專利名稱：一種低電壓低噪聲寬帶混頻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及寬帶混頻器，尤其是一種低電壓低噪聲寬帶混頻器，采用MOS工藝，在毫米波電路中具有較大優(yōu)勢，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，在改善噪聲性能與線性度同時(shí)，將功耗降低一半，且具有較大的增益帶寬與輸入匹配帶寬。
背景技術(shù)：
1968年Barrie Gilbert首次提出吉爾伯特雙平衡乘法器結(jié)構(gòu)，并廣泛地應(yīng)用于混頻器中(以下稱“吉爾伯特混頻器”)，其電路方框圖及電路原理分別如圖1、圖2所示， 射頻信號(hào)RF通過巴倫將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)RF+和RF-，分別連接跨導(dǎo)單元共源結(jié)構(gòu) MOS管Ql和Q2的柵極，MOS管Q1、Q2將輸入射頻電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為射頻電流信號(hào)。本振信號(hào) LO通過巴倫將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)LO+與L0-，分別連接開關(guān)單元MOS管的柵極。開關(guān)單元由MOS管Q3、Q4、Q5、Q6組成，開關(guān)單元MOS管的漏極輸出中頻差分信號(hào)，其中MOS管 Q3、Q5的漏極輸出正相中頻信號(hào)IF+，M0S管Q4、Q6的漏極輸出反相中頻信號(hào)IF-。但由于自身結(jié)構(gòu)的原因，吉爾伯特混頻器存在以下缺點(diǎn)第一是輸入匹配，在MOS工藝中，射頻差分信號(hào)直接連接跨導(dǎo)單元MOS管Ql、Q2的柵極，柵極的高阻抗特性不利于匹配到50Ω，尤其在寬帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中匹配更加困難；第二是噪聲，在混頻器的設(shè)計(jì)中，跨導(dǎo)單元MOS管Q1、Q2需要大電流以優(yōu)化溝道噪聲，而開關(guān)單元MOS管Q3、Q4、Q5、Q6需要適中的小電流以降低開關(guān)噪聲，兩者形成一對矛盾。采用電流注入的方法可以一定程度上緩解兩者矛盾，但增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，而且電流注入電路本身會(huì)不可避免地引入額外的噪聲。因此吉爾伯特混頻器的噪聲較大，通常單邊帶噪聲系數(shù)會(huì)大于9dB。第三是工作電壓，傳統(tǒng)吉爾伯特混頻器需要跨導(dǎo)單元MOS管Ql、Q2、開關(guān)單元MOS 管Q3、Q4、Q5、Q6和負(fù)載三層疊加以復(fù)用電流，甚至跨導(dǎo)單元需要添加尾電流源IEE，因此傳統(tǒng)吉爾伯特混頻器不利于低電壓工作，尤其在深亞微米MOS工藝中，低電壓使得設(shè)計(jì)工作更加困難；最后是線性度，影響混頻器線性度的主要因素是跨導(dǎo)單元MOS管Ql、Q2的柵源電壓Ves、漏源電壓Vds和負(fù)載上的電壓擺幅。由于跨導(dǎo)單元、開關(guān)單元和負(fù)載單元采用疊層結(jié)構(gòu)以復(fù)用電流，導(dǎo)致跨導(dǎo)單元MOS管Q1、Q2的漏源電壓Vds比較小，同時(shí)負(fù)載上獲得的電壓擺幅也比較小，所以傳統(tǒng)吉爾伯特混頻器的線性度受到限制。