專利名稱：帶有片上有源平衡-不平衡變換器的超寬帶混頻器電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于射頻無線接收機集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種帶有片上有源平衡-不平衡變換器(balun)的超寬帶混頻器電路。
背景技術(shù)：
隨著移動通信和半導體技術(shù)的迅猛發(fā)展，對于可同時覆蓋多種通信標準的多頻段多模式的無線電的需求與日俱增，出現(xiàn)了各種通信標準，如數(shù)字電視廣播(DVB)、手機無線網(wǎng)絡(luò)、GPS全球定位系統(tǒng)和衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)等。為了將這些通信標準功能集成，就對無線電系統(tǒng)提出了多頻段多模式兼容的要求。開發(fā)頻率覆蓋從百兆赫茲低頻到6GHz (軟件無線電SDR)甚至IOGHz (超寬帶通信UWB)的能滿足多種通信標準要求的集成寬帶無線電接收機已成為工業(yè)界和學術(shù)界的研發(fā)熱點。作為寬帶接收機前端電路中的核心模塊之一，下混頻器將前端LNA放大后的信號從射頻段搬移到中頻段，頻率較低的中頻信號便于基帶電路進行基帶信號處理。按照混頻器是否提供功率增益，混頻器的結(jié)構(gòu)可分為有源混頻器和無源混頻器。無源混頻器不提供轉(zhuǎn)換增益，但線性度高；有源混頻器提供一定的轉(zhuǎn)換增益，可減小后級模塊對噪聲系數(shù)的貢獻。在有源混頻器中，雙平衡混頻器的輸入信號和本振信號都采用差分形式。無線收發(fā)機模塊中較常用的傳統(tǒng)雙平衡混頻器結(jié)構(gòu)是Gilbert混頻器。但Gilbert混頻器具有以下的缺點1)需要功耗較大的LO驅(qū)動電路以提供高擺幅對開關(guān)對管進行充分的開關(guān)操作；2)要保證開關(guān)對管在處于導通時工作在飽和區(qū)則需要高的電壓裕度，將限制IF負載電阻即限制了轉(zhuǎn)換增益；3)L0開關(guān)管的Ι/f噪聲將惡化混頻器噪聲系數(shù)。在文獻《E.A. M. Klumperink, S. M. Louwsma, G. J. M. Wienk and B. Nauta, A CMOSswitched transconductor mixer, JSSC, VOL. 39, NO. 8, August2004》中，提出了一種利用NMOS和PMOS管構(gòu)成的反相器對RF跨導管放大的電流進行開關(guān)切換控制，從而能在低電壓下實現(xiàn)混頻功能的混頻器。該結(jié)構(gòu)的LO開關(guān)管位于RF平衡對管的共源節(jié)點處，使得開關(guān)管的噪聲作為共模噪聲出現(xiàn)在IF負載上而被抵消抑制。但這種結(jié)構(gòu)混頻器也具有以下的缺點I)NMOS和PMOS管構(gòu)成的反相器結(jié)構(gòu)不適用于高頻的LO應(yīng)用，其引入的寄生電容將在高頻嚴重衰減LO信號，這就需要較大的LO功率驅(qū)動開關(guān)來保證混頻器的良好性能。2)需要額外產(chǎn)生一對差分的LO信號，幅度和相位的不一致性將惡化混頻器性能，而在超寬帶下產(chǎn)生較理想的差分信號是困難的。若系統(tǒng)只提供一路單端LO信號，則需要額外的單端轉(zhuǎn)差分電路，加大了電路的復(fù)雜性
發(fā)明內(nèi)容

(一 )要解決的技術(shù)問題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種應(yīng)用于射頻接收機芯片的帶有片上有源balun的超寬帶混頻器電路，以解決解決傳統(tǒng)Gilbert混頻器需要功耗較大的LO驅(qū)動電路，轉(zhuǎn)換增益受限，LO開關(guān)管Ι/f噪聲惡化的缺點和反相器開關(guān)跨導混頻器結(jié)構(gòu)的大LO功率驅(qū)動，需額外差分的LO信號的問題。( 二 )技術(shù)方案為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種帶有片上有源平衡-不平衡變換器的超寬帶混頻器電路，該電路包括LO開關(guān)級、RF跨導放大級和IF負載級，其中LO開關(guān)級為三端口片上有源平衡-不平衡變換器結(jié)構(gòu)，三端口分別連接第一節(jié)點
