高增益高線性度CMOS偶次諧波混頻器設(shè)計(jì)

　　混頻器是無線收發(fā)機(jī)中的核心模塊， 對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能具有很大影響。線性度、轉(zhuǎn)換增益是衡量一個(gè)混頻器性能的重要指標(biāo)。

　　在接收機(jī)中， 混頻器具有一定的轉(zhuǎn)換增益可以降低混頻器后面各級(jí)模塊設(shè)計(jì)的難度， 有利于提高系統(tǒng)噪聲性能和靈敏度。線性度決定了混頻器能處理的最大信號(hào)強(qiáng)度。隨著現(xiàn)代通訊系統(tǒng)對(duì)性能要求越來越高， 無論是應(yīng)用于接收機(jī)系統(tǒng)的下變頻器(本文指的混頻器) ， 還是應(yīng)用于發(fā)射機(jī)系統(tǒng)中的上變頻器都要求具有較高的線性度。因此設(shè)計(jì)具有高增益和高線性度的混頻器就成為業(yè)界一直研究的熱點(diǎn)。

　　在CMOS電路設(shè)計(jì)中， 電流復(fù)用和電流注入技術(shù)常被用于提高電路的線性度和轉(zhuǎn)換增益。然而，電流注入技術(shù)只能增大轉(zhuǎn)換增益， 卻不適用于低功率應(yīng)用， 因?yàn)樽⑷氲碾娏鞅仨氉銐虼蟛拍苁罐D(zhuǎn)換增益和噪聲系數(shù)達(dá)到比較好的指標(biāo)。本文采用了電流復(fù)用技術(shù)和本振信號(hào)偶次諧波的方法設(shè)計(jì)了一種高增益高線性度混頻器。

　　1 電路設(shè)計(jì)與分析

　　1. 1 電路結(jié)構(gòu)

　　對(duì)大多數(shù)的接收機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(如圖1) 來說， 由于本地振蕩信號(hào)通路與射頻信號(hào)通路之間通過寄生電容或者襯底等方式耦合， 可能造成本地振蕩信號(hào)的泄漏。其中一條通路是本振( LO)信號(hào)泄漏到中頻( IF)輸出端， 另一條通路是LO 信號(hào)不僅通過并聯(lián)電容耦合直接進(jìn)入混頻器， 而且泄漏到LNA 的輸入端并被LNA 放大后進(jìn)入混頻器的輸入端， 被放大的LO 泄漏信號(hào)和耦合的LO 信號(hào)一起注入到混頻器的輸入端并直接下變頻到IF， 這就會(huì)造成零中頻接收機(jī)系統(tǒng)的直流偏移干擾有用信號(hào)。同時(shí)， 直接泄漏到中頻端口的本振信號(hào)減小IF 信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。這種由耦合方式造成的效應(yīng)可以通過偶次諧波混頻器來改善。

　　一般接收機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　圖1 一般接收機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　為此， 本文設(shè)計(jì)的混頻器采用了如圖2所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這個(gè)結(jié)構(gòu)中采用了本振倍頻電路和電流復(fù)用電路分別提高了端口的隔離度以及電路的轉(zhuǎn)換增益和線性度。由于LO 信號(hào)是差分輸入， 在兩個(gè)差分管完全一致的情況下， 在節(jié)點(diǎn)A 處將形成一個(gè)對(duì)交流信號(hào)的虛地點(diǎn)， 即LO 信號(hào)在A 點(diǎn)短路， 從而提高了混頻器的隔離度。同時(shí)， LO管使用短溝道管時(shí)， 這種差分對(duì)管在節(jié)點(diǎn)A 處得到LO 倍頻信號(hào)， 后面將會(huì)詳細(xì)分析。因此， RF信號(hào)與LO 信號(hào)的二次諧波信號(hào)進(jìn)行混頻且f IF = |fRF - 2fLO |。使用本振二次諧波的方法將不會(huì)產(chǎn)生LO 信號(hào)泄漏， 同時(shí)LO 信號(hào)的頻率將是使用基波混頻器的一半， 大大降低了本地振蕩器設(shè)計(jì)的難度。該結(jié)構(gòu)中電感LE 的使用， 增大了進(jìn)入混頻的LO 信號(hào)二次諧波的幅度， 有助增大線性度，也降低了噪聲系數(shù)， 同時(shí)該電感作為推挽通路的增強(qiáng)， 擴(kuò)展了電流復(fù)用電路的動(dòng)態(tài)范圍。該混頻器的中頻輸出端接源跟隨器做為輸出緩沖電路。

