專利名稱：一種基于襯底偏置的超低耗電流復用混頻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于深亞微米RF CMOS集成電路領(lǐng)域，具體涉及一種基于襯底偏置的超低耗電流復用混頻器。
背景技術(shù)：
射頻前端將天線接收到的信號進行放大，混頻，和模數(shù)轉(zhuǎn)換，完成射頻信號到基帶信號的轉(zhuǎn)換?；祛l器是其中的重要組成部分，完成系統(tǒng)的頻率轉(zhuǎn)換功能，線性度、轉(zhuǎn)換增益、 噪聲和功耗等是混頻器的關(guān)鍵性能參數(shù)，直接影響著整個接收機的性能。這些性能參數(shù)之間互相影響互相制約，如何尋求一個折衷方案成為近年來設(shè)計的難點。目前，無線通信設(shè)備正朝著重量輕，體積小，功耗低，成本低的方向迅速發(fā)展，對于導航接收機等便攜式電子設(shè)備，也需要低電壓低功耗電路來延長電池的使用壽命，并減小系統(tǒng)散熱帶來的壓力，以保證系統(tǒng)長時間的穩(wěn)定工作。隨著深亞微米集成電路的迅猛發(fā)展， CMOS晶體管特征尺寸和柵氧厚度不斷減小，過驅(qū)動電壓也不斷降低，使得低電壓低功耗的設(shè)計成為可能。附圖I所示的雙平衡Gilbert混頻器目前應用最為廣泛，它由跨導級(第一晶體管M1，第二晶體管M2)、開關(guān)級(第三晶體管M3，第四晶體管M4，第五晶體管M5，第六晶體管M6)和負載電阻RL堆疊于電源(Vdd)和地(GND)之間?？鐚Ъ墝⑸漕l輸入電壓信號轉(zhuǎn)化成電流，開關(guān)級通過交替打開、關(guān)閉MOS管實現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換。射頻差分信號的兩路信號分別為RF+和RF-，本振差分信號兩路分別為LO+和L0-，中頻差分信號分別兩路IF+和IF-。在傳統(tǒng)的Gilbert混頻器中，所有的直流電流都流過跨導級、開關(guān)級和負載級?？鐚Ъ壓烷_關(guān)級的晶體管分別需要一定的開啟電壓，而負載電阻也將消耗一定的直流壓降， 因而往往需要較高的電源電壓。如果采用低電源電壓，這種結(jié)構(gòu)不能保證所有的管子都工作在飽和區(qū)。此外，傳統(tǒng)Gilbert混頻器的轉(zhuǎn)換增益和線性度的改善通常通過增大輸入跨導級的電流來實現(xiàn)。但是如此，開關(guān)級電流增大，會增大開關(guān)級的噪聲貢獻；負載級的電流增大， 會消耗電壓裕度，也會增加電阻的噪聲貢獻。可見，傳統(tǒng)的混頻器在轉(zhuǎn)換增益、線性度、噪聲和電壓裕度的設(shè)計上存在著矛盾， 且很難實現(xiàn)低電壓低功耗設(shè)計。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提出一種基于襯底偏置的超低耗電流復用混頻器，可應用于數(shù)字電視、無線通信和導航接收機。本發(fā)明采用電流復用技術(shù)，通過電流注入，增大跨導級的電流，而不增加開關(guān)級和負載電阻的偏置電流，使得在提高轉(zhuǎn)換增益和線性度的同時不帶來噪聲性能的惡化和消耗更多的電壓裕度；本發(fā)明電路設(shè)計中采用折疊結(jié)構(gòu)，減少電源和地之間堆疊的管子數(shù)目，同時對跨導級采用自偏置結(jié)構(gòu)，可大大降低電源電壓；本發(fā)明對電路中所有MOS管米用襯底偏置技術(shù),減小了 MOS管的閾值電壓,實現(xiàn)了超低電壓超低功耗的設(shè)計。本發(fā)明的一種基于襯底偏置的超低耗電流復用混頻器，包括自偏置的互補跨導級、與跨導級構(gòu)成折疊結(jié)構(gòu)的開關(guān)級和電阻構(gòu)成的負載級。