CN203027200U

CN203027200U - 无源混频器

Info

Publication number: CN203027200U
Application number: CN 201220620659
Authority: CN
Inventors: 孙玉香
Original assignee: Shanghai Huahong Integrated Circuit Co Ltd
Current assignee: Shanghai Huahong Integrated Circuit Co Ltd
Priority date: 2012-11-21
Filing date: 2012-11-21
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2022-11-21

Abstract

本实用新型公开了一种无源混频器，包括：跨导级电路，与该跨导级电路的输出端相连接的开关级电路，与该开关级电路的输出端相连接的负载级电路；其中；在开关级电路的四个NMOS晶体管的栅极和衬底分别串联一电阻。本实用新型在不增加现有功耗的前提下，可以有效提高无源混频器的线性度。

Description

无源混频器

技术领域

本实用新型涉及射频集成电路设计中混频器领域，特别是涉及一种提高开关对管线性度的无源混频器。

背景技术

混频器是射频接收机系统中非常重要的模块，它连接着射频前端、模拟基带和本振信号，起到将射频频带信号搬移到低频模拟基带信号的作用。

近几年来，无源混频器因其较高的线性度、较好的噪声性能和较小的直流失调电压而被广泛采用。图1是一般无源混频器的基本架构，主要包括三个部分：跨导级电路、开关级电路和负载级电路。其中，跨导级电路是将接收到的射频电压信号转换成电流信号；开关级电路中两对开关对管（NMOS晶体管M1和M2，NMOS晶体管M3和M4）在占空比为50%的本振方波信号的作用下快速切换电流，实现频率搬移；负载级电路通过一个跨阻放大器TIA将电流信号转换成电压信号输出，并且实现初步的一阶滤波作用。

所述跨导级电路、开关级电路和负载级电路各自线性度的恶化都会影响混频其的线性度，而提高跨导级电路和负载级电路的线性度一般的解决方法都会增大功耗。开关级电路相当于一个具有导通电阻的开关，导通电阻的大小会随着源端和漏端交流信号的变化而变化，提高这个导通电阻的线性度则可在不增加功耗的前提下提高整体电路的线性度。

在很多射频接收发机系统中，对混频器的线性度指标要求很高，在不增加现有功耗的前提下，可以从开关级电路的开关对管入手进行优化。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种无源混频器，在不增加现有功耗的前提下，可以有效提高无源混频器的线性度。

为解决上述技术问题，本实用新型的无源混频器，包括：跨导级电路，与该跨导级电路的输出端相连接的开关级电路，与该开关级电路的输出端相连接的负载级电路；其中：

所述开关级电路，由第一NMOS晶体管～第四NMOS晶体管，第三偏置电阻～第十偏置电阻组成；

第一NMOS晶体管和第二NMOS晶体管的源极与所述跨导级电路的一输出端相连接，第三NMOS晶体管和第四NMOS晶体管的源极与所述跨导级电路的另一输出端相连接；

第一NMOS晶体管的栅极与第七偏置电阻的一端相连接，第四NMOS晶体管的栅极与第十偏置电阻的一端相连接，第七偏置电阻的另一端与第十偏置电阻的另一端相连接，其连接的节点输入栅极的直流偏置电压及本振信号；

第二NMOS晶体管的栅极与第八偏置电阻的一端相连接，第三NMOS晶体管的栅极与第九偏置电阻的一端相连接，第八偏置电阻的另一端与第九偏置电阻的另一端相连接，其连接的节点输入栅极的直流偏置电压及本振信号；

第一NMOS晶体管的衬底与第三偏置电阻的一端相连接，第二NMOS晶体管的衬底与第四偏置电阻的一端相连接，第三偏置电阻的另一端与第四偏置电阻的另一端相连接，其连接的节点输入衬底电压；

第三NMOS晶体管的衬底与第五偏置电阻的一端相连接，第四NMOS晶体管的衬底与第六偏置电阻的一端相连接，第五偏置电阻的另一端与第六偏置电阻的另一端相连接，其连接的节点输入衬底电压；

第一NMOS晶体管的漏极与第三NMOS晶体管的漏极和所述负载级电路的正输入端相连接；第二NMOS管的漏极与第四NMOS晶体管的漏极和所述负载级电路的负输入端相连接。

本实用新型在0.18μm CMOS工艺下，在开关级电路的开关对管的栅端和衬底分别串联一个偏置电阻，抑制导通电阻的变化；这样在不损害其它性能指标和不增加整体功耗的前提下，能有效提高混频器的线性度。

