混頻器是無(wú)線收發(fā)機(jī)中的核心模塊，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能具有很大影響。線性度、轉(zhuǎn)換增益是衡量一個(gè)混頻器性能的重要指標(biāo)。

在接收機(jī)中，混頻器具有一定的轉(zhuǎn)換增益可以降低混頻器后面各級(jí)模塊設(shè)計(jì)的難度，有利于提高系統(tǒng)噪聲性能和靈敏度。線性度決定了混頻器能處理的最大信號(hào)強(qiáng)度。隨著現(xiàn)代通訊系統(tǒng)對(duì)性能要求越來(lái)越高，無(wú)論是應(yīng)用于接收機(jī)系統(tǒng)的下變頻器(本文指的混頻器)，還是應(yīng)用于發(fā)射機(jī)系統(tǒng)中的上變頻器都要求具有較高的線性度。因此設(shè)計(jì)具有高增益和高線性度的混頻器就成為業(yè)界一直研究的熱點(diǎn)。

在CMOS電路設(shè)計(jì)中，電流復(fù)用和電流注入技術(shù)常被用于提高電路的線性度和轉(zhuǎn)換增益。然而，電流注入技術(shù)只能增大轉(zhuǎn)換增益，卻不適用于低功率應(yīng)用，因?yàn)樽⑷氲碾娏鞅仨氉銐虼蟛拍苁罐D(zhuǎn)換增益和噪聲系數(shù)達(dá)到比較好的指標(biāo)。本文采用了電流復(fù)用技術(shù)和本振信號(hào)偶次諧波的方法設(shè)計(jì)了一種高增益高線性度混頻器。

1、電路設(shè)計(jì)與分析

1. 1、電路結(jié)構(gòu)

對(duì)大多數(shù)的接收機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(如圖1) 來(lái)說(shuō)，由于本地振蕩信號(hào)通路與射頻信號(hào)通路之間通過(guò)寄生電容或者襯底等方式耦合，可能造成本地振蕩信號(hào)的泄漏。其中一條通路是本振( LO)信號(hào)泄漏到中頻( IF)輸出端，另一條通路是LO 信號(hào)不僅通過(guò)并聯(lián)電容耦合直接進(jìn)入混頻器，而且泄漏到LNA 的輸入端并被LNA 放大后進(jìn)入混頻器的輸入端，被放大的LO 泄漏信號(hào)和耦合的LO 信號(hào)一起注入到混頻器的輸入端并直接下變頻到IF，這就會(huì)造成零中頻接收機(jī)系統(tǒng)的直流偏移干擾有用信號(hào)。同時(shí)，直接泄漏到中頻端口的本振信號(hào)減小IF 信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。這種由耦合方式造成的效應(yīng)可以通過(guò)偶次諧波混頻器來(lái)改善。

圖1、一般接收機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為此，本文設(shè)計(jì)的混頻器采用了如圖2所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這個(gè)結(jié)構(gòu)中采用了本振倍頻電路和電流復(fù)用電路分別提高了端口的隔離度以及電路的轉(zhuǎn)換增益和線性度。由于LO 信號(hào)是差分輸入，在兩個(gè)差分管完全一致的情況下，在節(jié)點(diǎn)A 處將形成一個(gè)對(duì)交流信號(hào)的虛地點(diǎn)，即LO 信號(hào)在A 點(diǎn)短路，從而提高了混頻器的隔離度。同時(shí)，LO管使用短溝道管時(shí)，這種差分對(duì)管在節(jié)點(diǎn)A 處得到LO 倍頻信號(hào)，后面將會(huì)詳細(xì)分析。因此，RF信號(hào)與LO 信號(hào)的二次諧波信號(hào)進(jìn)行混頻且f IF = |fRF - 2fLO |。使用本振二次諧波的方法將不會(huì)產(chǎn)生LO 信號(hào)泄漏，同時(shí)LO 信號(hào)的頻率將是使用基波混頻器的一半，大大降低了本地振蕩器設(shè)計(jì)的難度。該結(jié)構(gòu)中電感LE 的使用，增大了進(jìn)入混頻的LO 信號(hào)二次諧波的幅度，有助增大線性度，也降低了噪聲系數(shù)，同時(shí)該電感作為推挽通路的增強(qiáng)，擴(kuò)展了電流復(fù)用電路的動(dòng)態(tài)范圍。該混頻器的中頻輸出端接源跟隨器做為輸出緩沖電路。

圖2、偶次諧波混頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1. 2、電流復(fù)用電路分析

射頻輸入端使用的電流復(fù)用結(jié)構(gòu)如圖2 中M_RFP1和M_RFN1以及M_RFP2和M_RFN2所示，兩路結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱(chēng)，該結(jié)構(gòu)的跨導(dǎo)為gm = gm p + gmn，其中g(shù)mp為晶體管M_RFP1和M_RFP2跨導(dǎo)，gm n為晶體管M_RFN1和M_RFN2的跨導(dǎo)。因此，采用電流復(fù)用結(jié)構(gòu)增大了跨導(dǎo)級(jí)的跨導(dǎo)，從而實(shí)現(xiàn)了混頻器的高增益性能。

根據(jù)溝道長(zhǎng)度效應(yīng)，跨導(dǎo)管電流表達(dá)式為：

（1）

這里，n 是跨導(dǎo)參數(shù)，v_in是輸入信號(hào)，!V = V_GS - V_t是過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓，n 是溝道長(zhǎng)度調(diào)制系數(shù)，V_t 是閾值電壓。根據(jù)( 1)式可得輸出電流：

（2）