吉爾伯特型CMOS零中頻混頻器的設(shè)計(jì)

張武龍，周少華

（1.永州市中醫(yī)院，湖南永州 425000；2.湖南工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410151）

吉爾伯特型CMOS零中頻混頻器的設(shè)計(jì)

張武龍1，周少華2

（1.永州市中醫(yī)院，湖南永州 425000；2.湖南工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410151）

利用動(dòng)態(tài)電流注入、共源節(jié)點(diǎn)諧振、改善2階線性度性能技術(shù)，應(yīng)用CMOS工藝，利用Candence設(shè)計(jì)了一款1.8 V電源電壓折疊式Gilbert型有源零中頻混頻器.電路仿真結(jié)果顯示，混頻器在1 MHz，100 k Hz，10 k Hz處的單邊帶噪聲系數(shù)為6.109，6.71，10.631 dB，頻率轉(zhuǎn)換的增益為11.389 dB，輸入的3階交調(diào)點(diǎn)為4.539 dBm.

吉爾伯特型混頻器；零中頻；CMOS工藝；設(shè)計(jì)

零中頻接收機(jī)工作時(shí)是將射頻直接轉(zhuǎn)換到基頻，即利用混頻器直接將有用信號(hào)下變頻到基帶，鏡像信號(hào)就是有用信號(hào)本身，降低了對(duì)混頻器鏡像抑制率的要求.早在20世紀(jì)90年代中期，科學(xué)家們就開(kāi)始了對(duì)零中頻接收機(jī)的研究，但由于零中頻接收機(jī)存在一系列問(wèn)題，影響了接收機(jī)的性能，到目前為止，采用零中頻接收機(jī)的接收機(jī)的實(shí)際產(chǎn)品還很少見(jiàn).阻礙零中頻接收機(jī)廣泛應(yīng)用的一個(gè)主要的問(wèn)題就是直流漂移，或稱(chēng)直流失調(diào).零中頻接收機(jī)中的下變頻器引入的直流漂移成分與有用信號(hào)直接疊加，造成干擾.且有用信號(hào)的幅度有時(shí)可能比它還小許多，故而會(huì)淹沒(méi)有用信號(hào)，從而使得后續(xù)信號(hào)處理電路模塊飽和而不能正常工作.

筆者通過(guò)討論零中頻混頻器直流漂移的影響因素，探索在其電路設(shè)計(jì)中減少直流漂移的技術(shù)手段，應(yīng)用CMOS工藝，設(shè)計(jì)一款1.8 V電源電壓零中頻Gilbert型有源混頻器，并進(jìn)行了仿真.

1 零中頻混頻器的設(shè)計(jì)方案

零中頻接收機(jī)的性能對(duì)直流漂移很敏感，造成直流漂移的因素主要有以下幾個(gè)方面：

（1）本地振蕩信號(hào)的泄漏.本地振蕩信號(hào)的泄漏引起的直流漂移是由于本地振蕩信號(hào)通路與射頻信號(hào)通路間可通過(guò)寄生電容或襯底等耦合，這些泄漏到射頻通路信號(hào)頻率與本振信號(hào)頻率相等，再經(jīng)下變頻混頻后轉(zhuǎn)變成直流信號(hào)，與有用信號(hào)疊加，干擾有用信號(hào)，并有使后面的電路出理模塊飽和的可能.本振信號(hào)還可能通過(guò)寄生電容等泄漏到天線并經(jīng)天線輻射出去，對(duì)其他通道的信號(hào)造成干擾，同時(shí)輻射出的信號(hào)經(jīng)反射后，有可能返回到天線，會(huì)在混頻器輸出端產(chǎn)生一隨時(shí)間而變化的直流漂移成分，更加重了本振信號(hào)泄漏對(duì)零中頻接收機(jī)性能的影響.

（2）射頻信號(hào)到本振電路的泄漏.射頻信號(hào)到本振電路的泄漏信號(hào)與射頻信號(hào)同頻.此射頻信號(hào)中既含有有用信號(hào)又包含有因接收環(huán)境而引起的各種干擾，經(jīng)下變頻后也轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷鞣至?，與有用信號(hào)直接疊加后對(duì)有用信號(hào)形成干擾，并可使后面的信號(hào)處理電路飽和而不能正常工作.

（3）1／f噪聲.通過(guò)研究可知，MOS管的1／f噪聲較大，它與1／f成正比.當(dāng)混頻器的中頻頻率較低時(shí)，1／f噪聲的影響常常不可以忽略.由于零中頻接收機(jī)的混頻器工作時(shí)混頻輸出的有用信號(hào)頻率較低，因此該類(lèi)接收機(jī)的性能很大程度地受1／f噪聲影響.如果混頻器開(kāi)關(guān)對(duì)的晶體管不匹配，驅(qū)動(dòng)級(jí)也會(huì)產(chǎn)生1／f噪聲，1／f噪聲會(huì)泄漏至輸出，出現(xiàn)直流失調(diào).

