本發(fā)明涉及無(wú)線(xiàn)通信中的射頻技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種混頻器優(yōu)化電路。

背景技術(shù)：

WIFI、藍(lán)牙、導(dǎo)航等等無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)與人們的生活聯(lián)系越來(lái)越緊密，人們對(duì)于無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品的需求也日益強(qiáng)烈，近幾年無(wú)線(xiàn)通信取得了迅猛的發(fā)展。作為無(wú)線(xiàn)通信中的射頻信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的接口部分，射頻電路也在向著低噪聲、高靈敏度等特點(diǎn)的方向發(fā)展。

混頻器是射頻前端電路的重要組成部分，在發(fā)射機(jī)中作為上變頻器，在接收機(jī)中作為下變頻器，輸入與輸出信號(hào)頻差是本振(LO，Local Oscillator)信號(hào)的頻率。常用的收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)中，混頻器所處的位置如圖1中陰影覆蓋位置所示。

混頻器的輸入輸出頻率并不相同，所以它是一個(gè)典型的非線(xiàn)性電路。在實(shí)現(xiàn)變頻的過(guò)程中，較多的諧波分量使得變頻以后有用信號(hào)附近的噪聲較大，所以能夠優(yōu)化混頻器的噪聲對(duì)于收發(fā)機(jī)都有一定的好處。

收發(fā)機(jī)中常用的混頻器可以分為有緣混頻器和無(wú)源混頻器兩種。雙平衡混頻器(Gilbert)是有源混頻器的典型結(jié)構(gòu)。相比于無(wú)源混頻器，Gilbert等有源混頻器具有在混頻器級(jí)提供增益、放大有用信號(hào)、抑制帶外噪聲、降低后級(jí)級(jí)聯(lián)模塊的抗噪壓力等優(yōu)點(diǎn)，所以有源混頻器的應(yīng)用較為廣泛。

有源混頻器在電源VDD到地GND之間需要疊加4層的器件，如圖2所示。第1層是決定混頻器功耗的尾電流源；第2層是信號(hào)輸入對(duì)管；第3層是LO信號(hào)輸入管；第4層是混頻器的負(fù)載。適當(dāng)設(shè)置混頻器各器件的直流偏置將會(huì)使得混頻器處于正常工作狀態(tài)，電路的線(xiàn)性度和噪聲性能會(huì)處于一個(gè)較好的狀態(tài)。

Gilibert單元的四層器件中，每一層器件都會(huì)對(duì)混頻器貢獻(xiàn)噪聲，但是從各部分所占的比例和實(shí)現(xiàn)難度上來(lái)說(shuō)，LO所加的開(kāi)關(guān)管上(即圖2中的第3層)的處理對(duì)于噪聲的改善要簡(jiǎn)單而且明顯。

根據(jù)開(kāi)關(guān)管M3-M6源極電壓VB_S、柵極直流電壓VB_G和金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS，Metal Oxid Semiconductor)管閾值電壓Vth的關(guān)系，可以將其工作狀態(tài)分成如下兩種：

第一種工作狀態(tài)如圖3所示，由于開(kāi)關(guān)管的W/L(寬長(zhǎng)比)較小，每路開(kāi)關(guān)管要流過(guò)IB/4(其中，IB為混頻器尾電流源電流大小)的直流電流，所以VB_G＞VB_S+Vth，此時(shí)在一個(gè)本振信號(hào)LO的周期內(nèi)，相反相位本振信號(hào)LO+和LO-控制的開(kāi)關(guān)管在一小段時(shí)間內(nèi)同時(shí)打 開(kāi)，如圖3中陰影所覆蓋的三角部分所示，這種工作狀態(tài)稱(chēng)之為ON OVERLAP(打開(kāi)交疊區(qū))。這種情況出現(xiàn)時(shí)，差分輸入信號(hào)會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)同時(shí)輸出到下一級(jí)(即圖2中的第4層)，如圖4所示，造成了差分信號(hào)之間的抵消，信噪比下降。

第二種工作狀態(tài)如圖5所示，此時(shí)開(kāi)關(guān)管的W/L較大，每路開(kāi)關(guān)管流過(guò)IB/4的直流電流時(shí)，基本沒(méi)有過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓，所以VB_G≈VB_S+Vth，此時(shí)在一個(gè)本振信號(hào)LO的周期內(nèi)，相反相位本振信號(hào)LO+和LO-控制的開(kāi)關(guān)管基本不會(huì)同時(shí)打開(kāi)，這種工作狀態(tài)稱(chēng)之為NO OVERLAP。這種情況出現(xiàn)時(shí)，差分輸入信號(hào)會(huì)交替輸出到下一級(jí)，減少了差分信號(hào)之間的抵消，信噪比比第一種狀態(tài)要好。但是較大的W/L比，使得驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管的LO驅(qū)動(dòng)器需要消耗很大的電流來(lái)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管。

