2 是混频器的原理框图【4 1 ，射频信号v r f ( t ) 和本振信号v l o ( t ) 是 它的输入信号v i n ，电压信号v o u t 为输出信号。 、， vl o uj 一卜j 乞 v i n j 下1 、1 一卧 v o u t z l i l jj n 吁 图2 - 2 混频器的原理框图 f i g u r e2 - 2 b l o c kd i a g r a mo ft h ei l i x e r 从图看出，输入信号v i n 作用在非线性器件二极管、场效应管( f e t ) 或双 极型晶体管( b j t ) 上，非线性器件以电流驱动负载，转换为电压信号v o u t 输出。 如果是理想的非线性器件，则输入信号和输出信号之间的关系可以用以下的级数 展开式来表达： 吃，= 锄( 胁) = c 。+ c l v i ( t ) + c 2 v i 2 ( f ) + c 3 3 ( f ) + ( 2 - 4 ) n = 0 通常情况下，输出信号包直流d c 项c o 、输入的谐波q v i ( t ) 以及这些谐波 相互调制乘积项c ：v i 2 ( f ) + c ，v 3 ( f ) 等。但是有大部分频谱分量都不是有用项，采 用先进的拓扑结构，力求达到几乎不产生无用项是混频器设计中的技术瓶颈。 通过a c 耦合，可以滤除公式( 2 2 ) 中的偶次非线性因子形成的d c 项。 9 低功耗高线性度c m o s 下混频器的设计 另外，相对于中频i f 信号频率，滤除频率距离很远的n 次谐波项也不难实现。 剩下的相互调制积是各种和频项与差频项。和频与差频的频率可以用表达式 p w r f 土q w l o 来表示，其中p o ，q o 且p + q n 。有用信号为二阶交调项( p y q y l ) 。 相对于中频频率，其它的交调积的频率很接近时，滤除难度很大。是设计电路时 要解决的关键问题。 若输入信号v i n 为两个余弦信号的和： v m = v r fc o s ( r o 肚t ) + v l oc o s ( c o j ) ( 2 5 ) 那么这个混频器的输出可以表示成三个不同的和 。y f o u n d + l ，s q u a r e + y 一 ( 2 6 ) 其中： 基波项y 知耐2c 1 y 冗fc o s 腰f ) - i - - v l oc o s ( c o r o t ) ( 2 7 ) 平方项y 即。= c 2 【y 盯c o s ( 彩肚f ) 2 t - v l o c o s ( c o l o t ) 2 ( 2 8 ) 交调项y 一= 2 c 2 v r f v l o c o s ( r o 肚t ) c o s ( c o l o t ) ( 2 9 ) 基波项就是与原始输入成分，由于没有有用输出信号，通过a c 滤波器滤除 掉。平方项v s q u a r e 分量也是无用信号，从公式( 2 1 ) 的特殊情况下的表达式： c o s c o t 2 = 卸l + c o s 2 0 9 t ( 2 - 1 0 ) 可以看出，v s q u a r e 分量产生了输入信号的二次谐波项和d c 项。它们不难 被滤除。 有用信号来自v c r o s s 分量，因为在公式( 2 9 ) 中有所希望的乘积项。利用 公式( 2 1 ) 我们可以把v c r o s s 变换成最能反映混频作用的形式： y 。= c 2 v 肚v 工d c o s ( c o 肚一国d ) t c o s ( c o r f + c o l o ) t ( 2 11 ) 从公式( 2 1 1 ) 可以明显得到射频信号与本振信号频率的和频与差频，他们 是混频设计时需要的有用信号频率成分。 2 2 4 混频器的技术指标 综合评价一个混频器电路的性能优劣，需要从该电路的功率增益、噪声系数、 1 0 第二章i e e e s 0 2 1l x 技术与射频混频原理 线性度、端口间隔离度、输入输出阻抗、静态功耗等六个方面来进行。 1 转换增益 混频器的增益为输出中频信号与输入射频信号的大小之比。混频器的转换增 益有电压增益和功率增益两种表示方法。 