摘要:無線技術的發展對收發信號前端電路提出的新要求是:高的工作頻率,低電壓,低功耗,高度集成�；祛l器是射頻前端電路中進行頻率變換的十分重要的模塊,主要介紹了CMOS混頻器的基本工作原理,實現混頻的一些常見結構。并介紹了當前CMOS混頻器的主要電路設計技術以及作者在混頻器跨導線性度分析方面進行的研究,文中還給出了作者設計的一個新型混頻器的結構。
　　關鍵詞:CMOS混頻器;射頻前端;電路設計技術
　　
　　混頻器是收發機中的重要部分之一�；祛l器位于低噪聲放大器(LNA)之后,直接處理LNA放大后的射頻信號，為實現混頻功能,混頻器還需要接收來自壓控振蕩器的本振(LO)信號,其電路完全工作在射頻頻段，負責完成頻率變換，將射頻信號轉換為中頻信號(超外差接收方式)或者直接變換為零頻信號(零中頻接收)�；祛l器的各項指標對通訊系統的調制解調結果有很大的影響，如由本振等引起的相噪會影響調頻調相信號；混頻器的相噪還會使輸出的頻譜純凈度變差，淹沒有用信號；如果混頻器的增益太低或者說損耗過大，那么對后級電路的增益和噪聲要求將很高；等等。因此,混頻器的設計通常需要考慮轉換增益、線性度、噪聲系數、端口之間的隔離度以及功耗等性能指標。同時實現混頻器的成本也是需要考慮的因素。因此，如何在特定場合選擇合適的混頻器也是很重要的。
　　一、混頻器的基本原理
　　混頻器必須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)在時間域的相乘。
　　
　　這樣就得到含有輸入和頻及差頻的輸出信號,輸出信號幅度與RF信號和LO信號幅度的乘積成正比。
　　二、CMOS混頻器的基本結構
　　設計者首先面臨的問題是選擇合適的混頻器結構。在具體實現時，一般有以下幾種電路表現形式:
　　（一）基于Gilbert單元的有源混頻器結構。其基本單元結構[1]和各種變化改進結構[2]廣泛應用在各種標準的射頻電路中，其本質是基于電路乘法器。乘法器的兩個輸入分別是本振信號和基帶信號。本振信號控制相應的MOS管依次關斷—導通，對基帶信號進行調制，實現混頻功能。
　�。ǘ�）基于開關調制的無源混頻器結構。圖1所示為典型的電路結構。當LOp使開關打開時，LOn關斷，假設輸出是+Vrf，則LOp關斷、LOn打開時，輸出即為-Vrf，從而輸入信號被LO信號調制，輸出端得到混頻后的信號。
　�。ㄈ�）利用器件非線性工作特性實現混頻[3]。典型的如二極管和MOS管混頻器，其中二極管電壓和電流呈指數關系，MOS管電壓和電流的平方律關系都可以用于混頻。圖2所示為應用MOS管的電路示意圖。該電路具有混頻功能。
　　
　　圖1無源混頻器圖                                                                                             2平方律混頻器
　�。ㄋ模┣凡蓸踊祛l器(SubharmonicMixer)[3]。電路結構如圖3所示。高性能的采樣保持電路是此類混頻器的核心，其主要的缺點是噪聲系數比較大。
　　
　　圖3欠采樣混頻器
　　三、混頻器的電路設計技術
　　對于CMOS混頻器,設計目標和關鍵技術主要有:高線性度,低電壓,低功耗,直流失調小(主要針對直接下變頻的接收機),低噪聲系數。在具體實現時,通常是在這幾個指標之間取得折衷。
　　(一)提高線性度
　　由于混頻器的線性度直接決定接收機的動態范圍,因此,如何提高混頻器的線性度,是混頻器的關鍵設計技術之一。許多研究都致力于改善混頻器的線性度。理想的混頻器,輸出信號的幅度應與輸入信號的幅度成正比,輸出信號的無用雜散分量少(因為鄰帶可能會有干擾),這就是在混頻器中線性度的意義。3dB下降點和IIP3(輸出基頻電平與三階互調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放大器大,因此要不成為接收機動態范圍的瓶頸,它必須有足夠的線性度。
　　Gilbert類型的混頻器中跨導的線性度限定了整個混頻器的線性度下界。因此,在設計中,重要的工作是加大跨導的線性。參考文獻[4]運用泰勒級數展開得到了跨導的IIP3與電路參數之間的關系。文獻[14]分析了開關混頻器的非線性失真。對于高頻混頻器,不能忽略MOS管寄生電容對線性度的影響，這時,混頻器的跨導應被視為有記憶電路,采用Volttera級數進行分析精度較高。我們利用Volttera級數對CMOS高頻跨導進行了線性度分析,得到了跨導的IIP3與各電路參數(工作電壓,MOS管溝道長度,溝道寬度,寄生電容等)之間關系的解析表達式,與仿真得到的結果十分接近。我們對跨導進行了UMC流片,測試結果驗證了解析表達式的正確性。跨導的線性化可以通過逐段逼近的方法[5],圖4中,每一個差分對在一段輸入范圍內是線性的,疊加起來就構成更大范圍內的線性跨導,如圖5所示。
　　
　　 
　　
　　圖4跨導的線性化圖                                                                                                       5逐段逼近法實現線性跨導
