（电路与系统专业论文）射频集成有源混频器噪声分析[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 有源混频器广泛应用于具有频率变换功能的电子系统中且被认为是系统的关 键模块之一。有源混频器的噪声特性会严重影响整个系统的性能，如灵敏度、动 态范围、选择性等。因此，分析及预测有源混频器的噪声特性具有十分重要的意 义。 众所周知，晶体管是有源电路的主要噪声贡献者。晶体管具有各种噪声源， 包括热噪声、闪烁噪声、散粒噪声等。文献中对于有源混频器噪声特性的分析通 常是基于已发表的独立非耦合的噪声源模型。此外，有源电路的晶体管必须偏置 和工作在某种电压状态下，任何有源电路的噪声特性必然是工作电压相关的。而 不幸的是，过去缺乏包含了工作电压相关特性的噪声耦合的模型以用于混频器噪 声特性分析。 最近，一种漏源电压相关且耦合了沟道热噪声和散粒噪声的m o s f e t s 噪声 模型已被研究出来。这为在考虑耦合噪声源的情况下，讨论有源c m o s 混频器电 压相关的噪声特性提供了可能。本文使用这种晶体管噪声模型系统地分析了有源 c m o s 混频器的噪声特性，推导出一系列详尽的解析表达式以表征来自于混频器 各个部分的噪声，进而推导出了输出加性噪声及噪声系数公式。基于文中的分析 及所得表达式，本文提出了一种预测实际工作状态下有源c m o s 混频器的噪声特 性的原型方法。从理论上明晰了m o s f e t s 工作电压对于有源c m o s 混频器输出 噪声的影响。 关键词：有源混频器，噪声，电压相关性，c m o s g i l b e r t 单元，频率变换， 射频集成电路 a b s t r a c t a b s t ra c t a na c t i v em i x e ri sw i d e l yu s e di nm o s te l e c t r o n i cs y s t e m sw i t ht h ef u n c t i o no ft h e f r e q u e n c yt r a n s l a t i o na n dc o n s i d e r e dt ob eo n eo ft h ek e yb l o c k s n o i s ec h a r a c t e r i s t i c s o fa na c t i v em i x e rw i l ls e r i o u s l ya f f e c tt h eo v e r a l ls y s t e mp e r f o r m a n c e ，s u c ha st h e s e n s i t i v i t y , d y n a m i cr a n g e ( d r ) ，s e l e c t i v i t y , e t c t h e r e f o r ei t i sc r u c i a lt oa n a l y z ea n d p r e d i c t t h en o i s ec h a r a c t e r i s t i c so fa c t i v em i x e r s i ti sw e l lk n o w nt h a tt r a n s i s t o r sa r et h ed o m i n a n tn o i s ec o n t r i b u t o r so fa c t i v ec i r c u i t s t h et r a n s i s t o r sh a v ev a r i o u sn o i s es o u r c e si n c l u d i n gt h et h e r m a ln o i s e ，f l i c k e rn o i s e ， s h o tn o i s e ，e t c t h ea n a l y s i so fn o i s ec h a r a c t e r i s t i c so fa c t i v em i x e r si nt h el i t e r a t u r ei s c o m m o n l yb a s e do nt h ea v a i l a b l et r a n s i s t o rn o i s em o d e l sp u b l i s h e di nt h el i t e r a t u r ef o r i n d i v i d u a lu n - c o u p l e dn o i s es o u r c e s h o w e v e r , t h et r a n s i s t o r so fa l la c t i v ec i r c u i tm u s t b eb i a s e da n do p e r a t e du n d e rc e r t a i nv o l t a g ec o n d i t i o n s t h en o i s ec