CMOS混頻器的設(shè)計技術(shù)

1、cmos混頻器的設(shè)計技術(shù)引言近年來，無線通信技術(shù)得到了迅猛地進(jìn)展。它對收發(fā)信機(jī)前端提出的新要求是：高的工作頻率，低，低功耗，高度集成。實(shí)現(xiàn)小型化以及低功耗的一種可行性辦法是實(shí)現(xiàn)收發(fā)機(jī)電路和基帶電路的單片集成，這也是收發(fā)信機(jī)設(shè)計的終于目標(biāo)。因?yàn)閿?shù)字處理部分的面積通常占到芯片面積的75%以上，集成度及功耗等指標(biāo)的要求使得不行能以以外的其他工藝實(shí)現(xiàn)，所以惟獨(dú)實(shí)現(xiàn)cmos集成射頻前端，才干實(shí)現(xiàn)單片集成。cmos工藝向0.25um以下的快速進(jìn)展，使上述愿望的實(shí)現(xiàn)變?yōu)榭赡堋?.18umcmos工藝的特征頻率ft可達(dá)60ghz，0.15um的可達(dá)80ghz?；祛l器是射頻前端電路中實(shí)現(xiàn)頻譜搬移的器件，是非常重

2、要的模塊。本文將介紹cmos混頻器的基本原理，基本實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)以及當(dāng)前的電路設(shè)計技術(shù)?；祛l器的基本原理混頻器必需是非線性或是時變的，以提供所需的頻率變換。它的核心是對射頻信號(rf)和本振信號(lo)在時光域的相乘。這樣就得到含有輸入和頻和差頻的輸出信號，輸出信號幅度與rf信號和lo信號幅度的乘積成正比。cmos混頻器的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計者首先瀕臨的問題是挑選合適的混頻器結(jié)構(gòu)。因?yàn)閱味私Y(jié)構(gòu)不行能徹低消退非線性，且電源抑制比較差，混頻器結(jié)構(gòu)通常采納差分形式。這些結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)輸入信號相乘，并消去高次項(xiàng)和共模成分。mos管電壓關(guān)系的容易模型可表示為：可見，利用mos管的電壓電流關(guān)系，采納適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)，可以通過乘法來

3、舉行混頻?；趯?shí)現(xiàn)乘法的mos管的工作區(qū)，可將混頻器分為如下幾類：(1)工作于線性區(qū)的mos混頻器這一類是利用mos管工作于線性區(qū)的電流電壓關(guān)系，來實(shí)現(xiàn)乘法。分為兩種實(shí)現(xiàn)方式：利用式(1)中的vgsvds項(xiàng)實(shí)現(xiàn)乘法，利用式(1)中的v2ds實(shí)現(xiàn)乘法。(2)工作于飽和區(qū)的mos混頻器這一類是利用工作于飽和區(qū)的mos管的電流電壓關(guān)系來實(shí)現(xiàn)乘法，利用的是式(2)中的v2gs項(xiàng)。(3)開關(guān)混頻器圖1是一個典型的開關(guān)混頻器的電路結(jié)構(gòu)圖，本振信號lo起到控制mos管的開和關(guān)的作用。直流電壓vlo，dc與vbb，dc的挑選應(yīng)滿足：vlo，dc-vbb，dc=vt(vt是mos管的閾值電壓)假如電路徹低對稱，

4、所用的lo信號也對稱，則輸出的信號譜中不含偶次重量及直流重量。開關(guān)混頻器的主要優(yōu)點(diǎn)在于：cmos管十分近似于一個抱負(fù)的開關(guān)；mos管中的偏置電流為0，所以閃耀噪聲小。還有一種很常用的開關(guān)混頻器是gilbert混頻器。電路原理見圖2。圖2中，m3、m6是跨導(dǎo)級，起到將輸入rf信號電壓轉(zhuǎn)換成電流的作用，m1、m2、m4、m5在lo信號的控制下交替開和關(guān)，實(shí)現(xiàn)頻率變換。gilbert混頻器的優(yōu)點(diǎn)在于增益高，端口到端口的隔離度大。(4)采樣混頻器cmos可以實(shí)現(xiàn)很好的開關(guān)，可以利用采樣保持電路來實(shí)現(xiàn)混頻，在高頻的帶限信號以頻率被采樣。按照調(diào)制信號的nyquist采樣定理，為了不發(fā)生混疊，所需的采樣頻率

5、fs不能小于調(diào)制的rf信號的帶寬的兩倍，而不是必需為最高頻率的兩倍。fs的值依靠于帶寬和信號的肯定頻率位置。圖3給出了采樣的原理。圖4是一個采樣保持電路作為采樣混頻器的例子。采樣混頻器的優(yōu)點(diǎn)是線性度高，本振信號為基帶采樣頻率，與射頻信號離得較遠(yuǎn)，沒有因?yàn)閘o泄漏引起的雜散輻射。對采樣保持電路的要求是不僅要有足夠的帶寬，還要有低的時鐘顫動，這對采樣時鐘的相位噪聲要求很高。采樣混頻的缺點(diǎn)是采樣不僅將信號變換到中頻，也將輸入的噪聲折疊到輸出端，所以噪聲增強(qiáng)的倍數(shù)約為rf帶寬/if帶寬。因?yàn)閞f帶寬通常比中頻帶寬大許多，采樣混頻器的噪聲指數(shù)可能很大(例如25db)。這樣，這種混頻器線性度高的優(yōu)點(diǎn)通常被

