本發(fā)明涉及混頻器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種負(fù)載自偏置電流倍增型無源混頻器。

背景技術(shù)：

在射頻接收系統(tǒng)中，混頻器作為射頻前端關(guān)鍵模塊，其功耗水平在接收鏈路中占據(jù)了可觀的份額。針對混頻器的低功耗設(shè)計(jì)方法和電路結(jié)構(gòu)一直是業(yè)界的研究熱點(diǎn)，而降低電源電壓和減少偏置電流是降低功耗的主要途徑。而當(dāng)半導(dǎo)體工藝尺寸到達(dá)40nm以下時(shí)，短溝道晶體管的有限輸出阻抗給偏置電流的精確設(shè)置帶來了挑戰(zhàn)。對于如GPS等衛(wèi)星信號接收機(jī)，射頻前端需實(shí)現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)換增益以實(shí)現(xiàn)對噪聲的抑制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了顯著降低混頻器的功耗水平，本發(fā)明提出一種負(fù)載自偏置電流倍增型無源混頻器，相比傳統(tǒng)無源混頻器，本發(fā)明同時(shí)降低電源電壓和偏置電流，實(shí)現(xiàn)了更高的功效，即本發(fā)明增加一組差分對并復(fù)制共柵管的電流注入到負(fù)載，將下變頻后的電流進(jìn)行了倍增，提高了轉(zhuǎn)換增益；并使用了負(fù)載自偏置技術(shù)，提高了負(fù)載阻值以進(jìn)一步提升轉(zhuǎn)換增益并抑制共模增益，使輸出共模電平等于負(fù)載管柵極電壓下移一個(gè)固定偏壓，以適應(yīng)低電源應(yīng)用場合；此外為克服40nm晶體管溝道阻抗低對電流復(fù)制比例的影響，本發(fā)明對跨導(dǎo)級采用了自偏置技術(shù)，從PMOS跨導(dǎo)管陣列中分出一部分同時(shí)為開關(guān)管和負(fù)載級電路提供偏置電流。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種負(fù)載自偏置電流倍增型無源混頻器，包括自偏置輸入跨導(dǎo)級、無源本振開關(guān)和低電壓跨阻放大器，其中：

所述自偏置輸入跨導(dǎo)級包括鏡像PMOS跨導(dǎo)管和自偏置電路，自偏置電路設(shè)有自偏置PMOS跨導(dǎo)管，無源本振開關(guān)輸入本振信號，自偏置輸入跨導(dǎo)級的鏡像PMOS跨導(dǎo)管與自偏置PMOS跨導(dǎo)管采用電容耦合的方式，通過無源本振開關(guān)共同為低電壓跨阻放大器提供偏置電流，且通過形成的PMOS跨導(dǎo)管陣列分出部分電流同時(shí)為無源本振開關(guān)中的開關(guān)管和負(fù)載級電路提供偏置電流；

所述低電壓跨阻放大器為跨導(dǎo)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，低電壓跨阻放大器包括NMOS管共源放大器、PMOS管共柵管、差分對和負(fù)載自偏置電路，所述差分對包括PMOS管組成的跨導(dǎo)管，通過NMOS管共源放大器為PMOS管共柵管提升跨導(dǎo)，差分對的跨導(dǎo)管與PMOS管共柵管尺寸相同，并偏置在相同的直流電流下，差分對的柵極與PMOS共柵管的柵極相連，在跨導(dǎo)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)電路的作用下，PMOS管共柵管的源極相當(dāng)于虛地，差分對中的跨導(dǎo)管復(fù)制PMOS管共柵管的電流并注入到負(fù)載，將下變頻后的電流進(jìn)行了倍增；所述負(fù)載自偏置電路包括PMOS管，負(fù)載自偏置電路通過注入直流電流的方式，使低電壓跨阻放大器的輸出共模電平等于負(fù)載管柵極電壓下移一個(gè)固定偏壓。

作為優(yōu)選，所述負(fù)載自偏置電流倍增型無源混頻器包括構(gòu)成無源本振開關(guān)的第二NMOS管NM2和第三NMOS管NM3；構(gòu)成低電壓跨阻放大器的第四NMOS管NM4、第五NMOS管NM5、第二PMOS管PM2、第三PMOS管PM3、第四PMOS管PM4、第五PMOS管PM5、第六PMOS管PM6、第七PMOS管PM7、第八PMOS管PM8、第三電阻R3、第四電阻R4、第二電容C2、第五電容C5、第六電容C6、第七NMOS管NM7、第八NMOS管NM8和第十PMOS管PM10，其中：

