一种低噪声高转换增益的上变频混频器制造技术

本发明专利技术涉及一种低噪声高转换增益的上变频混频器，其特征在于，包括：输入跨导单元将中频电压信号(IF+、IF‑)转换为射频电流信号；开关单元在本振电压信号(LO+、LO‑)的开关控制下，将输入跨导单元输出的中频电流信号通过电流换向变频，产生射频电流信号；负载单元将开关单元输出的电流信号转换为射频电压信号，差分射频电压信号(RF+、RF‑)从开关单元和负载单元之间输出。

A Low Noise and High Conversion Gain Upconversion Mixer

The invention relates to an up-conversion mixer with low noise and high conversion gain, which is characterized by: the input transconductance unit converts intermediate frequency voltage signals (IF+, IF) into radio frequency current signals; the switching unit converts the intermediate frequency current signals output from the input transconductance unit into radio frequency current signals under the switching control of local oscillation voltage signals (LO+, LO). The load unit converts the current signal from the switching unit to the radio frequency voltage signal, and the differential radio frequency voltage signal (RF+, RF) is output from the switching unit to the load unit.

【技术实现步骤摘要】
一种低噪声高转换增益的上变频混频器
本专利技术为射频集成电路
，具体涉及一种低噪声高转换增益的上变频混频器。
技术介绍
随着无线通信技术的不断发展，从以雷达技术为首的军事应用，到以移动通信为主的民用技术，越来越多的无线通信应用进入人们的眼前。在现代通信系统中，射频收发前端具有举足轻重的作用，而混频器作为其中的核心模块之一，更对系统性能、成本有深远的影响。在射频发射前端电路中，混频器实现中频信号和射频信号的转换。混频器分为无源混频器和有源混频器。无源混频器没有静态电流流过开关混频级，闪烁噪声较小，且线性度较高，但缺点是无法提供增益，一般在无源混频器后会接跨阻放大器，这会增加设计的复杂度、功耗、面积与成本。有源混频器可以提供增益，典型结构是吉尔伯特双平衡混频器，它具有较好的端口隔离度，且相对于无源混频器后接跨阻放大器具有较小的面积，但缺点是噪声较高、线性度较差。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种低噪声高转换增益的上变频混频器，主要技术方案如下：一种低噪声高转换增益的上变频混频器，采用基于双平衡吉尔伯特混频器结构，包括：输入跨导单元将中频电压信号(IF+、IF-)转换为射频电流信号，采用互补PMOS\NMOS结构，PMOS和NMOS共用直流电流，PMOS管的直流电流注入NMOS管中；开关单元在本振电压信号(LO+、LO-)的开关控制下，将输入跨导单元输出的中频电流信号通过电流换向变频，产生射频电流信号；负载单元将开关单元输出的电流信号转换为射频电压信号，差分射频电压信号(RF+、RF-)从开关单元和负载单元之间输出，采用PMOS做有源负载，并给PMOS栅极单独提供偏置电压。所述输入跨导单元包括：第一晶体管(M1)、第二晶体管(M2)、第三晶体管(M3)和第四晶体管(M4)；其中，所述第一晶体管(M1)与第三晶体管(M3)、第二晶体管(M2)与第四晶体管(M4)组成PMOS/NMOS互补结构，即第一晶体管(M1)与第三晶体管(M3)的栅极通过第一电容(C1)并联耦合，共同输入正向中频信号(IF+)，第一晶体管(M1)与第三晶体管(M3)的漏极连接，共同与第五晶体管(M5)和第六晶体管(M6)的源极连接，第一晶体管(M1)的源极接地端GND，第三晶体管(M1)的源极接电源VDD；所述第二晶体管(M2)与第四晶体管(M4)的栅极通过第二电容(C2)并联耦合，共同输入反向中频信号(IF-)，第二晶体管(M2)与第四晶体管(M4)的漏极连接，共同与第七晶体管(M7)和第八晶体管(M8)的源极连接，第二晶体管(M2)的源极接地端GND，第四晶体管(M4)的源极接电源VDD。