因此，怎樣綜合考慮上述功耗和噪聲的因素，使混頻器盡量在功耗和噪聲平衡方面達(dá)到最優(yōu)，是亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明實(shí)施例期望提供一種混頻器優(yōu)化電路。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明實(shí)施例采用以下方式來(lái)實(shí)現(xiàn)：

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種混頻器優(yōu)化電路，包括：有源混頻器電路和偏置優(yōu)化電路；

所述有源混頻器電路完成輸入信號(hào)與本振信號(hào)LO在電流域的相乘，通過(guò)所述有源混頻器的負(fù)載將變頻后的電流轉(zhuǎn)換為電壓；

所述偏置優(yōu)化電路從有源混頻器電路的尾電流上實(shí)現(xiàn)鏡像，鏡像電流隨著有源混頻器電路尾電流的大小成比例的變化；所述偏置優(yōu)化電路中包括一個(gè)和有源混頻器電路LO輸入管匹配的金屬氧化物半導(dǎo)體MOS管(M8)，所述MOS管(M8)在檢測(cè)到有源混頻器中MOS管閾值電壓Vth發(fā)生變化時(shí)，所述MOS管(M8)的柵極電壓隨Vth的變化而變化，以保證所述有源混頻器的LO輸入管的直流電壓偏置處在最優(yōu)值。

上述方案中，所述偏置優(yōu)化電路包括電流鏡單元，所述電流鏡單元包括MOS管(M0)、(M7)、(M10)、(M11)；其中，MOS管(M0)的源極接地GND，漏極接MOS管(M1)和MOS管(M2)的源極，為有源混頻器提供尾電流，柵極接所述有源混頻器的VB；MOS管(M7)的源極接地，漏極接MOS管(M10)的漏極，柵極接所述有源混頻器的VB；MOS管(M10)的源極接所述有源混頻器的VDD，柵極接MOS管(M11)的柵極；MOS管(M11)的源極接所述有源混頻器的VDD，漏極接MOS管(M8)的漏極。

上述方案中，所述有源混頻器的負(fù)載為以下任意串并聯(lián)的組合：負(fù)載電阻RL、負(fù)載電容CL和負(fù)載電感L。

上述方案中，所述有源混頻器電路中LO信號(hào)輸入MOS管的柵極直流電位由電阻(R1)和電容(C1)進(jìn)行偏置。

上述方案中，所述有源混頻器電路的信號(hào)輸入管(M1)和(M2)漏極的兩個(gè)電阻(R2)大小相等。

上述方案中，M10與M11是尺寸任意的電流鏡結(jié)構(gòu)。

上述方案中，所述偏置優(yōu)化電路中MOS管(M8)流過(guò)電流為有源混頻器尾電流的k倍，k為大于0的實(shí)數(shù)。

上述方案中，MOS管(M8)的尺寸為所述有源混頻器電路中MOS管(M3)、MOS管(M4)、MOS管(M5)、MOS管(M6)的4k倍。

上述方案中，所述偏置優(yōu)化電路中的比較器OP是一個(gè)運(yùn)放，所述OP使得MOS管(M8)的源極電位與MOS管(M3)、MOS管(M4)、MOS管(M5)、MOS管(M6)的源極電位相等。

本發(fā)明實(shí)施例提供的一種混頻器優(yōu)化電路，在需要完成射頻域與中頻域信號(hào)轉(zhuǎn)化的射頻收發(fā)機(jī)系統(tǒng)中，通過(guò)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵器件的工藝角特性和基準(zhǔn)電流的變化，自動(dòng)優(yōu)化混頻器的器件的偏置電壓，使得混頻器處在一個(gè)噪聲性能最好的工作狀態(tài)。

本發(fā)明實(shí)施例的混頻器優(yōu)化電路包括有源混頻器電路和偏置優(yōu)化電路，有源混頻器完成輸入信號(hào)與本振信號(hào)(LO)在電流域的相乘，通過(guò)負(fù)載將變頻后的電流轉(zhuǎn)換為電壓。偏置優(yōu)化電路從有源混頻器的尾電流上實(shí)現(xiàn)鏡像，該鏡像電流會(huì)隨著有源混頻器尾電流的大小成比例的變化，優(yōu)化偏置電路中存在一個(gè)和有源混頻器電路LO輸入管匹配的MOS管，該MOS管能夠跟蹤有源混頻器中LO輸入管器件工藝角特性，當(dāng)有源混頻器尾電流發(fā)生變化時(shí)，偏置優(yōu)化電路檢測(cè)到該電流的變化，按比例鏡像的電流流過(guò)與有源混頻器LO輸入管匹配的MOS管，該MOS管柵極的電壓將會(huì)進(jìn)行調(diào)整，保證有源混頻器的LO輸入管的直流電壓偏置在一個(gè)最優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)用于無(wú)線(xiàn)通信射頻前端電路設(shè)計(jì)中，本發(fā)明實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)可以自動(dòng)識(shí)別器件的工藝角特性和偏置電流的變化，從而自動(dòng)調(diào)節(jié)混頻器的噪聲性能；噪聲性能優(yōu)化后的有源混頻器將會(huì)一定程度提高射頻前端電路噪聲性能。

