專利名稱：一種改進(jìn)型雙吉爾伯特結(jié)構(gòu)射頻正交上混頻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于射頻集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種工作于1. 95GHz的鍺化 硅雙極-互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(SiGe BiCMOS)改進(jìn)型雙吉爾伯特結(jié)構(gòu)射頻正交上混頻
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背景技術(shù)：
近年來隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，無線局域網(wǎng)、藍(lán)牙、CDMA等無線通信得到了迅猛的發(fā) 展，CMOS工藝的射頻收發(fā)器的單片集成長時(shí)間成為發(fā)展的熱點(diǎn)。而現(xiàn)在不斷增長的低功耗、 低噪聲和低成本給無線通信設(shè)計(jì)提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)。采用SiGe BiCMOS工藝設(shè)計(jì)和制作射 頻芯片(RFIC)(給出中文)是當(dāng)今國際集成電路的研究熱點(diǎn)之一，來自不同國家和地區(qū)的 研究人員在鍺化硅射頻芯片(SiGe RFIC)方面做了大量而深入的工作。與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝相比，SiGe BiCMOS工藝結(jié)合了雙極型器件 (Biploar)和CMOS工藝的優(yōu)點(diǎn)，具有更高的特征頻率、噪聲系數(shù)低、頻率特性好、成本低、集 成度高而且還可以與硅(Si)工藝兼容。因此此種工藝特別適用于射頻收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)中。一般射頻發(fā)射機(jī)上混頻器性能的主要參數(shù)有噪聲、功耗、轉(zhuǎn)換增益、線性度以及 輸出匹配等。這些性能參數(shù)之間是相互影響的，因此如何尋求一個(gè)較好的折衷方案來提高 混頻器各項(xiàng)性能參數(shù)成為設(shè)計(jì)的主要難點(diǎn)。附圖1所示的是傳統(tǒng)的雙平衡吉爾伯特混頻 器，這種結(jié)構(gòu)是一種被廣泛采用的混頻器電路結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)端口間隔離度較高，轉(zhuǎn)換增 益、噪聲相對較低。但是在實(shí)際射頻發(fā)射端應(yīng)用中，如果使得上混頻器的增益足夠高，可以 大大降低下級功率放大器的壓力，但是在上混頻器增益高的情況下，線性度通常又會出現(xiàn) 無法達(dá)到理想值的情形。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種鍺化硅雙極-互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(SiGe BiCMOS)改 進(jìn)型雙吉爾伯特結(jié)構(gòu)射頻正交上混頻器，該混頻器結(jié)合了 Bipolar器件和CMOS器件兩者的 特點(diǎn)，在CMOS工藝結(jié)構(gòu)提供的直流電壓下能夠獲取更高的轉(zhuǎn)換增益和線性度。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采取電流注入方式，在跨導(dǎo)級的集電極即開關(guān)管 的發(fā)射極處連接由PMOS構(gòu)成的電流源，用來抽取跨導(dǎo)級提供給開關(guān)管的電流，從而提高上 混頻器的轉(zhuǎn)換增益。同時(shí)將上混頻器的跨導(dǎo)級采取基于多雙曲正切(multi-tanh)的多跨 導(dǎo)級并聯(lián)技術(shù)，將單跨導(dǎo)級的跨導(dǎo)(gm)隨輸入信號電壓的變化盡量平坦化，從而提高線性 度。本發(fā)明的具體技術(shù)方案是一種改進(jìn)型雙吉爾伯特結(jié)構(gòu)射頻正交上混頻器，該混頻器包括1支路I-Branch， Q支路Q-Branch，電源端VDD，地線端GND，I支路差分正相基帶信號輸入端INI1，I支路差 分負(fù)相基帶信號輸入端INI2，Q支路差分正相基帶信號輸入端INQ1，Q支路差分負(fù)相基帶信 號輸入端INQ2，第一偏置電壓輸入端BIASl，第二偏置電壓輸入端BIAS2，第三偏置電壓輸
