專利名稱：以并聯lc作負載的電流注入式射頻cmos正交上混頻器的制作方法
技術領域：
本發明涉及射頻集成電路設計及信號處理技術領域，具體地說是一種工作于 2.4-2. 5GHz，以并聯LC作負載的電流注入射頻互補金屬-氧化物半導體(CMOS)正交上混頻器。
背景技術：
近年來，個人通信和無線移動通信市場的不斷膨脹，推動著無線收發機向低成本、 低功耗、高集成度和小型化方向發展。使用CMOS工藝，實現RF系統和基帶處理部分的單 片集成是當前RF電路設計的趨勢，減少片外元件數，從而降低功耗及成本，這在無線應用 中很重要。1999年美國電氣和電子工程師協會(IEEE)提出了 WLAN 802. Ilx標準，將現 有IEEE網絡和移動通信網絡相融合，實現快速無線互聯。802. Ilg標準結合了 802. Ilb與 802. Ila的優勢，旨在為更常用的2. 4GHz提供54Mbps高速數據傳輸。在發射機系統中，上 混頻器完成頻譜從基帶信號到射頻的變換，使信號適合于在無線信道中傳播，是非常重要 的電路模塊，它的性能直接影響射頻發射器的性能。一般描述射頻發射機上混頻器性能的主要參數有噪聲、功耗、轉換增益、線性度 以及輸出匹配等。這些性能參數之間相互影響相互制約，因此如何尋求一個較好的這折衷 方案來提高混頻器各項性能參數成為設計的主要難點。附圖1所示的是傳統的雙平衡吉爾 伯特混頻器，這種結構是一種被廣泛采用的混頻電路結構。雙平衡混頻器具有以下三個重 要特性提供了很高的L0、RF、IF之間的隔離度、中頻直流耦合、對輸入的響應與極性無關， 對信號電壓的極性失真是對稱的。在實際的射頻發射端的應用中，足夠高的上混頻器轉換 增益可以大大降低下級功率放大器的壓力，但是在轉換增益較大的情況下，通常要以犧牲 線性度作為代價。
發明內容
本發明的目的是推出一種以并聯LC作負載的電流注入射頻CMOS正交上混頻器， 該混頻器能夠在較低電源電壓下實現上混頻功能，同時具有較高的轉換增益和線性度，彌 補了傳統雙平衡吉爾伯特混頻器的不足。本發明的目的是這樣實現的一種以并聯LC作負載的電流注入式射頻CMOS正交上混頻器，該混頻器的結構含 電源正端VDD、電源負端GND、第一偏置電壓輸入端口 VBiasl、第二偏置電壓輸入端口 VBias2、 第三偏置電壓輸入端口 VBias3、第四偏置電壓輸入端口 VBias4、零相位本地振蕩信號輸入端口 VLOO>90度相位本地振蕩信號輸入端口 VumiUSO度相位本地振蕩信號輸入端口 νω·、270度 相位本地振蕩信號輸入端口 VM2TO、I支路差分正相基帶信號輸入端口 VIN(I、I支路差分負相 基帶信號輸入端口 VIN18(1、Q支路差分正相基帶信號輸入端口 VIN9(1、Q支路差分負相基帶信號 輸入端口 Vin27ci、兩個差分輸出端口 OUT 1及0UT2，該混頻器還包含有第一 MOS管Ml、第二 MOS 管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4、第五MOS管M5、第一電容Cl、第二電容C2、第三電容C3、第四電容C4、第一電感Li、第二電感L2、I支路I-Branch和Q支路Q-Branch，其中I支 路和Q支路的結構完全相同且對稱設置，每支路含有第一本地振蕩信號輸入端口 VL0A、第 二本地振蕩信號輸入端口 VL0B、差分正相基帶信號輸入端口 VINA、差分負相基帶信號輸入 端口 VINB、第一開關級偏置電流輸入端口 SWA、第二開關級偏置電流輸入端口 SWB、第一偏 置電壓輸入端口 VB1、第二偏置電壓輸入端口 VB2、差分正相輸出端口 V0UT+、差分負相輸出 端口 VOUT-及直流偏置電流端IBIAS，I支路的第一開關級偏置電流輸入端口 SWA接第一 MOS管Ml的漏極，I支路的第二開關級偏置電流輸入端口 SWB接第二 MOS管M2的漏極，Q 支路的第一開關級偏置電流輸入端口 