附圖說(shuō)明

圖1為混頻器在收發(fā)機(jī)中的位置示意圖；

圖2為有源混頻器電源到地分層結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為ON OVERLAP發(fā)生狀態(tài)示意圖；

圖4為有源混頻器中LO+和LO-控制開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通時(shí)有用信號(hào)抵消示意圖；

圖5為有源混頻器中LO+和LO-控制開(kāi)關(guān)基本無(wú)同時(shí)狀態(tài)示意圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例一種混頻器優(yōu)化電路的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)一步詳細(xì)闡述。

在分析M3-M6源極電壓VB_S、柵極直流電壓VB_G和MOS管閾值電壓Vth的關(guān)系時(shí)，綜合功耗和噪聲的考慮，MOS管柵極電壓VB_G的選擇在滿(mǎn)足功耗要求下，需盡量與VB_S+Vth相接近；而此時(shí)MOS管的W/L較大，開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)有用信號(hào)的抵消作用減小，對(duì)于該機(jī)制的導(dǎo)致的噪聲是有好處的。

同時(shí)，當(dāng)M3-M6的W/L過(guò)大時(shí)，由工作在飽和區(qū)MOS管的溝道電流熱噪聲可知：

其中，k和γ是工藝常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，IB為混頻器尾電流源電流大小。

當(dāng)VB_G≈VB_S+Vth時(shí)，開(kāi)關(guān)管的溝道電流熱噪聲將會(huì)很大，占據(jù)噪聲貢獻(xiàn)的主要部分，所以VB_G的選擇要在開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通的噪聲和溝道電流熱噪聲之間進(jìn)行折中，找到一個(gè)最優(yōu)值。

在某一工藝角下找到了最優(yōu)的VB_G以后，由于CMOS工藝的特點(diǎn)，不同芯片之間IB電流會(huì)存在著偏差，不同芯片的開(kāi)關(guān)MOS管的Vth也不相同，這些都有可能導(dǎo)致VB_G偏離了最優(yōu)值。為此，本發(fā)明實(shí)施例提出一種能夠使得混頻器開(kāi)關(guān)管的柵極偏置電壓VB_G隨著IB和Vth的變化而變化，從而保證其偏置始終處在最優(yōu)值的電路結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明實(shí)施例在傳統(tǒng)的有源混頻器電路旁邊引入一個(gè)偏置優(yōu)化電路，如圖6所示。電路中的M8管為有源混頻器中的M3-M6管提供直流偏置。

當(dāng)有源混頻器中的尾電流源IB的電流大小發(fā)生變化時(shí)，由M0、M7、M10和M11管構(gòu)成的電流鏡會(huì)隨之發(fā)生變化，M11支路將該變化放大k倍，電流大小為K*IB。M8的W/L是M3-M6的W/L的4*k倍。當(dāng)IB由于工藝偏差而發(fā)生變化時(shí)，M8會(huì)自動(dòng)調(diào)整柵極的電壓，使得M3-M6管柵極的直流偏置保持在優(yōu)化值。

當(dāng)有源混頻器中M3-M6的Vth變化時(shí)，M8作為其匹配管，能夠檢測(cè)到Vth的變化，在電流IB不變的情況下，M8的柵極電壓將會(huì)自動(dòng)跟隨Vth上升或者下降，保證了相反相位LO信號(hào)同時(shí)導(dǎo)通的角度不變，同時(shí)也能保證開(kāi)關(guān)管提供的溝道電流熱噪聲不變，這樣開(kāi)關(guān)管貢獻(xiàn)的噪聲性能依然處在最優(yōu)的值上。

下面進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

首先在某一個(gè)工藝角下，調(diào)整圖6中混頻器電路和偏置優(yōu)化電路的尺寸和偏壓，使得混頻器的輸出噪聲中，由于LO所加開(kāi)關(guān)管所貢獻(xiàn)的有用信號(hào)抵消和漏端電流熱噪聲的總和最小，處于一個(gè)噪聲的優(yōu)化值上。

