一种低功耗高线性度的增益可控有缘正交混频器

摘要

一种低功耗高线性度的增益可控有缘正交混频器，该混频器主要用于射频前端电路中，实现对中频信号上变频，将有用信号变频到射频域，以便天线将有用信号辐射到传输介质中。射频发射机通路上要处理大信号，而且该信号不能有较大的失真，所以发射通路上的模块要具有较高的线性度。本发明采用了差分运放和反馈的技术提高了传统吉尔伯特单元跨导管线的线性度；同时加入了开关电阻阵列实现了对混频器增益的可配置；正交变频结构可以有效的抑制镜像信号的产生，减小了射频域滤波的压力。

说明书

技术领域

本发明为射频前端电路中发射机所用混频器，属于射频通信领域。

背景技术

最近几十年，无线通信技术得到了迅猛的发展，这主要是由于人们对于无线产品的需求 在不断的增长。与此同时，应用于无线通信的射频电路也在向着高集成度，低功耗的方向发 展。CMOS射频集成电路在电源电压一定的情况下，往往通过巧妙的电路技术来实现较高的线 性度，但是这经常会牺牲掉一部分功耗。

射频前端电路分为发射机和接收机两个部分。其中发射机的作用是将基带的信号变频到 射频域，然后再将射频域的信号进行放大、滤波等处理以后通过天线将信号辐射的空中进行 传播。接收机的作用正好相反，它对天线接收到的信号进行放大、下变频等操作，再将信号 还原为的基带信号。出于通信距离的考虑，发射机需要辐射大摆幅的信号，这样线性度对发 射机来说是重要的指标。接收机更关心接收系统的噪声性能，因为它要把有用信号在噪声中 分离出来。

超外差结构的发射机是非常常见的一种发射机结构，大概的系统框图结构如图1所示。 这种发射机结构将模拟信号进行一次上变频操作，将中频的模拟信号变频到射频域。数字域 输出的信号经过DAC将数字信号转化为模拟信号，该模拟信号送进模拟域滤波器进行滤波， 以便滤除DAC产生的混叠信号。滤波以后的中频信号在中频域经PGA放大以后送入混频器， 经过PA-Driver继续放大以后，传给PA，从而将大信号从天线中发射出去。

这种结构的发射机简单，但是这种结构的发射机往往在使用的时候需要增加镜像抑制滤 波器，以便压缩镜像信号，防止该镜像信号对其他信道造成干扰，如图2所示。由于镜像信 号与有用信号在频域上的偏差并不是很大，所以这种镜像抑制滤波器需要有较高的性能，一 般来说这种滤波器很难集成在芯片上，从而大大影响了差外插结构的发射机的集成度，最终 限制了这种结构的发展。

直接上变频结构发射机的结构框图如图3所示。基带信号直接被正交变频到射频域，在 上变频的过程中，由于中频信号与本振信号都是由I、Q两路组成的复频信号，所以在上变频 的过程中不会产生镜像信号，有效的避免了镜像抑制问题的产生，如图4所示。但是该结构 输出的I和Q路中频信号为单端信号，在经过两路的中频模块时，信号上很容易叠加不相干 的噪声，使得信号的信噪比变差；同时，单端的电路的输出电压摆幅有限，一定程度上限制 了发射机处理大信号的能力。

传统的Gilbert单元如图5所示。M1和M2管为跨导管，它将有用的电压信号转化为相 应的电流信号，其转化的公式为：I_ds＝(1/2)*g_m*(V_in-V_th)。理想情况下，M1管和M2管的 漏端电流I_ds会随着V_in线性的增长；但是在大信号的情况下，跨导管M1和M2的高阶非线 性变得明显，I_ds也就不会再随着V_in线性的增长，致使混频器的线性度降低。

为了提高跨导管的线性度，又不影响电压摆幅，一种较为有效的改进线性度的方式如图 6所示。输入的电压信号通过单位反馈放大器加在了跨导管的源极上，并没有经过跨导管， 这使得混频器在处理大信号不会因为M1和M2偏离饱和区而引入非线性。连接两个跨导管 源极的可变电阻Rc可以用来控制增益，因为此时混频器的跨导为：g_m＝2/Rc。该结构存在的 问题是：当混频器处理大信号时，运放要留有足够的过驱动电压，这样才能处理大信号，避 免降低线性度指标；混频器线性度的提高需要增加两个运放的功耗。

发明内容

(1)发明目的

针对以上问题，本发明设计了一种混频器，它实现了正交变频，有效的抑制了镜像信号 的产生；其次，该混频器采用了差分运放和反馈电阻组合的技术，降低了运放本身处理大信 号的压力，同时该差分运放实现了图6中两个差转单运放的功能，节省了一个运放的功耗； 最后，跨接在跨导管源端的可变电阻阵列可以改变混频器的增益，实现对发射支路上信号能 量的控制。

(2)技术方案

该混频器为正交变频结构。基带信号为4路，I路的差分信号和Q路的差分信号。基带 信号在和相位相差90度的4路本振信号(LO)混频之前，差分电路结构会消除掉大部分的干 扰噪声以及偶次谐波。正交变频同样会像直接变频一样，有效的抑制镜像信号的产生，消除 了镜像信号的影响。