SWA接第三MOS管M3的漏極，Q支路的第二開關級偏 置電流輸入端口 SWB接第四MOS管M4的漏極，第一 MOS管Ml的柵極、第二 MOS管M2的柵 極、第三MOS管M3的柵極、第四MOS管M4的柵極都接第三偏置電壓輸入端口 VBias3 ；第一MOS 管Ml的源極、第二 MOS管M2的源極、第三MOS管M3的源極及第四MOS管M4的源極都接電 源正端VDD ；第一電容Cl的一端、第三電容C3的一端和第一電感Ll的一端連接I支路的 VOUT+端，I支路的VOUT+端和Q支路的VOUT+端相連；第一電容Cl的另一端和第一電感 Ll的另一端接電源正端VDD，第三電容C3的另一端接差分輸出端口 OUTl ；第二電容C2的一 端、第四電容C4的一端和第二電感L2的一端連接Q支路的VOUT-端，I支路的VOUT-端和 Q支路的VOUT-端相連，第二電容C2的另一端和第二電感L2的另一端接電源正端VDD，第 四電容C4的另一端接差分輸出端口 0UT2 ；I支路的VBl端和Q支路的VBl端接第一偏置電 壓輸入端口 VBiasl ；I支路的VB2端和Q支路的VB2端接第二偏置電壓輸入端口 VBias2 ； I支路 的VLOA端連接零相位本地振蕩信號輸入端口 V_，VLOB端連接180度相位本地振蕩信號輸 入端口 Vun8ci ；Q支路的VLOA端連接90度相位本地振蕩信號輸入端口 Vra(1，VL0B端連接270 度相位本地振蕩信號輸入端口 Vukto ； I支路的VINA端連接零相位基帶信號輸入端口 Vinci, I 支路的VINB端連接180度相位基帶信號輸入端口 Vin18ci ；Q支路的VINA端連接90度相位基 帶信號輸入端口 V1■，Q支路的VINB端連接270度相位基帶信號輸入端口 Vin27ci ；I支路的 直流偏置電流端IBIAS和Q支路的直流偏置電流端IBIAS相連、接第五MOS管M5的漏極， 第五MOS管M5的柵極接第四偏置電壓輸入端口 VBias4，源極接電源負端GND ；
I支路包括第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4、第五電容C5、第 六電容C6、第七電容C7、第八電容C8、第六MOS管M6、第七MOS管M7、第八MOS管M8、第九 MOS管M9、第十MOS管MlO及第^^一 MOS管Ml 1，具體連接方式為第七MOS管M7的源極和 第八MOS管M8的源極分別連接到第一開關級偏置電流輸入端口 SWA和第二開關級偏置電 流輸入端口 SWB ；第一電阻Rl的一端和第五電容C5的一端相接、連接第七MOS管M7的柵極 和第八MOS管M8的柵極；第五電容C5的另一端接第一本地振蕩信號輸入端口 VL0A，第一 電阻Rl的另一端接第一偏置電壓輸入端口 VBl ；第六MOS管M6的源極和第九MOS管M9的 源極分別連接到第一開關級偏置電流輸入端口 SWA和第二開關級偏置電流輸入端口 SWB ； 第二電阻R2的一端和第六電容C6的一端相接、連接第六MOS管M6的柵極和第九MOS管M9 的柵極；第六電容C6的另一端接第二本地振蕩信號輸入端口 VL0B，第二電阻R2的另一端 接第一偏置電壓輸入端口 VBl ；第六MOS管M6的漏極和第八MOS管M8的漏極相連、接到差 分正相輸出端口 VOUT+ ；第七MOS管M7的漏極和第九MOS管M9的漏極相連、接到差分負相 輸出端口 VOUT-；第十MOS管MlO的漏極連接到第一開關級偏置電流輸入端口 SWA ；第三電 阻R3的一端和第七電容C7的一端相接、連接到第十MOS管MlO的柵極；第七電容C7的另一端接差分正相基帶信號輸入端口 VINA，第三電阻R3的另一端接第二偏置電壓輸入端口 VB2 ；第十MOS管MlO的源極連接到直流偏置電流端IBIAS ；第i^一 MOS管Mll的漏極連接 到第二開關級偏置電流輸入端口 SWB ；第四電阻R4的一端和第七電容C8的一端相接、連接 到第十一 MOS管Mll的柵極；第八電容C8的另一端接差分負相基帶信號輸入端口 VINB，第 三電阻R3的另一端接第二偏置電壓輸入端口 VB2 ；第十一 MOS管Mll的源極連接到電源負 端直流偏置電流端IBIAS。