所述第二NMOS管NM2的漏極和第三NMOS管NM3的漏極相接，其連接點(diǎn)連接自偏置輸入跨導(dǎo)級的輸出信號；第二NMOS管NM2的柵極接本振信號的正極，第二NMOS管NM2的源極接第二PMOS管PM2的源極；第三NMOS管NM3的柵極接本振信號的負(fù)極，第三NMOS管NM3的源極接第三PMOS管PM3的源極；第二電容C2的上極板接第三NMOS管NM3的源極，第二電容C2的下極板接第二NMOS管NM2的源極；第二PMOS管PM2的柵極接第四NMOS管NM4的漏極，第二PMOS管PM2的漏極為負(fù)載自偏置電流倍增型無源混頻器的輸出信號正極輸出端；第五電容C5的正極接第二PMOS管PM2的漏極，第五電容C5的負(fù)極接地；第四NMOS管NM4的柵極接第二NMOS管NM2的源極，第四NMOS管NM4的源極接地；第四PMOS管PM4的源極、第五PMOS管PM5的源極、第六PMOS管PM6的源極和第十PMOS管PM10的源極均連接電源電壓，第四PMOS管PM4的柵極、第五PMOS管PM5的柵極、第六PMOS管PM6的柵極和第十PMOS管PM10的柵極均連接第三偏置電壓；第四PMOS管PM4的漏極接第四NMOS管NM4的漏極；第三PMOS管PM3的柵極、第五NMOS管NM5的漏極和第五PMOS管PM5的漏極相接，第三PMOS管PM3的漏極為負(fù)載自偏置電流倍增型無源混頻器的輸出信號負(fù)極輸出端；第五NMOS管NM5的源極接地，第五NMOS管NM5的柵極接第三PMOS管PM3的源極；第六電容C6的正極接第三PMOS管PM3的漏極，第六電容C6的負(fù)極接地；第六PMOS管PM6的漏極接第七PMOS管PM7的源極和第八PMOS管PM8的源極；第七PMOS管PM7的柵極接第二PMOS管PM2的柵極，第七PMOS管PM7的漏極、第三電阻R3的正極和第七NMOS管NM7的漏極相接，其連接點(diǎn)接第二PMOS管PM2的漏極；第八PMOS管PM8的柵極接第三PMOS管PM3的柵極，第八PMOS管PM8的漏極、第四電阻R4的正極和第八NMOS管NM8的漏極相接，其連接點(diǎn)接第三PMOS管PM3的漏極；第三電阻R3的負(fù)極、第四電阻R4的負(fù)極、第七NMOS管NM7的柵極和第八NMOS管NM8的柵極均接第十PMOS管PM10的漏極；第七NMOS管NM7和第八NMOS管NM8的源極均接地。

作為優(yōu)選，所述負(fù)載自偏置電流倍增型無源混頻器包括構(gòu)成自偏置輸入跨導(dǎo)級的第一NMOS管NM1、第六NMOS管NM6、第一PMOS管PM1、第九PMOS管PM9、第一電阻R1、第二電阻R2、第五電阻R5、第一電容C1、第三電容C3和第四電容C4；構(gòu)成無源本振開關(guān)的第二NMOS管NM2和第三NMOS管NM3，其中：

所述第一NMOS管NM1的源極接地，第一NMOS管NM1的柵極為負(fù)載自偏置電流倍增型無源混頻器的輸入信號端，第一NMOS管NM1的漏極接第一PMOS管PM1的漏極；第一電阻R1的負(fù)極接第一偏置電壓，第一電阻R1的正極接第一NMOS管NM1的柵極；第一PMOS管PM1的源極接電源電壓，第一PMOS管PM1的柵極接第一電容C1的負(fù)極；第一電容C1的正極接第一NMOS管NM1的柵極；第二電阻R2的正極接第一PMOS管PM1的柵極，第二電阻R2的負(fù)極接第四電容C4的正極，第四電容C4的負(fù)極接電源；第六NMOS管NM6的源極接地，第六NMOS管NM6的柵極接第二偏置電壓，第六NMOS管NM6的漏極接第二電阻R2的負(fù)極；第五電阻R5的正極接第一NMOS管NM1的漏極，第五電阻R5的負(fù)極接第六NMOS管NM6的漏極；第三電容C3的正極接第一PMOS管PM1的漏極，第三電容C3的負(fù)極接第九PMOS管PM9的漏極，第九PMOS管PM9的源極接電源電壓，第九PMOS管PM9的柵極接第一PMOS管PM1的柵極；

