[发明专利]一种低功耗高增益宽带混频器

说明书

技术领域

本发明涉及毫米波电路中的混频器，尤其是一种低功耗高增益宽带混频器，采用MOS工艺，在毫米波电路中具有较大优势，设计结构简单，可使混频器同时获得高增益及宽带特性，在具有与传统混频器相同的增益与带宽性能时，能极大地降低混频器的功耗。

背景技术

1968年BarrieGilbert首次提出吉尔伯特双平衡乘法器结构，并广泛地应用于混频器中（以下称“吉尔伯特混频器”），其电路方框图及电路原理分别如图1、图2所示，射频信号RF通过巴伦将单端信号转换为差分信号RF+和RF-，分别连接跨导单元共源结构MOS管M1和M2的栅极，MOS管M1、M2将输入射频电压信号转换为射频电流信号。本振信号LO通过巴伦将单端信号转换为差分信号LO+与LO-，分别连接开关单元MOS管的栅极。开关单元由MOS管M3、M4、M5、M6组成，开关单元MOS管的漏极输出中频差分信号，其中MOS管M3、M5的漏极输出正相中频信号IF+，MOS管M4、M6的漏极输出反相中频信号IF-。由于自身结构的原因，吉尔伯特混频器存在以下缺点：

一方面是增益低，负载上的电压由中频输出电流与负载电阻的乘积决定，在中频电流不变的情况下，要提高负载电压必须提高负载电阻。如果使用阻性负载，则大电阻的使用必然消耗过多的电压，使得电路的电压余度减小，而且由于寄生电容的影响阻性负载很难在较高的中频频率上得到高增益。如果使用调谐负载，负载电阻取决于电感的品质因数Q，而一般片上电感的Q很低，使得混频器的增益很低。

另一方面是带宽窄，如果使用阻性负载，受寄生电容影响增益成低通特性，对较高的中频频率增益极低，因此必须使用调谐负载，而典型LC谐振网络的3dB调谐带宽与谐振频率之比为10%～15%，也就是说混频器的中频带宽与中频频率之比一般为10%～15%，这对于信道带宽相对中频频率较大的应用显然是不够的，比如在一个60GHz毫米波系统中，中频频率为12GHz，要支持2.5GHz的中频带宽，带宽与载频之比达到20.8%。

值得指出的是，有时可以用增益换取带宽，比如有意地用一个电阻与电感串联，可以降低电感的Q从而带宽变大，同时增益变小；有时也可以用带宽换取增益，比如使用正反馈单元，通过在负载上引入并联的负阻使总的电阻变大，这样增益变高同时带宽变窄。但是这些方法都是以牺牲增益和带宽中的某一个为代价来换取另一个的提升，无法同时优化这两个指标。

经过对上述传统吉尔伯特混频器分析，可以得出以下结论：①传统吉尔伯特混频器增益较低的一个原因是中频电流由开关单元流出后看到的负载电导成分较大，从而产生的中频电压较小导致。当使用调谐负载时，电感单元有限的Q值和开关级有限的输出电阻都制约着负载电导的减小，这是传统结构无法提高增益的重要原因；②传统吉尔伯特混频器带宽较窄的主要原因是调谐负载在偏离谐振点的频率上，电纳成分增长过快，从而电流在负载上产生的电压随频率偏离谐振点快速下降导致；③通过提高负载电感Q值的方法，混频器的增益与带宽不能同时得到改善，增益与带宽往往互相矛盾，需要折衷考虑。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术之不足，提供一种低功耗高增益宽带混频器，采用的技术方案是：

一种低功耗高增益宽带混频器，含吉尔伯特混频器的基本结构，设有巴伦单元、跨导单元、开关单元和含有差分电感与负载端寄生电容并联的负载单元，其中，巴伦单元包括射频巴伦和本振巴伦，射频巴伦将输入的射频单端信号转换成差分电压信号V_RF+和V_RF-后输出至跨导单元，跨导单元将射频电压信号转换成射频电流信号RF+和RF-并输入至开关单元；本振巴伦将输入的本振单端信号转换成差分电压信号V_LO+与V_LO-后亦输出至开关单元，开关单元将输入的射频差分电流信号RF+和RF-与输入的本振差分电压信号V_LO+与V_LO-相乘后输出中频差分电流信号IF+和IF-并通过含有差分电感与负载端寄生电容并联的负载单元输出中频差分电压信号V_IF+和V_IF-，差分电感的中心抽头连接电源Vdd，差分电感的两端分别连接开关单元输出的中频差分电流信号IF+和IF-，其特征在于：在开关单元之后增设正反馈单元、LCR谐振单元和缓冲单元，与含有差分电感及并联寄生电容的负载单元共同构成新的负载单元，由缓冲单元输出最终的中频差分电压信号V_IF+和V_IF-；