所述的跨導級包括第一 NMOS管、第二 NMOS管、第一 PMOS管、第二 PMOS管、第一電阻、第二電阻、第三電阻、第四電阻、第一電容和第二電容；射頻差分信號的一路RF+輸入到第一 PMOS管的柵極，并且RF+還通過第一電容輸入到第一 NMOS管的柵極；第一 NMOS管的源級接地，漏極接第一 PMOS管的漏極；第一 PMOS 管的源級接電源Vdd，漏極通過第一電阻與柵極相連；射頻差分信號的另一路RF-輸入到第二 PMOS管的柵極，并且RF-還通過第二電容輸入到第二NMOS管的柵極；第二NMOS管的源級接地，漏極接第二PMOS管的漏極；第二PMOS 管的源級接電源Vdd，漏極通過第二電阻與柵極相連；偏置電壓vrf分別通過第三電阻和第四電阻接第一 NMOS管的柵極和第二 NMOS管的柵極。所述的開關(guān)級包括第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第六NMOS管、第五電阻和第六電阻；第三NMOS管的柵極和第六匪OS管的柵極相連，形成共柵極A，第四NMOS管的柵極和第五NMOS管的柵極相連形成共柵極B，本振差分信號分別為兩路LO+和L0-，L0+、L0_分別輸入到共柵極A、共柵極B ;第三NMOS管的源級和第四NMOS管的源級相連，并連接第一 NMOS管的漏極；第五NMOS管的源級和第六NMOS管的源級相連，并連接第二NMOS管的漏極; 第三NMOS管的漏極和第五NMOS管的漏極相連，形成共漏極C，第四NMOS管的漏極和第六 NMOS管的漏極相連，形成共漏極D，中頻差分信號分別為兩路IF+和IF-，IF+、IF-分別從共漏極C、共漏極D輸出；偏置電壓vlo分別通過第五電阻、第六電阻接第三NMOS管的柵極、第四NMOS管的柵極。所述的負載級包括第七電阻和第八電阻；第七電阻的一端接電源Vdd，另一端接第三NMOS管的漏極；第八電阻的一端接電源Vdd，另一端接第四NMOS管的漏極。本發(fā)明的原理如下(I)采用電流復用技術(shù)分別通過第一 PMOS管和第二 PMOS管對第一 NMOS管和第二 NMOS管注入電流，來增加射頻偏置電流，從而可以提高混頻器的線性度和轉(zhuǎn)換增益；(2)采用互補跨導結(jié)構(gòu)第一 PMOS管和第二 PMOS管分別與第一 NMOS管和第二 NMOS管構(gòu)成反相器的結(jié)構(gòu)，被用于放大射頻信號。這種結(jié)構(gòu)下的總跨導等于NMOS管跨導和 PMOS管跨導的總和，可以進一步實現(xiàn)較高的增益。(3)電路整體采用折疊結(jié)構(gòu)，射頻偏置電流只有一部分流入到開關(guān)級和負載級，使得開關(guān)級和負載級對噪聲的整體貢獻降低。(4)對第一PMOS管和第二PMOS管采用自偏置設(shè)計，分別通過第一電阻和第二電阻使得它們的柵漏極電壓相同，從而一直處于飽和區(qū)。此種結(jié)構(gòu)下最小的電源電壓滿足
Vddmin = Vovn+Vovp+Vt其中，Vovn代表第一 NMOS管的過驅(qū)動電壓(等于第二 NMOS管的過驅(qū)動電壓)，Votp 代表第一 PMOS管的過驅(qū)動的電壓(等于第二 PMOS管的過驅(qū)動電壓)，Vt代表晶體管的閾值電壓，在O. 18微米工藝下，Vt的典型值為O. 5V左右?？梢?，此種電路設(shè)計相對于傳統(tǒng)的混頻器而言，可大大降低電源電壓。(5)采用襯底偏置技術(shù)分別對電路中的NMOS管和PMOS管的襯底進行固定偏置， 減小MOS管的閾值電壓，可實現(xiàn)了混頻器的超低電壓超低功耗設(shè)計。傳統(tǒng)的襯底驅(qū)動技術(shù)中存在著襯底驅(qū)動晶體管跨導較小的和等效噪聲較大的缺點，本發(fā)明將襯底偏置技術(shù)與電流復用技術(shù)以及折疊電路結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，克服了傳統(tǒng)襯底驅(qū)動技術(shù)的不足，并且可以與現(xiàn)有的CMOS工藝完全兼容。本發(fā)明一種基于襯底偏置的超低耗電流復用混頻器相對于傳統(tǒng)的Gilbert混頻器而言更易于在轉(zhuǎn)換增益、線性度和噪聲、電壓裕度之間實現(xiàn)折衷設(shè)計，可在提高轉(zhuǎn)換增益和線性度的同時不帶來噪聲性能的惡化，同時實現(xiàn)了超低電壓超低功耗的設(shè)計，更加適用于便攜式的可移動終端。