所述第二NMOS管NM2的柵極接本振信號的正極，第二NMOS管NM2的漏極接第九PMOS管PM9的漏極；第三NMOS管NM3的柵極接本振信號的負(fù)極，第三NMOS管NM3的漏極接第九PMOS管PM9的漏極；第二NMOS管NM2的源極和第三NMOS管NM3的源極分別連接低電壓跨阻放大器的兩路信號輸入端。

有益效果：本發(fā)明提出的負(fù)載自偏置電流倍增型無源混頻器，相比現(xiàn)有技術(shù)，具有以下效果：其跨導(dǎo)級為CMOS結(jié)構(gòu)，可偏置在較低的電源電壓下?？缱璺糯笃鳛槿谌肟鐚?dǎo)自舉技術(shù)的共柵放大器，為降低電源電壓，跨導(dǎo)自舉電路采用了NMOS輸入的共源放大器結(jié)構(gòu)；此外跨導(dǎo)級通過混頻器的開關(guān)管與跨阻級構(gòu)成電流復(fù)用，降低了總體偏置電流。在跨導(dǎo)級，NMOS管和PMOS管一起向開關(guān)級注入射頻電流，獲得了較高的等效跨導(dǎo)?？缱璺糯笃魍ㄟ^增益自舉可獲得足夠低的輸入阻抗，可充分吸收變頻后的電流并將其在負(fù)載電阻上轉(zhuǎn)換成輸出電壓。由于對共柵管進(jìn)行了跨導(dǎo)自舉，使得從負(fù)載電阻端往上看過去的阻抗更高，因此可以進(jìn)一步提高負(fù)載電阻值而不會(huì)帶來增益壓縮效應(yīng)。

除此之外，本發(fā)明提出的負(fù)載自偏置電流倍增型無源混頻器實(shí)現(xiàn)了更高的轉(zhuǎn)換增益和更精確的偏置電流。本發(fā)明的跨阻放大器中引入一個(gè)額外的差分對，該差分對的跨導(dǎo)管與共柵管尺寸相同，并偏置在相同的直流電流下，其柵極與共柵管的柵極相連。在跨導(dǎo)增強(qiáng)電路的作用下，共柵管的源極相當(dāng)于虛地。差分對中的跨導(dǎo)管將復(fù)制共柵管的電流并注入到負(fù)載。由此將下變頻后的電流進(jìn)行了倍增，從而提高了轉(zhuǎn)換增益。同時(shí)，由于短溝道晶體管的輸出阻抗較低，如果用設(shè)置PMOS跨導(dǎo)管和NMOS跨導(dǎo)管偏置電流差值來為跨阻放大器進(jìn)行偏置的方法，將會(huì)給跨阻放大器的實(shí)際偏置電流帶來很大的不確定性，對電流復(fù)制比例造成影響。本發(fā)明通過對PMOS跨導(dǎo)管采取自偏置，以及鏡像一部分PMOS跨導(dǎo)電流注入跨阻放大器的方式，即自偏置跨導(dǎo)級結(jié)合電容耦合的電流鏡的方式，一方面起到了跨導(dǎo)級電流和跨阻放大器的復(fù)用效果，另一方面可較為精確地固定跨阻放大器的偏置電流，確保了跨導(dǎo)級晶體管處于飽和區(qū)，并保證了跨阻放大器的偏置電流處于合理的范圍內(nèi)，給中頻電路提供較為精確的直流偏置。

此外，本發(fā)明提出的負(fù)載自偏置電流倍增型無源混頻器能夠進(jìn)一步提高負(fù)載阻抗值同時(shí)提高轉(zhuǎn)換增益。本發(fā)明使用了負(fù)載自偏置技術(shù)，為降低輸出共模電壓，本發(fā)明通過注入直流電流的方式，使輸出共模電平等于負(fù)載管柵極電壓下移一個(gè)固定偏壓，在解決電壓裕度的同時(shí)也提高了對共模信號的抑制能力。