6、噪聲性能差所抵消，混頻器的總動態(tài)范圍并不比普通的混頻器好(甚至可能更差)。從理論上來說，可以利用有足夠增益的lna來克服混頻器噪聲的影響，但是實(shí)現(xiàn)同時擁有高增益和高線性度的lna很難。因此，必需謹(jǐn)慎選用采樣混頻?；祛l器的電路設(shè)計技術(shù)對于cmos混頻器，設(shè)計目標(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(主要針對挺直下變頻的接收機(jī))，低噪聲系數(shù)。在詳細(xì)實(shí)現(xiàn)時，通常是在這幾個指標(biāo)之間取得折衷。(1)提高線性度抱負(fù)的混頻器，輸出信號的幅度應(yīng)與輸入信號的幅度成正比，輸出信號的無用雜散重量少(由于鄰帶可能會有干擾)，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)

7、輸出相等時的輸入信號電平)都可用來描述混頻器的線性度?；祛l器處理的信號幅度比低噪聲大，因此要不成為接收機(jī)動態(tài)范圍的瓶項(xiàng)，它必需有足夠的線性度。gilbert類型的混頻器中跨導(dǎo)的線性度限定了囫圇混頻器的線性度下界。因此，在設(shè)計中，重要的工作是加大跨導(dǎo)的線性。運(yùn)用泰勒級數(shù)綻開得到了跨導(dǎo)的iip3與電路參數(shù)之間的關(guān)系。分析了開關(guān)混頻器的非線性失真。對于高頻混頻器，不能忽視mos管寄生對線性度的影響，這時，混頻器的跨導(dǎo)應(yīng)被視為有記憶電路，采納volttera級數(shù)舉行分析精度較高。我們利用volttera級數(shù)對cmos高頻跨導(dǎo)舉行了線性度分析，得到了跨導(dǎo)的iip3與各電路參數(shù)(工作電壓，mos管溝道長度

8、，溝道寬度，寄生電容等)之間關(guān)系的解析表達(dá)式，與得到的結(jié)果非常臨近。我們對跨導(dǎo)舉行了umc流片，測試結(jié)果驗(yàn)證了解析表達(dá)式的正確性?？鐚?dǎo)的線性化可以通過逐段靠近的辦法，圖5中，每一個差分對在一段輸入范圍內(nèi)是線性的，疊加起來就構(gòu)成更大范圍內(nèi)的線性跨導(dǎo)，6所示。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、功耗增強(qiáng)，需要越發(fā)復(fù)雜的電路。(2)降低工作電壓和功耗隨著cmos工藝向亞微米進(jìn)展，能處理的電壓也隨之下降，例如，0.18um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

9、及分量。降低電壓和功耗已成為射頻前端電路設(shè)計的重要目標(biāo)。惟獨(dú)當(dāng)前端電路的功耗能夠與雙極工藝相當(dāng)初，cmos在射頻中才會具有競爭力。為了降低供電電壓，可以通過削減堆疊mos管的數(shù)目，也可采納與電容得到低電壓的混頻器結(jié)構(gòu)。圖7是我們新設(shè)計的一個混頻器電路，其中m1工作于線性區(qū)，m1在lo信號控制下，其等效表達(dá)式中有一項(xiàng)與lo信號的幅度成正比，m2工作于飽和區(qū)，相當(dāng)于一個線性跨導(dǎo)，將輸入rf電壓信號轉(zhuǎn)化成與rf信號幅度成正比的電流，這個電流流過與本振信號幅度成正比的電阻，得到的輸出電壓v中就含所要的混頻項(xiàng)。這個結(jié)構(gòu)因?yàn)楸荛_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舉行um

10、c流片，測試結(jié)果驗(yàn)證了混頻器的功能。(3)降低直流失調(diào)直流失調(diào)的產(chǎn)生有以下幾個緣由：混頻器輸入的器件失配；本振信號泄漏到射頻信號端口，自混頻到直流；本振信號通過外部導(dǎo)線耦合到天線端放射出去，被外部物體反射回歸。很大的鄰近信道的干擾信號泄漏到本振端口，與本振信號一起泄漏到射頻端，與本振相乘，被下變頻。這種失調(diào)是埋伏性的，由于它們的幅度隨接收機(jī)的位置和方向而轉(zhuǎn)變，很難除去。迄今為止，主要有四種辦法去除直流失調(diào)：對沒有直流信號或?qū)拵д{(diào)制的系統(tǒng)，可利用高通濾波或溝通耦合。但這對于一些系統(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，利用數(shù)字無線標(biāo)準(zhǔn)中的空閑時光來消退失調(diào)。在這個空閑時光內(nèi)測量失調(diào)，除去失調(diào)。這僅當(dāng)在接收兩個突發(fā)信號的間隔時光內(nèi)失調(diào)不變時才有效。在這個間隔之間的強(qiáng)干擾信號可能會導(dǎo)致錯誤的測量，數(shù)字控制的模擬自適應(yīng)抵消技術(shù)?；祛l器的輸出由采樣，用法dualloop算法，可在數(shù)字域檢測出時變的失調(diào)，這些用來消退混頻器的失調(diào)，諧波混頻器。見圖8，把lo的一半頻率的信號加到本振輸入端，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頻率舉行混頻，這樣產(chǎn)生的直流失調(diào)小，而且因?yàn)檩斎氲男盘栴l率低，本振泄漏也減小了。通過測試結(jié)果可知，這個電路的直流失調(diào)比普通的混頻器電路的直流失調(diào)要小44db。(4)降低噪聲影響cmos混頻器性能的主要噪聲源有電阻的熱