專(zhuān)利名稱(chēng)：混頻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于射頻集成電路領(lǐng)域，涉及一種混頻器，具體為一種超低功耗、高線 性度、低噪聲的混頻器。
背景技術(shù)：
快速增長(zhǎng)的無(wú)線通信市場(chǎng)使得無(wú)線通信技術(shù)向著低成本、低功耗、高集成度的方 向發(fā)展，其中功耗問(wèn)題尤為突出，在進(jìn)入0. 13 μ m、90nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)后，單位面積上的功耗密 度急劇上升，因此，功耗已經(jīng)成為集成電路中繼傳統(tǒng)兩個(gè)要素一速度、面積后的又一個(gè)關(guān) 鍵要素。然而低功耗的要求勢(shì)必對(duì)電路設(shè)計(jì)提出了更多的挑戰(zhàn)。比如，許多收發(fā)機(jī)的應(yīng)用 決定我們?cè)O(shè)計(jì)的芯片必須具備超低功耗的要求，但是，在集成電路設(shè)計(jì)中，低功耗的設(shè)計(jì)和 芯片的性能是往往是一對(duì)折衷，例如在混頻器中，其噪聲系數(shù)、增益的優(yōu)化與功耗的要求往 往是一對(duì)矛盾。因此，在集成電路芯片設(shè)計(jì)中，需要始終把超低功耗作為 重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)來(lái) 考量，在確保系統(tǒng)性能的前提下實(shí)現(xiàn)超低功耗的要求。混頻器(Mixer)是無(wú)線通信系統(tǒng)射頻接收機(jī)前端的關(guān)鍵模塊，在接收并下變頻信 號(hào)的過(guò)程中起著關(guān)鍵性的作用。不同的接收機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)，包括外差結(jié)構(gòu)、直接下變頻結(jié)構(gòu)、 低中頻結(jié)構(gòu)等都需要一個(gè)能將射頻(RF)頻率下變頻到基帶中頻(IF)頻率的電路模塊，這 一關(guān)鍵電路模塊的功能由混頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此混頻器的增益、噪聲、線性度等都將直接影響 著整個(gè)接收機(jī)的性能。圖1為現(xiàn)有技術(shù)中一種常用混頻器的電路結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示，其工作原理為射 頻端的射頻信號(hào)經(jīng)NMOS晶體管M4送至開(kāi)關(guān)管M2與M3，開(kāi)關(guān)管M2與M3將射頻信號(hào)與本征 頻率信號(hào)(L0_P與L0_N)混頻后輸出中頻信號(hào)(IF_N與IF_P)。然而，由于上述混頻器如果需要達(dá)到較高的增益，勢(shì)必導(dǎo)致其功耗較高，不利于低 功耗的集成電路設(shè)計(jì)，并且一個(gè)高性能的混頻器不僅需要具有足夠好的轉(zhuǎn)換增益，使得信 號(hào)在下變頻的過(guò)程中同時(shí)被有效放大，而且需要具備足夠低的噪聲和線性度，使得混頻器 對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有著優(yōu)越的性能貢獻(xiàn)，因此如何設(shè)計(jì)低功耗且具有更高線性度與更低噪聲的混 頻器成為目前亟待解決的問(wèn)題。