（4）接收機(jī)前端的偶數(shù)階非線性.［1］討論過(guò)線性度問(wèn)題便可知，將射頻信號(hào)經(jīng)非線性電路系統(tǒng)處理以后，它的直流項(xiàng)將由于2階非線性的作用而受到影響，并有一個(gè)低頻2階交調(diào)項(xiàng)出現(xiàn)，它們都疊加在有用信號(hào)上，引起直流漂移現(xiàn)象的產(chǎn)生.

因此在設(shè)計(jì)零中頻接收機(jī)的混頻器時(shí)，采用有源雙平衡混頻器即吉爾伯特型混頻器［2］（圖1）可以實(shí)現(xiàn)LO－IF高度的隔離.從分析泄漏、1／f噪聲和2階交調(diào)等在混頻器輸出產(chǎn)生低頻成分引起直流漂移的機(jī)制可知，開(kāi)關(guān)對(duì)共源節(jié)點(diǎn)的寄生電容大小、開(kāi)關(guān)管的理想化開(kāi)關(guān)近似程度以及開(kāi)關(guān)對(duì)中CMOS晶體管的匹配程度等，決定直流漂移的影響大小.而在設(shè)計(jì)工作時(shí)可以通過(guò)：（1）優(yōu)化寄生電容的版圖設(shè)計(jì)；（2）優(yōu)化本振信號(hào)幅度；（3）優(yōu)化開(kāi)關(guān)管尺寸；（4）對(duì)稱(chēng)性版圖設(shè)計(jì)（采用共心型設(shè)計(jì)）等方法和措施來(lái)減小泄漏、1／f噪聲和2階交調(diào)引入的直流失調(diào)［3］.為了降低混頻器的1／f噪聲及改善2階交調(diào)性能，科技人員提出了一些新的技術(shù)［4－5］.

如圖2所示，在開(kāi)關(guān)對(duì)源極注入一個(gè)大小固定的靜態(tài)偏置電流，通過(guò)減小開(kāi)關(guān)對(duì)流過(guò)的偏置電流也可以減小開(kāi)關(guān)對(duì)中的晶體管由于同時(shí)導(dǎo)通其晶體管的1／f噪聲產(chǎn)生的低頻輸出成分.

圖1 吉爾伯特型混頻器

圖2 靜態(tài)電流注入技術(shù)

圖3 動(dòng)態(tài)電流注入技術(shù)

圖4 共源節(jié)點(diǎn)諧振與2階線性度性能改善技術(shù)

考慮到靜態(tài)偏置電流源工作時(shí)會(huì)加入額外的白噪聲，且由驅(qū)動(dòng)級(jí)向開(kāi)關(guān)對(duì)看去的源阻抗會(huì)因此靜態(tài)偏置電流減小而增大，共源節(jié)點(diǎn)的寄生電容因而增大，對(duì)應(yīng)的解決方法是采用共源節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)電流注入法，即僅在開(kāi)關(guān)對(duì)晶體管接近同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，共源節(jié)點(diǎn)才開(kāi)始注入該電流，避免靜態(tài)偏置電流源工作時(shí)會(huì)加入額外的白噪聲而引起的問(wèn)題，電路如圖3所示.實(shí)驗(yàn)證明，采用這種技術(shù)可大大降低混頻器的1／f噪聲，卻對(duì)白噪聲性能幾乎沒(méi)有影響.圖4是共源節(jié)點(diǎn)諧振與2階線性度性能改善的電路.通過(guò)采取串聯(lián)電感Lsw在共源節(jié)點(diǎn)上的措施，用這個(gè)電感來(lái)吸收對(duì)寄生電容充放電的電流，減小寄生電容充放電過(guò)程中的電流對(duì)混頻器混頻工作過(guò)程的干擾.采取引入電容CFAT的措施，去掉2組開(kāi)關(guān)對(duì)之間的耦合.引入這個(gè)電容CFAT以后，電路中通過(guò)電感Lsw的電流就可直接流過(guò)CFAT，故而避免了由于失調(diào)電壓進(jìn)入開(kāi)關(guān)對(duì)晶體管，因2階非線性而引起的直流失調(diào).而且開(kāi)關(guān)對(duì)因高頻效應(yīng)而引入的白噪聲和1／f噪聲也因該LC濾波器的接入而減小，從而降低混頻器的噪聲.晶體管Mdeg和電容Cdeg并聯(lián)使混頻器有較高的3階交調(diào)性能和2階交調(diào)性能.

