一种无片上电感低功耗高线性度双平衡混频器制造技术

本发明专利技术涉及一种无片上电感低功耗高线性度双平衡混频器，包括：输入跨导单元：将射频电压信号(RF+、RF‑)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射频电流信号通过电流换向变频，产生中频电流信号；负载单元：将开关单元输出的电流信号转换为中频电压信号，差分中频电压信号(IF+、IF‑)从开关单元和负载单元之间输出；交叉耦合单元：交叉耦合级由一对交叉耦合电容实现，其跨接在输入跨导单元跨导级晶体管的栅极和另一支路输入跨导单元跨导级晶体管的漏极之间。

A Dual-Balanced Mixer with Low Power Consumption and High Linearity without On-Chip Inductance

The invention relates to a dual-balanced mixer without on-chip inductance, low power consumption and high linearity, including: input transconductance unit: converting radio frequency voltage signal (RF+, RF) into radio frequency current signal; switching unit: under the switching control of local oscillatory voltage signal (LO+, LO), converting the radio frequency current signal output from the input transconductance unit to the frequency conversion through current to generate negative intermediate frequency current signal; Carrier unit: converting the current signal from the switching unit to the medium frequency voltage signal, and the differential medium frequency voltage signal (IF+, IF) from the switching unit to the load unit; Cross-coupling unit: The cross-coupling stage is realized by a pair of cross-coupling capacitors, which span the gate of the transistor in the input transconductance unit and the drain of the transistor in the input transconductance unit in the other branch. Between.

