專利名稱：一種高線性度寬帶寬增益可控的上變頻混頻器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種高線性度寬帶寬增益可控的上變頻混頻器，屬于集成電路設計技 術領域。
背景技術：
在直接上變頻發射機中，首先為保證發射信號的信噪比，要求上混頻器輸入信號 的幅度足夠大；其次由于上混頻器輸入端的等效直流失調誤差電壓會在上混頻器的輸出端 引起本振泄露，本振泄露將惡化發射信號的質量，而發射信號的本振泄露抑制比取決于上 混頻器輸入端輸入信號的幅度和等效直流失調誤差電壓的比。因此為保證輸出信號的本振 泄露抑制比，就要求上混頻器的輸入信號幅度足夠大，或者對直流失調誤差電壓進行抑制。 最后，上述兩點同時要求上混頻器輸入信號幅度足夠大，但是隨著輸入信號幅度增加，上混 頻器的線性度將惡化。因此直接上變頻發射機通常要求上變頻混頻器具有良好的線性度， 同時能夠對輸入端的直流失調誤差電壓進行抑制，而且最好是能夠獨立的抑制，就是說抑 制直流失調誤差電壓幾乎不影響上混頻器的線性度，而上述要求通常是難以做到的。上變頻混頻器的線性度通常取決于混頻器輸入跨導級的線性度，而混頻器的輸入 跨導級為獲得好的線性度，通常采用放大器進行反饋。但是采用放大器進行反饋是以犧牲 上混頻器帶寬為代價的，因此帶有放大器反饋結構的上變頻混頻器不適合寬帶信號的發 射。通常會要求發射機能夠對發射信號的功率進行調節，因此要求上混頻器的增益能 夠進行調節。在實際電路設計中，對上混頻器增益進行調節通常會影響到上混頻器的線性度。總結上述三點，上變頻混頻器可能會要求具有抑制直流失調誤差電壓、寬帶寬和 增益能夠可調節的功能，在實際電路設計中，上述三點要求都會惡化上變頻混頻器的線性度。
發明內容
本發明的目的是提出一種高線性度寬帶寬增益可控的上變頻混頻器，采用超級源 極跟隨器結構，而非采用放大器反饋結構，以取得優異的線性度。本發明提出的增益可控的高線性度寬帶上變頻混頻器，包括第一電流鏡，用于接收來自整流和偏置電路的第一偏置電壓和第二偏置電壓，以 導通組成該電流鏡的PMOS管，并輸出第一電流、第二電流、第三電流和第四電流；級源極跟 隨器，用于接收來自整流和偏置電路的第三偏置電壓、第一電流鏡輸出的第一電流和來自 外部電源的正輸入電壓，并將該正輸入電壓平移一個柵源電壓后得到正輸出電壓；所述的 第一超級源 極跟隨器由第一直流失調誤差消除電路、第一 NMOS管和第二 NMOS管組成，其中 第一 NMOS管和第二 NMOS管的柵極分別與整流和偏置電路相連，第一 NMOS管的源極和第二 NMOS管的漏極相連，第二 NMOS管的漏極和地相連；所述的第一直流失調誤差消除電路由第一 PMOS管和電流支路組成，第一 PMOS管和電流支路并聯，第一 PMOS管的柵極接收來自外 部電源的正輸入電壓，第一 PMOS管的源極和襯底同時與第一電流鏡的第一電流輸出端和 第一超級源極跟隨器的輸出端相連，第一 PMOS管的漏極與第一 NMOS管的漏極相連；所述 的電流支路由多個互相并聯的電流支路組成，其中每一個電流支路由一個第二 PMOS管和 一個第三NMOS管組成，其中第二 PMOS管的源極和襯底同時與所述的第一 PMOS管的源極相 連，第二 PMOS管的柵極與所述的第一 PMOS管的柵極相連，第二 PMOS管的漏極與第三NMOS 管的漏極相連，第三NMOS管的源極與所述的第一 PMOS管的漏極相連，第三NMOS管的柵極 接收所述的第一直流失調誤差消除電路生成的的控制信號，所述的每一路并聯的電流支路 使用單獨的控制信號以達到減小直流失調誤差的作用；第二超級源極跟隨器，用于接收來自整流和偏置電路的第三偏置電壓、第一電流 鏡輸出的第二電流和來自外部電源的負輸入電壓，并將該負輸入電壓平移一個柵源電壓后 得到負輸出電壓；所述的第二超級源極跟隨器由第二直流失調誤差消除電路、第四NMOS管 和第五NMOS管組成，其中第四NMOS管和第五NMOS管的柵極分別與整流和偏置電路相連， 第四NMOS管的源極和第五NMOS管的漏極相連，第五NMOS管的漏極和地相連；所述的第二 直流失調誤差消除電路由第三PMOS管和電流支路組成，第三PMOS管和電流支路并聯，第 三PMOS管的柵極接收來自外部電源的負輸入電壓，第三PMOS管的源極和襯底同時與第一 電流鏡的第二電流輸出端和第二超級源極跟隨器的輸出端相連，第三PMOS管的漏極與第 四NMOS管的漏極相連；所述的電流支路由多個互相并聯的電流支路組成，其中每一個電流 支路由一個第四PMOS管和一個第六NMOS管組成，其中第四PMOS管的源極和襯底同時與所 