若混频器的输入阻抗为z i n ，输出阻抗为z o u t ，射频信号电压为v r f ，中频 信号的电压为v l f ，则按定义有： 己。罢 协 2 乏 协 把公式2 1 2 和2 1 3 分别代入公式2 1 0 中，混频器的功率增益计算方式可 以转换为： g 。：生： 。 巴= ( 堡) 2 云z i n 2 a r - 瓦z i n y r f么w f么 ( 2 1 4 ) 其中 a v = v 正r f ，可定义为电压增益 4 】 混频器按功率增益可以分为两种：有源混频器和无源混频器。若功率增益小 于1 ，则为无源混频器。若功率增益大于1 ，则为有源混频器，由于综合性能的 差异较大电路设计是通常采用有源混频器。 2 噪声系数n f 通常衡量电路噪声大小的参数是噪声系数。接收机的前端电路包括l n a 和 混频器，其噪声性能直接关系到后续电路乃至整个系统的质量。是r f i c 设计时 需要权衡的一个重要参数。混频器的噪声系数有单边带噪声系数( s s bn f ) 和 双边带噪声系数( d s bn f ) 两种定义形式。通常，s s bn f 比d s bn f 高3 d b 。 输入端信号的噪声比( s n r ) 除以在输出端信号的噪声比，我们通常作为噪 声系数的定义。可以写成： 脬：土：丝一百( 2 - 1 5 ) f i s ：。1 2k t r 。i s ：。1 2 低功耗高线性度c m o s 下混频器的设计 其中，n o 和n i 分别表示输出噪声和输入噪声。 3 线性度 我们希望输出信号正比于输入信号的幅值，在整个功率范围内都是线性关 系。但实际上当输入信号功率逐渐增大时并到一定程度的时候，混频器的线性度 就会超出线性范围，表现为非线性失真现象。l d b 压缩点和三阶交调点i i p 3 是 衡量线性度的两个主要参数。 ( 1 ) l d b 压缩点 l d b 压缩点定义为输出功率实际线性曲线与理想线性增加的功率相差l d b 时的射频输入点就为l d b 压缩点。随着输入射频信号的幅值的增大，输出中频 信号的幅值会线性的增大。当电路的输入功率超出线性范围时，输出功率曲线将 脱离线性值而下降，两者相差l d b 时对应的值为p 1 d b ，通常用描点作图法来确 定其大小，如图2 3 所示。 图2 - 3 线性厦参数不总图 f i g u r e2 - 3t h ef i g u r eo fl i n e a r i t yp a r a m e t e r s ( 2 ) 三阶交调点 两个正弦信号的三阶交调点用来表示混频器的线性度特性，它们的三阶互调 分量2 w r f l 士w r f 2 及2 w r f 2 土w r f l 与本振混频后，也位于中频带宽内，所以 会对有用中频产生干扰。 在实际设计中可采用三点法【4 】来估算i i p 3 ，通过输入三次不同幅值时的增量 ( 交流) 来确定c l 、c 2 和c 3 三个系数，然后有如下跨导表达式： 1 2 第二章i e e e 8 0 2 1 lx 技术与射频混频原理 g ( v ) - 警c 1 + 2 c 2 v + 3 c 3 v z ( 2 16 ) 其中g ( v ) 是跨导。当三阶互调产生的中频分量与有用中频相等时的点定义为三 阶交调点，简写为i i p 3 ，在图2 3 中也可观测到p n p 3 。 4 输入输出阻抗 为了保证混频器与各滤波器耦合时可以正常地工作，要求射频r f 及中频i f 口的达到阻抗匹配。另外，为了保证本地振荡器有效地向混频电路提供功率，要 求l o 口的匹配。对混频器的三个端口的阻抗要求匹配是一项重要的设计指标。 5 端口间隔离度 端口隔离度的影响主要有三点。第一输入r f 端口向本振l o 端口的泄露会 产生频率牵引等现象，最终降低本振输出频率；第二本振l o 端口向输出端 口的泄露，本振端口的大信号进入后续电路，通常发生中频放大器各级过载。第 三本振( l o ) 端口向输入射频( r f ) 端口的泄漏，会使本振大信号影响低噪声 放大器l n a 的工作。 6 静态功耗 为了满足市场小体积、低功耗的消费需求。混频器要力求做到功耗低、电源 少、延长供电时间，设计时要考虑降低静态功耗。