CN105024663A - 一种跨导放大器及高鲁棒性混频器电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种跨导放大器及高鲁棒性混频器电路，涉及无线通信技术领域，所述跨导放大器包括：差模电路、共模反馈电路和共模相位裕度补偿电路；所述差模电路，用于将输入的射频电压信号转换为射频电流信号；所述共模反馈电路，用于将所述射频电压信号的差模分量抵消，以产生共模电压信号；所述共模相位裕度补偿电路，用于提高所述共模电压信号的相位裕度。本发明的跨导放大器通过设置共模相位裕度补偿电路，提高了所述共模电压信号的相位裕度，从而减弱了跨导放大器中共模反馈环路的相位裕度受到前级电路输出阻抗的影响。

Description

一种跨导放大器及高鲁棒性混频器电路

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种跨导放大器及高鲁棒性混频器电路。

背景技术

无线通信应用依赖于射频信号在无线网络中传递信息来满足人们对于通信的要求。发射机将基带频率信号上变频到射频载波信号，形成要传送的射频信号，接收机将接收到的射频信号下变频到基带频率信号，再送入基带处理器进行解调。

下混频器可以分为无源型和有源型，无源混频器一般提供小于0dB的转换增益，而有源混频器一般提供大于0dB的转换增益。无源混频器可以提供更低的噪声系数和更高的线性度。

参照图1，目前主流的无源混频器架构为：跨导放大器101+电流型混频器102+跨阻放大器103（图中的“LO”为本振信号）。由于该结构中跨导放大器和跨阻放大器的增益均受到温度和工艺波动影响，因此下混频器的增益在不同环境中会出现较大波动，造成下混频后的中频信号不稳定，影响接收机性能。

此外，为了提高放大器效率，跨导放大器通常采用反相器结构，该结构的共模稳定性会受到前级电路输出阻抗的影响。传统跨导放大器结构如图2所示，设电容221、222、223、224为C_B，电阻211、212、213、214为R_B，前级电路输出阻抗为Z_in，电阻241、242为R_CM，NMOS管232的栅源电容为C_gs6，则共模反馈电路的零极点位置如下：

$z_1=-\frac{1}{Z_{\mathrm{in}}{C}_B}---\left(1\right)$

$p_1=-\frac{1}{(Z_{\mathrm{in}}+R_B)C_B}---\left(2\right)$

$p_2=-\frac{2}{R_{\mathrm{CM}}{C}_{\mathrm{gs}6}}---\left(3\right)$

根据公式(1)和(2)可知，第一主极点和零点的相对位置受前级电路输出阻抗的影响。当Z_in>>R_B时，p₁≈z₁，此时会存在一个零极点对，恶化共模反馈电路相位裕度；当Z_in<<R_B时，p₁<<z₁，此时在单位增益（GBW）内，共模反馈电路可以近似看做一个单极点系统，共模环路相位裕度较高。因此共模反馈电路相位裕度会受到前级电路输出阻抗的影响。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何减弱跨导放大器中共模反馈环路的相位裕度受到前级电路输出阻抗的影响。

（二）技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种跨导放大器，所述跨导放大器包括：差模电路、共模反馈电路和共模相位裕度补偿电路；

所述差模电路，用于将输入的射频电压信号转换为射频电流信号；

所述共模反馈电路，用于将所述射频电压信号的差模分量抵消，以产生共模电压信号；

所述共模相位裕度补偿电路，用于提高所述共模电压信号的相位裕度。

其中，所述差模电路包括：4个隔直电容、4个隔交电阻、2个NMOS管和2个PMOS管；

所述第一隔直电容的第一端与第二隔直电容的第一端连接后作为第一输入端，所述第一隔直电容的第二端与第一隔交电阻的第一端及第一PMOS管的栅极分别连接，所述第二隔直电容的第二端与第二隔交电阻的第一端及第一NMOS管的栅极分别连接，所述第三隔直电容的第一端与第四隔直电容的第一端连接后作为第二输入端，所述第三隔直电容的第二端与第三隔交电阻的第一端及第二PMOS管的栅极分别连接，所述第四隔直电容的第二端与第四隔交电阻的第一端及第二NMOS管的栅极分别连接，所述第一PMOS管的源极与第二PMOS管的源极及电源端分别连接，所述第一NMOS管的源极与第二NMOS管的源极及接地端分别连接，所述第一NMOS管的漏极与第一PMOS管的漏极连接后作为第一输出端，所述第二NMOS管的漏极与第二PMOS管的漏极连接后作为第二输出端，所述第一隔交电阻的第二端与第三隔交电阻的第二端连接后作为偏置电压输入端，所述第二隔交电阻的第二端与第四隔交电阻的第二端连接后作为共模反馈信号端。