圖I為現(xiàn)有技術(shù)中傳統(tǒng)的雙平衡Gilbert混頻器電路圖
圖2為本發(fā)明的電路圖3為本發(fā)明的跨導級電路不意圖4為本發(fā)明的襯底偏置的不意圖5為本發(fā)明的轉(zhuǎn)換增益和IdB壓縮點仿真結(jié)果；
圖6為本發(fā)明的噪聲系數(shù)仿真結(jié)果。
具體實施例方式下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。本發(fā)明的一種基于襯底偏置的超低耗電流復用混頻器，如附圖2所示，該混頻器包括自偏置的互補跨導級、與跨導級構(gòu)成折疊結(jié)構(gòu)的開關(guān)級、電阻構(gòu)成的負載級。所述的跨導級包括第一 NMOS管Ml、第二 NMOS管M2、第一 PMOS管PM I、第二 PMOS 管PM2、第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4、第一電容Cl和第二電容C2。射頻差分信號的一路RF+輸入到第一 PMOS管PMl的柵極，并且RF+還通過第一電容Cl輸入到第一 NMOS管Ml的柵極。第一 NMOS管Ml的源級接地，漏極接第一 PMOS管PMl 的漏極；第一 PMOS管PMl的源級接電源Vdd，漏極通過第一電阻Rl與柵極相連。射頻差分信號的另一路RF-輸入到第二 PMOS管PM2的柵極，并且RF-還通過第二電容C2輸入到第二 NMOS管M2的柵極。第二 NMOS管M2的源級接地，漏極接第二 PMOS管 PM2的漏極；第二 PMOS管PM2的源級接電源Vdd，漏極通過第二電阻R2與柵極相連。偏置電壓vrf分別通過第三電阻R3和第四電阻R4接第一 NMOS管Ml的柵極和第
二NMOS管M2的柵極。所述的開關(guān)級包括第三NMOS管M3、第四NMOS管M4、第五NMOS管M5、第六NMOS管 M6、第五電阻R5和第六電阻R6。
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其中，第三NMOS管M3、第四NMOS管M4組成一對NMOS管，第五NMOS管M5、第六 NMOS管M6組成一對NMOS管，第五電阻R5、第六電阻R6組成一對偏置電阻。第三NMOS管M3的柵極和第六NMOS管M6的柵極相連，形成共柵極A，第四NMOS 管M4的柵極和第五NMOS管M5的柵極相連形成共柵極B，本振差分信號分別為兩路LO+和 L0-, LO+,LO-分別輸入到共柵極A、共柵極B。第三NMOS管M3的源級和第四NMOS管M4的源級相連，并連接第一 NMOS管M I的漏極；第五NMOS管M5的源級和第六NMOS管M6的源級相連，并連接第二 NMOS管M2的漏極。第三NMOS管M3的漏極和第五NMOS管M5的漏極相連，形成共漏極C，第四NMOS管M4的漏極和第六NMOS管M6的漏極相連，形成共漏極D， 中頻差分信號分別為兩路IF+和IF-，IF+、IF-分別從共漏極C、共漏極D輸出。偏置電壓vlo分別通過第五電阻R5、第六電阻R6接第三NMOS管M3的柵極、第四 NMOS管M4的柵極。所述的負載級包括第七電阻R7和第八電阻R8。第七電阻R7和第八電阻R8形成一對負載電阻。第七電阻R7的一端接電源Vdd，另一端接第三NMOS管M3的漏極；第八電阻R8的一端接電源Vdd，另一端接第四NMOS管M4的漏極。所述混頻器中所有NMOS管(即第一 NMOS管Ml、第二 NMOS管M2、第三NMOS管M3、 第四NMOS管M4、第五NMOS管M5、第六NMOS管M6)的襯底端接偏置電壓vbiasn，所有PMOS 管(即第一 PMOS管PM1、第二 PMOS管PM2)的襯底端接偏置電壓vbiasp。所有混頻器中晶體管均為工藝庫中的射頻NMOS管和射頻PMOS管，所有無源器件均為工藝庫中的射頻電阻和射頻電容。圖3為本發(fā)明一種基于襯底偏置的超低耗電流復用混頻器的跨導級電路示意圖。 第一 PMOS管PMl對第一 NMOS管Ml進行電流注入，Ief = Ιω+ΙΡ，其中Ikf為射頻偏置電流，