　　偶次諧波混頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　圖2 偶次諧波混頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　1. 2 電流復(fù)用電路分析

　　射頻輸入端使用的電流復(fù)用結(jié)構(gòu)如圖2 中MRFP1和MRFN 1以及MRFP2和MRFN2所示， 兩路結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱， 該結(jié)構(gòu)的跨導(dǎo)為gm = gm p + gmn， 其中g(shù)mp為晶體管MRFP1和MRFP2跨導(dǎo)， gm n為晶體管MRFN 1和MRFN 2的跨導(dǎo)。因此， 采用電流復(fù)用結(jié)構(gòu)增大了跨導(dǎo)級(jí)的跨導(dǎo)， 從而實(shí)現(xiàn)了混頻器的高增益性能。

　　根據(jù)溝道長(zhǎng)度效應(yīng)， 跨導(dǎo)管電流表達(dá)式為:

　　這里， n 是跨導(dǎo)參數(shù)， vin是輸入信號(hào)， !V = VG S - Vt是過驅(qū)動(dòng)電壓， n 是溝道長(zhǎng)度調(diào)制系數(shù)， Vt 是閾值電壓。根據(jù)( 1)式可得輸出電流:

　　從( 2)式也可看出， 組成電流復(fù)用結(jié)構(gòu)的跨導(dǎo)是兩個(gè)晶體管的跨導(dǎo)的總和。

　　當(dāng)輸入信號(hào)為正時(shí)，MRFN工作于飽和區(qū)， MRFP工作于截止區(qū)并等效成電阻RRFP， 此時(shí)， 整個(gè)電流復(fù)用結(jié)構(gòu)等效成一個(gè)n溝道的共源放大器， 同理， 當(dāng)輸入信號(hào)為負(fù)時(shí)， 該結(jié)構(gòu)等效成一個(gè)p 溝道的共源放大器， 該電流復(fù)用結(jié)構(gòu)組成了推挽電路并增大了電路的動(dòng)態(tài)范圍， 提高了電路的線性度。

　　1. 3 倍頻電路

　　為了進(jìn)一步分析本振信號(hào)倍頻原理， 將本文設(shè)計(jì)混頻器(圖2)中的帶電感倍頻電路單獨(dú)給出， 如圖3所示。根據(jù)式( 1) ， 晶體管MLON1和MLON2的漏電流ILON+ 和ILON- 可表示為:

　　這里， vLO是LO 正弦輸入信號(hào)， 且

　　aLO是該信號(hào)的幅度， △VLON = VLO - VTN是MLON 1和MLON 2的過驅(qū)動(dòng)電壓。根據(jù)式( 3)， 流經(jīng)電流復(fù)用電路和倍頻電路的總電流ICR為ILON+ 、ILON- 的和， 即得:

　　其中：

　　該信號(hào)即為L(zhǎng)O 的2次諧波信號(hào)。

　　從式( 4)可看出， 在節(jié)點(diǎn)VCOM 處產(chǎn)生了LO 倍頻信號(hào)i2LO， 同時(shí)基頻信號(hào)被抵消。假設(shè)電感的阻抗為ZLE = RLE + j2ωLOLE， 混頻點(diǎn)處的電壓Va 可表示為：

　　其中， LE 和RLE分別是電感的值和寄生負(fù)載， 根據(jù)式( 5)， 由于該電感的存在， 混頻處的電壓幅度Va 大于VCOM ， 這提高了進(jìn)入混頻器的LO 二次諧波信號(hào)的功率， 也就是說提高了有用信號(hào)的功率， 所以有助于提高該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的線性度， 同時(shí)也有利于減小噪聲系數(shù)。

　　倍頻電路

　　圖3 倍頻電路