其中，所述共模相位裕度补偿电路包括：两个RC串联电路，第一RC串联电路连接于所述第一NMOS管的栅极与第一NMOS管的漏极之间，所述第二RC串联电路连接于所述第二NMOS管的栅极与第二NMOS管的漏极之间。

其中，所述跨导放大器还包括：偏置电压供应电路；

所述偏置电压供应电路包括：2个PMOS管、2个NMOS管和电阻，第三PMOS管的源极与第四PMOS管的源极及电源端分别连接，所述第三PMOS管的漏极与所述第三NMOS管的漏极、第三NMOS管的栅极及第四NMOS管的栅极分别连接，所述第三NMOS管的源极与接地端连接，所述第四PMOS管的栅极与第四PMOS管的漏极、第四NMOS管的漏极及第三PMOS管的栅极分别连接，所述第四NMOS管的源极通过所述电阻与接地端连接，所述第四NMOS管的宽长比为第三NMOS管的宽长比的K倍，所述K大于1，所述第三PMOS管的栅极作为偏置电压输出端。

本发明还公开了一种高鲁棒性混频器电路，所述高鲁棒性混频器电路包括：所述的跨导放大器。

其中，所述高鲁棒性混频器电路还包括：电流型混频器和跨阻放大器，所述跨导放大器、电流型混频器和跨阻放大器依次连接。

（三）有益效果

本发明的跨导放大器通过设置共模相位裕度补偿电路，提高了所述共模电压信号的相位裕度，从而减弱了跨导放大器中共模反馈环路的相位裕度受到前级电路输出阻抗的影响。

本发明还通过将设计的偏置电压供应电路应用于所述跨导放大器中，从而实现了转换增益与温度和工艺波动均无关的高鲁棒性混频器电路。

附图说明

图1是混频器的电路结构框图；

图2是传统跨导放大器的结构示意图图；

图3是本发明一种实施方式的跨导放大器的结构示意图；

图4是图3所示的跨导放大器中偏置电压供应电路的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图3是本发明一种实施方式的跨导放大器的结构示意图；参照图3，所述跨导放大器包括：差模电路、共模反馈电路和共模相位裕度补偿电路；

所述差模电路，用于将输入的射频电压信号转换为射频电流信号；

所述共模反馈电路，用于将所述射频电压信号的差模分量抵消，以产生共模电压信号；

所述共模相位裕度补偿电路，用于提高所述共模电压信号的相位裕度。

优选地，所述差模电路包括：4个隔直电容321、322、323、324、4个隔交电阻311、312、313、314、2个NMOS管301、302和2个PMOS管303、304；

所述第一隔直电容323的第一端与第二隔直电容321的第一端连接后作为第一输入端RFIP，所述第一隔直电容323的第二端与第一隔交电阻313的第一端及第一PMOS管303的栅极分别连接，所述第二隔直电容321的第二端与第二隔交电阻311的第一端及第一NMOS管301的栅极分别连接，所述第三隔直电容324的第一端与第四隔直电容322的第一端连接后作为第二输入端RFIN，所述第三隔直电容324的第二端与第三隔交电阻314的第一端及第二PMOS管304的栅极分别连接，所述第四隔直电容322的第二端与第四隔交电阻312的第一端及第二NMOS管302的栅极分别连接，所述第一PMOS管303的源极与第二PMOS管304的源极及电源端分别连接，所述第一NMOS管301的源极与第二NMOS管302的源极及接地端分别连接，所述第一NMOS管301的漏极与第一PMOS管303的漏极连接后作为第一输出端RFON，所述第二NMOS管302的漏极与第二PMOS管304的漏极连接后作为第二输出端RFOP，所述第一隔交电阻313的第二端与第三隔交电阻314的第二端连接后作为偏置电压输入端VBP，所述第二隔交电阻311的第二端与第四隔交电阻312的第二端连接后作为共模反馈信号端VCM。

