專利名稱：一種混頻器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種射頻前端集成電路中的混頻器，尤其涉及一種基于DMGTR結構的折疊式正交混頻器，屬于混頻器技術領域。
背景技術：
傳統的混頻器一般采用吉爾伯特(Gilbert)單元的雙平衡結構，如圖1所示，雖然這種混頻器結構具有各端口隔離度高、對電源電壓和環境噪聲敏感度小等優點，但是 Gilbert單元由于偏置管、跨導管和開關管的堆疊及負載的壓降，在低電源電壓下很難保證所有晶體管都工作在希望的飽和區。另外，為提高電路的轉換增益，需要增大跨導級的偏置電流，而偏置電流的增大將導致負載上的壓降增大，從而壓縮了開關對和跨導級的電壓空間，降低了電路的線性度。
線性度是混頻器最重要的技術指標，一般提高線性度的方法是增大晶體管的過驅動電壓，但在電流不變的情況下，這樣會降低晶體管的跨導，從而導致增益下降，噪聲增大。
如圖2 所示的混頻器，即使采用了 DMGTR(Differential Multiple Gate Transistors，差分多柵晶體管)結構，線性度可以大大提高，但其仍然將晶體管堆疊，由于要使堆疊的晶體管全都偏置在希望的飽和區(偽差分對除外)，所以RL的值不能過大，否則電阻壓降過大會導致電壓空間不滿足偏置晶體管在飽和區的要求，而混頻器的增益與RL 成正比，所以這種混頻器結構不能獲得很高的增益，其對后級電路噪聲的抑制作用有限。發明內容
本發明針對現有混頻器技術存在的不足，而提出一種基于DMGTR結構的折疊式正交混頻器。
該混頻器包括跨導級、開關級和負載級，所述跨導級采用DMGTR結構；所述開關級是由折疊式的兩個吉爾伯特單元構成，第一吉爾伯特單元作為信號的同相通路，第二吉爾伯特單元作為信號的正交通路，兩個吉爾伯特單元均連接跨導級的輸出端；所述負載級包括兩個子負載級，每個吉爾伯特單元的輸出端連接一個子負載級。
所述DMGTR結構是由全差分對跨導和偽差分對跨導組成。
所述子負載級是由兩個電阻構成。
技術效果
1、跨導級采用DMGTR結構，大大提高了混頻器的線性度。
2、開關級采用折疊式結構，使混頻器能夠獲得較高的轉換增益，提高了對后級電路噪聲的抑制效果。
3、折疊的開關對與輸入管相對獨立，降低了電壓裕度的要求。
圖1為傳統混頻器的電路結構圖。
圖2為DMGTR結構的非折疊式混頻器電路結構圖。
圖3為FDT電路結構圖。
圖4為PDT電路結構圖。
圖5為本發明混頻器的電路結構圖。
圖6為本發明混頻器的仿真電路原理圖。
圖7為本發明混頻器線性度指標的仿真結果圖。
圖8為本發明混頻器轉換增益的仿真結果圖。
具體實施方式
下面對本發明作進一步說明。
本發明混頻器的電路結構如圖5所示，包括跨導級、開關級和負載級。所述跨導級采用由全差分對跨導(FDT:Fully Differential Transconductance)和偽差分對跨導 (PDT =Pseudo Differential Transconductance)組成 DMGTR 結構，FDT 電路結構如圖 3 所示，PDT電路結構如圖4所示，在圖5中，Ml和M2組成FDT，M13相當于電流源，M3和M4組成PDT ；所述開關級是由折疊式的兩個吉爾伯特單元構成，在圖5中，由M5 M8構成的第一吉爾伯特單元作為信號的同相通路，由M9 M12構成的第二吉爾伯特單元作為信號的正交通路，兩個吉爾伯特單元均連接跨導級的輸出端；所述負載級包括兩個子負載級，在圖5 中，第一吉爾伯特單元的輸出端連接由電阻R3、R4構成的第一子負載級，第二吉爾伯特單元的輸出端連接由電阻R5、R6構成的第二子負載級。
在圖5中，跨導級中的FDT和PDT作為兩個輸入管接進射頻信號RF+和RF-，開關級中的第一吉爾伯特單元(同相通路)接進同相本振信號IL0_N，第二吉爾伯特單元(正交通路)接進正交本振信號QL0_P和QL0_N，負載級作為混頻器的輸出，第一子負載級輸出同相(I路)中頻信號IIF_N，第二子負載級輸出正交⑴路)中頻信號 QIF_P 禾Π QIF_N。