I、第二節(jié)點2和第三節(jié)點3，L0信號與第一節(jié)點I相連，兩路輸出信號分別連接第二節(jié)點2和第三節(jié)點3 ；RF跨導放大級由第三晶體管M3、第四晶體管M4、第五晶體管M5和第六晶體管M6構(gòu)成，偏置電路作用在RF跨導放大級中的第三晶體管M3、第四晶體管M4、第五晶體管M5和第六晶體管M6的柵極，提供偏壓保證第三晶體管M3、第四晶體管M4、第五晶體管M5和第六 晶體管M6直流工作在飽和狀態(tài)；經(jīng)跨導放大后的RF電流信號以LO頻率在輸出差分負載上交替輸出實現(xiàn)RF頻率與LO頻率的相乘混頻操作，混頻后得到的IF信號輸出在IF負載級上；IF負載級由兩路阻抗網(wǎng)絡(luò)\構(gòu)成，一路阻抗網(wǎng)絡(luò)\兩端接第四節(jié)點4和第六節(jié)點6，另一路阻抗網(wǎng)絡(luò)\兩端接第五節(jié)點5和第六節(jié)點6 ;第六節(jié)點6接電源電壓Vcc ；其中，信號LO表不本地振蕩信號；信號RF+和RF-表不輸入射頻差分信號；信號IF+和IF-表示輸出中頻差分信號。上述方案中，所述LO開關(guān)級由第一晶體管Ml和第二晶體管M2構(gòu)成，第一晶體管Ml的柵極和第二晶體管M2的柵極相連接，第一晶體管Ml和第二晶體管M2的共源端接地，第一晶體管Ml的柵極與第一晶體管Ml的漏極連接于第一節(jié)點1，LO信號與第一節(jié)點I相連接，第三節(jié)點3和第二晶體管M2的漏極相連接，第一節(jié)點I和第二節(jié)點2相連接。上述方案中，所述第一晶體管Ml、第二晶體管與所述RF跨導放大級電流復(fù)用，采用自偏置結(jié)構(gòu)，無需額外偏置電路；單端LO大信號從第一節(jié)點I輸入，當LO高電壓時，第一晶體管Ml所在支路上的RF跨導放大級中的第三晶體管M3、第四晶體管M4關(guān)斷，導致第一晶體管Ml所在支路電流關(guān)斷，而第二晶體管M2所在支路電流導通，第二晶體管M2導通電阻很小，第二晶體管M2漏極電壓很小，第二晶體管M2所在支路上的RF跨導放大級中的第五晶體管M5、第六晶體管M6導通；當LO低電壓時，第一晶體管Ml漏極電壓很小，第一晶體管Ml所在支路上的RF跨導放大級中的第三晶體管M3、第四晶體管M4電流導通，而第二晶體管M2關(guān)斷，導致第二晶體管M2所在支路上的RF跨導放大級中的第五晶體管M5、第六晶體管M6電流關(guān)斷；在第二節(jié)點2和第三節(jié)點3輸出兩路輪流導通的頻率為LO的周期性時變電流。上述方案中，所述第三晶體管M3和所述第六晶體管M6的柵極連接射頻信號的正極RF+，第四晶體管M4和第五晶體管M5的柵極連接射頻信號的負極RF-，第三晶體管M3和第四晶體管M4的共源端連接第二節(jié)點2，第五晶體管M5和第六晶體管M6的共源端連接第三節(jié)點3，第三晶體管M3和第五晶體管M5的漏極連接第四節(jié)點4作為輸出信號IF+，第四晶體管M4和第六晶體管M6的漏極連接第五節(jié)點5作為輸出信號IF-。上述方案中，所述IF負載級阻抗網(wǎng)絡(luò)ZL由電阻、電感、電容或晶體管實現(xiàn)，或者由電阻、電感、電容和/或晶體管的組合實現(xiàn)。
上述方案中，所述第一晶體管Ml至第六晶體管M6為場效應(yīng)管,或者NPN三級管。所述第一晶體管Ml至第六晶體管M6為NPN三級管時，所述的柵極、源極和漏極分別改為基極、發(fā)射極和集電極。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果
