摘要:無(wú)線技術(shù)的發(fā)展對(duì)收發(fā)信號(hào)前端電路提出的新要求是:高的工作頻率,低電壓,低功耗,高度集成�；祛l器是射頻前端電路中進(jìn)行頻率變換的十分重要的模塊,主要介紹了CMOS混頻器的基本工作原理,實(shí)現(xiàn)混頻的一些常見(jiàn)結(jié)構(gòu)。并介紹了當(dāng)前CMOS混頻器的主要電路設(shè)計(jì)技術(shù)以及作者在混頻器跨導(dǎo)線性度分析方面進(jìn)行的研究,文中還給出了作者設(shè)計(jì)的一個(gè)新型混頻器的結(jié)構(gòu)。
　　關(guān)鍵詞:CMOS混頻器;射頻前端;電路設(shè)計(jì)技術(shù)
　　
　　混頻器是收發(fā)機(jī)中的重要部分之一。混頻器位于低噪聲放大器(LNA)之后,直接處理LNA放大后的射頻信號(hào)，為實(shí)現(xiàn)混頻功能,混頻器還需要接收來(lái)自壓控振蕩器的本振(LO)信號(hào),其電路完全工作在射頻頻段，負(fù)責(zé)完成頻率變換，將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為中頻信號(hào)(超外差接收方式)或者直接變換為零頻信號(hào)(零中頻接收)�；祛l器的各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)通訊系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)結(jié)果有很大的影響，如由本振等引起的相噪會(huì)影響調(diào)頻調(diào)相信號(hào)；混頻器的相噪還會(huì)使輸出的頻譜純凈度變差，淹沒(méi)有用信號(hào)；如果混頻器的增益太低或者說(shuō)損耗過(guò)大，那么對(duì)后級(jí)電路的增益和噪聲要求將很高；等等。因此,混頻器的設(shè)計(jì)通常需要考慮轉(zhuǎn)換增益、線性度、噪聲系數(shù)、端口之間的隔離度以及功耗等性能指標(biāo)。同時(shí)實(shí)現(xiàn)混頻器的成本也是需要考慮的因素。因此，如何在特定場(chǎng)合選擇合適的混頻器也是很重要的。
　　一、混頻器的基本原理
　　混頻器必須是非線性或是時(shí)變的,以提供所需的頻率變換。它的核心是對(duì)射頻信號(hào)(RF)和本振信號(hào)(LO)在時(shí)間域的相乘。
　　
　　這樣就得到含有輸入和頻及差頻的輸出信號(hào),輸出信號(hào)幅度與RF信號(hào)和LO信號(hào)幅度的乘積成正比。
　　二、CMOS混頻器的基本結(jié)構(gòu)
　　設(shè)計(jì)者首先面臨的問(wèn)題是選擇合適的混頻器結(jié)構(gòu)。在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，一般有以下幾種電路表現(xiàn)形式:
　�。ㄒ唬┗�于Gilbert單元的有源混頻器結(jié)構(gòu)。其基本單元結(jié)構(gòu)[1]和各種變化改進(jìn)結(jié)構(gòu)[2]廣泛應(yīng)用在各種標(biāo)準(zhǔn)的射頻電路中，其本質(zhì)是基于電路乘法器。乘法器的兩個(gè)輸入分別是本振信號(hào)和基帶信號(hào)。本振信號(hào)控制相應(yīng)的MOS管依次關(guān)斷—導(dǎo)通，對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)混頻功能。
　�。ǘ�）基于開(kāi)關(guān)調(diào)制的無(wú)源混頻器結(jié)構(gòu)。圖1所示為典型的電路結(jié)構(gòu)。當(dāng)LOp使開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，LOn關(guān)斷，假設(shè)輸出是+Vrf，則LOp關(guān)斷、LOn打開(kāi)時(shí)，輸出即為-Vrf，從而輸入信號(hào)被LO信號(hào)調(diào)制，輸出端得到混頻后的信號(hào)。
　�。ㄈ�）利用器件非線性工作特性實(shí)現(xiàn)混頻[3]。典型的如二極管和MOS管混頻器，其中二極管電壓和電流呈指數(shù)關(guān)系，MOS管電壓和電流的平方律關(guān)系都可以用于混頻。圖2所示為應(yīng)用MOS管的電路示意圖。該電路具有混頻功能。
　　
　　圖1無(wú)源混頻器圖                                                                                             2平方律混頻器
　　（四）欠采樣混頻器(SubharmonicMixer)[3]。電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。高性能的采樣保持電路是此類混頻器的核心，其主要的缺點(diǎn)是噪聲系數(shù)比較大。
　　
　　圖3欠采樣混頻器
　　三、混頻器的電路設(shè)計(jì)技術(shù)
　　對(duì)于CMOS混頻器,設(shè)計(jì)目標(biāo)和關(guān)鍵技術(shù)主要有:高線性度,低電壓,低功耗,直流失調(diào)小(主要針對(duì)直接下變頻的接收機(jī)),低噪聲系數(shù)。在具體實(shí)現(xiàn)時(shí),通常是在這幾個(gè)指標(biāo)之間取得折衷。