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是為克服現(xiàn)有技術(shù)之不足，提供一種低電壓低噪聲寬帶混頻器，采用的技術(shù)方案是一種低電壓低噪聲寬帶混頻器，設(shè)有跨導(dǎo)單元、巴倫單元、開關(guān)單元、負(fù)載單元以及緩沖單元電路，其特征在于跨導(dǎo)單元采用柵極串聯(lián)電感的共柵結(jié)構(gòu)，單端輸入射頻信號(hào)直接輸入至跨導(dǎo)單元經(jīng)放大后輸出至巴倫單元將單端射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分射頻信號(hào)后輸出至開關(guān)單元；本振信號(hào)輸入至另一巴倫單元將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)后亦輸出至開關(guān)單元；開關(guān)單元將輸入的差分本振信號(hào)與差分射頻信號(hào)相乘，產(chǎn)生差分中頻信號(hào)，再經(jīng)負(fù)載及緩沖單元后，輸出單端中頻信號(hào)；其中跨導(dǎo)單元設(shè)有MOS管Ml以及一個(gè)電容、一個(gè)電感和一個(gè)電流源；開關(guān)單元設(shè)有MOS管M2、M3、M4及M5 ；負(fù)載單元設(shè)有兩個(gè)電阻；緩沖單元設(shè)有MOS管M6和M7 ；電路的連接關(guān)系如下單端射頻信號(hào)連接跨導(dǎo)單元MOS管Ml的源極并通過電流源接地，MOS管Ml的柵極串聯(lián)電感后連接到偏置電壓，同時(shí)MOS管Ml的柵極還串聯(lián)電容后接地，MOS管Ml的漏極連接巴倫單元之初級(jí)線圈的一端，初級(jí)線圈的另一端連接電源VDD，次級(jí)線圈正相射頻信號(hào)端與開關(guān)單元MOS管M2、M3的源極連接在一起，次級(jí)線圈的反相射頻信號(hào)端與開關(guān)單元MOS 管M4、M5的源極連接在一起，次級(jí)線圈中心抽頭接地；本振信號(hào)連接另一巴倫單元之初級(jí)線圈的一端，初級(jí)線圈的另一端接地，次級(jí)線圈正相本振信號(hào)端與開關(guān)單元MOS管M2及M5 的柵極連接在一起，次級(jí)線圈的反相本振信號(hào)端與開關(guān)單元MOS管M3及M4的柵極連接在一起，次級(jí)線圈中心抽頭連接另一偏置電壓；負(fù)載單元中兩個(gè)電阻的一端均與電源VDD連接，兩個(gè)電阻的另一端分別與開關(guān)單元MOS管M2、M4的漏極及MOS管M3、M5的漏極連接在一起；緩沖單元MOS管M6的柵極通過耦合電容與開關(guān)單元MOS管M2、M4的漏極連接在一起，MOS管M6的漏極連接電源VDD，M0S管M6的源極與MOS管M7的漏極連接在一起并與輸出端口連接，MOS管M7的柵極通過另一耦合電容與開關(guān)單元MOS管M3、M5的漏極連接在一起，MOS管M7的源極接地。所說跨導(dǎo)單元MOS管Ml源極所連接之電流源可采用MOS管M8來實(shí)現(xiàn)，MOS管M8 的柵極接第三偏置電壓，MOS管M8的源極接地，MOS管M8的漏極接單端射頻信號(hào)。所說跨導(dǎo)單元MOS管Ml源極所連接之電流源也可采用另一電感來實(shí)現(xiàn)，此電感一端接輸入單端射頻信號(hào)，另一端接地。上述電路還可有以下實(shí)施結(jié)構(gòu)在與跨導(dǎo)單元MOS管Ml的漏極相連接的巴倫單元之初級(jí)線圈兩端之間，可設(shè)置并聯(lián)電容，該電容與巴倫的初級(jí)線圈形成并聯(lián)諧振。跨導(dǎo)單元MOS管Ml的漏極通過另一電感連接到電源VDD，與跨導(dǎo)單元MOS管Ml的漏極相連接的巴倫單元之初級(jí)線圈一端通過另一電容連接MOS管Ml的漏極，初級(jí)線圈另一端接地。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)及顯著效果(1)在毫米波混頻器設(shè)計(jì)中，如何在低功耗下提高增益與帶寬一直是設(shè)計(jì)難題。在現(xiàn)有設(shè)計(jì)中增益與帶寬的提高主要是通過功耗來換取。