为便于实现提高所述共模电压信号的相位裕度，优选地，所述共模相位裕度补偿电路包括：两个RC串联电路，第一RC串联电路（即图中的电阻331和电容333）连接于所述第一NMOS管301的栅极与第一NMOS管301的漏极之间，所述第二RC串联电路（即图中的电阻332和电容334）连接于所述第二NMOS管302的栅极与第二NMOS管302的漏极之间。

设电容321、322、323、324为C_B，电阻311、312、313、314为R_B，前级电路输出阻抗为Z_in，电阻351、352为R_CM，NMOS管342的栅源电容为C_gs6，电容333、334为C_C，电阻331、332为R_C，则提高所述共模电压信号的相位裕度的推导过程为：共模环路的零极点位置如下：

$z_1=-\frac{1}{Z_{\mathrm{in}}{C}_B+R_C{C}_C}---\left(4\right)$

$z_2=-\frac{1}{Z_{\mathrm{in}}{C}_B}-\frac{1}{R_C{C}_C}---\left(5\right)$

$p_1=-\frac{1}{(Z_{\mathrm{in}}+R_B)C_B+(R_C+R_B)C_C}---\left(6\right)$ $p_2=-\frac{(z_{\mathrm{in}}+R_B)C_B+(R_C+R_B)C_C}{C_B{C}_C(Z_{\mathrm{in}}{R}_C+R_B{R}_C+R_B+Z_{\mathrm{in}})}---\left(7\right)$

$p_3=-\frac{2}{R_{\mathrm{CM}}{C}_{\mathrm{gs}6}}---\left(8\right)$

根据公式(4)～(8)可知，零极点的位置不仅与前级电路输出阻抗Z_in有关，还与米勒补偿电阻C_B和电容C_C有关，因此降低了共模环路稳定性受前级电路输出阻抗Z_in的影响。

所述共模反馈电路包括：NMOS管341、342，PMOS管343、344，尾电流管345和电阻351、352。其中，电阻351、352将差分信号RFOP和RFON的差模分量抵消，共模分量送给NMOS管342的栅极，NMOS管342的源极与NMOS管341的源极相连，并连接到尾电流管345，NMOS管342的漏极连接PMOS管344的漏极，NMOS管341的漏极连接PMOS管343的漏极VCM，PMOS管344的栅极和漏极与PMOS管343的栅极相连，PMOS管343、344的源极连接电源。

参照图4，所述跨导放大器还包括：偏置电压供应电路；

所述偏置电压供应电路包括：2个PMOS管403、404、2个NMOS管401、402和电阻Rs，第三PMOS管403的源极与第四PMOS管404的源极及电源端分别连接，所述第三PMOS管403的漏极与所述第三NMOS管401的漏极、第三NMOS管401的栅极及第四NMOS管402的栅极分别连接，所述第三NMOS管401的源极与接地端连接，所述第四PMOS管404的栅极与第四PMOS管404的漏极、第四NMOS管402的漏极及第三PMOS管403的栅极分别连接，所述第四NMOS管402的源极通过所述电阻Rs与接地端连接，所述第四NMOS管402的宽长比为第三NMOS管401的宽长比的K倍，所述K大于1，所述第三PMOS管403的栅极作为偏置电压输出端VBP。

为实现转换增益与温度和工艺波动均无关的高鲁棒性混频器电路，优选地，本发明还公开了一种高鲁棒性混频器电路，参照图1，所述高鲁棒性混频器电路包括：所述的跨导放大器101。

所述高鲁棒性混频器电路的转换增益与温度和工艺波动均无关的推导过程为：NMOS管401的跨导为：

$g_{m1}=\frac{2}{R_S}(1-\frac{1}{\sqrt{K}})---\left(9\right)$

采用错误!未找到引用源。所示的偏置电压供应电路为跨导放大器101提供偏置电压，那么跨导放大器（101）的增益为：

$G_m={\mathrm{Mg}}_{m1}=M\frac{2}{R_S}(1-\frac{1}{\sqrt{K}})---\left(10\right)$

其中，M为电流镜像比。

对于混频器电路而言，其转换增益Conversion Gain为：

Conversion Gain＝G_m·Loss·R   (11)