4入端BIAS3，零相位本地振蕩信號輸入端LOO，90度相位本地振蕩信號輸入端L090，180度相 位本地振蕩信號輸入端L0180，270度相位本地振蕩信號輸入端L0270，差分輸出端OUTl和 0UT2，第一晶體管Q1，第二晶體管Q2，第一電阻R1，第二電阻R2，第十九電阻R19，第二十電 阻R20，第一MOS管M1，第二MOS管M2，第三MOS管M3及第四MOS管M4，其中I支路I-Branch 和Q支路Q-Branch信號為正交信號，具體連接方式為1支路I-Branch與Q支路Q-Branch 完全相同且對稱設(shè)置，第一晶體管Ql和第二晶體管Q2的發(fā)射極與地線端GND連接，第一晶 體管Ql的集電極與I支路I-Branch連接；第二晶體管Q2的集電極與Q支路Q-Branch連 接；第一 MOS管Ml的柵極、第二 MOS管M2的柵極、第三MOS管M3的柵極和第四MOS管M4 的柵極與第一偏置電壓輸入端BIASl連接，第一 MOS管Ml的漏極、第二 MOS管M2的漏極、 第三MOS管M3的漏極和第四MOS管M4的漏極與電源端VDD連接；第一 MOS管Ml、第二 MOS 管M2的源極通過PMOSl、PM0S2端與I支路I-Branch連接；第三MOS管M3、第四MOS管M4 的源極通過PM0S3、PM0S4端與Q支路Q-Branch連接；第一電阻Rl跨接在電源端VDD與差 分輸出端OUTl之間，第二電阻R2跨接在電源端VDD與差分輸出端0UT2 ；第十九電阻R19跨 接于第一晶體管Ql的基極與第三偏置電壓輸入端BIAS3之間，第二十電阻R20跨接于第二 晶體管Q2的基極與第三偏置電壓輸入端BIAS3之間； 其中I支路I-Branch具體電路包括第三晶體管Q3，第四晶體管Q4，第五晶體管 Q5，第六晶體管Q6，第七晶體管Q7，第八晶體管Q8，第十五晶體管Q15，第十六晶體管Q16，第 十七晶體管Q17，第十八晶體管Q18，第三電阻R3，第四電阻R4，第九電阻R9，第十電阻R10， 第i^一電阻R11，第十二電阻R12，第一電容Cl，第二電容C2，第五電容C5，第六電容C6，第 一偏置電壓輸入端BIASl，第二偏置電壓輸入端BIAS2，差分正相基帶信號輸入端INI1，差 分負(fù)相基帶信號輸入端INI2，零相位本地振蕩信號輸入端L00，180度相位本地振蕩信號輸 入端L0180，差分輸出端OUTl和0UT2，具體連接方式為第三晶體管Q3的集電極與第五晶 體管Q5、第七晶體管Q7的集電極以及第十五晶體管Q15、第十六晶體管Q16的發(fā)射極連接； 第四晶體管Q4的集電極與第十七晶體管Q17、第十八晶體管Q18的發(fā)射極以及第六晶體管 Q6、第八晶體管Q8的集電極連接；第十五晶體管Q15的基極與第十八晶體管Q18的基極連 接、集電極與差分輸出端OUTl連接；第十六晶體管Q16的基極與第十七晶體管Q17的基極 連接、集電極與差分輸出端0UT2連接；第十七晶體管Q17的集電極與差分輸出端OUTl連 接；第十八晶體管Q18的集電極與差分輸出端0UT2連接；第三電阻R3跨接于第十五晶體管 Q15的基極與第一偏置電壓輸入端BIASl之間；第四電阻R4跨接于第十六晶體管Q16的基 極與第一偏置電壓輸入端BIASl之間；第七電阻R7跨接于第三晶體管Q3的基極與第二偏 置電壓輸入端BIAS2之間；第八電阻R8跨接于第四晶體管Q4的基極與第二偏置電壓輸入 端BIAS2之間；第九電阻R9跨接于第五晶體管Q5的基極與第三晶體管Q3的基極之間；第 十電阻RlO跨接于第六晶體管Q6的基極和第四晶體管Q4的基極之間；第十一電阻Rll跨 接于第七晶體管Q7的基極和第三晶體管Q3的基極之間；第十二電阻R12跨接于第八晶體 管Q8的基極和第四晶體管Q4的基極之間；第一電容Cl跨接于第三晶體管Q3的基極與差 分正相基帶信號輸入端INIl之間；第二電容C2跨接于第四晶體管Q4的基極與差分負(fù)相基 帶信號輸入端INI2之間；第五電容C5跨接于第十五晶體管Q15的基極與零相位本地振蕩 信號輸入端LOO之間；第六電容C6跨接于第十六晶體管Q16的基極與180度相位本地振蕩 信號輸入端L0180之間。