I、本發(fā)明提供的帶有片上有源balun的超寬帶混頻器電路，在超寬頻帶內(nèi)具有直流功耗小、轉(zhuǎn)換增益高、線性度高、能夠抑制本振LO開關(guān)噪聲、噪聲系數(shù)小且無需額外LO單端轉(zhuǎn)差分電路的特點。2、本發(fā)明提供的帶有片上有源balun的超寬帶混頻器電路，由于將LO開關(guān)級置于RF平衡對管的共源節(jié)點處，使得開關(guān)管的噪聲作為共模噪聲出現(xiàn)在IF負載上而被抵消抑制，消除了傳統(tǒng)Gilbert混頻器LO開關(guān)管Ι/f噪聲惡化的缺陷。3、本發(fā)明提供的帶有片上有源balun的超寬帶混頻器電路，由于采用了片上有源balun和平衡對管的一體化設(shè)計，為本振LO提供了片上單端轉(zhuǎn)差分的功能，免去了額外LO單端轉(zhuǎn)差分電路的開銷，且LO開關(guān)級和RF跨導放大級電流復(fù)用，無需額外偏置電路，減小了設(shè)計復(fù)雜度，降低了功耗，在寬帶下保證差分LO的幅度和相位的一致性，提高了混頻器整體性能。


圖I是依照本發(fā)明實施例的帶有片上有源balun的超寬帶混頻器的電路圖；圖2是示例轉(zhuǎn)換增益隨RF射頻信號頻率變化仿真結(jié)果圖；圖3是示例輸入三階交調(diào)點隨RF射頻信號頻率變化仿真結(jié)果圖；圖4是示例雙邊帶噪聲系數(shù)隨RF射頻信號頻率變化仿真結(jié)果圖；圖5是示例LO-RF端口隔離度隨RF射頻信號頻率變化仿真結(jié)果圖；圖6是示例LO-IF端口隔離度隨RF射頻信號頻率變化仿真結(jié)果圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。如圖I所示，本發(fā)明實施例提供的帶有片上有源balun的超寬帶混頻器電路包括三級=LO開關(guān)級、RF跨導放大級和IF負載級，其中RF跨導放大級將RF電壓信號經(jīng)過跨導放大轉(zhuǎn)換成電流信號，單端LO大信號通過片上有源balun輸出兩路輪流導通的周期性時變電流，使RF電流信號以LO頻率在輸出差分負載上交替輸出實現(xiàn)RF頻率與LO頻率的相乘混頻操作，混頻后得到的IF信號輸出在負載上。LO開關(guān)級為三端口片上有源balun結(jié)構(gòu)，三端口分別連接第一節(jié)點I、第二節(jié)點2和第三節(jié)點3，LO信號與第一節(jié)點I相連，兩路輸出信號分別連接第二節(jié)點2和第三節(jié)點3 ；LO開關(guān)級由第一晶體管Ml和第二晶體管M2構(gòu)成，第一晶體管Ml的柵極和第二晶體管M2的柵極相連，第一晶體管Ml和第二晶體管M2的共源端接地，第一晶體管Ml的柵極與第一晶體管Ml的漏極相連于第一節(jié)點1，LO信號與第一節(jié)點I相連，第三節(jié)點3和第二晶體管M2的漏極相連，第一節(jié)點I和第二節(jié)點2相連。第一晶體管Ml、第二晶體管與RF跨導放大級電流復(fù)用，采用自偏置結(jié)構(gòu)，無需額外偏置電路。單端LO大信號從第一節(jié)點I輸入，當LO高電壓時第一晶體管Ml所在支路上的RF跨導放大級中的第三晶體管M3、第四晶體管M4關(guān)斷導致第一晶體管Ml所在支路電流關(guān)斷，而第二晶體管M2所在支路電流導通，第二晶體管M2導通電阻很小，第二晶體管M2漏極電壓很小，第二晶體管M2所在支路上的RF跨導放大級中的第五晶體管M5、第六晶體管M6導通；當LO低電壓時第一晶體管Ml漏極電壓很小，第一晶體管Ml所在支路上的RF跨導放大級中的第三晶體管M3、第四晶體管M4電流導通，而第二晶體管M2關(guān)斷，導致第二晶體管M2所在支路上的RF跨導放大級中的第五晶體管M5、第六晶體管M6電流關(guān)斷。在第二節(jié)點2和第三節(jié)點3輸出兩路輪流導通的頻率為LO的周期性時變電流。RF跨導放大級由第三晶體管M3、第四晶體管M4、第五晶體管M5和第六晶體管M6構(gòu)成，第三晶體管M3和第六晶體管M6的柵極連接射頻信號的正極RF+，第四晶體管M4和第五晶體管M5的柵極連接射頻信號的負極RF-，第三晶體管M3和第四晶體管M4的共源端連接第二節(jié)點2，第五晶體管M5和第六晶體管M6的共源端連接第三節(jié)點3，第三晶體管M3和第五晶體管M5的漏極連接第四節(jié)點4作為輸出信號IF+，第四晶體管M4和第六晶體管M6的漏極連接第五節(jié)點5作為輸出信號IF-。偏置電路作用在RF跨導放大級中的第三晶體管M3、第四晶體管M4、第五晶體管M5和第六晶體管M6的柵極，提供偏壓保證第三晶體管M3、第四晶體管M4、第五晶體管M5和第六晶體管M6直流工作在飽和狀態(tài)。