[发明专利]一种低噪声可变增益混频器

说明书

技术领域

本发明属于射频集成电路设计技术领域，应用于接收机的射频前端,是一种适用于多种无线通信标准的低噪声混频器，同时可实现在高增益和低增益两种模式下切换工作，并且在低增益工作模式下可以节省功耗。

背景技术

通信产业的迅猛发展加速了对射频集成电路的设计需求，在国民需求以及市场环境的推动下，我国的射频集成电路技术正在大踏步前进。收发器是射频领域中不可或缺的一部分，其重要性无法取代。混频器作为接收机中的重要单元，是通信系统的重要组成成分之一，主要存在两种将射频信号转换为中频输出信号的混频器：有源混频器和无源混频器。相对有源混频器而言，无源混频器的优点在于其无漏极电流、低噪声系数、宽频带及更少的部件；缺点在于要求更高的本振输入功率、负增益和高成本。

从工作频带和带宽方面考虑，混频器可以分为窄带混频器和宽带混频器，窄带混频器只能处理某一个频段的射频信号，在某些领域已不能满足要求，例如软件无线电领域，宽带混频器能处理多个频段的射频信号，能满足多频段通信标准。混频器的主要性能指标包括增益、噪声、线性度等，这些指标直接影响着整个通信系统的性能。

典型的混频器如图1所示，包括负载电阻R1、R2，NMOS晶体管M1、M2、M3，射频信号RF经M3放大后，本振信号LO+与LO-驱动M1和M2的栅极，这样M1和M2完成频率转换，最终由电阻R1和R2得到中频信号IF+、IF-。由于本振信号LO+和LO-产生的奇次谐波项出现在中频输出中，因此称为单平衡混频器。为了防止本振信号乘积项进入输出端，可以将两个单平衡电路合在一起构成一个双平衡混频器，如图2所示，其工作原理与图1相同，其相当于两个单平衡混频器就本振信号而言连接成“反并联”的，而对于射频信号RF+和RF-来说是并联的，因此本振信号在输出的和为0，而变换后的射频信号在输出端加倍，这样双平衡混频器提供了高度的本振信号至中频信号的隔离，从而在输出端减少了对滤波的要求。单平衡混频器和双平衡混频器均为目前十分常用的混频器，其双边带噪声系数典型值范围从7dB至12dB或以上，其较大的噪声需要前一级电路低噪声放大器来抑制。

发明内容

本发明的目的是为了解决传统混频器噪声系数差以及增益为固定值的问题。在改善了噪声特性的同时实现可变增益，这样混频器即可作为接收机的第一级电路。

本发明的核心思想是实现低噪声以及可变增益的混频器，并实现50欧姆的输入匹配，这样可以将混频器作为接收机的第一级电路，同时混频器工作在两种不同增益模式，两种工作模式之间的切换可通过开关控制来实现。根据工艺的经验参数，仿真时射频端口加载寄生参数Lp=1nH，Cp=0.2pF，Lp、Cp分别为焊盘引入的键合线电感和寄生电容。

本发明的方案如图3所示，本发明的低噪声可变增益混频器包括低噪声输入匹配级电路、频率转换级电路、电流分裂级电路、可变负载级电路、增益切换级电路。低噪声输入匹配级电路的输入端接输入信号Vin, 输出端接输频率转换级电路的输入端,频率转换级电路的输出为输出信号Vout, 增益切换级电路的三个输出端分别接可变负载级电路、低噪声输入匹配级电路、电流分裂级电路的一个输入端囗; 电流分裂级电路的输出接频率转换级电路的一个输入端囗,信号从低噪声输入匹配级电路进入,最终由频率转换级电路输出,增益切换级电路同时控制可变负载级电路和电流分裂级电路的工作状态，实现高增益模式和低增益模式，而电流分裂级电路用于减小频率转换级电路中的电流。低噪声输入匹配级电路具有较低的噪声的同时也实现了输入匹配，进行输入匹配的原因是将其作为接收机的第一级电路，输入端直接与天线连接。频率转换级电路完成了射频信号到中频信号的转换，如前面所述双平衡混频器在隔离特性方面较单平衡混频器更有优势，因此本发明的混频器采用双平衡结构，电流分裂级电路则是分得一部分电流缓解电阻压降，可变负载级电路与增益切换级电路是为了实现混频器的可变增益而设计的，通过一个控制端来切换两种不同工作模式，当输入信号很弱时使用高增益模式，输入信号较强时使用低增益模式，低增益模式下一般噪声系数相对较差，但是由于较强的输入信号一般具有更高的信噪比，因此对噪声特性要求不高，同时本发明工作在低增益模式下的另外一个优点是在一定程度上节省了功耗。

本发明所提出的低噪声可变增益混频器可以用于接收机的第一级电路，因此也可以有另一种理解方式，即低噪声放大器和混频器的合并，若按照这个思路理解，也属于本发明的保护权利以内。