其中，G_m为跨导放大器101的增益，Loss为电流型混频器102的增益，R为跨阻放大器103的增益，为了实现匹配性，R=NR_S，那么转换增益可以表示为：

$\begin{array}{c}\mathrm{ConversionGain}=G_m\&CenterDot;\mathrm{Loss}\&CenterDot;R\\ =M\frac{2}{R_S}(1-\frac{1}{\sqrt{K}})\&CenterDot;\mathrm{Loss}\&CenterDot;N{R}_S\\ =2\mathrm{MN}(1-\frac{1}{\sqrt{K}})\mathrm{Loss}\end{array}---\left(12\right)$

根据公式(12)可知，混频器电路的转换增益与温度和工艺波动无关，具有较强的鲁棒性。

优选地，所述高鲁棒性混频器电路还包括：电流型混频器102和跨阻放大器103，所述跨导放大器101、电流型混频器102和跨阻放大器103依次连接，

输入射频RF电压信号经过跨导放大器101转换为射频电流信号，射频电流信号与本振信号LO在电流型混频器102中实现下混频，输出的中频IF电流信号经过跨阻放大器103转换为中频电压信号。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (6)

1.一种跨导放大器，其特征在于，所述跨导放大器包括：差模电路、共模反馈电路和共模相位裕度补偿电路；

所述差模电路，用于将输入的射频电压信号转换为射频电流信号；

所述共模反馈电路，用于将所述射频电压信号的差模分量抵消，以产生共模电压信号；

所述共模相位裕度补偿电路，用于提高所述共模电压信号的相位裕度。

2.如权利要求1所述的跨导放大器，其特征在于，所述差模电路包括：4个隔直电容、4个隔交电阻、2个NMOS管和2个PMOS管；

所述第一隔直电容的第一端与第二隔直电容的第一端连接后作为第一输入端，所述第一隔直电容的第二端与第一隔交电阻的第一端及第一PMOS管的栅极分别连接，所述第二隔直电容的第二端与第二隔交电阻的第一端及第一NMOS管的栅极分别连接，所述第三隔直电容的第一端与第四隔直电容的第一端连接后作为第二输入端，所述第三隔直电容的第二端与第三隔交电阻的第一端及第二PMOS管的栅极分别连接，所述第四隔直电容的第二端与第四隔交电阻的第一端及第二NMOS管的栅极分别连接，所述第一PMOS管的源极与第二PMOS管的源极及电源端分别连接，所述第一NMOS管的源极与第二NMOS管的源极及接地端分别连接，所述第一NMOS管的漏极与第一PMOS管的漏极连接后作为第一输出端，所述第二NMOS管的漏极与第二PMOS管的漏极连接后作为第二输出端，所述第一隔交电阻的第二端与第三隔交电阻的第二端连接后作为偏置电压输入端，所述第二隔交电阻的第二端与第四隔交电阻的第二端连接后作为共模反馈信号端。

3.如权利要求2所述的跨导放大器，其特征在于，所述共模相位裕度补偿电路包括：两个RC串联电路，第一RC串联电路连接于所述第一NMOS管的栅极与第一NMOS管的漏极之间，所述第二RC串联电路连接于所述第二NMOS管的栅极与第二NMOS管的漏极之间。

4.如权利要求2或3所述的跨导放大器，其特征在于，所述跨导放大器还包括：偏置电压供应电路；

所述偏置电压供应电路包括：2个PMOS管、2个NMOS管和电阻，第三PMOS管的源极与第四PMOS管的源极及电源端分别连接，所述第三PMOS管的漏极与所述第三NMOS管的漏极、第三NMOS管的栅极及第四NMOS管的栅极分别连接，所述第三NMOS管的源极与接地端连接，所述第四PMOS管的栅极与第四PMOS管的漏极、第四NMOS管的漏极及第三PMOS管的栅极分别连接，所述第四NMOS管的源极通过所述电阻与接地端连接，所述第四NMOS管的宽长比为第三NMOS管的宽长比的K倍，所述K大于1，所述第三PMOS管的栅极作为偏置电压输出端。

5.一种高鲁棒性混频器电路，其特征在于，所述高鲁棒性混频器电路包括：权利要求1～4中任一项所述的跨导放大器。

6.如权利要求5所述的高鲁棒性混频器电路，其特征在于，所述高鲁棒性混频器电路还包括：电流型混频器和跨阻放大器，所述跨导放大器、电流型混频器和跨阻放大器依次连接。