由于開(kāi)關(guān)管對(duì)于混頻器的噪聲貢獻(xiàn)主要是取決于開(kāi)關(guān)管柵極電壓(VB_G)和源極電壓與閾值電壓和(VB_S+Vth)的關(guān)系，也就是過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓Vov＝VB_G-VB_S-Vth的取值，所以為了保證開(kāi)關(guān)管貢獻(xiàn)的兩部分噪聲和處于最優(yōu)值，需要將開(kāi)關(guān)管過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓根據(jù)不同的功耗值(取決于IB)和MOS管的Vth進(jìn)行調(diào)整。

M0、M7、M10和M11構(gòu)成了電流鏡結(jié)構(gòu)，它將Gilbert中尾電流的大小IB放大k倍后流過(guò)MOS管M8，這部分電流鏡結(jié)構(gòu)用于跟蹤IB的變化。M8的寬長(zhǎng)比與M3-M6的寬長(zhǎng)比為4k倍，這樣M8與M3-M6單位寬長(zhǎng)比W/L流過(guò)的電流是相同的。當(dāng)IB由于工藝偏差變大時(shí)，M8流過(guò)的電流也將增大，M8管的柵極電壓將會(huì)自動(dòng)上升，從而由M8控制M3-M6柵極偏置上升，使得M3一M6管的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓動(dòng)態(tài)的進(jìn)行了調(diào)整。當(dāng)IB減小的時(shí)候，M8管柵極電壓降級(jí)，從而由M8控制M3-M6柵極偏置下降，M3-M6管的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓被自動(dòng)降低。

M8和M3-M6在設(shè)計(jì)中要注意匹配，當(dāng)工藝出現(xiàn)偏差時(shí)，MOS管的Vth的分布比較離散。當(dāng)IB一定的時(shí)候，如果M8和M3-M6的Vth增加，那么M8的柵極電壓將會(huì)自動(dòng)提高，從而保證M3-M6的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓保持不變；如果M8和M3-M6的Vth降低，那么M8的柵極電壓將會(huì)自動(dòng)下降，從而也能保證M3-M6的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓保持不變。

偏置優(yōu)化電路中的運(yùn)算放大器(OP)是差分輸入單端輸出的結(jié)構(gòu)。它的差分輸入其中之一來(lái)自于混頻器開(kāi)關(guān)管的源極，兩個(gè)大小相等的電阻跨在M1和M2的漏極之間，電阻中間取直流電壓值送入OP的一個(gè)輸入端；OP的另一個(gè)輸入端口來(lái)自于M8的源極；OP的輸出加在M9的柵極上。這樣的結(jié)構(gòu)能夠準(zhǔn)確保證M8的源極電位和M3-M6相同，這樣M8和M3-M6的匹配度將會(huì)非常高，更加準(zhǔn)確的控制M3-M6貢獻(xiàn)的噪聲處于優(yōu)值。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種混頻器優(yōu)化電路，在需要完成射頻域與中頻域信號(hào)轉(zhuǎn)化的射頻收發(fā)機(jī)系統(tǒng)中，通過(guò)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵器件的工藝角特性和基準(zhǔn)電流的變化，自動(dòng)優(yōu)化混頻器的器件的偏置電壓，使得混頻器處在一個(gè)噪聲性能最好的工作狀態(tài)。

本發(fā)明實(shí)施例的混頻器優(yōu)化電路包括有源混頻器電路和偏置優(yōu)化電路，有源混頻器完成輸入信號(hào)與本振信號(hào)(LO)在電流域的相乘，通過(guò)負(fù)載將變頻后的電流轉(zhuǎn)換為電壓。偏置優(yōu)化電路從有源混頻器的尾電流上實(shí)現(xiàn)鏡像，該鏡像電流會(huì)隨著有源混頻器尾電流的大小成比例的變化，優(yōu)化偏置電路中存在一個(gè)和有源混頻器電路LO輸入管匹配的MOS管，該MOS管能夠跟蹤有源混頻器中LO輸入管器件工藝角特性，當(dāng)有源混頻器尾電流發(fā)生變化時(shí)，偏置優(yōu)化 電路檢測(cè)到該電流的變化，按比例鏡像的電流流過(guò)與有源混頻器LO輸入管匹配的MOS管，該MOS管柵極的電壓將會(huì)進(jìn)行調(diào)整，保證有源混頻器的LO輸入管的直流電壓偏置在一個(gè)最優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)用于無(wú)線(xiàn)通信射頻前端電路設(shè)計(jì)中，本發(fā)明實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)可以自動(dòng)識(shí)別器件的工藝角特性和偏置電流的變化，從而自動(dòng)調(diào)節(jié)混頻器的噪聲性能；噪聲性能優(yōu)化后的有源混頻器將會(huì)一定程度提高射頻前端電路噪聲性能。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以所述權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。