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所述第一 MOS管Ml、第二 MOS管M2、第三MOS管M3及第四MOS管M4構(gòu)成電流抽 取電路，第一 MOS管Ml、第二 MOS管M2的柵極相連，抽取I支路I-Branch的電流；第三MOS 管M3、第四MOS管M4的柵極相連，抽取Q-Branch路的電流。與傳統(tǒng)的CMOS上混頻器相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(1)、本發(fā)明采用的是SiGe BiCMOS工藝技術(shù)，對于每個(gè)晶體管來說，電流增益高，
噪聲系數(shù)小。(2)、本發(fā)明采用電流注入技術(shù)，有效減小了本征信號開關(guān)的電流，從而可以克服 開關(guān)級的直流失調(diào)、熱噪聲以及閃爍噪聲，有利于上混頻器實(shí)現(xiàn)增益、線性度和噪聲性能之 間折衷。(3)、本發(fā)明采用基于多雙曲正切的線性化技術(shù)，采用多跨導(dǎo)級并聯(lián)結(jié)構(gòu)，平坦化 了跨導(dǎo)管的跨導(dǎo)隨信號電壓的變化，從而提高了混頻器的線性度。


圖1為傳統(tǒng)吉爾伯特結(jié)構(gòu)的混頻器電路2為本發(fā)明混頻器的電路3為本發(fā)明中I支路I-Branch的電路4為本發(fā)明中Q支路Q-Branch的電路圖
具體實(shí)施例方式現(xiàn)結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)敘述本發(fā)明的技術(shù)方案。實(shí)施例本實(shí)施例具有與圖2、3及圖4所示的電路完全相同的電路結(jié)構(gòu)。本實(shí)施例的整個(gè) 設(shè)計(jì)的所有器件尺寸見表1。表1器件尺寸匯總
權(quán)利要求
一種改進(jìn)型雙吉爾伯特結(jié)構(gòu)射頻正交上混頻器，其特征在于該混頻器包括I支路I Branch，Q支路Q Branch，電源端VDD，地線端GND，I支路I Branch差分正相基帶信號輸入端INI1，I支路I Branch差分負(fù)相基帶信號輸入端INI2，Q支路Q Branch差分正相基帶信號輸入端INQ1，Q支路Q Branch差分負(fù)相基帶信號輸入端INQ2，第一偏置電壓輸入端BIAS1，第二偏置電壓輸入端BIAS2，第三偏置電壓輸入端BIAS3，零相位本地振蕩信號輸入端LO0，90度相位本地振蕩信號輸入端LO90，180度相位本地振蕩信號輸入端LO180，270度相位本地振蕩信號輸入端LO270，差分輸出端OUT1和OUT2，第一晶體管Q1，第二晶體管Q2，第一電阻R1，第二電阻R2，第十九電阻R19，第二十電阻R20，第一MOS管M1，第二MOS管M2，第三MOS管M3及第四MOS管M4，其中I支路I Branch和Q支路Q Branch信號為正交信號，具體連接方式為I支路I Branch與Q支路Q Branch完全相同且對稱設(shè)置，第一晶體管Q1和第二晶體管Q2的發(fā)射極與地線端GND連接，第一晶體管Q1的集電極與I支路I Branch連接；第二晶體管Q2的集電極與Q支路Q Branch連接；第一MOS管M1的柵極、第二MOS管M2的柵極、第三MOS管M3的柵極和第四MOS管M4的柵極與第一偏置電壓輸入端BIAS1連接，第一MOS管M1的漏極、第二MOS管M2的漏極、第三MOS管M3的漏極和第四MOS管M4的漏極與電源端VDD連接；第一MOS管M1、第二MOS管M2的源極通過PMOS1、PMOS2端與I支路I Branch連接；第三MOS管M3、第四MOS管M4的源極通過PMOS3、PMOS4端與Q支路Q Branch連接；第一電阻R1跨接在電源端VDD與差分輸出端OUT1之間，第二電阻R2跨接在電源端VDD與差分輸出端OUT2；第十九電阻R19跨接于第一晶體管Q1的基極與第三偏置電壓輸入端BIAS3之間，第二十電阻R20跨接于第二晶體管Q2的基極與第三偏置電壓輸入端BIAS3之間；其中I支路I