本實(shí)用新型采用柵極串聯(lián)電感的共柵結(jié)構(gòu)跨導(dǎo)放大器以大幅度提高帶寬。在相同MOS管尺寸和工作電流的情況下，與采用共源結(jié)構(gòu)跨導(dǎo)混頻器相比較，增益帶寬得到大幅度提高，見圖5。(2)傳統(tǒng)共源結(jié)構(gòu)跨導(dǎo)的輸入寬帶匹配比較困難，若采用無源LC匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)， 則需要多級(jí)無源網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)，會(huì)占用很大的芯片面積；若采用帶電阻的無源LC匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，則會(huì)引入大的損耗和噪聲。在本實(shí)用新型中，輸入的單端射頻信號(hào)直接連接MOS管Ml 的源極，輸入阻抗約為1/gm，可以方便的實(shí)現(xiàn)寬帶50Ω阻抗匹配。同時(shí)MOS管Ml柵極串聯(lián)電感具有改善寬帶匹配的功能。(3)本實(shí)用新型的跨導(dǎo)單元由于采用單端輸入，相對于差分結(jié)構(gòu)，噪聲性能會(huì)得到改善，而且MOS管Ml柵極的電感可以優(yōu)化高頻噪聲。另外，由于跨導(dǎo)管與開關(guān)管可以獨(dú)立進(jìn)行偏置，這樣可以使跨導(dǎo)管工作在大的直流電流下以優(yōu)化溝道噪聲，同時(shí)使開關(guān)管工作在適中的小電流下以優(yōu)化開關(guān)噪聲，所以本實(shí)用新型噪聲性能可以獲得大幅度改善。(4)隨著工藝進(jìn)入深亞微米時(shí)代，芯片工作電壓會(huì)不斷降低，相對于疊層結(jié)構(gòu)，本實(shí)用新型所需要的工作電壓更低。(5)在相同工作電壓的情況下，本實(shí)用新型的線性度優(yōu)于疊層結(jié)構(gòu)，因?yàn)榭鐚?dǎo)管 Ml可以獲得更大的漏源電壓Vds，而負(fù)載所得的電壓擺幅可以更大，所以本實(shí)用新型可以得到更好的線性度。(6)本實(shí)用新型電路的外部端口均為單端口，但是內(nèi)部仍然是雙平衡結(jié)構(gòu)，保持了雙平衡結(jié)構(gòu)的諸多優(yōu)點(diǎn)，如端口隔離等。

圖1是傳統(tǒng)吉爾伯特混頻器的電路方框圖；圖2是傳統(tǒng)吉爾伯特混頻器的電路原理圖；圖3是本實(shí)用新型混頻器的電路方框圖；圖4是本實(shí)用新型混頻器的電路原理圖；圖5是跨導(dǎo)單元采用共源結(jié)構(gòu)(CS)、共柵結(jié)構(gòu)(CG)和本實(shí)用新型柵極串聯(lián)電感的共柵結(jié)構(gòu)(CG with L)的變頻增益曲線比較；圖6-圖9是本實(shí)用新型的其他4種實(shí)施方式電路原理圖。
具體實(shí)施方式
參看圖3、4，本振信號(hào)LO連接巴倫單元電路Balim_2之初級(jí)線圈的一端，初級(jí)線圈的另一端接地，次級(jí)線圈正相本振信號(hào)端LO+與開關(guān)單元3的MOS管M2及M5的柵極連接在一起，次級(jí)線圈的反相本振信號(hào)端LO-與開關(guān)單元3的MOS管M3及M4的柵極連接在一起，次級(jí)線圈中心抽頭連接偏置電壓Vbias2 ；與傳統(tǒng)吉爾伯特混頻器相比，本實(shí)用新型單端輸入射頻信號(hào)RF直接輸入至跨導(dǎo)單元1后再至巴倫Balim_l，跨導(dǎo)單元1采用柵極串聯(lián)電感(也可以用傳輸線代替電感)的共柵結(jié)構(gòu)，共柵管Ml柵極串聯(lián)電感Ll后連接到偏置電壓Vbiasl，同時(shí)Ml柵極串聯(lián)電容Cp后連接到地。電路內(nèi)部采用無源巴倫。