一种适用于低电源电压下工作的折叠混频器
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2021-01-12
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一种适用于低电源电压下工作的折叠混频器一种适用于低电源电压下工作的折叠混频器
目前，无线通信设备正朝着低电压、低功耗、低噪声和高线性度的趋势发展。混频器作为收发机中的关键模块
之一，对通信设备的上述性能产生直接的影响。随着微电子工艺的发展， CMOS器件的栅长进一步缩小，MOS
器件的过驱动电压也进一步降低，这就为设计低压低功耗的射频电路提供了可能，但是依靠减小MOS器件的栅
长降低工作电压是有限的。因此，电路设计者把更多的注意力集中到电路拓扑结构上，使设计具有低压结构的
射频电路成为了热门课题。传统的Gilbert混频器由跨导级、开关级、负载级堆叠组成，其结构自下而上分别为
跨导级、开关级、负载级。这种结构中，所有的直流电流都流经跨导级、开关级和负载级，跨导级与开关级电
路都需要
目前，无线通信设备正朝着低电压、低功耗、低噪声和高线性度的趋势发展。混频器作为收发机中的关键模块之一，对通
信设备的上述性能产生直接的影响。随着微电子工艺的发展， CMOS器件的栅长进一步缩小，MOS器件的过驱动电压也进一
步降低，这就为设计低压低功耗的射频电路提供了可能，但是依靠减小MOS器件的栅长降低工作电压是有限的。因此，电路
设计者把更多的注意力集中到电路拓扑结构上，使设计具有低压结构的射频电路成为了热门课题。
传统的Gilbert混频器由跨导级、开关级、负载级堆叠组成，其结构自下而上分别为跨导级、开关级、负载级。这种结构
中，所有的直流电流都流经跨导级、开关级和负载级，跨导级与开关级电路都需要一个开启电压(VON ) ，负载级也会有一定
的电压降(VRL ) ， 因此， 电源电压的值Vdd，min = 2Von +VRL。如果采用低电源电压，这种结构不能保证所有的管子都工
作在饱和区。也就是说， Gilbert混频器不能满足低电压的要求， 需要对其做出改进， 如:文献[2 - 3 ]提出省去尾电流管来减小
电源电压，文献[ 4 - 11 ]用折叠结构代替堆叠结构来解决上述问题。
文献[ 8 ]给出了折叠结构和堆叠结构的比较，折叠结构增加了两个射频中断电路和一个耦合电容。这样对直流通道来说，
跨导级与开关级、负载级的直流电路分开，两条支路相互独立，互不影响。电源电压只需提供相当于一个开启电压(Von )的值
就能使跨导管与开关管都工作在各自的饱和区， 即电源电压的值Vdd，min = Von + VRL 。达到了低电源电压的目的。但是，
射频中断电路一般用LC 谐振网络实现，电感的使用增加了电路的版图面积和噪声。本文设计了一种新的折叠结构混频器，电
路不使用具有大电感的LC谐振电路，工作于1. 2 V 电压时，得到了低电压、低功耗、低噪声和高线性度的性能。
1 电路设计与分析 电路设计与分析
1. 1 电路拓扑结构 电路拓扑结构
本文设计的折叠混频器拓扑结构如图1所示，M1 ～M4 为跨导级，M5 ～M8 为开关级， RL 为负载电阻。RF输入端接匹
配网络， IF输出端接源跟随器作为输出缓冲电路( buffer) 。
图1 交流耦合折叠混频器拓扑结构
该折叠混频器电路的跨导级采用电流复用技术，由NMOS管(M1、M2 ) 、PMOS管(M3、M4 )和隔直电容Cd 组成交流耦
合互补跨导结构。跨导级的输出端(A、A′点)与开关管的源极相连。跨导级直接接于电源电压，使得跨导管M1 和M2 的直流电
流由两部分组成，一部分来自M3 和M4 ，另一部分来自开关管和负载电阻，达到了低电源电压的目的。
由于流经开关级与负载级的电流很小，这样一方面使得开关管产生的闪烁噪声减小，另一方面负载电阻RL 值可以适当加
大，从而提高了混频器的转换增益。所以该电路既满足了低电压的要求，又能保证混频器在低电源电压下有良好的性能。
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