述的第三PMOS管的源極相連，第四PMOS管的柵極與所述的第三PMOS管的柵極相連，第四 PMOS管的漏極與第六NMOS管的漏極相連，第六NMOS管的源極與所述的第三PMOS管的漏極 相連，第六NMOS管的柵極接收所述的第二直流失調誤差消除電路生成的的控制信號，所述 的每一路并聯的電流支路使用單獨的控制信號以達到減小直流失調誤差的作用；可編程電阻網絡，用于接收其作用來自第一電流鏡的第三電流和第四電流、來自 第一超級源極跟隨器的正輸出電壓、來自第二超級源極跟隨器的負輸出電壓和來自外部電 源的增益控制信號，產生正輸出電流和負輸出電流；第二電流鏡，用于接收所述的可編程電阻網絡的正輸出電流以及來自整流和偏置 電路的第四偏置電壓，并將正輸入電流折疊到第二電流鏡的輸出端，產生第一跨導電流，其 中的第四偏置電壓為該第二電流鏡提供偏置電壓；第三電流鏡，用于接收所述的可編程電阻網絡的負輸出電流以及來自整流和偏置 電路的第四偏置電壓，并將負輸入電流折疊到第三電流鏡的輸出端，產生第二跨導電流，其 中的第四偏置電壓為該第三電流鏡提供偏置電壓；整流和偏置電路，用于產生所述的第一偏置電壓、第二偏置電壓、第三偏置電壓和 第四偏置電壓，并接收所述的第一跨導電流和第二跨導電流，經過整流后將第一跨導電流 和第二跨導電流的頻率變換成射頻頻率，將具有射頻頻率的第一跨導電流和第二跨導電流 加載到負載電路，產生射頻輸出電壓。本發明的提出的高線性度寬帶寬增益可控的上變頻混頻器，其優點是1、本發明的上變頻混頻器，保證了輸入MOS管柵源電壓不隨著輸入信號的幅度而 變化，輸入信號幾乎沒有畸變的加載到電阻上面轉化成為電流，從而消除了輸入MOS管柵源電壓隨輸入信號的變化而變化的二階效應造成的上混頻器線性度性能下降。2、本發明的上變頻混頻器，具有消除等效直流失調誤差電壓的功能，并且該功能 幾乎不影響到上混頻器的線性度。3、本發明的上變頻混頻器，具有增益可調節的功能，該結構保證輸入信號不通過 調節增益的開關MOS管，從而消除了開關MOS管帶來的非線性，從而保證調節增益幾乎不影 響上變頻混頻器的線性度。
圖1是本發明提出的上變頻混頻器的結構框圖。圖2和圖3分別是圖1所述上變頻混頻器中的第一電流鏡、第一超級源極跟隨器、 第二超級源極跟隨器、可編程電阻網絡、第二電流鏡、第三電流鏡的連接示意圖。圖4是圖2中的可編程電阻網絡的一種實現方式。圖5是圖1所示的上變頻混頻器中的整流和偏置電路的一種具體實現形式。
具體實施例方式本發明提出的高線性度寬帶寬增益可控的上變頻混頻器，其結構框圖如圖1所 示，包括第一電流鏡，用于接收來自整流和偏置電路的第一偏置電壓和第二偏置電壓，以 導通組成該電流鏡的PMOS管，并輸出第一電流、第二電流、第三電流和第四電流；第一超級源極跟隨器，用于接收來自整流和偏置電路的第三偏置電壓、第一電流 鏡輸出的第一電流和來自外部電源的正輸入電壓，并將該正輸入電壓平移一個柵源電壓后 得到正輸出電壓；所述的第一超級源極跟隨器由第一直流失調誤差消除電路、第一 NMOS管 和第二 NMOS管組成，其中第一 NMOS管和第二 NMOS管的柵極分別與整流和偏置電路相連， 第一 NMOS管的源極和第二 NMOS管的漏極相連，第二 NMOS管的漏極和地相連；所述的第一 直流失調誤差消除電路由第一 PMOS管和電流支路組成，第一 PMOS管和電流支路并聯，第 一 PMOS管的柵極接收來自外部電源的正輸入電壓，第一 PMOS管的源極和襯底同時與第一 電流鏡的第一電流輸出端和第一超級源極跟隨器的輸出端相連，第一 PMOS管的漏極與第 一 NMOS管的漏極相連；所述的電流支路由多個互相并聯的電流支路組成，其中每一個電流 支路由一個第二 PMOS管和一個第三NMOS管組成，其中第二 PMOS管的源極和襯底同時與所 述的第一 PMOS管的源極相連，第二 PMOS管的柵極與所述的第一 PMOS管的柵極相連，第二 PMOS管的漏極與第三NMOS管的漏極相連，第三NMOS管的源極與所述的第一 PMOS管的漏極 相連，第三NMOS管的柵極接收所述的第一直流失調誤差消除電路生成的的控制信號，所述 的每一路并聯的電流支路使用單獨的控制信號以達到減小直流失調誤差的作用；第二超級源極跟隨器，用于接收來自整流和偏置電路的第三偏置電壓、第一電流 鏡輸出的第二電流和來自外部電源的負輸入電壓，并將該負輸入電壓平移一個柵源電壓后 得到負輸出電壓；所述的第二超級源極跟隨器由第二直流失調誤差消除電路、第四NMOS管 和第五NMOS管組成，其中第四NMOS管和第五NMOS管的柵極分別與整流和偏置電路相連， 