h a r a c t e r i s t i c so f a n ya c t i v ec i r c u i t sm u s tb eo p e r a t i o n v o l t a g e d e p e n d e n t u n f o r t u n a t e l y , t h e r ew a sl a c k o ft h en o i s e c o u p l e dm o d e li n c l u d i n gt h eo p e r a t i o n - v o l t a g e d e p e n d e n c ei nt h ep a s t r e c e n t l y , t h ed r a i n - s o u r c e v o l t a g e d e p e n d e n t t r a n s i s t o rn o i s em o d e lw i t ht h e c o u p l e dc h a n n e lt h e r m a la n ds h o tn o i s e sh a sb e e nd e v e l o p e d ，p r o v i d i n gt h ep o s s i b i l i t y t od i s c u s st h ev o l t a g e - d e p e n d e n tn o i s ec h a r a c t e r i s t i c so fa c t i v ec m o sm i x e r sw i t ht h e c o u p l e dn o i s es o u r c e s i nt h i st h e s i s ，t h en o i s ec h a r a c t e r i s t i c so fa c t i v ec m o sm i x e r s a r es y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e de m p l o y i n gt h i st r a n s i s t o rn o i s em o d e l t h ea n a l y t i c a l e x p r e s s i o n sa r ed e r i v e d t oc a p t u r et h en o i s e so r i g i n a t i n gi nd i f f e r e n tp a r t so ft h em i x e r e x p l i c i te x p r e s s i o n so ft h eo u t p u ta d d e dn o i s ea n dn o i s ef i g u r ec o n s i d e r i n gt h ec o u p l e d t h e r m a l a n ds h o t - n o i s ea r ep r e s e n t e d b a s i n go nt h ee x p r e s s i o n sd e r i v e di nt h i st h e s i s ， ap r o t o m e t h o dh a sb e e nd e v e l o p e dt op r e d i c tt h en o i s ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ea c t i v e c m o sm i x e r su n d e rr e a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n s a c c o r d i n gt o t h ea u t h o r s k n o w l e d g e ，t h i st h e s i sc l a r i f i e st h ei n f l u e n c eo ft h e o p e r a t i o nv o l t a g e so ft h em o s f e t so nt h eo u t p u tn o i s eo ft h ea c t i v ec m o sm i x e r s t h e o r e t i c a l l y k e y w o r d s ：a c t i v em i x e r s ，n o i s e ，v o l t a g e d e p e n d e n c e ，c m o s ，g i l b e r tc e l l ，f r e q u e n c y c o n v e r s i o n r f i c l l 图目录 图目录 图1 1 典型接收机系统框图。