本实用新型可以应用于对混频器有较高线性度要求的射频收发机系统中。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明：

图1是现有的无源混频器原理图；

图2是改进的开关管电路原理示意图；

图3是本实用新型的无源混频器一实施例原理图。

具体实施方式

参见图3所示，在下面的实施例中，本实用新型所述的无源混频器为下变频混频器，包括：一跨导级电路，一开关级电路，一负载级电路。

所述跨导级电路Gm由一个跨导放大器和一个共模负反馈电路组成。共模负反馈电路通过电阻检测跨导放大器的输出端的共模电压，将这个共模电压和一个参考电压通过比较器进行比较后放大输出，输出电压反馈到跨导放大器的尾电流管的栅极，从而使得跨导放大器输出端的共模电压等于参考电压值，达到稳定跨导级电路共模电压的目的。这个共模电压也是整体混频器的共模电压。跨导级电路Gm输入差分的射频电压信号V_RFin，输出差分的电流信号。

跨导放大器可以是共源放大器，也可以是PMOS和NMOS电流复用推挽输出结构的放大器。

所述开关级电路，由第一NMOS晶体管M1、第二NMOS晶体管M2、第三NMOS晶体管M3和第四NMOS晶体管M4，偏置电阻R3～R10组成。

第一NMOS晶体管M1和第二NMOS晶体管M2的源极与所述跨导级电路Gm的一输出端相连接，第三NMOS晶体管M3和第四NMOS晶体管M4的源极与所述跨导级电路Gm的另一输出端相连接。

第一NMOS晶体管M1的栅极与偏置电阻R7的一端相连接，第四NMOS晶体管M4的栅极与偏置电阻R10的一端相连接，偏置电阻R7的另一端与偏置电阻R10的另一端相连接，其连接的节点输入栅极的偏置电压V_G及本振信号V_LO。

第二NMOS晶体管M2的栅极与偏置电阻R8的一端相连接，第三NMOS晶体管M3的栅极与偏置电阻R9的一端相连接，偏置电阻R8的另一端与偏置电阻R9的另一端相连接，其连接的节点输入栅极的偏置电压V_G及本振信号V_LO。

本振信号V_LO为占空比50%的全摆幅的差分方波信号，连同直流偏置电压V_G加到开关管（NMOS晶体管M1～M4）的栅极。

第一NMOS晶体管M1的衬底与偏置电阻R3的一端相连接，第二NMOS晶体管M2的衬底与偏置电阻R4的一端相连接，偏置电阻R3的另一端与偏置电阻R4的另一端相连接，其连接的节点输入衬底电压V_B。

第三NMOS晶体管M3衬底与偏置电阻R5的一端相连接，第四NMOS晶体管M4的衬底与偏置电阻R6的一端相连接，偏置电阻R5的另一端与偏置电阻R6的另一端相连接，其连接的节点输入衬底电压V_B。

第一NMOS晶体管M1的漏极与第三NMOS管M3的漏极相连接；第二NMOS管M2的漏极与第四NMOS管M4的漏极相连接。

所述负载级电路，采用一阶RC低通滤波网络，由一个带有无源反馈网络的全差分的跨阻放大器TIA构成。

跨阻放大器TIA的正输入端与所述开关级电路中第一NMOS晶体管M1的漏极和第三NMOS管M3的漏极相连接；负输入端与所述开关级电路中第二NMOS管M2的漏极和第四NMOS管M4的漏极相连接。

第一电阻R1和第一电容C1的一端与跨阻放大器TIA的正输入端相连接，另一端与跨阻放大器TIA的负输出端Vout-相连接。第二电阻R2和第二电容C2的一端与跨阻放大器TIA的负输入端相连接，另一端与跨阻放大器TIA的正输出端Vout+相连接。

跨导级电路将接收到的差分的射频电压信号V_RFin转换成电流信号，开关级电路通过快速切换电流信号实现频率搬移，负载级电路将频率变换后的电流信号转换成基带电压信号后输出，并进行了初步的滤波。

跨导级电路的非线性主要来源于跨导的非线性。经验表明，适当提高每个跨导管的过驱动电压可以优化跨导的线性度，但是在一定的增益要求下，会引起功耗的增加。负载级电路采用一个带有无源反馈器件的跨阻放大器，其线性度一般可以达到应用要求。