經(jīng)跨導放大后的RF電流信號以LO頻率在輸出差分負載上交替輸出實現(xiàn)RF頻率與LO頻率的相乘混頻操作，混頻后得到的IF信號輸出在IF負載級上。IF負載級由兩路阻抗網(wǎng)絡(luò)\構(gòu)成，一路阻抗網(wǎng)絡(luò)\兩端接第四節(jié)點4和第六節(jié)點6，另一路阻抗網(wǎng)絡(luò)\兩端接第五節(jié)點5和第六節(jié)點6 ;第六節(jié)點6接電源電壓Vcc ；IF負載級阻抗網(wǎng)絡(luò)4由電阻或電感或電容或晶體管或它們的組合實現(xiàn)，可用于寬帶上/下變頻、窄帶上/下變頻以及特別中頻頻響要求的電路。下面結(jié)合一具體實例對本發(fā)明實施例提供的帶有片上有源balun的超寬帶混頻器電路進行說明。相關(guān)的電路元件參數(shù)如下場效應(yīng)管采用pHEMT工藝，溝道長度為O. 5 μ m :晶體管M1、M2、M3、M4、M5和M6的尺寸均為寬度W = 25μπιΧ2。RF跨導放大級晶體管M3、Μ4、Μ5和Μ6的柵端偏置電壓為O. 73V，使M3、Μ4、Μ5和Μ6直流工作在飽和狀態(tài)。為了抑制混頻器在輸出的高頻泄露信號，阻抗網(wǎng)絡(luò)ZL采用了電阻電容并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，該電阻為約670歐姆，該電容為約O. 7pF。電路工作電壓Vcc為2. 5V，電流消耗I. 5mA,總功耗小于4mW。仿真工具為ADS，仿真結(jié)果如圖2至圖6所示，LO功率為ldBm，輸出中頻IF頻率為250MHz,電路工作頻段1-15GHZ。由仿真結(jié)果，本發(fā)明實施例提供的帶有片上有源balun的超寬帶混頻器電路在1-15GHZ的超寬帶工作頻帶內(nèi)，轉(zhuǎn)換增益大于10dB，IIP3大于6dBm，雙邊帶噪聲系數(shù)小于8dB，LO-RF端口隔離度大于130dB，LO-IF端口隔離度大于100dB。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種帶有片上有源平衡-不平衡變換器的超寬帶混頻器電路，其特征在于，該電路包括LO開關(guān)級、RF跨導放大級和IF負載級，其中 LO開關(guān)級為三端口片上有源平衡-不平衡變換器結(jié)構(gòu)，三端口分別連接第一節(jié)點(I)、第二節(jié)點(2)和第三節(jié)點(3)，L0信號與第一節(jié)點(I)相連，兩路輸出信號分別連接第二節(jié)點⑵和第三節(jié)點(3); RF跨導放大級由第三晶體管(M3)、第四晶體管(M4)、第五晶體管(M5)和第六晶體管(M6)構(gòu)成，偏置電路作用在RF跨導放大級中的第三晶體管(M3)、第四晶體管(M4)、第五晶體管(M5)和第六晶體管(M6)的柵極，提供偏壓保證第三晶體管(M3)、第四晶體管(M4)、第五晶體管(M5)和第六晶體管(M6)直流工作在飽和狀態(tài)；經(jīng)跨導放大后的RF電流信號以LO頻率在輸出差分負載上交替輸出實現(xiàn)RF頻率與LO頻率的相乘混頻操作，混頻后得到的IF信號輸出在IF負載級上； IF負載級由兩路阻抗網(wǎng)絡(luò)&構(gòu)成，一路阻抗網(wǎng)絡(luò)&兩端接第四節(jié)點(4)和第六節(jié)點(6)，另一路阻抗網(wǎng)絡(luò)&兩端接第五節(jié)點(5)和第六節(jié)點(6);第六節(jié)點(6)接電源電壓Vcc ； 其中，信號LO表不本地振蕩信號；信號RF+和RF-表不輸入射頻差分信號；信號IF+和IF-表示輸出中頻差分信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的帶有片上有源平衡-不平衡變換器的超寬帶混頻器電路，其特征在于，所述LO開關(guān)級由第一晶體管(Ml)和第二晶體管(M2)構(gòu)成，第一晶體管(Ml)的柵極和第二晶體管(M2)的柵極相連接，第一晶體管(Ml)和第二晶體管(M2)的共源端接地，第一晶體管(Ml)的柵極與第一晶體管(Ml)的漏極連接于第一節(jié)點(1)，L0信號與第一節(jié)點(I)相連接，第三節(jié)點(3)和第二晶體管(M2)的漏極相連接，第一節(jié)點(I)和第二節(jié)點⑵相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的帶有片上有源平衡-不平衡變換器的超寬帶混頻器電路，其特征在于，所述第一晶體管(Ml)、第二晶體管(M2)與所述RF跨導放大級電流復(fù)用，采用自偏置結(jié)構(gòu)，無需額外偏置電路； 