綜上所述，本發(fā)明具有低電壓低、低功耗、高轉(zhuǎn)換增益的特點(diǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的負(fù)載自偏置電流倍增型無源混頻器的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的電路圖；

圖2為本發(fā)明的負(fù)載自偏置電流倍增型無源混頻器的轉(zhuǎn)換增益隨輸入頻率變化的曲線圖以及去掉電流倍增效果后的轉(zhuǎn)換增益隨輸入頻率變化的曲線圖，分別以實(shí)線和虛線表示。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。

如圖1所示為本發(fā)明的一種負(fù)載自偏置電流倍增型無源混頻器的優(yōu)選實(shí)施例的電路圖，包括自偏置輸入跨導(dǎo)級、無源本振開關(guān)以及低電壓跨阻放大器；低電壓跨阻放大器為跨導(dǎo)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，通過NMOS共源放大器為PMOS共柵管提升跨導(dǎo)，克服了電壓裕度的限制。為了提高轉(zhuǎn)換增益，本發(fā)明增加一組差分對并復(fù)制共柵管的電流注入到負(fù)載，將下變頻后的電流進(jìn)行了倍增。為提高負(fù)載阻值以進(jìn)一步提升轉(zhuǎn)換增益并抑制共模增益，本發(fā)明使用了負(fù)載自偏置技術(shù)。為降低輸出共模電壓，本發(fā)明通過注入直流電流的方式，使輸出共模電平等于負(fù)載管柵極電壓下移一個(gè)固定偏壓，以適應(yīng)低電源應(yīng)用場合。此外為克服40nm晶體管溝道阻抗低對電流復(fù)制比例的影響，本發(fā)明對跨導(dǎo)級采用了自偏置技術(shù)，從PMOS跨導(dǎo)管陣列中分出一部分同時(shí)為開關(guān)管和負(fù)載級電路提供偏置電流。在上述結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的作用下，本發(fā)明具有低電壓低、低功耗，高轉(zhuǎn)換增益的特點(diǎn)。

如圖1所示，本實(shí)施例中，所述負(fù)載自偏置電流倍增型無源混頻器包括構(gòu)成自偏置輸入跨導(dǎo)級的第一NMOS管NM1、第六NMOS管NM6、第一PMOS管PM1、第九PMOS管PM9、第一電阻R1、第二電阻R2、第五電阻R5、第一電容C1、第三電容C3和第四電容C4；構(gòu)成無源本振開關(guān)的第二NMOS管NM2和第三NMOS管NM3；構(gòu)成低電壓跨阻放大器的第四NMOS管NM4、第五NMOS管NM5、第二PMOS管PM2、第三PMOS管PM3、第四PMOS管PM4、第五PMOS管PM5、第六PMOS管PM6、第七PMOS管PM7、第八PMOS管PM8、第三電阻R3、第四電阻R4、第二電容C2、第五電容C5、第六電容C6、第七NMOS管NM7、第八NMOS管NM8和第十PMOS管PM10，其中：

所述第一NMOS管NM1的源極接地，第一NMOS管NM1的柵極為負(fù)載自偏置電流倍增型無源混頻器的輸入信號端，第一NMOS管NM1的漏極接第一PMOS管PM1的漏極；第一電阻R1的負(fù)極接第一偏置電壓，第一電阻R1的正極接第一NMOS管NM1的柵極；第一PMOS管PM1的源極接電源電壓，第一PMOS管PM1的柵極接第一電容C1的負(fù)極；第一電容C1的正極接第一NMOS管NM1的柵極；第二電阻R2的正極接第一PMOS管PM1的柵極，第二電阻R2的負(fù)極接第四電容C4的正極，第四電容C4的負(fù)極接電源；第六NMOS管NM6的源極接地，第六NMOS管NM6的柵極接第二偏置電壓，第六NMOS管NM6的漏極接第二電阻R2的負(fù)極；第五電阻R5的正極接第一NMOS管NM1的漏極，第五電阻R5的負(fù)極接第六NMOS管NM6的漏極；第三電容C3的正極接第一PMOS管PM1的漏極，第三電容C3的負(fù)極接第九PMOS管PM9的漏極，第九PMOS管PM9的源極接電源電壓，第九PMOS管PM9的柵極接第一PMOS管PM1的柵極；