所述第一 MOS管Ml、第二 MOS管M2、第三MOS管M3及第四MOS管M4為PMOS管， 第五MOS管M5及支路中所有MOS管為NMOS管。本發明在傳統的雙平衡吉爾伯特混頻器的基礎上，采用電流注入方式，在跨導級 的漏極或者說是開關管源極處連接由P型MOS管構成的電流源，用來抽取跨導級提供給開 關管的電流，從而增加射頻的偏置電流，可以增加混頻器電路的線性度和增益，減輕電壓裕 度引起的問題。同時PMOS管進行電流注入，流經本振晶體管的電流減少，那么輸出的平均 噪聲電流減少，混頻器的閃爍噪聲也因此減少。采用并聯高品質因子的電感和電容作負載， 使得混頻器能夠在較低電源電壓下實現上混頻功能，同時提高了線性度，增大了轉換增益， 減小了噪聲。
圖1為傳統的雙平衡吉爾伯特混頻器的電路圖；圖2為本發明結構示意圖；圖3為本發明中I支路的電路圖。
具體實施例方式現結合附圖和實施例詳細說明本發明的技術方案。實施例本實施例具有與圖2及圖3所示的電路完全相同的電路結構。本實施例的元器件 和電路參數如下第一電容Cl，第二電容C2，第三電容C3，第四電容C4，第五電容C5，第六電容C6， 第七電容C7，第八電容C8的電容量分別為352. 564fF，352. 564fF，997. 816fF，997. 816fF, 3pF，3pF，20pF，20pF。第一電感Li，第二電感L2的電感量分別為1. 84nH，1. 84nH。第一電阻R1，第二電阻R2，第三電阻R3，第四電阻R4的電阻量分別為 1. 75764K Ω，1. 75764Κ Ω，2· 4Κ Ω，2· 4Κ Ω。第一 MOS管Ml，第二 MOS管Μ2，第三MOS管Μ3，第四MOS管Μ4，第五MOS管Μ5，第六 MOS管Μ6，第七MOS管Μ7，第八MOS管Μ8，第九MOS管Μ9，第十MOS管MlO，第^^一 MOS管Mll 的尺寸分別是 200um/0. 32um, 200um/0. 32um, 200um/0. 32um, 200um/0. 32um, 310um/0. 32um, 220um/0.32um,220um/0.32um,220um/0.32um,220um/0.32um,400um/0.32um, 400um/0. 32um。電源電壓VDD為2. 5V，偏置電壓1端VBiasl的電壓為1. 7V，偏置電壓2端VBias2的電 壓為1. 944V，偏置電壓3端Veias3的電壓為1. 459V，偏置電壓4端VBias4的電壓為0. 9904V。
參閱圖2及圖3，本發明的第一 MOS管Ml、第二 MOS管M2作為I路的電流注入支 路，第三MOS管M3、第四MOS管M4作為Q路的電流注入支路，并聯的第一電容Cl、第一電感 Ll和并聯的第二電容C2、第二電感L2構成差分輸出阻抗，第三電容C3和第四電容C4為交 流耦合電容。本發明電路本質上為雙平衡混頻器形式，有助于抑制偶次諧波的產生并提高基帶 輸入信號和本振信號的隔離度。在混頻器的輸出端由C1、L1、C3(或C2、L2、C4)實現50歐 姆阻抗匹配。開關管在本振信號LO的作用下，分別依次導通，使跨導對產生的小信號電流 交替地從開關對流過。混頻器的轉換增益與跨導電流的平方根成正比，與輸出負載成正比。 對于傳統的吉爾伯特混頻器來說，跨導電流全部流過開關對，要使得所有MOS管均工作于 飽和狀態，必須減小輸出負載。采用電流注入技術可以有效地解決這個問題，因為只有部分 跨導電流流過開關對，這樣可以有效克服直流失調，熱噪聲和閃爍噪聲，有利于混頻器在較 低電源電壓下，實現增益、線性度和噪聲性能之間折衷。跨導級可以有足夠高的電流，滿足 增益和線性度的要求。本發明同時選用LC并聯作負載進一步滿足低電源電壓要求。若混 頻器的輸入級跨導為gm，其轉換增益為