2 图2 1 混频器原理图6 图2 2m o s f e t 混频器8 图2 3 开关电路混频器( a ) 原理图( b ) 用m o s f e t 代替开关9 图2 4 一种双平衡无源混频器1 0 图2 5 有源混频器工作原理图1 1 图2 - 6 单平衡有源混频器1 2 图2 7 双平衡有源混频器13 图2 8 双平衡有源混频器工作原理1 4 图2 - 9 混频器射频和镜像噪声搬移到中频带1 6 图2 1 0 个调幅信号的直接下变频1 7 图2 1 1 增益压缩与1 - d b 压缩点1 8 图2 1 2 三阶交调点定义2 0 图2 1 3 端口间信号泄漏示意图2 1 图3 1 栅极感应噪声电路模型2 7 图3 2m o s f e t s 噪声模型2 8 图3 3 隧穿结模型2 9 图4 1 ( a ) 单平衡有源c m o s 混频器( b ) 双平衡有源c m o s 混频器3 2 图4 - 2p oo ) 和ao ) 波形图3 6 图4 - 3m o s 管热噪声、散粒噪声统一模型3 8 图4 - 4 圪时单平衡混频器的输出加性噪声4 5 图4 - 5 当圪和相当且f = 3 0 0 k 时对单平衡混频器的输出加性噪声的估 计z 1 6 图4 - 6 当= 0 4 v o s l ，。= 0 4 ，且温度不同时对单平衡混频器的输出加 性噪声的估计4 6 图4 7 单平衡混频器开关对贡献的噪声4 7 图4 8 单平衡混频器跨导级贡献的噪声4 7 图4 - 9 不同偏置电流下噪声系数与开关对转换增益相对k 。，的变化曲线4 9 v 图目录 图4 1 0 不同m 3 管宽长比情况下噪声系数和m 3 管跨导相对偏置电流的变化 曲线5 0 图4 1 1 不同本振电压幅度情况下噪声系数和转换增益相对偏置电流的变化 曲线5 1 v i 表目录 表目录 表4 - 1 当t = 3 0 0k ，v o = 1 v ，i 嚣= 5 6m a 且l = 3 = o 1v 时单平衡混 频器各组成部分的噪声贡献4 8 v 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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名： 奚红一一日期： 加阼 ( 关于论文使用授权的说明 i 晦1 巳 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、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。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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应遵守此规定) 日期瑚产钞日 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 科学技术的发展日新月异，使得人类的工作方式和生活方式发生了巨大而深 刻的变化。探寻这些变化的源头，我们不难发现无线通信技术的发展在其中起着 举足轻重的作用。在过去的十几年中，人们见证了无线通信市场的巨大增长。 9 0 年代初，蜂窝移动电话( c e l l u l a rt e l e p h o n e s ) 还被认为仅是高收入人群所 能负担的奢侈品。此外，这些移动通信工具都是由大体积和高能耗的硬件所构成， 限制了它们在日常生活中的应用。而今天，当你走在繁忙的城市街道上或穿过大 学校园时，使用移动电话进行交谈的人随处可见。便携式通信系统( p o r t a b l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 的用户的增长已是一个不争的事实。移动通信市场的这 种增长是基于用于实现现代移动无线通信系统的器件的成本、体积的不断减小以 及电池寿命的延长。并且，器件成本和体积的减小使得一系列全新的应用成为可 能。这其中包括从被户外运动爱好者广泛使用的全球卫星定位系统g p s ( g l o b a l p o s i t i o n i n gs y s t e m ) 到公用事业公司用于快速获取每月房屋水电使用情况的无线 抄表系统w m r s ( w i r e l e s sm e t e rr e a d i n gs y s t e m ) 。如今，当你走进一家咖啡厅 时，可能都会发现一些顾客正在使用通过无线通信设备接入因特网( i n t e m e t ) 的 手提电脑工作。通信产品领域内的一次次划时代变革更进一步促进了使用现有技 术产品的消费者数量的增长，并使得对于无线系统的新的应用成为可能【i 】。 随着无线通信技术不断地提高和革新，例如数字电视广播技术日趋成熟，寻 呼机、无绳电话、模拟数字蜂窝电话等便携式通信系统的迅猛发展，分离电路已 无法满足无线通信产品不断提高的重量轻、体积小、功耗低、成本低等严苛需求。 顺应这种需求，半导体集成电路技术广泛而迅速地发展起来。