　　(一)提高線性度
　　由于混頻器的線性度直接決定接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍,因此,如何提高混頻器的線性度,是混頻器的關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)之一。許多研究都致力于改善混頻器的線性度。理想的混頻器,輸出信號(hào)的幅度應(yīng)與輸入信號(hào)的幅度成正比,輸出信號(hào)的無(wú)用雜散分量少(因?yàn)猷弾Э赡軙?huì)有干擾),這就是在混頻器中線性度的意義。3dB下降點(diǎn)和IIP3(輸出基頻電平與三階互調(diào)輸出相等時(shí)的輸入信號(hào)電平)都可用來(lái)描述混頻器的線性度�；祛l器處理的信號(hào)幅度比低噪聲放大器大,因此要不成為接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的瓶頸,它必須有足夠的線性度。
　　Gilbert類型的混頻器中跨導(dǎo)的線性度限定了整個(gè)混頻器的線性度下界。因此,在設(shè)計(jì)中,重要的工作是加大跨導(dǎo)的線性。參考文獻(xiàn)[4]運(yùn)用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)得到了跨導(dǎo)的IIP3與電路參數(shù)之間的關(guān)系。文獻(xiàn)[14]分析了開(kāi)關(guān)混頻器的非線性失真。對(duì)于高頻混頻器,不能忽略MOS管寄生電容對(duì)線性度的影響，這時(shí),混頻器的跨導(dǎo)應(yīng)被視為有記憶電路,采用Volttera級(jí)數(shù)進(jìn)行分析精度較高。我們利用Volttera級(jí)數(shù)對(duì)CMOS高頻跨導(dǎo)進(jìn)行了線性度分析,得到了跨導(dǎo)的IIP3與各電路參數(shù)(工作電壓,MOS管溝道長(zhǎng)度,溝道寬度,寄生電容等)之間關(guān)系的解析表達(dá)式,與仿真得到的結(jié)果十分接近。我們對(duì)跨導(dǎo)進(jìn)行了UMC流片,測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了解析表達(dá)式的正確性�？鐚�(dǎo)的線性化可以通過(guò)逐段逼近的方法[5],圖4中,每一個(gè)差分對(duì)在一段輸入范圍內(nèi)是線性的,疊加起來(lái)就構(gòu)成更大范圍內(nèi)的線性跨導(dǎo),如圖5所示。
　　
　　 
　　
　　圖4跨導(dǎo)的線性化圖                                                                                                       5逐段逼近法實(shí)現(xiàn)線性跨導(dǎo)
　　另一種提高混頻器線性度的結(jié)構(gòu)是前面提到的采樣混頻器,與Gilbert混頻器相比,它在線性度上有所改進(jìn),但噪聲指數(shù)更大、功耗增加,需要更加復(fù)雜的電路。
　　(二)降低工作電壓和功耗
　　目前,無(wú)線通信設(shè)備正朝著小體積、低功耗的趨勢(shì)發(fā)展。為使設(shè)備功耗低、電源數(shù)目少、電池使用時(shí)間長(zhǎng),必須降低射頻接收機(jī)的工作電壓和系統(tǒng)功耗�；祛l器作為接收機(jī)中的關(guān)鍵模塊之一,降低工作電壓和功耗勢(shì)在必行。低工作電壓和低功耗設(shè)計(jì)是混頻器設(shè)計(jì)中又一關(guān)鍵技術(shù),隨著CMOS工藝向亞微米發(fā)展,能處理的電壓也隨之下降,例如,0.18Lm的CMOS工藝只能工作于1.8V以下的電壓。在手機(jī)中,工作電壓和功耗一起影響了手機(jī)電池的壽命、大小以及重量。降低電壓和功耗已成為射頻前端電路設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)。只有當(dāng)前端電路的功耗能夠與雙極工藝相當(dāng)時(shí),CMOS在射頻集成電路中才會(huì)具有競(jìng)爭(zhēng)力。為了降低供電電壓,可以通過(guò)減少堆疊MOS管的數(shù)目,也可采用電感與電容得到低電壓的混頻器結(jié)構(gòu)[6]【7】。圖6是我們新設(shè)計(jì)的一個(gè)混頻器電路,其中M1工作于線性區(qū),M1在LO信號(hào)控制下,其等效電阻表達(dá)式中有一項(xiàng)與LO信號(hào)的幅度成正比,M2工作于飽和區(qū),相當(dāng)于一個(gè)線性跨導(dǎo),將輸入RF電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成與RF信號(hào)幅度成正比的電流,這個(gè)電流流過(guò)與本振信號(hào)幅度成正比的電阻,得到的輸出電壓v中就含所要的混頻項(xiàng)。這個(gè)結(jié)構(gòu)由于避免了堆疊MOS管,可以工作于很低的電壓。以此電路結(jié)構(gòu)為核心電路的混頻器已進(jìn)行UMC流片,測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了混頻器的功能。