實(shí)用新型內(nèi)容為克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的混頻器功耗較高的問(wèn)題，本實(shí)用新型的主要目的在于 提供一種低功耗混頻器，其通過(guò)使上級(jí)預(yù)放大器與下級(jí)混頻器共用電源，可以在較低功耗 下實(shí)現(xiàn)更大的增益，且本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了更低噪聲與更高線性度的目的。為達(dá)上述及其它目的，本實(shí)用新型一種混頻器，至少包含混頻器主電路，采用上下級(jí)級(jí)聯(lián)的兩級(jí)混頻器結(jié)構(gòu)，包含連接一電源的上級(jí)預(yù)放 大器與下級(jí)混頻器，該上級(jí)預(yù)放大器為上級(jí)結(jié)構(gòu)，用于對(duì)射頻端輸入的射頻信號(hào)進(jìn)行放大 后輸出至該下級(jí)混頻器，該下級(jí)混頻器為下級(jí)結(jié)構(gòu)，用于接收放大后的該射頻信號(hào)，并將其 與本征頻率信號(hào)進(jìn)行混頻，轉(zhuǎn)換成雙端差分信號(hào)。[0009]進(jìn)一步地，本實(shí)用新型混頻器還包括一中頻放大電路，其具有兩個(gè)輸入端和兩個(gè) 輸出端，用于接收該雙端差分信號(hào)進(jìn)行第二次放大，輸出雙端的中頻信號(hào)。進(jìn)一步地，該兩級(jí)混頻器結(jié)構(gòu)為電流復(fù)用的上下級(jí)級(jí)聯(lián)的兩級(jí)混頻器結(jié)構(gòu)。該上級(jí)預(yù)放大器與該下級(jí)混頻器的連接點(diǎn)為虛地點(diǎn)。該上級(jí)預(yù)放大器進(jìn)一步包括漏極相接的PMOS晶體管與第一 NMOS晶體管，該P(yáng)MOS 晶體管源極接電源，該第一 NMOS晶體管柵極連接該射頻端，源極與該下級(jí)混頻器連接。進(jìn)一步地，該P(yáng)MOS晶體管與該第一 NMOS晶體管的連接點(diǎn)通過(guò)一交流耦合電容連 接至該下級(jí)混頻器。
進(jìn)一步地，該下級(jí)混頻器為單端轉(zhuǎn)雙端的吉爾伯特混頻器。進(jìn)一步地，該下級(jí)混頻器進(jìn)一步包括第二 NMOS晶體管、第一開(kāi)關(guān)管以及第二開(kāi)關(guān) 管，該第二 NMOS晶體管柵極與該交流耦合電容相接以接收放大后的該射頻信號(hào)，并通過(guò)漏 極輸出至該第一開(kāi)關(guān)管與該第二開(kāi)關(guān)管，該第一開(kāi)關(guān)管與第二開(kāi)關(guān)管分別連接該本征頻率 信號(hào)與該中頻放大電路的兩個(gè)輸入端，用于將該本征信號(hào)與放大后的射頻信號(hào)進(jìn)行混頻后 形成該雙端差分信號(hào)輸出至該中頻放大電路。進(jìn)一步地，該第一開(kāi)關(guān)管與該第二開(kāi)關(guān)管為NMOS晶體管，其漏極分別通過(guò)一負(fù)載 連接至該上級(jí)預(yù)放大器，該第一開(kāi)關(guān)管與該第二開(kāi)關(guān)管的柵極分別接該本征頻率信號(hào)，漏 極還連接至該中頻放大電路的兩輸入端。進(jìn)一步地，該第一 NMOS晶體管、該第一開(kāi)關(guān)管以及該第二開(kāi)關(guān)管均采用自偏置結(jié) 構(gòu)。進(jìn)一步地，該中頻放大電路為一運(yùn)算放大器，該運(yùn)算放大器正輸入端接該第一開(kāi) 關(guān)管漏極，負(fù)輸入端接該第二開(kāi)關(guān)管的漏極。進(jìn)一步地，該第一開(kāi)關(guān)管與該第二開(kāi)關(guān)管的源極之間設(shè)置串連的第六電阻與第七 電阻，該第六電阻與該第七電阻的連接點(diǎn)接至該第二 NMOS晶體管漏極。進(jìn)一步地，該上級(jí)預(yù)放大器與該下級(jí)混頻器的連接點(diǎn)還連接一電容。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型一種混頻器，其通過(guò)采用上下級(jí)聯(lián)的兩級(jí)電流復(fù)用 結(jié)構(gòu)，達(dá)到了在較低功耗下實(shí)現(xiàn)更大增益的目的，并且，本實(shí)用新型通過(guò)預(yù)放大器提高了混 頻器的增益，并減小了下級(jí)混頻器及后級(jí)電路的噪聲，實(shí)現(xiàn)了更低噪聲設(shè)計(jì)，而且該預(yù)放大 器不需要消耗額外的電流，大幅節(jié)省了功耗，同時(shí)本實(shí)用新型通過(guò)引入兩個(gè)源簡(jiǎn)并電阻，達(dá) 到了在不增加電路功耗的前提下提高混頻器線性度的目的。