以一个无线通信系 统中典型的接收机( 如图1 1 所示) 为例，c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o r ) 工艺凭借其低成本、高制造稳定性等显著优点成为当前数字电路 和低频模拟电路的主要工艺，而图中的中频电路也广泛采用标准c m o s 工艺实 现。当前射频前端电路采用的工艺主要可分：砷化镓( g a a s ) 和硅工艺等1 2 j 。g a a s 工艺包括金属半导体场效应晶体管( m e s f e t s ) 、异质结双极晶体管( 耶t ) 和 假晶高电子迁移率晶体管( p h e m t ) 等；硅工艺包括b i p o l a r 和c m o s 工艺等。 电子科技大学硕士学位论文 以往的射频前端电路大多采用g a a s 和b i p o l a r 等器件特征频率较高的工艺，但由 于这些工艺不能与标准c m o s 工艺兼容，导致单片集成的接收机很难实现。随着 c m o s 工艺技术的不断发展，其不断增高的特征频率易已足以满足射频电路的工 作要求【2 】。而且采用c m o s 工艺制造的射频前端可以很容易地与采用同种工艺的 基带和中频电路集成在同一块芯片上，实现片上系统s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 极 大的缩小了电路的体积与成本【3 】【4 】。 ! ! i d s p o r ! ! l i a s l c 6 a 压旦f “ 中频部分基带模拟部分基带数字部分 图1 - l 典型接收机系统框图 在射频产品成本降低的驱动下，如何采用成本低廉、集成度高的c m o s 工艺 实现高性能的射频集成电路成为射频集成电路设计研究的焦点，人们不断提出并 完善c m o s 工艺下的射频电路结构和分析设计技术，逐步推出c m o s 工艺的成 熟射频产品，取得了巨大的市场效益。 有源混频器作为无线通信系统中的关键模块，被广泛应用于蓝牙( b l u e t o o t h ) 、g s m ( g l o b a ls y s t e mm o b i l e ) 、g p s 、w l a n ( 1 e s sl o c a la r e an e t w o r k ) 、 3 g ( w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 ，t d s c d m a ) 等应用领域的收发系统中；其c m o s 分析设计技术的研究已成为有源混频器研究领域的热剧1 】【2 】【3 】【6 1 。p yc h a n 等人于 1 9 9 3 年采用c m o s 工艺实现了1 g h z 高线性度的下变频混频器【5 】，随后，越来越 多的c m o s 混频器电路及分析设计技术如雨后春笋般地被提出。本文提出的混频 器分析技术主要是应用于有源c m o s 混频器电路。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有源c m o s 混频器。 混频器电路完全工作在射频频段，其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。在混频器的各项性能指标中，其噪 声特性将严重影响整个系统的灵敏度、选择性和动态范围等性能参数，占有举足 轻重的地位【3 儿引。然而，混频器不是一个线性时不变系统，不能采用传统的放大 器噪声分析技术对其噪声特性进行估计。这就使得分析与估计混频器的噪声特性 2 第一章绪论 这项工作变得十分困难。因此，如何快速有效的分析与估计混频器的噪声特性成 为工程师和研究者们最为关注的课题之一。 1 2 相关研究现状 众所周知，晶体管是有源电路的主要噪声贡献者。而晶体管的固有噪声包括 热噪声( t h e r m a ln o i s e ) 、散粒噪声( s h o tn o i s e ) 、闪烁噪声( f l i c k e rn o i s e ) 等。 正如m e l l y , p o r r e t ，e n z 和v i t t o z 等所指出的【8 】：h u l l 和m e y e r 已在文献【7 】 中构建出了分析通用有源混频器的噪声特性的理论框架。其主要思想概述如下： 对于一个线性时变系统，输入输出关系由下式给出【9 】。 + y o ) = 陬o ，“b 0 胁 ( 1 一1 ) 或者在频域内表示为 】，b ) = p b ，弦kd o ) 矿 ( 1 - 2 ) 其中h ( t ，甜) 为系统的时变冲击响应，且有 日。矿，国矿) = 去互o ，甜，”幽 p 一，叼衍 c 一3 ， 对于由频率为国的周期本振信号来驱动的混频器，频域方程( 1 2 ) 和( 1 3 ) 可 以简化为 其中 】，矿) ：+ c o 吃k 皿0 旷+ 国) ( 1 - 4 ) 日。o 矿) = 互专了办( v + “，“) p 扣留“咖 p 一，”咖 ( 1 5 ， 当混频器的输入噪声源是平稳过程而输出噪声通过了一个带宽为b 国加一2 0 ) 矿， 中心频率为( + c o s o l + 国2 】 ( 2 - 3 ) 需要指出的是，由于高阶项和其它无关的干扰项的存在，非线性器件的相乘 特性是不理想的，需要采取措施减少输出中存在的无用的项。 