[发明专利]一种低功耗半有源半无源宽带下混频器

说明书

技术领域

本发明涉及一种低功耗半有源半无源宽带下混频器，它采用电流镜放大器和内嵌的无源开关核来完成混频功能，属于模拟集成电路领域。

背景技术

在当前的无线通信领域中，各种各样的通信标准，如2G/3G/4G、WLAN、Bluetooth、UWB、GPS、RFID等，都在特定的无线通信领域中发挥着重要作用。随着无线通信技术的不断发展，能够同时兼容不同通信标准的多标准收发机系统的研究变得越来越迫切。由于多标准收发机系统需要同时兼容多种不同的通信标准，因而对其相应的收发机射频前端电路也提出了更高的设计要求。

下混频器作为多标准接收机射频前端的重要组成模块，它主要用来实现频率变换。在多标准接收机射频前端中，由于多种通信标准并存，下混频器需要满足宽带操作特性，即其工作频率范围要覆盖多种通信标准的频率。同时，下混频器的噪声系数严重影响着接收机的灵敏度，线性度影响着接收机的动态范围，而它的转换增益也决定着接收机中混频器后级模块对系统性能的影响程度。另外，在不断发展的深亚微米CMOS工艺下，下混频器设计所允许的电源电压和功耗也越来越低。

在多标准射频接收机中，目前常用的宽带下混频器分为有源吉尔伯特(Gilbert)混频器和无源混频器两类。

有源Gilbert混频器由输入跨导级(M1-M2)、开关级(M3-M6)、输出负载级（R_L）以及尾电流源构成，如图1所示。该混频器的输入跨导级将射频（RF+和RF-）输入电压信号转换为电流信号，在开关级以电流信号形式与本振（LO+和LO-）信号完成混频后，再把电流信号在负载级（R_L）转换成电压信号用于中频（IF+和IF-）输出。因此，在Gilbert混频器的频率转换过程中，出现了两个不必要的电压-电流(V-I)和电流-电压(I-V)转换，这些多余的转换在混频器中引入了非线性因素。另一方面，有源Gilbert混频器采用MOS管堆叠结构纵向换流来完成频率变换，虽然能获得较大的转换增益和好的端口隔离特性；但它不支持工艺代缩减，不能满足低电压电路设计要求，难以降低功耗，同时也会产生较严重的闪烁(1/f)噪声。

无源混频器，如图2所示，采用电容直接耦合结构横向换流来完成频率变换，它可以减少MOS管堆叠层数，实现低压低功耗设计；无源混频器开关级无直流电流，可以降低1/f噪声和改善线性度；但它不能提供转换增益，同时需要很强的本振驱动功率。

因而本发明的目的是探索新型宽带下混频器拓扑结构，来同时满足工作频率范围、1/f噪声、功耗、转换增益、线性度、端口隔离度等性能指标，以适应多标准射频接收机的性能要求。

发明内容

为了实现上述目的，本发明在传统的有源Gilbert混频器和无源混频器工作原理基础上，提出一种基于0.5~4.0GHz频段的低功耗半有源半无源宽带下混频器。该混频器基于电流模式电路设计方法，电流镜放大器(M1-M12)用来执行下混频器的输入级和输出级，无源开关核(M17-M20)嵌入在电流镜放大器输入与输出MOS管的栅极之间。电流镜放大器和无源开关核无缝连接成为一个单一的半有源半无源混频元件，来实现混频功能。

与传统的有源Gilbert混频器和无源混频器相比，发明的新型下混频器有以下显著优势。

首先，传统的有源Gilbert混频器包含输入跨导级、开关级和输出负载级三部分，并且三部分电路纵向叠加在一起，混频器的电源电压为三部分电路的工作电压之和。而发明的下混频器虽然也包含三部分：第一部分是电流镜放大器的输入晶体管，第二部分是无源开关核，第三部分是电流镜放大器的输出晶体管。但该下混频器的三部分之间呈级联形式连接，其工作电压没有纵向叠加，整个下混频器为两层MOS管结构，适合低压低功耗电路设计要求。

其次，有源Gilbert混频器开关级MOS管的导通电阻会占用一定的电压降，同时会引起1/f噪声的增加和线性度性能的恶化。而发明的下混频器，无源开关核中的MOS管嵌入在电流镜放大器输入与输出MOS管的栅极之间。它不存在直流偏置电流，显著改善了混频器的1/f噪声和线度性性能；同时不消耗电压降，不引入功耗。更有意义的是，无源开关核中MOS管的导通电阻在混频过程中相当于一个串联峰值电阻，它拓展了下混频器的工作带宽，满足宽频带混频器设计要求。