圖1為現(xiàn)有技術(shù)混頻器的電路結(jié)構(gòu)圖；圖2為本實(shí)用新型混頻器較佳實(shí)施例的電路圖；圖3為本實(shí)用新型混頻器包括中頻放大電路的電路圖；圖4為本實(shí)用新型混頻器電路版圖。
具體實(shí)施方式
以下通過(guò)特定的具體實(shí)例并結(jié)合附圖說(shuō)明本實(shí)用新型的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人 員可由本說(shuō)明書(shū)所揭示的內(nèi)容輕易地了解本實(shí)用新型的其它優(yōu)點(diǎn)與功效。本實(shí)用新型亦可 通過(guò)其它不同的具體實(shí)例加以施行或應(yīng)用，本說(shuō)明書(shū)中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)亦可基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在不背離本實(shí)用新型的精神下進(jìn)行各種修飾與變更。圖2為本實(shí)用新型混頻器較佳實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)圖。如圖1所示，本實(shí)用新型一種 混頻器，至少包括混頻器主電路21，其中，混頻器主電路21在電流復(fù)用基礎(chǔ)上采用上下級(jí) 聯(lián)的兩級(jí)混頻器結(jié)構(gòu)，其上級(jí)結(jié)構(gòu)為一連接電源的上級(jí)預(yù)放大器23，下級(jí)結(jié)構(gòu)為下級(jí)混頻 器24，其中上級(jí)預(yù)放大器23與下級(jí)混頻器24共用該電源，上級(jí)預(yù)放大器23用于對(duì)射頻端 輸入的射頻信號(hào)RF_IN進(jìn)行放大，并將放大后的射頻信號(hào)輸出至下級(jí)混頻器24，下頻混合 器24用于將經(jīng)上級(jí)預(yù)放大器23放大后的射頻信號(hào)與其接收的本征頻率信號(hào)進(jìn)行混頻，并 完成單端轉(zhuǎn)換雙端的操作，同時(shí)將轉(zhuǎn)換成雙端的雙端差分信號(hào)(混頻信號(hào))輸出。當(dāng)然，為 使本實(shí)用新型混頻器具備更加好的線性度，本實(shí)用新型混頻器還可包括中頻放大電路22， 如圖3所示，中頻放大電路22具有兩個(gè)輸入端與兩個(gè)輸出端，用于接收雙端差分信號(hào)將雙 端的混頻信號(hào)進(jìn)行第二次放大，并輸出中頻輸出信號(hào)，以保證增益性能及提高線性度。
請(qǐng)繼續(xù)參照?qǐng)D2及圖3，在本實(shí)用新型較佳實(shí)施例中，上級(jí)預(yù)放大器23包括漏極 相接的PMOS晶體管M2與第一 NMOS晶體管M1，其中PMOS晶體管M2，源極接電源，柵極接恒 定電壓源，第一 NMOS晶體管Ml采用自偏置結(jié)構(gòu)，其柵極與漏極間接第一電阻R1，并且，Ml 的柵極連接射頻端以接收輸入的射頻信號(hào)RF_IN，第一 NMOS晶體管Ml的源極與下級(jí)混頻 器24連接，其與下級(jí)混頻器24的連接點(diǎn)P為一虛地點(diǎn)，通過(guò)該虛地點(diǎn)本實(shí)用新型混頻器巧 妙實(shí)現(xiàn)了電流復(fù)用，最大限度地利用了混頻器的電流和功耗，當(dāng)然，為保證虛地端的效果， 連接點(diǎn)P可以選擇性地接芯片外部大電容，如通過(guò)一電容Cp接地。