為流經(jīng)開關(guān)管的電流，Ip為第一 PMOS管PMl注入的電流。通過調(diào)整Ip的大小，可以增加射頻偏置電流，從而增加轉(zhuǎn)換增益和提高線性度；同時可以減少流經(jīng)開關(guān)級的電流，使得其輸出的平均噪聲電流減小，混頻器的閃爍噪聲也因此減少。同時第一 PMOS管PMl和第一 NMOS管Ml構(gòu)成反相器結(jié)構(gòu)，用于放大信號。這種結(jié)構(gòu)下的總跨導為Gm = gmp+gnm，其中g(shù)mp和gmn分別為第一 PMOS管PMl的跨導和第一 NMOS管 Ml的跨導。此時混頻器轉(zhuǎn)換增益為CG =w) ){gmn+gmp)RL(I)
疋池ho其中Λ是本振信號經(jīng)開關(guān)級打開和關(guān)閉的時間間隔，是本振信號頻率，&為負載電阻阻值。從式(I)可以看出，該結(jié)構(gòu)可以增加跨導級的總跨導，從而提高混頻器的轉(zhuǎn)換增益。此外，第一電阻Rl接在第一 PMOS管PMl的柵極和漏極之間，形成自偏置結(jié)構(gòu)，此時第一 PMOS管PMl將一直處于飽和區(qū)。分析此時的最低電源電壓如下第一 NMOS管Ml的過驅(qū)動電壓V_和第一 PMOS管PMl的過驅(qū)動的電壓Vtjvp分別為Vovn = Vrf-Vt(2)Vovp = Vdd-VVt(3)
而Ve > Vrf-Vt(4)將式⑵和式⑷帶入到式(3)中，可以得到Vddfflin = Vovn+Vovp+Vt (5)可見，此時的電源電壓可以降到比較低就可以保證混頻器的正常工作。為了進一步降低電源電壓，可以采用襯底偏置的方法來降低電路中MOS管閾值電壓。襯底偏置技術(shù)的工作原理類似于結(jié)型場效應管，圖4為本發(fā)明涉及的襯底偏置技術(shù)示意圖，原理是在MOS管的柵極和源級之間加上足夠大的固定電壓，以形成反型層。當襯底和源級之間的電壓發(fā)生變化時，襯底和溝道間的耗盡層厚度將發(fā)生改變，進而改變溝道反型層的厚度，從而影響溝道電流的大小。在加入襯底偏置電壓之后，晶體管的閾值電壓^GS(Jh) = ^ro +~ ^bs \ ~ yj ^^f\)其中ΦΡ為襯底費米電勢，Vto為界面的電子濃度等于P型襯底的多子濃度時的柵壓，Y為體效應系數(shù)，典型值在0.31/2和0.41/2之間。從中可以看出，可以通過Vbs的調(diào)節(jié)， 改變晶體管的閾值電壓，從而便于低電壓電路的實現(xiàn)。在O. 18ym CMOS工藝下對本發(fā)明的設(shè)計實例進行了仿真測試，測試結(jié)果如下本實施例中所設(shè)計的混頻器工作電源電壓僅為O. 6V，功耗僅為O. 76mff,實現(xiàn)了超低電壓超低功耗的設(shè)計。如圖5所示，本實施例中所設(shè)計的混頻器，當射頻信號、本振信號和中頻信號分別為1600MHz、1300MHz和300MHz時，轉(zhuǎn)換增益為5. 883dB, IdB壓縮點為-16. 57dBm。可見該混頻器具有合適的轉(zhuǎn)換增益和良好的線性度。如圖6所示，本實施例中所設(shè)計的混頻器的雙邊帶噪聲系數(shù)為13. 87dB，具有良好的噪聲性能。本發(fā)明公開了一種基于襯底偏置的超低耗電流復用混頻器。該混頻器同時采用了襯底偏置技術(shù)和電流復用技術(shù)，并將其應用于折疊架構(gòu)的混頻器，實現(xiàn)了超低電壓超低功耗的設(shè)計，且良好實現(xiàn)了轉(zhuǎn)換增益、線性度和噪聲性能之間的折衷設(shè)計，可廣泛應用于航空航天領(lǐng)域的電子系統(tǒng)中。