开关级电路中开关管在在交流信号的作用下，其导通电阻会有所变化，从而引起一定的线性失真。本实用新型针对开关管进行了线性度的优化。在四个开关管的栅极和衬底分别串联一个电阻（R_G和R_B，参见图2），同寄生电容C_GS和C_SB（结合图2所示）分别形成交流信号高通路径，抑制栅源电压V_GS和源衬电压V_SB的相对变化，从而抑制导通电阻的变化，从而提高了开关管的线性度。

无源混频器在信号通路上无直流增益，开关管工作在深线性区，相当于一个具有很小的导通电阻的开关，其栅极的直流偏置电压设置为使得开关管处于开启临界状态的电压值，开关管在完全导通的半个周期内的电阻值为：

R_{on} = \frac{1}{μ_{n} C_{OX} (W / L) (V_{GS} - V_{TH})}

其中，u_n是电子迁移率，C_ox是单位面积栅氧电容大小，（W/L）是MOS管的宽长比，V_GS-V_TH是过驱动电压。

开关管导通期间，栅极电压不变，然而源端电压在交流信号的作用下会有一定的波动，使得V_GS也有一定程度的波动，从而影响导通电阻的线性度。如图2所示，为了使得这两个电压维持相对稳定，则在栅极加上一个电阻R_G，它和寄生电容C_GS形成一个高通路径，使得栅极电压随着源极电压的波动而波动，从而使得V_GS的电压值相对不变。同样道理，阈值电压的大小和衬底电压引起的衬偏效应有关：

V_{TH} = V_{TH 0} + γ (\sqrt{| 2 φ_{f} + V_{SB} |} - \sqrt{| 2 φ_{f} |})

其中，V_TH0是界面电子浓度等于p型衬底多子浓度时的电压，γ是体效应系数，Φ_f是与衬底浓度有关的一个常数，V_SB为源衬电压。V_SB的波动同样会引起阈值电压的波动。在衬底串联上一个电阻，和寄生电容C_GB形成高通路径，使得V_SB使相对不变，从而使阈值电压相对不变。

为了使得开关管更接近理想状态，一般开关管的尺寸可以加大，从而减小导通电阻，同时也可以减小增益损失。但是开关管的尺寸如果过大，则需要较强的本振信号驱动，所以开关管的尺寸不可能无限度增大。寄生电容一般在“fF”量级，为了使得高通路径不会出现严重衰减，串联的电阻根据射频信号频率做适当的调整。

无源混频器中由于没有直流增益，所以各开关管的共模电压相同，皆为V_CM，加在开关管栅极的直流偏置电压使得开关管处于导通的临界边缘，为V_G=V_CM+V_TH=V_S+V_TH，这个电压可以采用一个电压平移电路，在V_CM上平移V_TH大小的电压。衬底电压V_B可以适当提高，高于V_CM，这样可以减小阈值电压大小，在一定程度上减小导通电阻，从而可以减弱开关管对非线性影响的比例。

虽然本实用新型利用具体的实施例进行说明，但是对实施例的说明并不限制本实用新型的范围。本领域内的熟练技术人员通过参考本实用新型的说明，在不背离本实用新型的精神和范围的情况下，容易进行各种修改或者可以对实施例进行组合。

Claims

1.一种无源混频器，包括：跨导级电路，与该跨导级电路的输出端相连接的开关级电路，与该开关级电路的输出端相连接的负载级电路；其特征在于：

2.如权利要求1所述的无源混频器，其特征在于：所述跨导级电路由一个跨导放大器和一个共模负反馈电路组成；

共模负反馈电路通过电阻检测跨导放大器输出端的共模电压，将该共模电压和一个参考电压通过一个比较器比较后放大输出，并反馈到跨导放大器的尾电流管的栅极；

跨导级电路输入差分的射频电压信号，输出差分的电流信号。

3.如权利要求2所述的无源混频器，其特征在于：所述跨导放大器可以是共源放大器，也可以是PMOS晶体管和NMOS晶体管电流复用推挽输出结构的放大器。

4.如权利要求1所述的无源混频器，其特征在于：所述负载级电路由一个带有无源反馈网络的全差分的跨阻放大器构成；

跨阻放大器的正输入端与所述开关级电路中第一NMOS晶体管的漏极和第三NMOS晶体管的漏极相连接；负输入端与所述开关级电路中第二NMOS晶体管的漏极和第四NMOS晶体管的漏极相连接；第一电阻和第一电容的一端与跨阻放大器的正输入端相连接，另一端与跨阻放大器的负输出端相连接；第二电阻和第二电容的一端与跨阻放大器的负输入端相连接，另一端与跨阻放大器的正输出端相连接。