PMOS晶體管M2與第一 NMOS晶體管Ml的連接點(diǎn)通過(guò)一交流耦合電容Cl與下級(jí)混頻器24連接，以把經(jīng)上級(jí)預(yù)放大 器23放大后的射頻信號(hào)傳遞給下級(jí)混頻器24的輸入端，上級(jí)預(yù)放大器23不僅可以提高本 實(shí)用新型混頻器的增益，而且可以遏制下級(jí)混頻器24的噪聲；下級(jí)混頻器24采用單端轉(zhuǎn)雙 端的吉爾伯特混頻器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，其進(jìn)一步包括第二 NMOS晶體管M5、第一開(kāi)關(guān)管M3以及第 二開(kāi)關(guān)管M4，其中第二 NMOS晶體管M5柵極接交流耦合電容Cl以接收放大后的射頻信號(hào)， M5源極接地，漏極與第一開(kāi)關(guān)管M3與第二開(kāi)關(guān)管M4連接，以將放大后的射頻信號(hào)輸至第一 開(kāi)關(guān)管M3與第二開(kāi)關(guān)管M4，第一開(kāi)關(guān)管M3與第二開(kāi)關(guān)管M4均為NMOS晶體管，其漏極分別 通過(guò)第二電阻R2(負(fù)載)與第三電阻R3(負(fù)載)連接至連接點(diǎn)P，第一開(kāi)關(guān)管M3與第二開(kāi) 關(guān)管M4均采用自偏置結(jié)構(gòu)自己供給直流偏置點(diǎn)，具體來(lái)說(shuō)，第一開(kāi)關(guān)管M3的漏極與柵極間 通過(guò)第四電阻R4連接，第二開(kāi)關(guān)管M4的漏極與柵極間通過(guò)第五電阻R5連接，第一開(kāi)關(guān)管 M3與第二開(kāi)關(guān)管M4的柵極分別連接正本征頻率信號(hào)L0_P與負(fù)本征頻率信號(hào)L0_N，第一開(kāi) 關(guān)管M3與第二開(kāi)關(guān)管M4將本征頻率信號(hào)與放大后的射頻信號(hào)進(jìn)行混頻，并通過(guò)第一開(kāi)關(guān) 管M3與第二開(kāi)關(guān)管M4的漏極向中頻放大電路22提供雙端差分信號(hào)(混頻信號(hào))；中頻放 大電路22由雙端輸入雙端輸出的運(yùn)算放大器組成，較佳的，該運(yùn)算放大器為超低功耗運(yùn)算 放大器，其正輸入端連接第一開(kāi)關(guān)管M3漏極，負(fù)輸入端連接該第二開(kāi)關(guān)管M4的漏極，用于 對(duì)下變頻后的雙端差分信號(hào)進(jìn)行第二次放大后輸出中頻信號(hào)(正輸出端輸出正的中頻信 號(hào)IF_P，負(fù)輸出端輸出負(fù)的中頻信號(hào)IF_N)，以保證增益性能，同時(shí)提高線性度。為提高本實(shí)用新型混頻器的線性度，下級(jí)混頻器24的第一開(kāi)關(guān)管M3與第二開(kāi)關(guān) 管M4的源極之間還可設(shè)置串聯(lián)的第六電阻R6與第七電阻R7，第六電阻R6與第七電阻R7 的連接點(diǎn)連接至第二 NMOS晶體管M5的漏極，引入這兩個(gè)源簡(jiǎn)并電阻的目的是提高混頻器 的線性度，從而保證混頻器的高線性度。[0031]圖4為本實(shí)用新型混頻器電路版圖。為了確保信號(hào)的增益不受信號(hào)通路上寄生 的影響而損失，需要仔細(xì)地規(guī)劃混頻器的布局，確保整個(gè)信號(hào)通路引入最小的寄生。此 夕卜，在混頻器版圖的周?chē)捎昧?G-D-G保護(hù)環(huán)以節(jié)省面積。整個(gè)混頻器版圖的面積為 205ymX285ym(不包括保護(hù)環(huán))。本實(shí)用新 型對(duì)上述混頻器進(jìn)行了版圖寄生提取后仿真，本實(shí)用新型混頻器主電路 只消耗非常少的電流，為0. 