所述第二NMOS管NM2的柵極接本振信號的正極，第二NMOS管NM2的漏極接第九PMOS管PM9的漏極；第三NMOS管NM3的柵極接本振信號的負(fù)極，第三NMOS管NM3的漏極接第九PMOS管PM9的漏極；第二NMOS管NM2的源極接第二PMOS管PM2的源極；

所述第三NMOS管NM3的源極接第三PMOS管PM3的源極；第二電容C2的上極板接第三NMOS管NM3的源極，第二電容C2的下極板接第二NMOS管NM2的源極；第二PMOS管PM2的柵極接第四NMOS管NM4的漏極，第二PMOS管PM2的漏極為負(fù)載自偏置電流倍增型無源混頻器的輸出信號正極輸出端；第五電容C5的正極接第二PMOS管PM2的漏極，第五電容C5的負(fù)極接地；第四NMOS管NM4的柵極接第二NMOS管NM2的源極，第四NMOS管NM4的源極接地；第四PMOS管PM4的源極、第五PMOS管PM5的源極、第六PMOS管PM6的源極和第十PMOS管PM10的源極均連接電源電壓，第四PMOS管PM4的柵極、第五PMOS管PM5的柵極、第六PMOS管PM6的柵極和第十PMOS管PM10的柵極均連接第三偏置電壓；第四PMOS管PM4的漏極接第四NMOS管NM4的漏極；第三PMOS管PM3的柵極、第五NMOS管NM5的漏極和第五PMOS管PM5的漏極相接，第三PMOS管PM3的漏極為負(fù)載自偏置電流倍增型無源混頻器的輸出信號負(fù)極輸出端；第五NMOS管NM5的源極接地，第五NMOS管NM5的柵極接第三PMOS管PM3的源極；第六電容C6的正極接第三PMOS管PM3的漏極，第六電容C6的負(fù)極接地；第六PMOS管PM6的漏極接第七PMOS管PM7的源極和第八PMOS管PM8的源極；第七PMOS管PM7的柵極接第二PMOS管PM2的柵極，第七PMOS管PM7的漏極、第三電阻R3的正極和第七NMOS管NM7的漏極相接，其連接點(diǎn)接第二PMOS管PM2的漏極；第八PMOS管PM8的柵極接第三PMOS管PM3的柵極，第八PMOS管PM8的漏極、第四電阻R4的正極和第八NMOS管NM8的漏極相接，其連接點(diǎn)接第三PMOS管PM3的漏極；第三電阻R3的負(fù)極、第四電阻R4的負(fù)極、第七NMOS管NM7的柵極和第八NMOS管NM8的柵極均接第十PMOS管PM10的漏極；第七NMOS管NM7和第八NMOS管NM8的源極均接地。

如圖2所示，實(shí)線為包含本發(fā)明的混頻器的射頻前端轉(zhuǎn)換增益隨輸入頻率的曲線圖，虛線為去掉電流倍增效果后的轉(zhuǎn)換增益隨輸入頻率的曲線圖。從圖中可以看出，本發(fā)明對下變頻電流的倍增效果明顯，在未改變帶寬的前提下將轉(zhuǎn)化增益提升了5.8dB。

綜上所述，本發(fā)明從下面兩方面進(jìn)行改進(jìn)以提升轉(zhuǎn)換增益：1、在低電壓跨阻放大器中增加一組差分對復(fù)制流過共柵管的下變頻電流并注入到負(fù)載級，由于共柵管的偏置電流遠(yuǎn)低于射頻跨導(dǎo)級，本發(fā)明僅增加了稍許功耗實(shí)現(xiàn)了等效跨導(dǎo)的倍增；2、通過使用自偏置負(fù)載結(jié)構(gòu)，負(fù)載電阻為跨接方式，其阻值得以大幅提高。同時(shí)，本發(fā)明通過注入直流電流的方式，使輸出共模電平等于負(fù)載管柵極電壓下移一個(gè)固定偏壓，以適應(yīng)低電源應(yīng)用場合。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。