第四NMOS管的源極和第五NMOS管的漏極相連，第五NMOS管的漏極和地相連；所述的第二 直流失調誤差消除電路由第三PMOS管和電流支路組成，第三PMOS管和電流支路并聯，第三PMOS管的柵極接收來自外部電源的負輸入電壓，第三PMOS管的源極和襯底同時與第一 電流鏡的第二電流輸出端和第二超級源極跟隨器的輸出端相連，第三PMOS管的漏極與第 四NMOS管的漏極相連；所述的電流支路由多個互相并聯的電流支路組成，其中每一個電流 支路由一個第四PMOS管和一個第六NMOS管組成，其中第四PMOS管的源極和襯底同時與所 述的第三PMOS管的源極相連，第四PMOS管的柵極與所述的第三PMOS管的柵極相連，第四 PMOS管的漏極與第六NMOS管的漏極相連，第六NMOS管的源極與所述的第三PMOS管的漏極 相連，第六NMOS管的柵極接收所述的第二直流失調誤差消除電路生成的的控制信號，所述 的每一路并聯的電流支路使用單獨的控制信號以達到減小直流失調誤差的作用；可編程電阻網絡，用于接收其作用來自第一電流鏡的第三電流和第四電流、來自 第一超級源極跟隨器的正輸出電壓、來自第二超級源極跟隨器的負輸出電壓和來自外部電 源的增益控制信號，產生正輸出電流和負輸出電流；第二電流鏡，用于接收所述的可編程電阻網絡的正輸出電流以及來自整流和偏置 電路的第四偏置電壓，并將正輸入電流折疊到第二電流鏡的輸出端，產生第一跨導電流，其 中的第四偏置電壓為該第二電流鏡提供偏置電壓；第三電流鏡，用于接收所述的可編程電阻網絡的負輸出電流以 及來自整流和偏置 電路的第四偏置電壓，并將負輸入電流折疊到第三電流鏡的輸出端，產生第二跨導電流，其 中的第四偏置電壓為該第三電流鏡提供偏置電壓；整流和偏置電路，用于產生所述的第一偏置電壓、第二偏置電壓、第三偏置電壓和 第四偏置電壓，并接收所述的第一跨導電流和第二跨導電流，經過整流后將第一跨導電流 和第二跨導電流的頻率變換成射頻頻率，將具有射頻頻率的第一跨導電流和第二跨導電流 加載到負載電路，產生射頻輸出電壓。上述上變頻混頻器中，第一電流鏡的結構如圖2所示，由八個PMOS管組成，即PMOS 管M573，M574, M575, M576, M577, M578, M579, M580，組成縱向四路對稱結構，每路分別包括 兩個PMOS管，并且每路PMOS管中的一個PMOS管的漏極與下一個PMOS管的源極相連，并且 每路的上一個PMOS管的柵極與同一個偏置電壓相連，并且每路的下一個PMOS管的柵極與 另外一個相同的偏置電壓相連，為共源共柵電流鏡。上述上變頻混頻器中，可編程電阻網絡的電路如圖4所示，包括R701、R702、……、
R720 共 20 個電阻，T731、T732、......、Τ739、Τ741、Τ742、......、Τ759，Τ761、......、Τ770 共 38
個CMOS開關，其連接方式為可編程電阻網絡的正電流輸出端與電阻R701的一端相連，電 阻R701的另一端與電阻R702的一端相連，電阻R702的另一端與電阻R703的一端相連，電 阻R703的另一端與電阻R704的一端相連，電阻R704的另一端與電阻R705的一端相連，電 阻R705的另一端與電阻R706的一端相連，電阻R706的另一端與電阻R707的一端相連，電 阻R707的另一端與電阻R708的一端相連，電阻R708的另一端與電阻R709的一端相連，電 阻R709的另一端與電阻R710的一端相連，電阻R710的另一端與電阻R711的一端相連，電 阻R711的另一端與電阻R712的一端相連，電阻R712的另一端與電阻R713的一端相連，電 阻R713的另一端與電阻R714的一端相連，電阻R714的另一端與電阻R715的一端相連，電 阻R715的另一端與電阻R716的一端相連，電阻R716的另一端與電阻R717的一端相連，電 阻R717的另一端與電阻R718的一端相連，電阻R718的另一端與電阻R719的一端相連，電 阻R719的另一端與電阻R720的一端相連，CMOS開關T741的一端與可編程電阻網絡的正電流輸出端相連，另一端與可編程電阻網絡的正電流輸入端相連，CMOS開關T742、T743、……、 Τ750的一端與可編程電阻網絡的正電流輸出端相連，另一端分別與R701、R702、……、R709 的另一端相連，CMOS開關T731、T732、……、T739的一端與可編程電阻網絡的正電流輸入 端相連，另一端分別與電阻R701、R702、……、R709的另一端相連，CMOS開關T770的一端 與可編程電阻網絡的負電流輸出端相連，另一端與可編程電阻網絡的負電流輸入端相連， CMOS開關T761、T762、……、T770的一端與可編程電阻網絡的負電流輸出端相連，另一端 分別與 R712、R713、......、R720 的另一端相連，CMOS 開關 T751、T752、......、T759 的一端