【技术实现步骤摘要】
一种无片上电感低功耗高线性度双平衡混频器
本专利技术为射频集成电路
，具体涉及一种低功耗高线性度双平衡混频器。
技术介绍
以无线传感器网络为支撑的物联网技术在近几年得到迅速发展，传感器节点大量布置在待感应环境中构成自组织网络。在无线传感器网络节点的能耗中，无线通信系统占据了主要部分，而相对于基带电路，射频前端占无线通信系统功耗的比重较大。因此，低功耗射频技术逐渐成为电路设计的关键。在射频前端电路中，混频器(MIXER)实现射频信号和中频信号的转换，通常级联在低噪声放大器之后。低噪声放大器作为射频前端电路的第一级，通常能够实现很小的噪声系数和较大的增益，降低了后级混频器对系统噪声的贡献，同时也增大了混频器的线性工作压力。因此在混频器电路设计中，线性度是比噪声更值得关注的性能。输入三阶交调点IIP3是衡量混频器线性度的一项重要指标。国内外研究人员在提高混频器线性度方面已经做出了很多努力。目前有几种常见的技术，一是多栅晶体管技术，二是采用二阶交调注入技术，但这两种方法都需要增加额外的晶体管，增加了电路的功耗；三是LC谐振技术，但需要增加面积较大的片上电感，增大了芯片的面积。因此，现有的低功耗混频器难以同时实现低功耗、小面积和高线性度。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种无片上电感低功耗高线性度双平衡混频器，将两种独立的线性化技术：导数叠加技术和负阻抗技术结合应用到同一个混频器中。可以在低功耗的情况下，实现较高的线性度，同时并不引入片上电感，因此具有较小的芯片面积。本专利技术可以在2.4GHz频率实现低功耗、高线性度、小面积，同时保证一定增益和良好的噪声性能。本专利技术混频器采用CMOS0.18um工艺实现，设计具有可复制性。技术要点如下：一种无片上电感低功耗高线性度双平衡混频器，包括：输入跨导单元：将射频电压信号(RF+、RF-)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射频电流信号通过电流换向变频，产生中频电流信号；负载单元：将开关单元输出的电流信号转换为中频电压信号，差分中频电压信号(IF+、IF-)从开关单元和负载单元之间输出；交叉耦合单元：交叉耦合级由一对交叉耦合电容实现，其跨接在输入跨导单元跨导级晶体管的栅极和另一支路输入跨导单元跨导级晶体管的漏极之间。其中，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，共同输入正向射频信号(RF+)，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，共同输入反向射频信号(RF-)，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，漏极与第一电阻(R1)的第二端连接，源极与第一晶体管(M1)的漏极连接；所述第六晶体管(M6)的栅极与反向本振信号(LO-)连接，漏极与第二电阻(R2)的第二端连接，源极与第一晶体管(M1)的漏极连接；所述第七晶体管(M7)的栅极与反向本振信号(LO-)连接，漏极与第一电阻(R1)的第二端连接，源极与第二晶体管(M2)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，漏极与第二电阻(R2)的第二端连接，源极与第二晶体管(M2)的漏极连接。所述负载单元包括：第一电阻(R1)与第二电阻(R2)；其中，所述第一电阻(R1)的第一端与电源VDD连接，第一电阻(R1)的第二端与第五晶体管(M5)及第七晶体管(M7)的漏极连接，并连接正向输出中频电压信号(IF+)；所述第二电阻(R2)的一端与电源VDD连接，第二电阻(R2)的第二端与第六晶体管(M6)及第八晶体管(M8)的漏极连接，并连接反向输出中频电压信号(IF-)。所述交叉耦合单元包括：第三电容(C3)和第四电容(C4)；其中，所述第三电容(C3)的第一端与第一晶体管(M1)的栅极连接，第三电容(C3)的第二端与第二晶体管(M2)的漏极连接；所述第四电容(C4)的第一端与第二晶体管(M2)的栅极连接，第四电容(C4)的第二端与第一晶体管(M1)的漏极连接。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。所述电源(VDD)提供直流偏置电压，且电压值为1V。与现有技术相比，本专利技术实施例的技术方案的有益效果是：(1)本专利技术采用电流复用技术，不增加电路功耗的情况下，提高了增益和线性度、改善了噪声性能。(2)本专利技术将导数叠加技术和负阻抗技术结合，提高了电路的线性度。(3)本专利技术中使用的器件主要包括MOS管、电阻和电容，整体电路不含电感，从而节省芯片面积，降低了成本。(4)本专利技术采用深亚微米0.18umCMOS工艺实现，1V低电源电压供电，直流功耗仅1.8mW，功耗较低。(5)本专利技术的实现采用主流CMOS工艺，可以与普通采用CMOS工艺的数字基带电路集成在同一块芯片上，容易实现片上系统集成。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是本专利技术具体实例输入跨导单元和交叉耦合单元半边等效电路图；图3是本专利技术具体实例的输入跨导单元PMOS与NMOS的g′m仿真结果图；图4是本专利技术具体实例的输入跨导单元PMOS与NMOS的g″m仿真结果图；图5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6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7是本专利技术具体实例混频器的线性度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，共同输入正向射频信号(RF+)，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，共同输入反向射频信号(RF-)，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，第二晶体管本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无片上电感低功耗高线性度双平衡混频器，其特征在于，包括：输入跨导单元将射频电压信号(RF+、RF‑)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射频电流信号通过电流换向变频，产生中频电流信号；负载单元将开关单元输出的电流信号转换为中频电压信号，差分中频电压信号(IF+、IF‑)从开关单元和负载单元之间输出；交叉耦合单元交叉耦合级由一对交叉耦合电容实现，其跨接在输入跨导单元跨导级晶体管的栅极和另一支路输入跨导单元跨导级晶体管的漏极之间。

【技术特征摘要】
1.一种无片上电感低功耗高线性度双平衡混频器，其特征在于，包括：输入跨导单元将射频电压信号(RF+、RF-)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射频电流信号通过电流换向变频，产生中频电流信号；负载单元将开关单元输出的电流信号转换为中频电压信号，差分中频电压信号(IF+、IF-)从开关单元和负载单元之间输出；交叉耦合单元交叉耦合级由一对交叉耦合电容实现，其跨接在输入跨导单元跨导级晶体管的栅极和另一支路输入跨导单元跨导级晶体管的漏极之间。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，共同输入正向射频信号(RF+)，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，共同输入反向射频信号(RF-)，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：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...

【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