18mA。一般來(lái)說(shuō)，如此小的電流消耗很難實(shí)現(xiàn)混頻器應(yīng)有的性 能，但是，對(duì)于本實(shí)用新型混頻器主電路來(lái)說(shuō)，其增益為14. ldB，噪聲系數(shù)為26. 5dB，而且 線性度PldB可以超過(guò)-20dBm，達(dá)到了較高的性能要求。由此看出，本實(shí)用新型混頻器能夠 在確保超低功耗的前提下，提高混頻器的增益、并且降低其噪聲系數(shù)、提高線性度。綜上所述，本實(shí)用新型混頻器具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，本實(shí)用新型混頻器基本單元為由混頻器主電路和中頻放大電 路構(gòu)成，電路原理清晰明了 ；(2)超低功耗設(shè)計(jì)，本實(shí)用新型由于采用上下級(jí)聯(lián)的兩級(jí)電流復(fù)用結(jié)構(gòu)，兩級(jí)共用 電流，因此可以在較低的功耗下實(shí)現(xiàn)更大的增益；(3)低噪聲設(shè)計(jì)，本實(shí)用新型通過(guò)上級(jí)預(yù)放大器提高了混頻器的增益，而且其提供 的增益減小了下級(jí)混頻器及后級(jí)電路的噪聲，因此整個(gè)混頻器電路的等效輸入噪聲較小， 有效實(shí)現(xiàn)混頻器的低噪聲設(shè)計(jì)；(4)高線性度設(shè)計(jì)，本實(shí)用新型混頻器引入兩個(gè)源簡(jiǎn)并電阻可以在不增加電路功 耗的前提下，提高混頻器的線性度；(5)對(duì)后級(jí)電路噪聲的抑制效果，中頻放大電路由超低功耗運(yùn)算放大器組成，在進(jìn) 一步提高整個(gè)混頻器電路增益的同時(shí)，遏制了混頻器后級(jí)電路的噪聲，而且可以對(duì)下變頻 信號(hào)進(jìn)一步放大，從而保證增益性能、同時(shí)提高線性度；(6)本實(shí)用新型還可在上下兩級(jí)的連接點(diǎn)P處使用了芯片外部大電容，這樣可以 減小上下兩級(jí)電路之間的干擾。上述實(shí)施例僅例示性說(shuō)明本實(shí)用新型的原理及其功效，而非用于限制本實(shí)用新 型。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員均可在不違背本實(shí)用新型的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修 飾與改變。因此，本實(shí)用新型的權(quán)利保護(hù)范圍，應(yīng)如權(quán)利要求書(shū)所列。
權(quán)利要求1.一種混頻器，其特征在于，至少包含混頻器主電路，采用上下級(jí)級(jí)聯(lián)的兩級(jí)混頻器結(jié)構(gòu)，包含連接一電源的上級(jí)預(yù)放大器 與下級(jí)混頻器，該上級(jí)預(yù)放大器為上級(jí)結(jié)構(gòu)，用于對(duì)射頻端輸入的射頻信號(hào)進(jìn)行放大后輸 出至該下級(jí)混頻器，該下級(jí)混頻器為下級(jí)結(jié)構(gòu)，用于接收放大后的該射頻信號(hào)，并將其與本 征頻率信號(hào)進(jìn)行混頻，轉(zhuǎn)換成雙端差分信號(hào)輸出。
2.如權(quán)利要求1所述的混頻器，其特征在于該混頻器還包括一中頻放大電路，其具有 兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，用于接收該雙端差分信號(hào)進(jìn)行第二次放大，輸出雙端的中頻信 號(hào)。
3.如權(quán)利要求2所述的混頻器，其特征在于該兩級(jí)混頻器結(jié)構(gòu)為電流復(fù)用的上下級(jí) 級(jí)聯(lián)的兩級(jí)混頻器結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求3所述的混頻器，其特征在于該上級(jí)預(yù)放大器與該下級(jí)混頻器的連接 點(diǎn)為虛地點(diǎn)。