Branch具體電路包括第三晶體管Q3，第四晶體管Q4，第五晶體管Q5，第六晶體管Q6，第七晶體管Q7，第八晶體管Q8，第十五晶體管Q15，第十六晶體管Q16，第十七晶體管Q17，第十八晶體管Q18，第三電阻R3，第四電阻R4，第九電阻R9，第十電阻R10，第十一電阻R11，第十二電阻R12，第一電容C1，第二電容C2，第五電容C5，第六電容C6，第一偏置電壓輸入端BIAS1，第二偏置電壓輸入端BIAS2，差分正相基帶信號輸入端INI1，差分負(fù)相基帶信號輸入端INI2，零相位本地振蕩信號輸入端LO0，180度相位本地振蕩信號輸入端LO180，差分輸出端OUT1和OUT2，具體連接方式為第三晶體管Q3的集電極與第五晶體管Q5、第七晶體管Q7的集電極以及第十五晶體管Q15、第十六晶體管Q16的發(fā)射極連接；第四晶體管Q4的集電極與第十七晶體管Q17、第十八晶體管Q18的發(fā)射極以及第六晶體管Q6、第八晶體管Q8的集電極連接；第十五晶體管Q15的基極與第十八晶體管Q18的基極連接、集電極與差分輸出端OUT1連接；第十六晶體管Q16的基極與第十七晶體管Q17的基極連接、集電極與差分輸出端OUT2連接；第十七晶體管Q17的集電極與差分輸出端OUT1連接；第十八晶體管Q18的集電極與差分輸出端OUT2連接；第三電阻R3跨接于第十五晶體管Q15的基極與第一偏置電壓輸入端BIAS1之間；第四電阻R4跨接于第十六晶體管Q16的基極與第一偏置電壓輸入端BIAS1之間；第七電阻R7跨接于第三晶體管Q3的基極與第二偏置電壓輸入端BIAS2之間；第八電阻R8跨接于第四晶體管Q4的基極與第二偏置電壓輸入端BIAS2之間；第九電阻R9跨接于第五晶體管Q5的基極與第三晶體管Q3的基極之間；第十電阻R10跨接于第六晶體管Q6的基極和第四晶體管Q4的基極之間；第十一電阻R11跨接于第七晶體管Q7的基極和第三晶體管Q3的基極之間；第十二電阻R12跨接于第八晶體管Q8的基極和第四晶體管Q4的基極之間；第一電容C1跨接于第三晶體管Q3的基極與差分正相基帶信號輸入端INI1之間；第二電容C2跨接于第四晶體管Q4的基極與差分負(fù)相基帶信號輸入端INI2之間；第五電容C5跨接于第十五晶體管Q15的基極與零相位本地振蕩信號輸入端LO0之間；第六電容C6跨接于第十六晶體管Q16的基極與180度相位本地振蕩信號輸入端LO180之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混頻器，其特征在于所述第一MOS管Ml、第二 MOS管M2、第三 MOS管M3及第四MOS管M4構(gòu)成電流抽取電路，第一 MOS管Ml、第二 MOS管M2的柵極相連， 抽取I支路I-Branch的電流；第三MOS管M3、第四MOS管M4的柵極相連，抽取Q-Branch路 的電流。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種改進(jìn)型雙吉爾伯特結(jié)構(gòu)射頻正交上混頻器，該混頻器包括跨導(dǎo)級、開關(guān)級和尾電流源電路。整體電路采取的是鍺化硅雙極-互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝技術(shù)，結(jié)合了雙極型器件和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體兩者的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效地降低電路噪聲同時(shí)提高轉(zhuǎn)換增益。跨導(dǎo)級電路采取三對跨導(dǎo)并聯(lián)結(jié)構(gòu)，在增大了跨導(dǎo)級跨導(dǎo)參數(shù)的同時(shí)也提高了混頻器的線性度。從仿真結(jié)果看開關(guān)級工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)。電路還采取了電流注入方式，在開關(guān)級的發(fā)射極抽取部分電流，使得開關(guān)級的電流足夠小，有效的降低了電路的熱噪聲和閃爍噪聲。本發(fā)明設(shè)計(jì)工作于1.95GHz，能夠應(yīng)用于個(gè)人通信服務(wù)和寬帶碼分多址通信系統(tǒng)中。
文檔編號H03D7/12GK101964631SQ20101028178
公開日2011年2月2日 申請日期2010年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月15日
發(fā)明者劉盛富, 華林, 張書霖, 張偉, 蘇杰, 賴宗聲, 阮穎, 陳磊 申請人:華東師范大學(xué)