主要从降低电源电压和直流电 流来解决。 在r f i c 设计时，在上述技术指标中，除了要考虑输入和输出电阻影响该电 路的反射系数和增益，以及如何与前级和后级互相匹配。还有增益和速度，甚至 功耗、电源电压、线性度、噪声和最大电压摆幅等参数同样不可忽视。在设计的 过程中，虽然我们希望各性能指标都能达到最优化，但是在实际的设计中，这些 参数中的大多数都会互相制约，( 图2 - 4 ) 所示为r f i c 设计多维优化八边形法则， 这样的折衷选择对r f i c 的设计提出了许多难题，例如对混频器来说，通过增大 跨导级的偏置电流可以提高混频器的变频增益和线性度，但也会增加它的功耗。 要靠经验和直觉才能得到一个较佳的折衷方案。 低功耗高线性度c m o s 下混频器的设计 图2 4 射频电路设计的八边形法则 f i g u r e2 - 4 t h eo c t a g o nr u l e so fr fc i r c u i t sd e s i g n 2 3 射频集成电路的设计流程 为了提高集成电路设计的准确性和高效率，首先应该掌握射频集成电路的设 计流程，图2 5 是r f i c 设计的流程图。 1 4 第二章1 e e e s 0 2 1lx 技术与射频混频原理 图2 5r f i c 设计流程图 f i g u r e2 - 5 r f i cd e s i g nf l o wc h a r t 1 5 低功耗高线性度c m o s 下混频器的设计 第三章工艺及射频器件模型选择 随着射频技术的推广应用，市场上的分离电路已无法满足日益攀升的高集成 度、低功耗、低成本等需求，实现单片集成成为各国射频研发人员的研究方向。 其中前端r f 混频器电路的集成对于系统芯片s o c 技术来说尤为关键。 图3 1 接收机的结构框图 f i g u r e3 - 1b l o c kd i a g r a mo f r e c e i v e r 3 1 工艺介绍及选择 1 g a a sm e s f e t 、g a a sh b t 和g a a s p h e m t 等i i i v 族器件。g a a s m e s f e t ( g a l l i u ma r s e n i d em e t a ls e m i c o n d u c t o rf i e l de f f e c tt r a n s i s t o r ) 金属半导体场效应管的一种。其工作原理为：在半绝缘g a a s 衬底上，外延生长 一层一定厚度的n 型g a a s 。栅极金属与n 型g a a s 层形成肖特基势垒，栅极下面 g a a s 中出现耗尽层，耗尽层下面是电中性的导电沟道。当栅极加反向偏压( 对n 型g a a s 衬底，栅极加负电压) 时，栅压( 绝对值) 愈大，耗尽层愈宽，则中性 沟道就愈窄，沟道电导变小。在源漏电压一定的情况下，沟道电流变小。即通过 栅极电压调控漏极电流的大小，因此它是一个电压控制型器件。 h b t ( h e t e r o j u n c t i o nb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 。一种量子阱基区异质结双极型晶体 管，其特征是，沿基区纵向生长一个或多个非掺杂量子阱层，使基区内的多数载 流子主要处在量子阱中作横向输运，从而大大提高多数载流子的横向迁移率，并 同时形成对少数载流子的纵向漂移场，加速少数载流子的纵向渡越，在不提高基 区宽度和掺杂总量的基础上显著减小基区电阻r 。 h e m t ( h i g l le l e c t r o nm o b i l i t yt r a n s i s t o r ) ，高电子迁移率晶体管。这是一 种异质结场效应晶体管，又称为调制掺杂场效应晶体管( m o d f e t ) 、二维电子 第三章工艺及射频器件模型选择 气场效应晶体管( 2 一d e g f e t ) 、选择掺杂异质结晶体管( s d h t ) 等。这种器 件及其集成电路都能够工作于超高频( 毫米波) 、超高速领域，原因就在于它是 利用具有很高迁移率的所谓二维电子气来工作的。 其