　　
　　圖6一種新型低電壓混頻器圖                                                                       7諧波混頻器的電路原理圖
　　(三)降低直流失調(diào)
　　直流失調(diào)的產(chǎn)生有以下幾個(gè)原因:1.混頻器輸入的器件失配。2.本振信號(hào)泄漏到射頻信號(hào)端口,自混頻到直流。3.本振信號(hào)通過(guò)外部導(dǎo)線耦合到天線端發(fā)射出去,被外部物體反射回來(lái)[9]。4.很大的鄰近信道的干擾信號(hào)泄漏到本振端口,與本振信號(hào)一起泄漏到射頻端,與本振相乘,被下變頻。這種失調(diào)是潛伏性的,因?yàn)樗鼈兊姆�度隨接收機(jī)的位置和方向而改變,很難除去。迄今為止,主要有四種方法去除直流失調(diào)[9]:1.對(duì)沒(méi)有直流信號(hào)或?qū)拵д{(diào)制的系統(tǒng),可利用高通濾波或交流耦合。但這對(duì)于一些系統(tǒng),例如GSM系統(tǒng)不適用,這種系統(tǒng)的功率譜在直流處為最大值。2.利用數(shù)字無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)中的空閑時(shí)間來(lái)消除失調(diào)。在這個(gè)空閑時(shí)間內(nèi)測(cè)量失調(diào),除去失調(diào)。這僅當(dāng)在接收兩個(gè)突發(fā)信號(hào)的間隔時(shí)間內(nèi)失調(diào)不變時(shí)才有效。在這個(gè)間隔之間的強(qiáng)干擾信號(hào)可能會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的測(cè)量。3.數(shù)字控制的模擬自適應(yīng)抵消技術(shù)�；祛l器的輸出由ADC采樣,使用dual-loop算法,可在數(shù)字域檢測(cè)出時(shí)變的失調(diào),這些用來(lái)消除混頻器的失調(diào)[10]。4.諧波混頻器。見(jiàn)圖7,把LO的一半頻率的信號(hào)加到本振輸入端,LO端和RF端的管子都工作在飽和區(qū),產(chǎn)生的LO頻率與RF頻率進(jìn)行混頻，這樣產(chǎn)生的直流失調(diào)小,而且由于輸入的信號(hào)頻率低,本振泄漏也減小了。文獻(xiàn)[11]中的測(cè)試結(jié)果可知,這個(gè)電路的直流失調(diào)比一般的混頻器電路的直流失調(diào)要小44dB。
　�。ㄋ模┨岣咿D(zhuǎn)換增益
　　混頻器的轉(zhuǎn)換增益有兩種表示方式:功率增益和電壓增益。目前,提高混頻器增益的方法有三種。
　　1.提高互導(dǎo)管的跨導(dǎo)，如圖8采用CMOS單元技術(shù)提高互導(dǎo)管的互導(dǎo),該混頻器在1.5V的工作電壓下,增益可達(dá)到26.6dB。
　　

                   圖8帶CMO S單元的混頻器
　　2.提高負(fù)載。負(fù)載的提高可導(dǎo)致混頻器電源電壓的抬升,從而增加功耗。為此,提出了多種改善負(fù)載的設(shè)計(jì)技術(shù),在不抬升混頻器電源電壓的前提下,提高有效負(fù)載,如圖9所示;
　　
　　                            
　　
　　
　　圖9帶高擺幅負(fù)載的混頻器圖                                                                              10帶電流注入的混頻器
　　3.改善LO信號(hào)的幅度,使開(kāi)關(guān)對(duì)工作更理想。該方法很容易導(dǎo)致LO信號(hào)的饋通,一般不采用。但是,可以通過(guò)電流注入技術(shù),改善開(kāi)關(guān)對(duì)的開(kāi)關(guān)特性,如圖10所示。
　　(五)降低噪聲
　　影響CMOS混頻器性能的主要噪聲源有電阻的熱噪聲和MOS管的熱噪聲和閃爍噪聲,文獻(xiàn)[12]給出了電阻的熱噪聲模型,MOS管工作于線性區(qū)和飽和區(qū)的熱噪聲模型以及閃爍噪聲的模型。利用這些模型,可具體分析電路參數(shù)對(duì)混頻器噪聲的影響。
　　在CMOS的下變頻的混頻器中,閃爍噪聲是主要的低頻噪聲。NMOS的閃爍噪聲大于PMOS的閃爍噪聲。對(duì)于電阻,僅當(dāng)電阻中流過(guò)直流電流時(shí),才有閃爍噪聲,噪聲隨電流增加。金屬薄膜和線繞的電阻的閃爍噪聲小。文獻(xiàn)[13]對(duì)開(kāi)關(guān)形式的Gilbert混頻器進(jìn)行了噪聲分析。在有些電路中,MOS管工作于弱反型區(qū),且寬長(zhǎng)比做得較大,這樣不僅提高了增益,噪聲也減小。
　　四、結(jié)論
　　本文介紹了CMOS混頻器的性能指標(biāo),并從提高線性度,降低電壓和功耗,降低直流失調(diào),提高轉(zhuǎn)換增益，降低噪聲系數(shù)等幾個(gè)方面詳細(xì)討論了當(dāng)前的CMOS混頻器的主要設(shè)計(jì)技術(shù)。
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