一个具体的利用器件非线性实现混频器的电路如图2 - 2 所示【1 4 1 。忽略沟道长 度调制效应和其他二级效应，工作在饱和区的长沟道m o s f e t s 符合平方律特性， 可以把漏极电流表示如下【1 3 】： i d = 百1 。了w 吒一圪) 2 = k 。吒一) 2 ( 2 4 ) 其中是漏源电压，圪为晶体管的阈值电压；矽和l 分别为m o s f e t s 的沟道 7 电子科技大学硕士学位论文 宽度和长度：c 似表示单位面积栅氧化层电容而指载流子迁移率。 圪泌 v i f 图2 - 2m o s f e t 混频器 如果是l 强信号v r f 、l o 信号v 工0 以及偏置圪船这三项在电路输入端线性 叠加后的和，那么我们可以得到： = 圪栅+ v 肚+ v l o = 圪伽+ c o s c o 肚f + c o s ( 0 l d f ( 2 5 ) 将( 2 5 ) 代入( 2 4 ) 式可得： l = k 眈协+ c o s ( _ 0 灯t + v 工oc o s 0 ) f 一) 2 = k 卜+ 等+ 孕+ 吆+ 2 眈伽一赡c o s c o r o t + 2 吒一儿c r + c 。s ( _ - o l o + ( - o r f + c 。s 一国艘y 一2 玩+ 譬c 。s 2 国腰f + 簪2 嘣 ( 2 - 6 ) 一般对于接收机来说，其中仅有缈- - o ) r f 是需要的频率分量。而从上式可以看出， 输出信号中其它频率的分量比较多，因此它的效率不高。而且l o 信号和r f 信 号会直接出现在i f 输出端。 2 1 3 开关电路的混频作用 从图2 3 中可以看出，此类混频器是由本振信号控制开关的导通和截止。当 8 第二章混频器基础理论 开关导通时输出就是l 强信号，当开关断开的时候输出就为零。这个过程可以看 作是i 疆信号与一个方波相乘。注意到这个电路对r f 端口是一个线性时变系统， 而对l o 端口是一个非线性时变系统【1 6 1 。 其中 v r f v l o v i f v r fl f ( a )( b ) 图2 - 3 开关电路混频器( a ) 原理图( b ) 用m o s f e t 代替开关 如果本振信号是占空比为5 0 的方波，设本振开关函数为： 丁o ) = 1 t l + s g n ( v l 。) 】 ( 2 - 7 ) s 曲) = 争n 咖扣( 3 吲) + 扣( 5 吲) + 一i - 8 ) 万i j) j 看射频输入佰号为1 l ，盯= c o s c o s f t ，则混频器獭出信亏为 v 矿= v 盯丁o ) = c 。s o 艘r ) l 丢+ 昙s i l l 白r ) + 五2s i l l ( 3 国加r ) + 磊2s i n ( 5 功。，) + i ：i 1v 肚c 。s ( 彩灯f ) + 兰巴is i n o + c o r f ，+ s i n o 一国腰 + 丢s i n ( 3 缈+ 缈肚y + l js i n ( 3 0 9 , 0 - - ( o r f + s i n ( 5 ( 0 o + o ) r f + 詈s i n ( s r o 叩- c a m ，+ l ( 2 9 ) 展开后也只有一项s i l l 0 加一0 9 肝y 万是需要的频率分量，但是有用的频率分量 在输出信号中占的比例较大，因此效率比较高。而且如果开关是理想的，这个混 频电路不产生噪声而且没有直流功耗。 9 叭帅 电子科技大学硕士学位论文 2 2 混频器的分类 2 2 1 引言 混频器按不同标准可以进行不同的分类：根据功能不同可分为上变频混频器 和下变频混频器；根据混频器能否提供信号增益，可将混频器分为有源混频器和 无源混频器；根据电路的拓扑结构不同，混频器可分为单端混频器和平衡混频器， 其中平衡混频器又可分为单平衡混频器和双平衡混频器【1 4 1 。 上变频混频器和下变频混频器的主要区别在于输出信号的频率。上变频器用 于发射机中，将频率较低的基带( b a s e b a n d ) 信号或i f 信号转换到频率较高的 r f 信号。下变频器用于接收机中，将频率较高的r f 信号转换到频率较低的i f 信号或者基带信号。 无源混频器结构非常简单，具有低功耗、高线性度、低噪声的优点。乘法通 过开关直接控制加在负载上的电压来实现，工作原理如2 1 3 节所述。一个简单的 双平衡无源混频器如图2 4 所示。 r f ll o 。l o + l 图2 - 4 一种双平衡无源混频器 无源混频器在开关导通时，输入电压在负载和m o s 管的导通电阻之间分压， 因此无源混频器没有增益，而是衰减。为了减小衰减，要求开关m o s 管具有较 小的导通电阻。在m o s 管关断的时候，要求m o s 管要有较大的阻抗，从而提高 隔离度。 有源混频器具有较高的隔离度，而且可以提供高的增益，因此可以降低混频 以后各级噪声对接收机总噪声的影响。