所述开关单元包括：第五晶体管(M5)、第六晶体管(M6)、第七晶体管(M7)和第八晶体管(M8)；其中，所述第五晶体管(M5)的栅极与正向本振信号(LO+)连接，源极与第一晶体管(M1)的漏极连接，漏极与第九晶体管(M9)的漏极连接，并通过第四电容(C4)与第十晶体管(M10)的栅极连接；所述第六晶体管(M6)的栅极与反向本振信号(LO-)连接，源极与第一晶体管(M1)的漏极连接，漏极与第十晶体管(M10)的漏极连接，并通过第三电容(C3)与第九晶体管(M10)的栅极连接；所述第七晶体管(M7)的栅极与反向本振信号(LO-)连接，源极与第二晶体管(M2)的漏极连接，漏极与第五晶体管(M5)的漏极连接；所述第八晶体管(M8)的栅极与正向本振信号(LO+)连接，源极与第二晶体管(M2)的漏极连接，漏极与第六晶体管(M6)的漏极连接。所述负载单元包括：第九晶体管(M9)、第十晶体管(M10)、第三电容(C3)与第四电容(C4)；其中，所述第九晶体管(M9)的源极与电源VDD连接，栅极通过第三电容(C3)与第六晶体管(M6)的漏极连接，漏极与第五晶体管(M5)的漏极连接，并连接正向输出射频电压信号(RF+)；所述第十晶体管(M10)的源极与电源VDD连接，栅极通过第四电容(C4)与第五晶体管(M5)的漏极连接，漏极与第六晶体管(M6)的漏极连接，并连接反向输出射频电压信号(RF-)。本专利技术的实质性特点和有益效果如下：(1)基于双平衡吉尔伯特混频器结构，在保证优秀的隔离度性能和一定的功耗条件下，优化整体的噪声性能，提高电路的转换增益和线性度。(2)在输入跨导单元采用互补PMOS\NMOS结构，PMOS和NMOS共用直流电流，可以实现在不增加电路功耗的情况下，提高混频器跨导级的跨导值，以此提高转换增益；(3)在输入跨导单元采用的互补PMOS\NMOS结构中，结合了电流注入技术以改善噪声性能。即PMOS管的直流电流注入NMOS管中，从而减小了开关级晶体管的直流电流，从而减小了开关级带来的噪声贡献，降低了整体的噪声系数；(4)在输入跨导单元采用的互补PMOS\NMOS结构中，结合了导数叠加技术以改善线性度。利用PMOS和NMOS的二、三阶跨导(g′m、g″m)分布，通过合理设计偏置和尺寸，使得PMOS和NMOS的g″m部分抵消，从而提高IIP3。(5)在负载单元采用PMOS做有源负载，并给PMOS栅极单独提供偏置电压，通过设置栅极偏置电压，减小了负载级直流压降，并通过电容交叉耦合，将输出射频信号再次放大，进一步提高了混频器转换增益。附图说明图1为本专利技术具体实例混频器电路原理图；图2为本专利技术具体实例混频器的转换增益的仿真结果图；图3为本专利技术具体实例混频器的噪声系数的仿真结果图；图4为本专利技术具体实例混频器的输入三阶交调点IIP3的仿真结果图。具体实施方式为使本专利技术要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图，对本专利技术的具体实施方式进行说明。如图1所示，所述输入跨导单元包括：第一晶体管(M1)、第二晶体管(M2)、第三晶体管(M3)和第四晶体管(M4)；其中，所述第一晶体管(M1)与第三晶体管(M3)、第二晶体管(M2)与第四晶体管(M4)组成PMOS/NMOS互补结构，即第一晶体管(M1)与第三晶体管(M3)的栅极通过第一电容(C1)并联耦合，共同输入正向中频信号(IF+)，第一晶体管(M1)与第三晶体管(M3)的漏极连接，共同与第五晶体管(M5)和第六晶体管(M6)的源极连接，第一晶体管(M1)的源极接地端GND，第三晶体管(M1)的源极接电源VDD；所述第二晶体管(M2)与第四晶体管(M4)的栅极通过第二电容(C2)并联耦合，共同输入反向中频信号(IF-)，第二晶体管(M2)与第四晶体管(M4)的漏极连接，共同与第七晶体管(M7)和第八晶体管(M8)的源极连接，第二晶体管(M2)的源极接地端GND，第四晶体管(M4)的源极接电源VDD。所述第三晶体管(M3)和第四晶体管(M4)为PMOS晶体管，其余晶体管均为NMOS晶体管。本专利技术的实施例中，在输入跨导单元(M1与M3、M2与M4)采用互补结构，即信号从PMOS与NMOS并联输入，这样的结构可以同时实现功耗、增益、噪声、线性度四个方面的性能提升，在本专利技术的实施例中，主要实现针对一定功耗情况下，噪声和增益的改善：在功耗和增益方面，这是一种电流复用的跨导提升结构，即PMOS与NMOS(M1与M3、M2与M4)共用直流电流，吉尔伯特双平衡混频器的转换增益公式为：其中，Gm为跨导级跨导值，RL为负载本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低噪声高转换增益的上变频混频器，采用基于双平衡吉尔伯特混频器结构，包括：输入跨导单元将中频电压信号(IF+、IF‑)转换为射频电流信号，采用互补PMOS\NMOS结构，PMOS和NMOS共用直流电流，PMOS管的直流电流注入NMOS管中；开关单元在本振电压信号(LO+、LO‑)的开关控制下，将输入跨导单元输出的中频电流信号通过电流换向变频，产生射频电流信号；负载单元将开关单元输出的电流信号转换为射频电压信号，差分射频电压信号(RF+、RF‑)从开关单元和负载单元之间输出，采用PMOS做有源负载，并给PMOS栅极单独提供偏置电压。