與可編程電阻網絡的負電流輸入端相連，另一端分別與電阻R720、R719、……、R712的另一 端相連。上述上變頻混頻器中，第二電流鏡與第三電流鏡的電路如圖2所示。第二電流鏡 包括一路偏置電流和五個NMOS管。其中偏置電流由PMOS管M571、M572及偏置VPB和VPBC 組成，而五個NMOS管分別記為M541、M543、M531、M544和M532，具體連接方式為電流鏡的 輸入電流接M541的漏極，M541的源極與第二 NMOS的漏極、M532的柵極相連，M541的柵極與 M543的柵極、M532的漏極、偏置電流的輸出端相連，M543的柵極與M544的柵極相連，M543 的源極與M544的源極、M325的源極、地相連，M531的漏極與電流鏡的輸出電流端相連，M531 的源極與M544的漏極相連。第三電流鏡的結構與第二電流鏡的結構完全一樣，具體見圖2 所示電路。上述上變頻混頻器中，整流電路如圖5所示，其輸入包括第一跨導電流、第二跨導 電流、來自外部的本振信號L0+，本振信號L0-，輸出包括第一輸出電壓和第二輸出電壓，所 述的整流和偏置電路由NMOS管M131、M132、M133、M134、電容C135、電容C136、電阻R139和 電阻R140組成，連接關系為電容C135的一端連接本振信號L0+，另一端同時與M131和M134 的柵極和R140的一端相連；電容C136的一端連接本振信號L0-，另一端同時與M132和M133 的柵極和R139的一端相連；VB同時與R139和R140的另一端相連；第一跨導電流輸入端同 時與M131和M132的源極相連；第二跨導電流輸入端同時與M133和M134的源極相連；第一 輸出電壓端同時與M131和M133的漏極相連；第二輸出電壓端同時與M132和M134的漏極 相連。以下結合附圖詳細介紹本發明上變頻混頻器的結構和工作原理如圖1所示，第一電流鏡在給定的偏置電路下生成若干路電流，此電流在可編程 電阻網絡的增益控制之下，生成相應的跨導電流。跨導電流再通過第二電流鏡和第三電流 鏡的鏡像后輸入到整流電路，經過相應的吉爾伯特單元電路處理后轉換成相應的射頻信號 加載到負載電阻上。圖2是上混頻器跨導級電路示意圖。該跨導輸入信號電壓是圖1中所 述的正輸入電壓和負輸入電壓信號，輸出信號是兩路電流，分別記為第一跨導電流和第二 跨導電流。圖2中虛線框包圍的部分是直接失調誤差電壓抑制模塊，它具有數字抑制直流 失調誤差電壓的功能。VPB和VPBC分別是PMOS電流鏡的偏置電壓，即為圖1中的第一偏 置電壓和第二偏置電壓；VNB和VNBC分別是NMOS電流鏡的偏置電壓，即為圖1中的第四偏 電壓。可編程電阻網絡是用來實現增益調節的，它具有10位控制字PRG<9:0>596。圖3是 直流失調誤差電壓抑制電路。該電路的輸入信號電壓是圖1中所述的正輸入電壓或負輸入 電壓信號，輸入信號連接到輸入PMOS管M620 M625的柵極。所有輸入MOS管的襯底都與 各自的源級相連，并且PMOS管M620 M625所有的源極連接到同一節點。PMOS管621 625的漏極分別連接到NMOS管M601 M605的漏極，所有NMOS開關管M601 M605的源極 連接到同一節點。PMOS管M620的漏極同樣連接到M620的源極。NMOS管M601 M605柵 極分別連接到直流失調誤差電壓的抑制控制字上，并且NMOS管M601 M605的數目依次逐 倍減少，從數目16逐倍減少到1。而PMOS管621 625的數目也是依次逐倍減少，從數目 16逐倍減少到1。所述的直接失調誤差電壓控制字D0C<5:0>的高位D0C<5>連接到反相器 的輸入端。反相器的輸出連接到與非門的一個輸入。總線D0C<4:0>連接到與非門另外的 一個輸入。圖4是可編程電阻網絡。可編程電阻網絡是由電阻網絡和數控傳輸門組成。電 阻網絡R701 R720首尾相連，電阻R701其中一端連接到正電流輸入端，電阻R720的另外 一端連接到負電流輸入端。電阻網絡除了電阻R710和電阻R711連接處外，都有抽頭，改抽 頭分別通過2個傳輸門連接到負電流輸入端和負電流輸出端，或者正電流輸入端和正電流 輸出端。而該兩處傳輸門是通過總線控制信號PRG<9:0>其中某1位來控制選通或者關斷。 