有源混频器首先通过输入跨导级将射频输 入电压信号转换为电流信号，然后通过控制开关的导通或关断来控制负载上的电 流流向( 相当于输入电流乘以一个方波) ，从而实现混频。其电路原理的示意图如 1 0 第二章混频器基础理论 图2 5 所示。 r 醅= r f 廿b 1 1 1- 1 图2 - 5 有源混频器工作原理图 无源混频器与有源混频器相比，其缺点是增益小，端口的隔离度不高，射频 信号和本振信号的馈通对整个电路的影响较大。在使用较大振幅的本振信号时可 以达到开关的目的，不过同时就增大了本振信号的功率。简单的说，虽然无源混 频器的线性度较好，但其噪声系数和增益不够理想，使得它的应用并不广泛【l 7 1 。 2 2 2 有源混频器 有源混频器与无源混频器相比，虽然其消耗的功率略大，线性度较差一些， 但其转换增益大可以降低混频以后各级噪声对接收机总噪声的影响，噪声系数小， 端口的隔离度也较好。因而是目前广泛采用的混频器类型。根据电路的拓扑结构 不同，有源混频器可分为单端混频器、单平衡混频器和双平衡混频器。下面以 m o s f e t s 混频器电路为例分别介绍这几种混频器的拓扑结构。 1 ) 单端混频器又称为非平衡混频器，如图2 2 所示的混频器就是一种单端混 频器。这类电路是在有源混频器电路中最简单的，器件也最少，因此噪声也比较 低。但根据式( 2 - 6 ) 可以看出，该混频器的输出信号中包含国冗f 和频率成分， 1 1 电子科技大学硕士学位论文 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 或者输出端加入选频网络，从而衰减不需要的频率成分。 2 ) 单平衡有源混频器由一个单端输入跨导级( m 1 ) 和一对由本振信号驱动 的差分对开关级( m 2 m 3 ) 组成，如图2 - 6 所示。它的输入信号是单端的射频信 号和对平衡的本振信号，输出信号是平衡的中频信号。 跨导级m 1 将栅极的射频电压信号转换成漏极的电流信号，差分对m 2 和m 3 在本振信号的控制下轮流导通。本质上这个电路的工作方式与开关混频器电路 ( 2 1 3 节) 相似。因为l o 采用了差分的工作方式，所以输出的信号可表示为： 0 p ) = s g n ( v d ) + g 册1 v r f ) ( 2 - 1 0 ) 其中厶胁表示m 1 管的偏置电流，g 。，表示m 1 管的跨导。 + v l o 图2 - 6 单平衡有源混频器 将( 2 8 ) 式代入( 2 1 0 ) 可以得到 o d ) = 昙【s i n 白r ) + 三s i n o c o w t ) + s i n ( 5 国r ) + 卜 厶船+ g 卅c 。s o r f ，) 】 = 昙k 【s i n ( c o w r ) + 三s i n ( 3 c o w f ) + s i n ( 5 国幻f ) + 】+ 昙g 册【s i n ( c o w + c o w ， + s i n o 一国肚y + 昙s i n 0 国+ 力肚 + 丢s i n 0 缈加一缈胆y + 】 ( 2 1 1 ) 对比( 2 1 1 ) 和( 2 9 ) 可以发现，理想的单平衡混频器抑制了射频信号到中 第二章混频器基础理论 频端的馈通。同时差分的本振信号可以有效的抑制本振信号的共模噪声带来的影 响。而且射频信号和本振信号在电路不同的端口输入，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 f e t 都 有一定的直流偏置，本振信号与直流偏置相乘直接体现在输出端口上，因而输出 信号包含本振信号的奇次谐波，如式( 2 1 1 ) 所示。 3 ) 双平衡有源混频器，又称为吉尔伯特( g i l b e r t ) 混频器，是变频系统中最 常用的混频器结构，如图2 7 所示。它由一对差分射频跨导级( m 1 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( z ，) 组成。其工 作原理与单平衡混频器的工作原理相似，也是由本振驱动差分开关组中不同的 m o s f e t s 轮流导通完成射频信号与本振信号相乘。 图2 7 双平衡有源混频器 理想情况下当本振正半周时，差分开关中m 3 和m 6 导通，m 4 和m 5 断开( 如 图2 - 8 ( a ) 所示) ，这时中频信号为一g m v 腰乙；当本振负半周时，差分开关中的 m 4 和m 5 导通，而m 3 和m 6 断开( 如图2 8 ( b ) 所示) ，这时候的中频输出为 1 3 电子科技大学硕士学位论文 g ，1 ，灯z 二。所以在一个本振周期中，中频输出信号为： 1 ，伊= 一g 。v 腰s g n ( v ) z l ( 2 - 1 2 ) + i 珂 一l 0 ( a ) 本振正半周 ( b ) 本振负半周 图2 - 8 双平衡有源混频器工作原理 双平衡结构的混频器能有效的抑制本振到中频端的馈通。比较图2 7 和图 2 6 ，单平衡混频器本振信号对于输出始终是个差分信号，所以本振信号会被放 大到中频：而在双平衡混频器中本振信号对于输出始终是一个共模信号，因而可 以很容易的被抑制。