5.如權(quán)利要求4所述的混頻器，其特征在于，該上級(jí)預(yù)放大器進(jìn)一步包括漏極相接的 PMOS晶體管與第一 NMOS晶體管，該P(yáng)MOS晶體管源極接該電源，該第一 NMOS晶體管柵極連 接該射頻端，源極與該下級(jí)混頻器連接。
6.如權(quán)利要求5所述的混頻器，其特征在于，該P(yáng)MOS晶體管與該第一NMOS晶體管的連 接點(diǎn)通過(guò)一交流耦合電容連接至該下級(jí)混頻器。
7.如權(quán)利要求5或6所述的混頻器，其特征在于，該下級(jí)混頻器為單端轉(zhuǎn)雙端的吉爾伯 特混頻器。
8.如權(quán)利要求7所述的混頻器，其特征在于，該下級(jí)混頻器進(jìn)一步包括第二NMOS晶體 管、第一開(kāi)關(guān)管以及第二開(kāi)關(guān)管，該第二 NMOS晶體管柵極與該交流耦合電容相接以接收放 大后的該射頻信號(hào)，并通過(guò)漏極輸出至該第一開(kāi)關(guān)管與該第二開(kāi)關(guān)管，該第一開(kāi)關(guān)管與第 二開(kāi)關(guān)管分別連接該本征頻率信號(hào)與該中頻放大電路的兩個(gè)輸入端，用于將該本征信號(hào)與 放大后的射頻信號(hào)進(jìn)行混頻后形成該雙端差分信號(hào)輸出至該中頻放大電路。
9.如權(quán)利要求8所述的混頻器，其特征在于，該第一開(kāi)關(guān)管與該第二開(kāi)關(guān)管為NMOS晶 體管，其漏極分別通過(guò)一負(fù)載連接至該上級(jí)預(yù)放大器，該第一開(kāi)關(guān)管與該第二開(kāi)關(guān)管的柵 極分別接該本征頻率信號(hào)，漏極還連接至該中頻放大電路的兩輸入端。
10.如權(quán)利要求9所述的混頻器，其特征在于，該第一NMOS晶體管、該第一開(kāi)關(guān)管以及 該第二開(kāi)關(guān)管均采用自偏置結(jié)構(gòu)。
11.如權(quán)利要求10所述的混頻器，其特征在于，該中頻放大電路為一運(yùn)算放大器，該運(yùn) 算放大器正輸入端接該第一開(kāi)關(guān)管漏極，負(fù)輸入端接該第二開(kāi)關(guān)管的漏極。
12.如權(quán)利要求11所述的混頻器，其特征在于，該第一開(kāi)關(guān)管與該第二開(kāi)關(guān)管的源極 之間設(shè)置串連的第六電阻與第七電阻，該第六電阻與該第七電阻的連接點(diǎn)接至該第二 NMOS 晶體管漏極。
13.如權(quán)利要求12所述的混頻器，其特征在于，該上級(jí)預(yù)放大器與該下級(jí)混頻器的連 接點(diǎn)還連接一電容。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種混頻器，至少包括混頻器主電路，其中混頻器主電路在電流復(fù)用基礎(chǔ)上采用上下級(jí)級(jí)聯(lián)的兩級(jí)混頻器結(jié)構(gòu)，本實(shí)用新型的混頻器主電路由于采用了電流復(fù)用方法，使上下兩級(jí)共用一個(gè)電流，因此在相同的功耗下能夠提供更大的增益和更小的噪聲，本實(shí)用新型還通過(guò)一中頻放大電路對(duì)下變頻后的信號(hào)進(jìn)行第二次放大，以保證增益性能，同時(shí)提高線性度。
文檔編號(hào)H03D7/14GK201898478SQ20102054849
公開(kāi)日2011年7月13日 申請(qǐng)日期2010年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月29日
發(fā)明者何波, 李琛, 王勇, 皮常明 申請(qǐng)人:上海集成電路研發(fā)中心有限公司