[发明专利]基于变压器结构的谐波控制CMOS混频器

说明书

本发明公开了一种基于变压器结构的谐波控制CMOS混频器，该混频器包含跨导级，谐波控制的变压器网络，开关级和输出级；跨导级将输入射频信号转化为射频电流，由于晶体管的非线性，转化后的射频电流中含有基波和各次谐波成分，经过变压器谐波控制网络抑制其中二次谐波产生和滤除三次谐波后注入到开关级，经过开关级的调制混频最终由输出级输出中频信号。本发明在混频器的跨导级和开关级之间引入变压器结构的谐波控制网络具有提高混频器的线性度、隔离度、噪声性能，和降低工作电压以及静态功耗的特点。

技术领域

本发明属于微电子学技术领域，具体涉及一种基于变压器结构的谐波控制CMOS混频器。

背景技术

混频器是射频收发链路中的重要模块，完成信号从射频转换为中频的功能，混频器设计的好坏直接影响整个系统链路的性能。近年来，随着无线通信技术飞速发展，工作频率越来越高，调制方式越来越复杂，PhaseArray、MIMO等多通道技术在通信系统上普及应用，这给混频器的设计提出了严苛的要求。一方面，工作频率的升高，在毫米波，特别是THz频段中，本振LO的输出功率难以做高，这使得混频器不能提供一个良好的增益；另一方面，在现有的电路结构中，虽然有源混频器能满足增益要求，且相对无源混频器具有更好的端口隔离度，然而也存在一个天然的问题，即线性度不高，过低的输入P1dB不能满足当今多通道设计的要求；此外，传统结构的有源混频器还存在功耗较大和工作电压较高等问题。

谐波控制理论最早出现在高效率射频功放设计之中，主要思想是通过对谐波终端的阻抗控制即频域的控制使得漏级电压波形和电流波形在时域上错开，来达到提高功放效率的目的。对负载阻抗进行谐波控制，理论上要达到理想的效果需要对所有高次谐波进行控制才能，实际中由于超过三次之后的谐波分量很微弱，控制到三次谐波即可。

因此，基于谐波控制的相关思想，不同于功放设计中的波形调整而是消除高次谐波的影响，通过构造无源变压器网络，充分利用六端口变压器结构的优势，发明创造出一种能够提高线性度，隔离度，噪声性能，同时降低工作电压和功耗的混频器为实际所需。

本设计人积极加以研究创新，以期创设一种基于变压器结构的谐波控制CMOS混频器，使其更具有产业上的利用价值。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于变压器结构的谐波控制CMOS混频器，能够提高线性度，隔离度，噪声性能，同时降低工作电压和功耗的混频器为实际所需。

本发明基于变压器结构的谐波控制CMOS混频器，包括：

依次连接的跨导级，基于六端口变压器的谐波控制网络，开关级和输出级，射频信号由跨导级放大后输出至谐波控制网络，谐波控制网络控制放大后的射频信号的谐波中的二次和三次谐波，再经过开关级产生中频信号，最终经过输出级输出。

进一步地，所述的跨导级包括：NMOS管MN1和，NMOS管MN2，其中，NMOS管MN1和，NMOS管MN2的栅极作为两个射频输入端并分别连接一个差分射频电压信号的两端，NMOS管MN1和NMOS管MN2的源极连接在一起，NMOS管MN1和，NMOS管MN2的漏极作为所述跨导级的两个输出端输出差分射频电流信号。

进一步地，所述的基于六端口变压器的谐波控制网络包括：初级电感LP1、电感LP2和初级中心抽头处电感LC；变压器次级电感LS1、电感LS2和次级接地用中心抽头；其中，六端口变压器为全差分结构，使用初级电感LP1、电感LP2、初级中心抽头处电感LC构成变压器初级线圈部分，变压器次级电感LS1、电感LS2构成变压器次级线圈部分，电感LT1、电感LT2、电容CT1、电容CT2为变压器次级输出端的三次谐波控制网络，跨导级输出的差分信号通过初级电感线圈耦合到次级电感线圈。