图6中混频器的差分输入端分别采用了一个差分转单端的运放，这两个运放和两个跨导 管构成的单位增益结构将输入信号直接加到了两个跨导管的源极。为了节省功耗，图7将输 入端的两个运放换成了一个全差分的运放，这样一个Gilbert单元就可以省去了1个运放的 功耗，图7中正交变频的混频器结构就可以省去了2个运放的功耗，既提高了混频器的线性 度，又节省了功耗的开支。

图7中，差分运放的输入端串联了电阻，并在运放的输入端到跨导管的源极之间也跨接 了电阻。输入混频器的电压信号将会经过R1、运放、跨导管和R2后反馈到运放输入端，使 得有用信号加在两个跨导管的源极上。在大信号的情况下，信号不会经过运放，不会因为运 放处理大信号能力较差而使得混频器的线性度降低。

由于对跨导管进行了线性化处理，所以输入级的跨导就变成了g_m＝2/Rc，其中Rc是Gilbert 单元跨接在两个跨导管源极的电阻的阻值。本发明将该电阻设置成了电阻阵列，不同的Rc 将会有不同的gm，从而控制了混频器的跨导，最终改变混频器的增益。

(3)性能仿真

该混频器由TSMC65nm工艺实现，电源电压1.2V。仿真使用的电感，电容和电阻均是 TSMC65nm工艺库的器件。混频器的中心工作频率为2.45G。

线性度仿真结果显示，混频器的差分输出1dB压缩点为5.83dBm，峰值达到了619mV，结 果如图8所示；图9为输出三阶交调点的结果，仿真结果显示该混频器的输出三阶交调点为 15.9dBm；将跨接在两个跨导管源极的电阻做成阵列，以便达到混频器的跨导的控制，仿真结 果为图10，在八个控制位控制下，混频器在通带内的增益将会变化8个dB，增益步进为1dB 左右。图11为正交混频的频谱图，本振信号LO为2.4G，有用信号带宽为50M，上变频以后 的有用射频信号为2.45G，功率大小为-9.25dBm，而镜像信号在2.35G处的功率为-67.4dBm， 有用信号和镜像信号功率相差了58dB。

附图说明

图1超外插结构的发射机系统框图

图2超外插结构发射机工作原理的频谱示意图

图3直接变频结构的发射机系统框图

图4直接变频结构发射机工作原理的频谱示意图

图5传统的Gilbert单元电路图

图6利用运放和反馈技术提高线性度的混频器结构示意图

图7本发明的混频器的电路结构

图8混频器输出1dB压缩点的仿真结果

图9混频器输出三阶交调点的仿真结果

图10混频器增益调节的带通变化曲线

图11混频器的输出频谱中有用信号和镜像信号的对比

具体实施方式

射频电路采用深亚微米工艺时，会在一定程度上减小寄生，工作频率可以更高。但是随 着工艺的进步，管子的工作电压也在随之降低，这对射频电路，尤其是发射机射频前端来说 在设计方面带来了很多的挑战，如何在低电源电压下使得发射机模块有较好的线性度是特征 尺寸较小工艺下完成发射机设计的难点。

发射机的功能是将有用的基带信号变频到射频域，射频域的信号再在射频放大器的放大 下将信号传送给天线，辐射的传输介质中。连接基带信号和射频信号的电路部分为混频器。 该模块将模拟基带信号与本振信号混频，实现两者频率的相加。

处于通信距离等因素的考虑，发射机电路往往要处理大信号，保证信号的线性放大，这 样发射机的线性度是衡量发射机性能的重要指标。

为了降低功率放大器(PA)的增益压力，与PA相连混频器也要在具有较高线性度的前提 下输出较大幅度的信号，这对混频器的线性度提出了要求。在提高混频器线性度的同时，保 证电路的功耗尽可能的小对于设计本身也很重要。

本发明中提到的混频器的设计方案如图7所示。该混频器由两个并联的Gilbert单元组 成，分别处理I路(左边支路)和Q路(右边支路)的基带信号，形成正交变频，射频域的 电流信号降落在负载上形成了射频电压信号。

M13-M16四个NMOS管形成了尾电流源，为Gilbert单元提供稳定的直流电流。

I支路中，M1和M2为Gilbert单元的跨导管。运放OP1的两个差分输出端口分别接在 跨导管M1和M2的栅极；有用信号通过电阻R1加到了运放OP1的输入端口，R2跨接在运 放OP1的输入端口和跨导管M1和M2管的源极之间，它将输入混频器的电压信号通过反馈 的形式加在了M1和M2的源极上，电压转换增益为：

Av＝-(R2/R1)

当电阻R[n]I(n为自然数)阵列中某个电阻开启的时候，跨导管源端的有用信号将会 在电阻R[n]I上产生交流电流，由此可以推算出跨导级的跨导大小为：

Gm＝2*R2/(R1*R[n]_I)

通过切换R[n]I阵列中开启电阻的大小，可以改变跨导级的跨导，从而改变混频器的增 益。

M3-M6为Gilbert单元的开关管，这四个管子的栅极被偏置在一个合适的电位，高频的 本振信号在该偏置的基础上使得M3-M6向开关管一样的工作，将中频基带信号变频到射频域。

本发明中采用了带中间抽头的电感和电容作为谐振负载，他们决定了混频器工作的频带 范围，不同的电感值和电容值可以移动谐振网络的谐振频率，工作在其它应用中。负载端还 有一个跨接在输出级正负端口电阻，该电阻用来调整通带的平整度，当需要通带内较宽较平 的时候，该电阻的阻值要相对较小一点；当需要通带较窄的时候，该电阻的阻值相对较大。