譬如電阻R701和電阻R702之間的抽頭分別通過傳輸門T731和T742分別連接到正電流輸 入端和正電流輸出端。而傳輸門T731和T742都是通過PRG<8>以及其反向信號 PRG<8> 控制選通或者關斷。 本發明的上變頻混頻器具有高線性度的特性。電路通過三處設計從而保證了該上 變頻混頻器優異的線性度性能。下面分別展開討論首先，上變頻混頻器的線性度通常決定 于該混頻器跨導級的線性度，該上變頻混頻器輸入MOS管采用超級源級跟隨器結構，該結 構具有很好的線性度。如圖2和圖3所示，圖3中的PMOS輸入管M620 M625和圖2中的 NMOS管M523和M524分別構成所謂的超級源極跟隨器結構。以正電壓輸入端口為例，該跨 導具體的工作原理如下輸入信號加載在輸入端口上，連接到上述超級源極跟隨器中PMOS 的柵極，超級源極跟隨器將上述輸入信號平移柵源電壓，加載到可編程電阻網絡的正電流 輸入端，從而將輸入信號轉換為電流，從可編程電阻網絡的正電流輸出端流出。該電流信號 經過NMOS電路鏡M532和M531折疊到跨導級電流輸出端口即第一跨導電流輸出端。具體 說來，偏置電壓VPB和VPBC分別給共源共柵電流鏡M571、M572，電流鏡M581、M582，電流鏡 M573、M574，電流鏡M575、M576，電流鏡M577、M578以及電流鏡M579、M580提供偏置。偏置電 壓VNB以及VNBC分別給共源共柵電流鏡M521、M523以及電流鏡M522、M524提供偏置。其 中理論上電流鏡M573、M574以及電流鏡M579、M580的電流分別和電流鏡M521、M523以及電 流鏡M522、M524相等。上述兩套PMOS和NMOS電流源分別給圖3直流失調誤差電壓消除電 路的PMOS輸入管M620 M625提供直流偏置。電流鏡M575、M576和電流鏡M577、M578分 別為NMOS管M532以及M533提供直流電流。上述直流電路分別與信號電流M597、M598之 和分別經過NMOS電流鏡M531、M534流出成為第一跨導電流和第二跨導電流。電流鏡M571、 M572和電流鏡M581、M582的作用是為NMOS管M541、M542提供直流電流。NMOS管M541、 M542分別為NMOS管M544、M543以及NMOS管M545、M546提供柵極偏置。而NMOS管M541、 M542分別是電流鏡M532、M531的共源共柵管子，NMOS管M541、M542則分別是電流鏡M533、 M534的共源共柵管子。其次，保證該上變頻器高線性度的設計還在于輸入PMOS管M620 M625的柵源電壓不隨著輸入信號的變化而 變化，從而保證輸入信號幾乎沒有畸變的，只是 平移一個柵源之后加載到可編程電阻網絡，從而轉化為信號，完成跨導的功能。如圖2和圖 3所示，通過跨導輸入PMOS管M620 M625的電流分別是由PMOS電流鏡M573、M574，NMOS 電流鏡M521、M523以及PMOS電流鏡M579、M580, NMOS電流鏡M522、M524所決定的。理論上PMOS電流鏡的電路等于分別對應的NMOS電流鏡中的電流，也就是說輸入PMOS管M620 M625的電流不隨著輸入信號變化而變化，從而消除了柵源電壓的二階非線性效應，從而保 證了線性度。下面將要談到該電路時如何進行直流失調誤差電壓的抑制的，基本原理就是 通過選通或者關閉圖3中的NMOS開關管M601 M605，從而導致正電流支路的直流失調誤 差電壓消除電路中的PMOS輸入管M620 M625的柵源電壓與負電流支路的直流失調誤差 電壓消除電路中的PMOS管M620 M625的柵源電壓不同，以近似抵消等效的輸入直流失調 誤差電壓，從而改善輸出信號的本振泄露抑制比。盡管正負電流支路與負電路支路的PMOS 管620 625柵源電壓可能不相等，但是兩者對輸入信號來說都是平移的作用，柵源電壓都 不隨著輸入信號變化而變化，也就保證了在保證該上混頻器優異線性度的同時，能夠獨立 的進行對直流失調誤差電壓的抑制。最后，將談到如何在進行增益調節的同時而不影響電 路的線性度。如圖4所示，通常調節增益其中的一個方法是改變電阻網絡阻值的大小，而數 控改變電阻阻值將不可避免的引入MOS開關。由于開關的非線性，信號通過開關將導致線 性度降低，從而影響整體上編排混頻器的線性度。本上變頻混頻器的巧妙之處在于，通過 圖4的可編程電阻網絡的拓撲結構，能夠保證上述MOS管的非線性對信號電壓轉化為信號 電流幾乎沒有任何影響，從而剔出了上述非線性對整體上變頻器線性度的影響。具體原因 分析如下，譬如當PRG<8>選通的時候，PRG<9>和PRG<7:0>都將關閉，導通的傳輸門分別是 T731、T742和T751、T769。