單端LO大信號從第一節(jié)點(I)輸入，當LO高電壓時，第一晶體管(Ml)所在支路上的RF跨導放大級中的第三晶體管(M3)、第四晶體管(M4)關(guān)斷，導致第一晶體管(Ml)所在支路電流關(guān)斷，而第二晶體管(M2)所在支路電流導通，第二晶體管(M2)導通電阻很小，第二晶體管(M2)漏極電壓很小，第二晶體管(M2)所在支路上的RF跨導放大級中的第五晶體管(M5)、第六晶體管(M6)導通；當LO低電壓時，第一晶體管(Ml)漏極電壓很小，第一晶體管(Ml)所在支路上的RF跨導放大級中的第三晶體管(M3)、第四晶體管(M4)電流導通，而第二晶體管(M2)關(guān)斷，導致第二晶體管(M2)所在支路上的RF跨導放大級中的第五晶體管(M5)、第六晶體管(M6)電流關(guān)斷；在第二節(jié)點(2)和第三節(jié)點(3)輸出兩路輪流導通的頻率為LO的周期性時變電流。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的帶有片上有源平衡-不平衡變換器的超寬帶混頻器電路，其特征在于，所述第三晶體管(M3)和所述第六晶體管(M6)的柵極連接射頻信號的正極RF+，第四晶體管(M4)和第五晶體管(M5)的柵極連接射頻信號的負極RF-，第三晶體管(M3)和第四晶體管(M4)的共源端連接第二節(jié)點(2)，第五晶體管(M5)和第六晶體管(M6)的共源端連接第三節(jié)點(3)，第三晶體管(M3)和第五晶體管(M5)的漏極連接第四節(jié)點(4)作為輸出信號IF+，第四晶體管(M4)和第六晶體管(M6)的漏極連接第五節(jié)點(5)作為輸出信號IF-。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的帶有片上有源平衡-不平衡變換器的超寬帶混頻器電路，其特征在于，所述IF負載級阻抗網(wǎng)絡(luò)ZL由電阻、電感、電容或晶體管實現(xiàn)，或者由電阻、電感、電容和/或晶體管的組合實現(xiàn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的帶有片上有源平衡-不平衡變換器的超寬帶混頻器電路，其特征在于，所述第一晶體管(Ml)至第六晶體管(M6)為場效應(yīng)管,或者NPN三級管。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的帶有片上有源平衡-不平衡變換器的超寬帶混頻器電路，其特征在于，所述第一晶體管(Ml)至第六晶體管(M6)為NPN三級管時，所述的柵極、源極和漏極分別改為基極、發(fā)射極和集電極。
全文摘要
本發(fā)明屬于射頻無線接收機集成電路技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種帶有片上有源平衡-不平衡變換器的超寬帶混頻器電路，該電路包括片上有源balun構(gòu)成的本振LO開關(guān)級、RF跨導放大級和中頻IF負載級，其中RF放大級將RF電壓信號經(jīng)過跨導放大轉(zhuǎn)換成電流信號，單端LO大信號通過片上有源balun輸出兩路輪流導通的周期性時變電流，使RF電流信號以LO頻率在輸出差分負載上交替輸出實現(xiàn)RF頻率與LO頻率的相乘混頻操作，混頻后得到的IF信號輸出在負載上。該混頻器電路在超寬頻帶內(nèi)具有直流功耗小、轉(zhuǎn)換增益高、線性度高、能夠抑制本振LO開關(guān)噪聲、噪聲系數(shù)小且無需額外LO單端轉(zhuǎn)差分電路的特點。
文檔編號H03D7/14GK102638227SQ20121012052
公開日2012年8月15日 申請日期2012年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月23日
發(fā)明者劉宇轍, 孫征宇, 張立軍, 張韌, 楊務(wù)誠, 楊洪文, 閻躍鵬 申請人:中國科學院微電子研究所