輸入單端射頻信號(hào)直接連接跨導(dǎo)單元MOS管Ml的源極，經(jīng)過共柵管Ml放大后，從Ml的漏極流入巴倫Balun_l初級(jí)線圈的一端，巴倫Balun_l初級(jí)線圈的另一端連接電源VDD，單端射頻信號(hào)通過巴倫Balim_l后轉(zhuǎn)換為差分射頻信號(hào)，巴倫Balim_l次級(jí)線圈的一端(正相射頻信號(hào) RF+)連接開關(guān)單元3的MOS管M2及M3的源極，巴倫Balun_l次級(jí)線圈的另一端(反相射頻信號(hào)RF-)連接開關(guān)單元3的MOS管M4及M5的源極。巴倫Balun_2初級(jí)線圈的一端連接本振信號(hào)，巴倫Balun_2初級(jí)線圈的另一端連接地。巴倫Balun_2次級(jí)線圈的一端(正相本振信號(hào)LO+)連接開關(guān)管M2及M4的柵極。巴倫Balim_2次級(jí)線圈的另一端(反相本振信號(hào)L0-)連接開關(guān)管M3及M5的柵極。在開關(guān)單元的M2-M5四個(gè)開關(guān)管中，差分本振信號(hào)與差分射頻信號(hào)相乘，在開關(guān)單元MOS管的漏極得到差分中頻信號(hào)。負(fù)載單元5中，Rl的一端連接開關(guān)單元MOS管M2及M4的漏極，Rl的另一端連接電源VDD。R2的一端連接開關(guān)單元MOS管M3及M5的漏極，R2的另一端連接電源VDD。開關(guān)單元MOS管漏極得到的差分中頻信號(hào)為電流信號(hào)，經(jīng)過負(fù)載電阻R1、R2后轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，其中正相中頻信號(hào)IF+通過耦合電容Cl后連接到緩沖單元6中共漏結(jié)構(gòu)MOS管M6的柵極，反相中頻信號(hào)IF-通過另一耦合電容C2后連接到共源結(jié)構(gòu)MOS管M7的柵極，兩路信號(hào)在輸出端疊加。本實(shí)用新型跨導(dǎo)單元采用柵極串聯(lián)電感Ll的共柵結(jié)構(gòu)放大器。共柵管Ml柵極串聯(lián)的電感Ll可以拓展帶寬、降低噪聲、改善匹配。共柵管Ml源極呈現(xiàn)的阻抗約為1/gm，便于實(shí)現(xiàn)輸入寬帶匹配。巴倫Balim_l的初級(jí)線圈一端連接共柵管Ml的漏極，另一端連接電源VDD。這種連接方法的優(yōu)點(diǎn)在于①巴倫初級(jí)線圈為共柵管Ml提供直流偏置而不產(chǎn)生直流壓降，因此共柵管Ml漏源端可以獲得接近VDD的直流電壓，在改善跨導(dǎo)單元線性度同時(shí)，有效地解決了深亞微米低電壓工作的問題。②巴倫的次級(jí)線圈連接開關(guān)單元MOS管的源極，因此巴倫的等效輸入阻抗遠(yuǎn)小于共柵管Ml的輸出阻抗rds，所以巴倫初級(jí)線圈能夠從共柵管Ml漏極獲得最大輸出電流。③巴倫初級(jí)線圈不會(huì)引入額外的熱噪聲。由于巴倫 Balun_l的次級(jí)線圈與開關(guān)單元晶MOS體管M2、M3、M4、M5的源極直接耦合，巴倫次級(jí)線圈的中心抽頭接地，使得開關(guān)單元直流通路與跨導(dǎo)單元直流通路相互獨(dú)立。這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于①具備了折疊結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，即開關(guān)單元與跨導(dǎo)單元的直流通路相互獨(dú)立?？鐚?dǎo)可以工作在大電流以改善溝道噪聲、提高變頻增益及拓展帶寬。開關(guān)單元可以工作在適中的小電流以改善開關(guān)噪聲、增益和線性度。②克服了折疊結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，因?yàn)檎郫B結(jié)構(gòu)需要額外的電流源，而本實(shí)用新型采用片內(nèi)巴倫進(jìn)行單轉(zhuǎn)雙的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了折疊結(jié)構(gòu)中的電流源，并不需要額外器件。