　　另一種提高混頻器線性度的結構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,但噪聲指數更大、功耗增加,需要更加復雜的電路。
　　(二)降低工作電壓和功耗
　　目前,無線通信設備正朝著小體積、低功耗的趨勢發展。為使設備功耗低、電源數目少、電池使用時間長,必須降低射頻接收機的工作電壓和系統功耗。混頻器作為接收機中的關鍵模塊之一,降低工作電壓和功耗勢在必行。低工作電壓和低功耗設計是混頻器設計中又一關鍵技術,隨著CMOS工藝向亞微米發展,能處理的電壓也隨之下降,例如,0.18Lm的CMOS工藝只能工作于1.8V以下的電壓。在手機中,工作電壓和功耗一起影響了手機電池的壽命、大小以及重量。降低電壓和功耗已成為射頻前端電路設計的重要目標。只有當前端電路的功耗能夠與雙極工藝相當時,CMOS在射頻集成電路中才會具有競爭力。為了降低供電電壓,可以通過減少堆疊MOS管的數目,也可采用電感與電容得到低電壓的混頻器結構[6]【7】。圖6是我們新設計的一個混頻器電路,其中M1工作于線性區,M1在LO信號控制下,其等效電阻表達式中有一項與LO信號的幅度成正比,M2工作于飽和區,相當于一個線性跨導,將輸入RF電壓信號轉化成與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。這個結構由于避免了堆疊MOS管,可以工作于很低的電壓。以此電路結構為核心電路的混頻器已進行UMC流片,測試結果驗證了混頻器的功能。
　　
　　圖6一種新型低電壓混頻器圖                                                                       7諧波混頻器的電路原理圖
　　(三)降低直流失調
　　直流失調的產生有以下幾個原因:1.混頻器輸入的器件失配。2.本振信號泄漏到射頻信號端口,自混頻到直流。3.本振信號通過外部導線耦合到天線端發射出去,被外部物體反射回來[9]。4.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。這種失調是潛伏性的,因為它們的幅度隨接收機的位置和方向而改變,很難除去。迄今為止,主要有四種方法去除直流失調[9]:1.對沒有直流信號或寬帶調制的系統,可利用高通濾波或交流耦合。但這對于一些系統,例如GSM系統不適用,這種系統的功率譜在直流處為最大值。2.利用數字無線標準中的空閑時間來消除失調。在這個空閑時間內測量失調,除去失調。這僅當在接收兩個突發信號的間隔時間內失調不變時才有效。在這個間隔之間的強干擾信號可能會導致錯誤的測量。3.數字控制的模擬自適應抵消技術。混頻器的輸出由ADC采樣,使用dual-loop算法,可在數字域檢測出時變的失調,這些用來消除混頻器的失調[10]。4.諧波混頻器。見圖7,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,產生的LO頻率與RF頻率進行混頻，這樣產生的直流失調小,而且由于輸入的信號頻率低,本振泄漏也減小了。文獻[11]中的測試結果可知,這個電路的直流失調比一般的混頻器電路的直流失調要小44dB。
　�。ㄋ模┨岣咿D換增益
　　混頻器的轉換增益有兩種表示方式:功率增益和電壓增益。目前,提高混頻器增益的方法有三種。
　　1.提高互導管的跨導，如圖8采用CMOS單元技術提高互導管的互導,該混頻器在1.5V的工作電壓下,增益可達到26.6dB。
　　

                   圖8帶CMO S單元的混頻器
　　2.提高負載。負載的提高可導致混頻器電源電壓的抬升,從而增加功耗。為此,提出了多種改善負載的設計技術,在不抬升混頻器電源電壓的前提下,提高有效負載,如圖9所示;
　　
　　                            
　　
　　
　　圖9帶高擺幅負載的混頻器圖                                                                              10帶電流注入的混頻器
　　3.改善LO信號的幅度,使開關對工作更理想。該方法很容易導致LO信號的饋通,一般不采用。但是,可以通過電流注入技術,改善開關對的開關特性,如圖10所示。
　　(五)降低噪聲
　　影響CMOS混頻器性能的主要噪聲源有電阻的熱噪聲和MOS管的熱噪聲和閃爍噪聲,文獻[12]給出了電阻的熱噪聲模型,MOS管工作于線性區和飽和區的熱噪聲模型以及閃爍噪聲的模型。利用這些模型,可具體分析電路參數對混頻器噪聲的影響。
　　在CMOS的下變頻的混頻器中,閃爍噪聲是主要的低頻噪聲。NMOS的閃爍噪聲大于PMOS的閃爍噪聲。對于電阻,僅當電阻中流過直流電流時,才有閃爍噪聲,噪聲隨電流增加。金屬薄膜和線繞的電阻的閃爍噪聲小。文獻[13]對開關形式的Gilbert混頻器進行了噪聲分析。在有些電路中,MOS管工作于弱反型區,且寬長比做得較大,這樣不僅提高了增益,噪聲也減小。
　　四、結論
　　本文介紹了CMOS混頻器的性能指標,并從提高線性度,降低電壓和功耗,降低直流失調,提高轉換增益，降低噪聲系數等幾個方面詳細討論了當前的CMOS混頻器的主要設計技術。
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