2 零中頻混頻器電路實(shí)現(xiàn)與仿真

考慮當(dāng)前的主流技術(shù)和設(shè)計(jì)成本，采用CMOS工藝，設(shè)計(jì)了一款1.8V電源電壓的零中頻Gilbert型有源雙平衡混頻器，電路原理如圖5所示.

圖5 零中頻Gilbert型有源混頻器電路原理圖

電路中的輸入級(jí)是一個(gè)共源共柵結(jié)構(gòu)，由MN1和MN2，MN3和MN4組成.采用這種共源共柵的結(jié)構(gòu)，是為了極大地隔離本振和射頻電路，使本振和射頻電路端口的泄漏減至最少.與前級(jí)相匹配的措施是用LS改變輸入阻抗來(lái)實(shí)現(xiàn).因開(kāi)關(guān)管共源節(jié)點(diǎn)的寄生電容的影響而引起的間接1／f噪聲以及線性度這類(lèi)問(wèn)題，利用Ld和開(kāi)關(guān)管共源節(jié)點(diǎn)寄生電容的諧振來(lái)解決.它們諧振于工作頻率，使得這個(gè)寄生電容被諧振掉了.另外，為減少NMOS管閃爍噪聲因子的影響，考慮PMOS管的閃爍噪聲因子比NMOS管的低很多，故采用4個(gè)PMOS管組成開(kāi)關(guān)級(jí)，這4個(gè)PMOS管是MP1，MP2，MP3，MP4，因此開(kāi)關(guān)管的1／f噪聲被大大減少了.因多晶硅電阻基本不引入閃爍噪聲，故采用多晶硅電阻為輸出級(jí).應(yīng)用中，輸出級(jí)外端加接1個(gè)負(fù)載電容便組成低通濾波網(wǎng)絡(luò)，各高階諧波成分得以濾除.

在電源電壓為1.8 V，本振信號(hào)輸入功率為3 d Bm的條件下，應(yīng)用Candence軟件、采用CMOS工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真，仿真結(jié)果顯示，混頻器在1 MHz，100 k Hz，10 k Hz處的單邊帶噪聲系數(shù)為6.109，6.71，10.631 dB；頻率轉(zhuǎn)換的增益為11.389 d B；輸入的3階交調(diào)點(diǎn)為4.539 d Bm.具體參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 零中頻Gilbert型有源混頻器參數(shù)

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)零中頻接收機(jī)混頻器的直流漂移的電路設(shè)計(jì)技術(shù)的分析，采用動(dòng)態(tài)電流注入、共源節(jié)點(diǎn)諧振、改善2階線性度性能技術(shù)，應(yīng)用CMOS工藝，利用Candence設(shè)計(jì)了一款1.8 V電源電壓折疊式Gilbert型有源混頻器的電路并進(jìn)行仿真.仿真結(jié)果顯示，混頻器在1 MHz，100 k Hz，10 k Hz處的單邊帶噪聲系數(shù)為6.109，6.71，10.631 d B；頻率轉(zhuǎn)換的增益為11.389 dB；輸入3階交調(diào)點(diǎn)為4.539 d Bm.結(jié)果表明，設(shè)計(jì)出的零中頻接收機(jī)混頻器可望得到實(shí)際應(yīng)用.

參考文獻(xiàn)：

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Design of CMOS Zero IF Mixer Based on Gilbertl

ZHANG Wu－long1，ZHOU Shao－h(huán)ua2
（1.Yongzhou Hospital of Traditional Chinese Medicine，Yongzhou 425000，Hunan China；2.Hunan Engineering Vocational Technical College，Changsha 410151，China）

The dynamic current injection，the common source node resonance，improved two order linearity performance technology，and CMOS technology being applied，an active folding Gilbert zero IF mixer with the supply voltage at 1.8 V was designed.The circuit simulation showed that at 1 MHz，the SSB noise figure of the mixer was 6.109 d B；at 100 k Hz，the SSBNF was 6.71 d B；and at 10 k Hz，10.631 dB.Frequency conversion gain was 11.389 dB；input three order intermodulation point was 4.539 dBm.

Gilbert mixer；zero IF；CMOS process；design

book=76,ebook=150

TN33

A

10.3969／j.issn.1007－2985.2012.04.017

（責(zé)任編輯 陳炳權(quán)）

1007－2985（2012）04－0076－04

2012－04－25

湖南省科技廳科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（2011FJ4172）；湖南省教育廳科學(xué)研究資助項(xiàng)目（10C0109）

張武龍（1972－），男，湖南東安人，湖南省永州市中醫(yī)院技師，主要從事電子電路設(shè)計(jì)與檢測(cè)研究；周少華

（1963－），男，湖南祁陽(yáng)人，湖南工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，碩士，主要從事微電子器件及系統(tǒng)電路研究.