本發明采用SMIC 0. 18μπι CMOS工藝實現，應用于DRM(Digital Radio Mondiale, 全球數字廣播)接收機芯片中。本發明混頻器的原理仿真電路如圖6所示，射頻輸入端 P0RT0通過變壓器轉換成雙端信號輸入混頻器；同相信號輸入端P0RT2和正交信號輸入端 P0RT3均通過變壓器轉換成雙端信號輸入混頻器；混頻器的輸出通過220uF的電容交流耦合到后級電路，這里用P0RT1代替后級電路，其內阻設置為后級電路的輸入阻抗，使仿真結果更加真實；VDD是電源電壓，VDMGTR是偽差分對的柵極偏置電壓，其余的偏置電壓均已做到芯片內部。
本發明混頻器線性度指標IIP3和轉換增益G的仿真結果分別如圖7和圖8所示， 射頻信號頻率20MHz，本振頻率55MHz，中頻頻率35MHz。
下面介紹本發明的作用原理。
本混頻器采用的DMGTR結構是利用輸入晶體管跨導gm的二階導數gm〃與IIP3的關系來提高線性度。共源結構MOS管的漏極電流可以用泰勒(Taylor)級數展開式表示f ff
iDS = Idc + gmvgs +^-Vgs2 +^-vj +L(1)
式中Id。表示漏極電流的直流分量，Vgs表示晶體管柵源的電壓，gm(n)表示跨導gm的η階導數。
則用電壓形式表示的IIP3可以表示為
ΠΡ3=(2)gm
可見晶體管的線性度和gm"成反比，如果gm" ^ 0，則跨導驅動級引入的非線性可以完全被忽略，而整個混頻器的非線性將僅僅由開關對產生。
下面給出FDT和PDT的gm〃
對于混頻器而言，小信號情況下的IIP3相較于大信號情況更加重要，這是由于當接收機接收到的信號強度較大時，往往可以通過自動增益控制電路調整LNA的增益，從而能夠保證混頻器的輸入信號功率較低，仍然可以當作小信號處理。因此，當差模輸入交流小信號Δ ν趨近于零時，FDTWgm"可以表示為3則4=。=務謂<。(3)
可見FDT的gm〃永遠小于零，這也是采用FDT作為跨導驅動級的傳統Gilbert混頻器線性度難以做高的原因。
研究發現，工作在亞閾值區的PDT能夠使得gm"大于零，將PDT與FDT并聯則能夠抵消FDTWgm"，使得S/趨近于零，從而能明顯提高混頻器的線性度。
當Δ ν趨近于零時，PDT的gm〃可以表示為
(4)
比較式(3)和式(4)可以看出，當FDT的gm〃與PDT的gm〃相加為零時混頻器的線性度最好，所以線性度最優條件為3[X _V^uC -I2 =_Le^(5)…n m L) (ξντγκ }
上式中ISS和W/L是FDT設計參數，I0和Vb是PDT設計參數。
另外，本混頻器采用的折疊式開關級結構能有效提高混頻器的增益，混頻器的轉換增益可以表示為
Gv=-(gml+gm3)RL(6)π
式中 表示晶體管Ml的跨導，^l3表示晶體管M3的跨導。在圖5中，式(6)中的& = R3 = R4 = R5 = R6，在驅動級晶體管跨導確定的情況下，可以通過適當增大負載電阻&獲得較高的增益，這在傳統堆疊結構的混頻器中不易實現。
權利要求
1.一種混頻器，包括跨導級、開關級和負載級，其特征在于所述跨導級采用DMGTR結構；所述開關級是由折疊式的兩個吉爾伯特單元構成，第一吉爾伯特單元作為信號的同相通路，第二吉爾伯特單元作為信號的正交通路，兩個吉爾伯特單元均連接跨導級的輸出端； 所述負載級包括兩個子負載級，每個吉爾伯特單元的輸出端連接一個子負載級。
2.根據權利要求1所述的混頻器，其特征在于所述DMGTR結構是由全差分對跨導和偽差分對跨導組成。
3.根據權利要求1所述的混頻器，其特征在于所述子負載級是由兩個電阻構成。
全文摘要
本發明公開了一種混頻器，屬于混頻器技術領域。該混頻器包括跨導級、開關級和負載級，所述跨導級采用由全差分對跨導和偽差分對跨導組成的DMGTR(差分多柵晶體管)結構，所述開關級是由折疊式的兩個吉爾伯特單元構成，一個吉爾伯特單元作為信號的同相通路，另一個作為信號的正交通路，兩個吉爾伯特單元均連接跨導級的輸出端，每個吉爾伯特單元的輸出端連接一個由兩個電阻構成的負載級。本發明可以大大提高混頻器的線性度，并同時可以獲得較高的增益。
文檔編號H03D7/14GK102522955SQ20111045822
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月31日 優先權日2011年12月31日
發明者吳毅強, 唐路, 徐建, 王劍, 王志功 申請人:東南大學