因此对于理想的双平衡混频器，射频信号和本振信号都不会 出现在中频端。而实际上，由于电路结构的不完全对称，器件工作特性的不匹配 等因素，在输出端仍有射频及本振信号分量。 在单平衡混频器( 图2 6 ) 的结构中，m 1 管的漏极存在一个角频率为2 0 ) m 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和电容泄漏 到射频端。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 了射频的共模干扰信号，因此也能被抑制掉。差分的射频信号输入方式也抑制了 射频信号中共模噪声。 但是双平衡混频器所使用的器件是单平衡结构的两倍，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。 1 4 第二章混频器基础理论 2 3 混频器主要性能指标 2 3 1 转换增益( c o n v e r sio ng ain ) 混频器的增益通常称作转换增益，它定义为输出端口有用信号的大小与输入 射频信号大小之比。在不同的应用环境，混频器的转换增益有不同的表示方式。 对于单片集成的混频器，它的输入端口、输出端1 ：3 通常需要与外部器件实现阻抗 匹配，以获得最大的功率传输，此时混频器的转换增益常利用信号的功率表示： 铲。g 协 其中易表示负载得到的中频功率，表示信号源的射频资用功率。 而对于集成在系统内部的混频器而言，转换增益使用电压信号表示会更方便： 铲2 g 协 值得注意的是( 2 1 3 ) 式还可以表示为： 妒。g 圳。g 獬百r si 其中r s 指射频输入源阻抗，r 工为负载阻抗。 混频器的转换增益表征了混频器变换信号的能力，增益越大，变换能力越强， 故希望转换增益要大些，特别是对于低中频接收机而言，转换增益大，有利于 提高接收机的灵敏度。而如2 2 节所述，根据混频器的转换增益将混频器归结为 两大类：能够提供增益的称为有源混频器；不能提供增益的定义为无源混频器。 2 3 2 噪声系数( n ois efig u r e ) 混频器紧跟l n a 后面，属于接收机的前端电路，它的噪声性能对接收机的 性能影响很大，因而往往是最重要最受关注的。通常使用噪声系数来衡量混频器 的噪声性能，其定义为：输入( i 心) 端的信噪比( s n e ) 除以输出( i f ) 端的信 噪比，即 1 5 电子科技大学硕士学位论文 n f ：1 0 1 0 9 些堕 s n r f p 其中册侬肚和s n r ，分别是混频器输入( r f ) 端和输出( i f ) 端的信噪比。 噪声系数的另一种理解是表示系统额外增加噪声的比例。 n f = 1 0 1 0 9 等s a ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 式中虬表示输入噪声源贡献的输出噪声，f d 缸，表示系统总的输出噪声。 从( 2 1 6 ) 和( 2 1 7 ) 可以看出噪声系数表征了信号通过混频器电路后，电 路内部噪声造成信噪比恶化的程度。而对于集成在系统内部的混频器则可以利用 输入参考噪声电压来衡量混频器的噪声性能，它等于输出噪声电压除以混频器的 电压转换增益。 混频器的噪声系数根据应用背景和测量方法的不同可分为两种，即双边带 ( d s b ) 和单边带( s s b ) 噪声系数。 对于超外差式接收机射频( r f ) 信号位于本振信号( l o ) 信号的一侧， 经过混频后，混频器不仅将有用信号频带内的噪声搬到了中频，并且还将位于镜 像频带内的噪声也搬到了中频，如图2 - 9 所示，此时，测得的混频器的噪声系数 称为混频器的单边带噪声系数( s s b ) 。如果假设射频频带与镜像频带内的噪声相 同，且混频器的射频口对这两个频段的频率响应相同，还假设混频器是无噪声， 忽略混频器高次谐波，对于图2 - 9 所示情况，经混频后，输出信噪比比输入信噪 比降低了一倍，即低了3 d b 。 0 文铲y 广州叫叫) - - l y 奄下 享 s 翻赡i 黼a t x s 删r u r l la t y s i g n a l 8 a l l a 曩r m a l i 7 1 w m a g e 8 稿n d i o i s e i 缀缀麟缓黝裰器荔渊 影历 图2 - 9 混频器射频和镜像噪声搬移到中频带 1 6 第二章混频器基础理论 s p e c t r u m a l lx y 洲y s i g n a l b a n d o ) l o 盟 o 垃 图2 1 0 一个调幅信号的直接下变频 对于零中频方案的接收机。由于射频频率和本振频率相等，若射频为已调信 号，它的频谱位于载频两边，如图2 1 0 所示。则经过混频后，它仅将信号频带内 噪声搬到了零中频的频带内( 因为此时无镜像频率) 。很明显，此时如果假设混频 器无噪声的，则经过混频后输出输入的信噪比没有变化。对于这种信号频谱位于 本振两侧的情况，测得混频器的噪声系数称为混频器的双边带噪声系数( d s b ) 。 