權利要求
1. 一種以并聯LC作負載的電流注入式射頻CMOS正交上混頻器，該混頻器的結構含 電源正端(VDD)、電源負端(GND)、第一偏置電壓輸入端口(VBiasl)、第二偏置電壓輸入端口 (VBias2)、第三偏置電壓輸入端口(VBias3)、第四偏置電壓輸入端口(VBias4)、零相位本地振蕩 信號輸入端口(Vuxi)、90度相位本地振蕩信號輸入端口(Vumi)、180度相位本地振蕩信號輸 入端口(Vuh8ci)、270度相位本地振蕩信號輸入端口(Vukto)、I支路差分正相基帶信號輸入 端口(V·)、I支路差分負相基帶信號輸入端口(Vin18ci)、Q支路差分正相基帶信號輸入端口 (Vin9ci)、Q支路差分負相基帶信號輸入端口(Vin27ci)、兩個差分輸出端口(OUTl)及(0UT2)，該 混頻器還包含有第一MOS管(Ml)、第二MOS管(M2)、第三MOS管(M3)、第四MOS管(M4)、第五 MOS管(M5)、第一電容(Cl)、第二電容(C2)、第三電容(C3)、第四電容(C4)、第一電感(Li)、 第二電感(U)、I支路(I-Branch)和Q支路OhBranch)，其中I支路和Q支路的結構完全 相同且對稱設置，各支路含有第一本地振蕩信號輸入端口(VLOA)、第二本地振蕩信號輸入 端口(VLOB)、差分正相基帶信號輸入端口(VINA)、差分負相基帶信號輸入端口(VINB)、第 一開關級偏置電流輸入端口(SWA)、第二開關級偏置電流輸入端口(SWB)、第一偏置電壓輸 入端口(VBl)、第二偏置電壓輸入端口(VB》、差分正相輸出端口(V0UT+)、差分負相輸出端 口(V0UT-)及直流偏置電流端(IBIAS) ；I支路的第一開關級偏置電流輸入端口(SWA)接第 一 MOS管(Ml)的漏極，I支路的第二開關級偏置電流輸入端口(SWB)接第二 MOS管(M2) 的漏極，Q支路的第一開關級偏置電流輸入端口(SWA)接第三MOS管(M3)的漏極，Q支路 的第二開關級偏置電流輸入端口(SWB)接第四MOS管(M4)的漏極，第一 MOS管(Ml)的柵 極、第二 MOS管(M2)的柵極、第三MOS管(M3)的柵極、第四MOS管(M4)的柵極都接第三 偏置電壓輸入端口(VBias3)；第一 MOS管(Ml)的源極、第二 MOS管(M2)的源極、第三MOS管 (M3)的源極及第四MOS管(M4)的源極都接電源正端(VDD)；第一電容(Cl)的一端、第三電 容(O)的一端和第一電感(Li)的一端連接I支路的VOUT+端，I支路的VOUT+端和Q支路 的VOUT+端相連；第一電容(Cl)的另一端和第一電感(Li)的另一端接電源正端(VDD)，第 三電容(C3)的另一端接差分輸出端口(OUTl)；第二電容(C2)的一端、第四電容(C4)的一 端和第二電感(U)的一端連接Q支路的VOUT-端，I支路的VOUT-端和Q支路的VOUT-端 相連，第二電容(C2)的另一端和第二電感(L2)的另一端接電源正端(VDD)，第四電容(C4) 的另一端接差分輸出端口(0UT2) ；I支路的VBl端和Q支路的VBl端接第一偏置電壓輸入 端口(VBiasl) ；I支路的VB2端和Q支路的VB2端接第二偏置電壓輸入端口(VBias2) ；I支路的 VLOA端連接零相位本地振蕩信號輸入端口(Vuw)，VLOB端連接180度相位本地振蕩信號輸 入端口(I·) ；Q支路的VLOA端連接90度相位本地振蕩信號輸入端口(Vumi)，VLOB端連 接270度相位本地振蕩信號輸入端口(Vukto) ； I支路的VINA端連接零相位基帶信號輸入端 口 (Vino) , I支路的VINB端連接180度相位基帶信號輸入端口 (Vin180) ；Q支路的VINA端連 