由于電路的對稱性以及信號的差分特性，只需要分析電阻網絡其 中的一邊。圖4中，傳輸門T731連接電阻抽頭和正電流輸入端，而傳輸門T742連接電阻抽 頭和正電流輸出端。圖2中可見，正電流輸入端處信號等于輸入電壓信號平移了柵源電壓 并送往正電流輸出端口。由于電流鏡M573、M573和電流鏡M521、M523決定了輸入PMOS關 的電流，在電阻抽頭處的信號電流只可能通過傳輸門T742經正電流輸出端流走，而不可能 流向傳輸門T731。既然傳輸門T731沒有信號電路，那么可以理解輸入信號經 過柵源電壓平 移，然后經過傳輸門T731上某個固定電壓的平移之后，加載到電阻的抽頭上，從而轉化為 信號電流，該信號電流然后通過傳輸門T742經過正電流輸出端口流走。上述過程即保證了 在獨立調節上混頻器增益的同時，保證了上混頻器的線性度幾乎不受到MOS管開關非線性 的影響。綜上3點所述，該上變頻混頻器具有優異的線性度性能，并且保證在抑制直流失調 誤差電壓和調節上混頻器增益的動作幾乎不會造成對電路線性度的任何損害。
該上變頻混頻器跨導級電路采用超級源級跟隨器結構，在取得很好的線性度的同 時，取得了寬帶寬。通常電路的帶寬和穩定性是緊密聯系在一起的，在此有必要分析一下該 混頻器跨導的穩定性。如圖2所示，跨導級的主機點位于M523的漏極(以下記為節點538) 和M524的漏極(以下記為節點539)，分別由該點的小信號輸出電阻以及該點的計生電容決 定。而跨導級的次主極點位于M574的漏極(以下記為節點591)和M580的漏極(以下記 為節點592)，或者說是M576的漏極(以下記為節點597)和M578的漏極(以下記為節點 598)，因此節點591和節點597或者節點592和節點598之間是分別通過兩個傳輸門連接 的。該次主機點的大小由可編程電阻網路的阻值以及該點的計生電容決定。由于主極點和 次主機點的寄生電容大約存在一個量級，而主極點的寄生電阻一般遠遠大于可編程電阻網 絡的阻值，從而保證了次主極點遠遠大于主極點，從而保證了該跨導一般無須進行頻率補 償即可保證電路穩定。綜上所述，可以將該跨導理解為單極點系統，3dB帶寬即由主極點決 定，通常該主極點頻率在IM IOMHz的量級，從而能夠保證上混頻器具有IM IOMHz量級的3dB帶寬。該上混頻器抑制直流失調誤差電壓的工作原理現闡述如下如圖3所示，PMOS輸 入管M620 M625的襯底和源極相連接，從而消除了 PMOS管誰信號的襯偏效益。據前所述， PMOS管M620 M625對于輸入信號的作用完全相當于把輸入信號相上平移了柵源電壓。而 抑制直流失調誤差電壓的工作原理正是通過控制總線D0C<5:0>以及開關NMOS管M601 M605來控制選通或者關閉輸入PMOS管M621 M625。理論上通過正負電路支路的直流電 流相等，由于NMOS管M601 M605的選通或者關閉，輸入MOS管M620 M625導通PMOS管 所有的寬長比W/L總和將不同，從而導致兩者的柵源電壓不同，而直流失調誤差電壓正是 可以通過上述兩者柵源電壓之差來補償，從而保證直流失調誤差電壓分別經過不同的柵源 電壓平移之后，在正電流輸入節點和負電流輸入節點幾乎相等，就可以抑制直流失調誤差 電壓，從而保證輸出信號的本振泄露抑制比。
上混頻器實現增益可編程控制的原理非常直接。首先在此說明跨導級電路的工作 原理，如前說述，輸入信號從正電壓輸入端和負電壓輸入端分別經過柵源電壓平移到節點 正電流輸入端和負電流輸入端，該電壓加在到可編程電阻網絡從而轉化為信號電流。假設 可編程電阻網絡得阻值是Rdg，則圖4中正電流輸出端和負電流輸出端的輸出信號是Io = Vin/Rdg,改變Rdg的大小，即可以改變輸出信號的大小，從而實現增益調節。如圖4所示， 改變可編程電阻網絡阻值Rdg的大小是通過控制字PRG<9:0>以及傳輸門在電阻網絡中抽 頭實現的。譬如，假設PRG<1>為“1”，其余PRG控制字為“0”，則傳輸門T738、T749、T758和 Τ762導通，此時Rdg阻值為電阻R701 R712阻值之和。改變控制字PRG<9:0>即實現了可 編程電阻網絡阻值的改變。在此值得重復說明的是，由于傳輸門或者是MOS關開管通過和 上述電阻網絡串聯，傳輸門和MOS管開關的非線性勢必導致整體電路的非線性。但是本上 變頻混頻器能夠克服NMOS開關引入的非線性，從而保證了整體電路非常好的線性度。
權利要求