在测量时如果仪器测出的噪声系数是双边的，只要加上3 d b 就是单边噪声系数。 混频器的噪声系数一般都比放大器高很多，因为除了处在需要的r f 信号频 带的噪声外还有其他频带的噪声被搬移到中频频带中，这一点可以这样理解，由 于镜像频率的存在，即使是一个理想的无噪声混频器，其输出信号的信噪比也只 有输入信噪比的一半。换言之，本身无噪声的混频器也有3 d b 的噪声系数。 正因为混频器是一个大的噪声源，所以才在接收机里使用l n a 。如果l n a 有足够的增益，那么信号可以被放大到比混频器和后面电路的噪声大很多的水平， 这样接收机的噪声系数就只由l n a 决定而不是混频器。 2 3 3 线性度( l i n e a ri t y ) 混频器本身是一个非线性系统，但是我们还是要求混频器具有高的线性度， 这并不矛盾。因为非线性器件是指混频器的工作原理是非线性的，但是尽管混频 器的输入信号和输出信号的频率不同，它们还是应该具有良好的线性关系。电路 的非线性会带来增益压缩、信号阻塞、互调和交调等效应，下面将分别作介绍。 1 ) 1 d b 压缩点( 1 d bc o m p r e s s i o np o i n t ) 一个无记忆的时变非线性系统的输入输出的函数关系可表示为： y 1 6 f ) = 口x ( f ) + 口：x 2 1 6 f ) + a ，x 3 0 ) + ( 2 - 1 8 ) 1 7 电子科技大学硕士学位论文 如果输入信号是一个单频率的正弦信号： x o ) = a c o s c o t ( 2 1 9 ) 为简单起见忽略四阶以上高次项，这个非线性系统的输出为： y g ) a 1 a e o s c o t + a 2 a 2c o s 2c o t + a 3 a 3c o s 3c o t = 竿+ h + 竿 c o s 耐+ 等c o s 2 耐+ 竿c o s 3 耐q 删 从上面的表达式中可以发现几点规律：a ) 所有的偶次谐波的系数只和a ：、 a 。等有关；b ) 1 1 次谐波只与a ”以及a 的其它一些更高阶项成正比；c ) 对于 较小的a ，如果忽略这些高阶项，那么1 1 次谐波只与a ”成正比。 观察式( 2 2 0 ) ，其中的一次项可改写为： 卜半卜耐 协2 1 ， 括号里的就是一次项( 即线性输出) 的增益。当输入信号幅度较小的时候 ( a ， 1 3 a ，a 2 4 1 ) 输出可表示为a ，a c o s g o t ，这时候的系统的增益恒定，输入输 出保持良好的线性关系；随着输入信号幅度的不断增加3 口，4 2 4 不能再忽略，在 通常的实际系统中a 。 0 ，所以增益会不断减小，输出信号也会逐渐偏离原来的 线性关系，如图2 - 1 1 所示，出现增益压缩的现象。当增益比理想值减少l d b 的时 候，所对应的输入信号的强度就是1 - d b 压缩点( 彳l 枷) 。 2 0 l o g 1d b l o g a i n 图2 1 1 增益压缩与1 d b 压缩点 要计算1 d b 压缩点我们可以由式( 2 2 1 ) 及定义得出 1 8 第二章混频器基础理论 则有 2 g i 口l + ；蝉l = 2 0 l o g i ”i - d b ( 2 - 2 2 ) 么l 一血2 ( 2 2 3 ) 这是一个电路或者系统所能接收的最大信号，典型射频前端放大器的1 一d b 压缩点 大约在2 0 d b m 到2 5 d b m ( 对于5 0 系统，约为峰峰值6 3 2 m v 到3 5 6 m y ) 【1 6 】。 2 ) 信号减敏和阻塞( d e s e n s i t i z a t i o na n db l o c k i n g ) 考虑当含有两个频率的信号输入到一个非线性系统中的时候，设该信号为： x o ) = a lc o s ( 0 l r + a 2c o s ( z ，2 f ( 2 - 2 4 ) 代入( 2 1 8 ) 中得到输出为： y o ) = ( 口。4 + 三a ，彳+ 兰口，彳，4 ；) c 。s q f + ( 2 - 2 5 ) 当q 就是所需的信号，当a l a 2 ，上式可以简化成： y o ) = ( q + 三口，彳；) 4 c。sq，+(2-26) ( 2 2 6 ) 式中括号内的部分就是增益。如果a ， + 弓叫3c o s ( 2 q + 缈：y + 三叫3c o s ( 2 ( - 0 2 + c 0 1 ) f + ( 2 2 9 ) 我们感兴趣的是在2 弛一国：和2 缈，一吼处的三阶交调项i m 3 ( t h i r d o r d e r i n t e r m o d u l a t i o n ) 。由于这两个信号的频率十分接近，那么输出信号中频率为 2 缈，一缈：和2 吐一劬的分量将出现在劬和缈，附近。如果频率为劬和缈：的是两个较 强的干扰信号，他们与有用信号毗邻且一起经过三阶非线性调制，那么将有一个 交调项落入我们感兴趣的频带内，它将破坏有用的成分。在实际中这种破坏是很 普遍和严重的，所以研究者们定义了一个性能指标来表征这一现象，这个指标叫 做三阶交调点i