接90度相位基帶信號輸入端口(Vin9ci)，Q支路的VINB端連接270度相位基帶信號輸入端口 (Vin270) ；I支路的直流偏置電流端(IBIAQ和Q支路的直流偏置電流端(IBIAQ相連、接第 五MOS管(Μ5)的漏極，第五MOS管(Μ5)的柵極接第四偏置電壓輸入端口(VBias4)，源極接電 源負端(GND)；I支路包括第一電阻(Rl)、第二電阻(R2)、第三電阻(R3)、第四電阻(R4)、第五電容 (C5)、第六電容(C6)、第七電容(C7)、第八電容(C8)、第六MOS管(M6)、第七MOS管(M7)、 第八MOS管(M8)、第九MOS管(M9)、第十MOS管(MlO)及第i^一 MOS管(Mil)；具體連接方式為第七MOS管(M7)的源極和第八MOS管(M8)的源極分別連接到第一開關級偏置電流 輸入端口(SWA)和第二開關級偏置電流輸入端口(SWB)；第一電阻(Rl)的一端和第五電容 (C5)的一端相接、連接第七MOS管(M7)的柵極和第八MOS管(M8)的柵極；第五電容(C5) 的另一端接第一本地振蕩信號輸入端口(VLOA)，第一電阻(Rl)的另一端接第一偏置電壓 輸入端口(VBl)；第六MOS管(M6)的源極和第九MOS管(M9)的源極分別連接到第一開關 級偏置電流輸入端口(SWA)和第二開關級偏置電流輸入端口(SWB)；第二電阻(似)的一端 和第六電容(C6)的一端相接、連接第六MOS管(M6)的柵極和第九MOS管(M9)的柵極；第 六電容(C6)的另一端接第二本地振蕩信號輸入端口(VLOB)，第二電阻(R2)的另一端接第 一偏置電壓輸入端口(VBl)；第六MOS管(M6)的漏極和第八MOS管(M8)的漏極相連、接到 差分正相輸出端口(V0UT+)；第七MOS管(M7)的漏極和第九MOS管(M9)的漏極相連、接 到差分負相輸出端口(V0UT-)；第十MOS管(MlO)的漏極連接到第一開關級偏置電流輸入 端口(SWA)；第三電阻(R3)的一端和第七電容(C7)的一端相接、連接到第十MOS管(MlO) 的柵極；第七電容(C7)的另一端接差分正相基帶信號輸入端口(VINA)，第三電阻(R3)的 另一端接第二偏置電壓輸入端口(VB2)；第十MOS管(MlO)的源極連接到直流偏置電流端 (IBIAS)；第十一 MOS管(Mil)的漏極連接到第二開關級偏置電流輸入端口(SWB)；第四電 阻(R4)的一端和第七電容(C8)的一端相接、連接到第十一 MOS管(Mil)的柵極；第八電容 (C8)的另一端接差分負相基帶信號輸入端口(VINB)，第三電阻(R3)的另一端接第二偏置 電壓輸入端口(VB2)；第十一 MOS管(Mil)的源極連接到直流偏置電流端(IBIAS)。
2.根據權利權利要求1所述的正交上混頻器，其特征在于所述第一 MOS管(Ml)、第二 MOS管(M2)、第三MOS管(M3)及第四MOS管(M4)為PMOS管，第五MOS管(M5)及支路中所 有MOS管為NMOS管。
全文摘要
本發明公開了一種以并聯LC作負載的電流注入式射頻CMOS正交上混頻器，該混頻器是在傳統的雙平衡吉爾伯特混頻器的基礎上，采用電流注入方式，在跨導級的漏極或者說是開關管源極處連接由P型MOS管構成的電流源，用來抽取跨導級提供給開關管的電流，增加射頻的偏置電流，可增加電路的線性度和增益，減輕電壓裕度引起的問題。PMOS管進行電流注入，流經本振晶體管的電流減少，輸出的平均噪聲電流減少，混頻器的閃爍噪聲減少。采用并聯高品質因子的電感和電容作負載，使得能夠在較低電源電壓下實現上混頻功能。本發明提高了線性度，增大了轉換增益，減小了噪聲。
文檔編號H03D7/06GK102035475SQ20101056243
公開日2011年4月27日 申請日期2010年11月25日 優先權日2010年11月25日
發明者張潤曦, 徐倩龍, 朱彤, 李征, 胡驍, 蔣穎丹, 蔡語昕, 袁圣越, 謝淼, 賴宗聲, 黃龍 申請人:華東師范大學