【技术特征摘要】
1.一种低噪声高转换增益的上变频混频器，采用基于双平衡吉尔伯特混频器结构，包括：输入跨导单元将中频电压信号(IF+、IF-)转换为射频电流信号，采用互补PMOS\NMOS结构，PMOS和NMOS共用直流电流，PMOS管的直流电流注入NMOS管中；开关单元在本振电压信号(LO+、LO-)的开关控制下，将输入跨导单元输出的中频电流信号通过电流换向变频，产生射频电流信号；负载单元将开关单元输出的电流信号转换为射频电压信号，差分射频电压信号(RF+、RF-)从开关单元和负载单元之间输出，采用PMOS做有源负载，并给PMOS栅极单独提供偏置电压。2.根据权利要求1所述的混频器，其特征在于，所述输入跨导单元包括：第一晶体管(M1)、第二晶体管(M2)、第三晶体管(M3)和第四晶体管(M4)；其中，所述第一晶体管(M1)与第三晶体管(M3)、第二晶体管(M2)与第四晶体管(M4)组成PMOS/NMOS互补结构，即第一晶体管(M1)与第三晶体管(M3)的栅极通过第一电容(C1)并联耦合，共同输入正向中频信号(IF+)，第一晶体管(M1)与第三晶体管(M3)的漏极连接，共同与第五晶体管(M5)和第六晶体管(M6)的源极连接，第一晶体管(M1)的源极接地端GND，第三晶体管(M1)的源极接电源VDD；所述第二晶体管(M2)与第四晶体管(M4)的栅极通过第二电容(C2)并联耦合，共同输入反向中频信号(IF-)，第二晶体管(M2)与第四晶体管(M4)的漏极连接，共同与第七晶体管(M7)和第八晶体管(M8)的源极连接，第二晶体管(M2)的源极接地端GND，第四晶体管(M4)的源极接电源VDD。3.根据权利要求2所述的混频器，其特征在于，所述开关单元包括：...

【专利技术属性】
技术研发人员：张为，文枭鹏，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12