③巴倫次級(jí)線圈的等效電感可以對混頻器的增益產(chǎn)生峰化作用，這一點(diǎn)已有文獻(xiàn)論證。緩沖單元MOS管M6、M7采用電流復(fù)用共源共漏放大器，在將差分中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端中頻信號(hào)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)輸出寬帶匹配。圖5分別對跨導(dǎo)單元采用共源結(jié)構(gòu)(CS)、共柵結(jié)構(gòu)(CG)和本實(shí)用新型柵極串聯(lián)電感的共柵結(jié)構(gòu)(CG with L)的變頻增益曲線進(jìn)行比較?？梢钥闯霾捎脰艠O串聯(lián)電感的共柵結(jié)構(gòu)(CG with L)的變頻增益具有更高的帶寬。參看圖7，圖4中的跨導(dǎo)單元電流源Il可采用MOS管M8來實(shí)現(xiàn)，這樣可以節(jié)省芯片面積。MOS管M8的柵極接偏置電壓Vbias3，MOS管的源極接地，MOS管M8的漏極接輸入單端射頻信號(hào)RF ；參看圖8，圖4中的跨導(dǎo)單元電流源Il也可采用電感L2來實(shí)現(xiàn)，L2 —端接輸入單端射頻信號(hào)RF，另一端接地，這樣不會(huì)引入噪聲，同時(shí)不產(chǎn)生直流壓降，有利于低電壓工作。參看圖6，在圖4、7、8中，巴倫kilun 1的初級(jí)線圈可并聯(lián)電容Cr，電容Cr與巴倫 balun_l的初級(jí)線圈形成并聯(lián)諧振，通過調(diào)節(jié)并聯(lián)諧振點(diǎn)，可以提高增益與帶寬。參看圖9，在圖4、7、8中，跨導(dǎo)單元共柵管Ml的漏極也可通過電感L3連接到電源 VDD0巴倫balim_l初級(jí)線圈的一端通過耦合電容C3交流連接到共柵管Ml的漏極，初級(jí)線圈另一端接地。本實(shí)用新型電路元件取值視工作頻率范圍、增益等而定，如工作頻率在30-60GHZ 的時(shí)候，Ll取值可我50pH-500pH ；Cp取值< 36fF。
權(quán)利要求1.一種低電壓低噪聲寬帶混頻器，設(shè)有跨導(dǎo)單元、巴倫單元、開關(guān)單元、負(fù)載單元以及緩沖單元電路，其特征在于跨導(dǎo)單元采用柵極串聯(lián)電感的共柵結(jié)構(gòu)，單端輸入射頻信號(hào)直接輸入至跨導(dǎo)單元經(jīng)放大后輸出至巴倫單元將單端射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分射頻信號(hào)后輸出至開關(guān)單元；本振信號(hào)輸入至另一巴倫單元將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)后亦輸出至開關(guān)單元；開關(guān)單元將輸入的差分本振信號(hào)與差分射頻信號(hào)相乘，產(chǎn)生差分中頻信號(hào)，再經(jīng)負(fù)載及緩沖單元后，輸出單端中頻信號(hào)；其中跨導(dǎo)單元設(shè)有MOS管Ml以及一個(gè)電容、一個(gè)電感和一個(gè)電流源；開關(guān)單元設(shè)有MOS管M2、M3、M4及M5 ；負(fù)載單元設(shè)有兩個(gè)電阻；緩沖單元設(shè)有 MOS管M6和M7 ；電路的連接關(guān)系如下單端射頻信號(hào)連接跨導(dǎo)單元MOS管Ml的源極并通過電流源接地，MOS管Ml的柵極串聯(lián)電感后連接到偏置電壓，同時(shí)MOS管Ml的柵極還串聯(lián)電容后接地，MOS管Ml的漏極連接巴倫單元之初級(jí)線圈的一端，初級(jí)線圈的另一端連接電源VDD，次級(jí)線圈正相射頻信號(hào)端與開關(guān)單元MOS管M2、M3的源極連接在一起，次級(jí)線圈的反相射頻信號(hào)端與開關(guān)單元MOS管 