[发明专利]混频器

说明书

技术领域

本申请涉及混频器领域，具体而言，涉及一种混频器。

背景技术

混频器是无线通信系统中非常重要的电路单元，使用本振信号，混频器可以将射频信号下变频到中频，也可以将中频信号上变频到射频。

混频器分为有源混频器和无源混频器，无源混频器因为其高线性度，低功耗，以及优越的低频噪声性能在通信系统中被广泛使用。

为了分析混频器线性度好坏的影响因素，首先简要介绍无源混频器的工作原理。如图1(a)所示(图中R_L为负载电阻)，当本振信号(LO信号)接近理想方波时，混频器中的电流换向晶体管对能够被快速地打开和关断，可以等效为理想开关S，射频信号V_RF(RF信号)以本振信号的频率f_LO周期性由射频端(即V_RF端)传输到中频端(即V_IF端)。

方波由基频正弦波及其各奇数阶谐波组成，实际电路中，由于非理想性，本振信号更接近正弦波。混频器在实际工作中存在3个工作状态：当差分正弦波电平接近时，混频器的电流换向晶体管对处于同时打开(on overlap)或同时关闭(off overlap)，其余时间处于一个打开而另一个关闭的状态。如图1(b)所示，当输入的本振信号(这里是电压信号)与电流换向晶体管对的栅极直流偏置电平V_G的叠加电压V_LO(图中的曲线表示V_LO的变化示意图)满足V_LO≥V_B+V_TH时，如图1(b)中的时间T内，电流换向晶体管对处于同时打开工作模式；当V_LO<V_B+V_TH时，电流换向晶体管对处于同时关闭模式。为避免电流换向晶体管对同时关闭时，输入端出现大摆幅，无源混频器工作在电流换向晶体管对同时打开模式更为有利。控制电流换向晶体管对的导通时间有助于提高混频器的线性度。

在接收机中，混频器处于射频前端的最后一级，直接影响了整个接收机的线性度性能。在零中频接收机中，由于二阶交调信号位于中频信号附近，在基带电路中产生直流失调电平，混频器的二阶线性度将直接影响中频解调。

在全双工通信系统中，接收机和发射机通常同时工作，且发射和接收通常通过耦合器02等共用一个天线01，能量很强的发射信号通过耦合器02会泄露到接收机中，在有用信号附近形成很强的干扰信号。如图2所示，虽然耦合器02会对发射信号产生衰减，但接收信号相比泄露信号仍然很弱，低噪声放大器03(LNA)会对有用信号和干扰信号同时放大，且干扰信号通常为调制信号，当信号通过混频器04时，由于混频器04的非线性(非线性分量越小，线性度越好)，干扰信号在中频输出端产生直流失调电压，进一步恶化混频器04的线性度，使后级电路饱和，影响接收机解调。为解决此问题，通常在接收机中低噪声放大器03和混频器04之间插入一个片外的声表面滤波器(SAW filter)来滤掉这个干扰信号，但声表面滤波器成本高且难以集成。因此，提高混频器的线性度，避免发射机信号泄露进一步恶化混频器的线性度一直是零中频接收机中的技术难题，图中的发射信号由功率放大器05(PA)产生，经过耦合器02进入到低噪声放大器03中。

因此，为了避免影响接收机的解调，需要提高混频器的线性度。而线性度好坏的一个衡量标准是二阶线性度，即二阶交调信号的强弱，二阶交调信号越弱则表明混频器的二阶线性度越好，线性度越好。

为提高混频器的线性度，首先需要了解无源混频器二阶交调信号IM2主要的产生机理。IM2产生原因非常复杂，下面简述其最重要的几点：

(1)当前级跨导和混频器射频输入直流耦合时，电流换向晶体管对的不对称将使跨导级产生的IM2，直接泄露到输出端，恶化混频器的线性度。

(2)本振信号(LO信号)能量很强，LO信号通过寄生电容泄露到RF端，形成LO信号自混频，在中频输出端产生直流分量。类似地，射频信号(RF信号)泄露到本振端也会在中频端产生二阶交调信号。当混频器使用双平衡架构且严格对称时，差分特性会使输入端和输出端抵消共模分量，但混频器出现失配时，二阶交调信号将出现在中频端，影响基带解调工作。

(3)制作工艺的偏差，版图布局和本振信号的不完全对称，使混频器电流换向晶体管产生失配，晶体管的参数β＝μC_ox(W/L)不对称，电流换向晶体管产生的非线性。