一種增益可控的高線性度寬帶上變頻混頻器，其特征在于該上變頻混頻器包括第一電流鏡，用于接收來自整流和偏置電路的第一偏置電壓和第二偏置電壓，以導通組成該電流鏡的PMOS管，并輸出第一電流、第二電流、第三電流和第四電流；第一超級源極跟隨器，用于接收來自整流和偏置電路的第三偏置電壓、第一電流鏡輸出的第一電流和來自外部電源的正輸入電壓，并將該正輸入電壓平移一個柵源電壓后得到正輸出電壓；所述的第一超級源極跟隨器由第一直流失調誤差消除電路、第一NMOS管和第二NMOS管組成，其中第一NMOS管和第二NMOS管的柵極分別與整流和偏置電路相連，第一NMOS管的源極和第二NMOS管的漏極相連，第二NMOS管的漏極和地相連；所述的第一直流失調誤差消除電路由第一PMOS管和電流支路組成，第一PMOS管和電流支路并聯，第一PMOS管的柵極接收來自外部電源的正輸入電壓，第一PMOS管的源極和襯底同時與第一電流鏡的第一電流輸出端和第一超級源極跟隨器的輸出端相連，第一PMOS管的漏極與第一NMOS管的漏極相連；所述的電流支路由多個互相并聯的電流支路組成，其中每一個電流支路由一個第二PMOS管和一個第三NMOS管組成，其中第二PMOS管的源極和襯底同時與所述的第一PMOS管的源極相連，第二PMOS管的柵極與所述的第一PMOS管的柵極相連，第二PMOS管的漏極與第三NMOS管的漏極相連，第三NMOS管的源極與所述的第一PMOS管的漏極相連，第三NMOS管的柵極接收所述的第一直流失調誤差消除電路生成的的控制信號，所述的每一路并聯的電流支路使用單獨的控制信號以達到減小直流失調誤差的作用；第二超級源極跟隨器，用于接收來自整流和偏置電路的第三偏置電壓、第一電流鏡輸出的第二電流和來自外部電源的負輸入電壓，并將該負輸入電壓平移一個柵源電壓后得到負輸出電壓；所述的第二超級源極跟隨器由第二直流失調誤差消除電路、第四NMOS管和第五NMOS管組成，其中第四NMOS管和第五NMOS管的柵極分別與整流和偏置電路相連，第四NMOS管的源極和第五NMOS管的漏極相連，第五NMOS管的漏極和地相連；所述的第二直流失調誤差消除電路由第三PMOS管和電流支路組成，第三PMOS管和電流支路并聯，第三PMOS管的柵極接收來自外部電源的負輸入電壓，第三PMOS管的源極和襯底同時與第一電流鏡的第二電流輸出端和第二超級源極跟隨器的輸出端相連，第三PMOS管的漏極與第四NMOS管的漏極相連；所述的電流支路由多個互相并聯的電流支路組成，其中每一個電流支路由一個第四PMOS管和一個第六NMOS管組成，其中第四PMOS管的源極和襯底同時與所述的第三PMOS管的源極相連，第四PMOS管的柵極與所述的第三PMOS管的柵極相連，第四PMOS管的漏極與第六NMOS管的漏極相連，第六NMOS管的源極與所述的第三PMOS管的漏極相連，第六NMOS管的柵極接收所述的第二直流失調誤差消除電路生成的的控制信號，所述的每一路并聯的電流支路使用單獨的控制信號以達到減小直流失調誤差的作用；可編程電阻網絡，用于接收其作用來自第一電流鏡的第三電流和第四電流、來自第一超級源極跟隨器的正輸出電壓、來自第二超級源極跟隨器的負輸出電壓和來自外部電源的增益控制信號，產生正輸出電流和負輸出電流；第二電流鏡，用于接收所述的可編程電阻網絡的正輸出電流以及來自整流和偏置電路的第四偏置電壓，并將正輸入電流折疊到第二電流鏡的輸出端，產生第一跨導電流，其中的第四偏置電壓為該第二電流鏡提供偏置電壓；第三電流鏡，用于接收所述的可編程電阻網絡的負輸出電流以及來自整流和偏置電路的第四偏置電壓，并將負輸入電流折疊到第三電流鏡的輸出端，產生第二跨導電流，其中的第四偏置電壓為該第三電流鏡提供偏置電壓；整流和偏置電路，用于產生所述的第一偏置電壓、第二偏置電壓、第三偏置電壓和第四偏置電壓，并接收所述的第一跨導電流和第二跨導電流，經過整流后將第一跨導電流和第二跨導電流的頻率變換成射頻頻率，將具有射頻頻率的第一跨導電流和第二跨導電流加載到負載電路，產生射頻輸出電壓。
2.如權利要求1所述的上變頻混頻器，其特征在于其中所述的第一電流鏡由八個PM0S 管組成，為縱向四路對稱結構，每路分別包括兩個PM0S管，并且每路PM0S管中的一個PM0S 管的漏極與下一個PM0S管的源極相連，并且每路的上一個PM0S管的柵極與同一個偏置電 壓相連，并且每路的下一個PM0S管的柵極與另外一個相同的偏置電壓相連，為共源共柵電 流鏡。