M4、M5的源極連接在一起，次級(jí)線圈中心抽頭接地；本振信號(hào)連接另一巴倫單元之初級(jí)線圈的一端，初級(jí)線圈的另一端接地，次級(jí)線圈正相本振信號(hào)端與開關(guān)單元MOS管M2及M5的柵極連接在一起，次級(jí)線圈的反相本振信號(hào)端與開關(guān)單元MOS管M3及M4的柵極連接在一起，次級(jí)線圈中心抽頭連接另一偏置電壓；負(fù)載單元中兩個(gè)電阻的一端均與電源VDD連接， 兩個(gè)電阻的另一端分別與開關(guān)單元MOS管M2、M4的漏極及MOS管M3、M5的漏極連接在一起；緩沖單元MOS管M6的柵極通過耦合電容與開關(guān)單元MOS管M2、M4的漏極連接在一起， MOS管M6的漏極連接電源VDD，M0S管M6的源極與MOS管M7的漏極連接在一起并與輸出端口連接，MOS管M7的柵極通過另一耦合電容與開關(guān)單元MOS管M3、M5的漏極連接在一起， MOS管M7的源極接地。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低電壓低噪聲寬帶混頻器，其特征在于跨導(dǎo)單元MOS管Ml 源極所連接之電流源采用MOS管M8來實(shí)現(xiàn)，MOS管M8的柵極接第三偏置電壓，MOS管M8的源極接地，MOS管M8的漏極接單端射頻信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低電壓低噪聲寬帶混頻器，其特征在于跨導(dǎo)單元MOS管Ml 源極所連接之電流源采用另一電感來實(shí)現(xiàn)，此電感一端接輸入單端射頻信號(hào)，另一端接地。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的低電壓低噪聲寬帶混頻器，其特征在于在與跨導(dǎo)單元MOS管Ml的漏極相連接的巴倫單元之初級(jí)線圈兩端之間，設(shè)置并聯(lián)電容，該電容與巴倫的初級(jí)線圈形成并聯(lián)諧振。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的低電壓低噪聲寬帶混頻器，其特征在于跨導(dǎo)單元 MOS管Ml的漏極通過另一電感連接到電源VDD，巴倫單元之初級(jí)線圈一端通過另一耦合電容連接跨導(dǎo)單元MOS管Ml的漏極，初級(jí)線圈另一端接地。
專利摘要一種低電壓低噪聲寬帶混頻器，設(shè)有跨導(dǎo)單元、巴倫單元、開關(guān)單元、負(fù)載單元以及緩沖單元電路，其特征在于跨導(dǎo)單元采用柵極串聯(lián)電感的共柵結(jié)構(gòu)，單端輸入射頻信號(hào)直接輸入至跨導(dǎo)單元經(jīng)放大后輸出至巴倫單元將單端射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分射頻信號(hào)后輸出至開關(guān)單元；本振信號(hào)輸入至另一巴倫單元將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)后亦輸出至開關(guān)單元；開關(guān)單元將輸入的差分本振信號(hào)與差分射頻信號(hào)相乘，產(chǎn)生差分中頻信號(hào)，再經(jīng)負(fù)載及緩沖單元后，輸出單端中頻信號(hào)。
文檔編號(hào)H03D7/14GK202068377SQ201120033128
公開日2011年12月7日 申請日期2011年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月30日
發(fā)明者曹佳, 李智群, 李芹, 王志功 申請人:東南大學(xué)