3.如權利要求1和2所述的上變頻混頻器，其特征在于其中所述的可編程電阻網絡的電路，包括 R701、R702、......、R720 共 20 個電阻，T731、T732、......、T739、T741、T742、......、T759，T761、……、T770共38個CMOS開關，其連接方式為可編程電阻網絡的正電流輸出端與電阻R701的一端相連，電阻R701的另一端與電阻 R702的一端相連，電阻R702的另一端與電阻R703的一端相連，電阻R703的另一端與電阻 R704的一端相連，電阻R704的另一端與電阻R705的一端相連，電阻R705的另一端與電阻 R706的一端相連，電阻R706的另一端與電阻R707的一端相連，電阻R707的另一端與電阻 R708的一端相連，電阻R708的另一端與電阻R709的一端相連，電阻R709的另一端與電阻 R710的一端相連，電阻R710的另一端與電阻R711的一端相連，電阻R711的另一端與電阻 R712的一端相連，電阻R712的另一端與電阻R713的一端相連，電阻R713的另一端與電阻 R714的一端相連，電阻R714的另一端與電阻R715的一端相連，電阻R715的另一端與電阻 R716的一端相連，電阻R716的另一端與電阻R717的一端相連，電阻R717的另一端與電阻 R718的一端相連，電阻R718的另一端與電阻R719的一端相連，電阻R719的另一端與電阻 R720的一端相連，CMOS開關T741的一端與可編程電阻網絡的正電流輸出端相連，另一端與 可編程電阻網絡的正電流輸入端相連，CMOS開關T742、T743、……、T750的一端與可編程電 阻網絡的正電流輸出端相連，另一端分別與R701、R702、……、R709的另一端相連，CMOS開 關T731、T732、……、T739的一端與可編程電阻網絡的正電流輸入端相連，另一端分別與電 阻R701、R702、……、R709的另一端相連，CMOS開關T770的一端與可編程電阻網絡的負電 流輸出端相連，另一端與可編程電阻網絡的負電流輸入端相連，CMOS開關T761、T762、……、 T770的一端與可編程電阻網絡的負電流輸出端相連，另一端分別與R712、R713、……、R720 的另一端相連，CMOS開關T751、T752、……、T759的一端與可編程電阻網絡的負電流輸入 端相連，另一端分別與電阻R720、R719、……、R712的另一端相連。
4.如權利要求1所述的上變頻混頻器，其特征在于其中所述的第二電流鏡或第三電流 鏡包括一路偏置電流和五個NM0S管，分別記為Ml、M2、M3、M4和M5，具體連接方式為電流 鏡的輸入電流接Ml的漏極，Ml的源極與第二 NM0S的漏極、M5的柵極相連，Ml的柵極與M2 的柵極、M5的漏極、偏置電流的輸出端相連，M2的柵極與M4的柵極相連，M2的源極與M4的 源極、M5的源極、地相連，M3的漏極與電流鏡的輸出電流端相連，M3的源極與M4的漏極相 連。
5.如權利要求1所述的上變頻混頻器，其特征在于所述的整流和偏置電路的輸入包括第一跨導電流、第二跨導電流、來自外部的本振信號L0+，本振信號L0-，輸出包括第一輸出 電壓和第二輸出電壓，所述的整流和偏置電路由NM0S管M131、M132、M133、M134、電容C135、 電容C136、電阻R139和電阻R140組成，連接關系為電容C135的一端連接本振信號L0+，另 一端同時與M131和M134的柵極和R140的一端相連；電容C136的一端連接本振信號L0-， 另一端同時與M132和M133的柵極和R139的一端相連；VB同時與R139和R140的另一端 相連；第一跨導電流輸入端同時與M131和M132的源極相連；第二跨導電流輸入端同時與 M133和M134的源極相連；第一輸出電壓端同時與M131和M133的漏極相連；第二輸出電壓 端同時與M132和M134的漏極相連。
全文摘要
本發明涉及一種高線性度寬帶寬增益可控的上變頻混頻器，屬于集成電路設計技術領域。包括第一、第二、、第三電流鏡，第一、第二超級源極跟隨器，可編程電阻網絡，以及整流和偏置電路，第一電流鏡在給定的偏置電路下生成若干路電流，并在可編程電阻網絡的增益控制之下，生成相應的跨導電流，再通過第二和第三電流鏡的鏡像后輸入到整流電路，經過相應電路處理后轉換成射頻信號加載到負載電阻上。本發明的上變頻混頻器，消除了輸入MOS管柵源電壓的二階效應造成的上混頻器線性度性能下降；具有消除等效直流失調誤差電壓的功能，并且不影響到上混頻器的線性度；消除了開關MOS管帶來的非線性，保證調節增益不影響上變頻混頻器的線性度。
文檔編號H03D7/16GK101834564SQ20101017677
公開日2010年9月15日 申請日期2010年5月14日 優先權日2010年5月14日
發明者羅可欣 申請人:北京利云技術開發公司