權(quán)利要求
1.一種基于襯底偏置的超低耗電流復用混頻器，其特征在于，包括自偏置的互補跨導級、與跨導級構(gòu)成折疊結(jié)構(gòu)的開關(guān)級和電阻構(gòu)成的負載級。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于襯底偏置的超低耗電流復用混頻器，其特征在于， 所述的跨導級包括第一 NMOS管、第二 NMOS管、第一 PMOS管、第二 PMOS管、第一電阻、第二電阻、第三電阻、第四電阻、第一電容和第二電容；射頻差分信號的一路RF+輸入到第一 PMOS管的柵極，并且RF+還通過第一電容輸入到第一 NMOS管的柵極；第一 NMOS管的源級接地，漏極接第一 PMOS管的漏極；第一 PMOS管的源級接電源Vdd，漏極通過第一電阻與柵極相連；射頻差分信號的另一路RF-輸入到第二 PMOS管的柵極，并且RF-還通過第二電容輸入到第二 NMOS管的柵極；第二 NMOS管的源級接地，漏極接第二 PMOS管的漏極；第二 PMOS管的源級接電源Vdd，漏極通過第二電阻與柵極相連；偏置電壓vrf分別通過第三電阻和第四電阻接第一 NMOS管的柵極和第二 NMOS管的柵極。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于襯底偏置的超低耗電流復用混頻器，其特征在于， 所述的開關(guān)級包括第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第六NMOS管、第五電阻和第六電阻；第三NMOS管的柵極和第六NMOS管的柵極相連，形成共柵極A，第四NMOS管的柵極和第五NMOS管的柵極相連形成共柵極B，本振差分信號分別為兩路LO+和L0-，L0+、L0_分別輸入到共柵極A、共柵極B ;第三NMOS管的源級和第四NMOS管的源級相連，并連接第一 NMOS 管的漏極；第五NMOS管的源級和第六NMOS管的源級相連，并連接第二 NMOS管的漏極；第三 NMOS管的漏極和第五NMOS管的漏極相連，形成共漏極C，第四NMOS管的漏極和第六NMOS 管的漏極相連，形成共漏極D，中頻差分信號分別為兩路IF+和IF-，IF+、IF-分別從共漏極 C、共漏極D輸出；偏置電壓vlo分別通過第五電阻、第六電阻接第三NMOS管的柵極、第四NMOS管的柵極。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于襯底偏置的超低耗電流復用混頻器，其特征在于， 所述的第三NMOS管、第四NMOS管組成一對NMOS管，第五NMOS管、第六NMOS管組成一對 NMOS管，第五電阻、第六電阻組成一對偏置電阻。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于襯底偏置的超低耗電流復用混頻器，其特征在于， 所述的負載級包括第七電阻和第八電阻；第七電阻的一端接電源Vdd，另一端接第三NMOS管的漏極；第八電阻的一端接電源 Vdd,另一端接第四NMOS管的漏極。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至4任意一個所述的一種基于襯底偏置的超低耗電流復用混頻器， 其特征在于，所述混頻器中所有NMOS管，即第一 NMOS管、第二 NMOS管、第三NMOS管、第四 NMOS管、第五NMOS管、第六NMOS管的襯底端接偏置電壓vbiasn，所有PMOS管，即第一 PMOS 管、第二 PMOS管的襯底端接偏置電壓vbiasp。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種基于襯底偏置的超低耗電流復用混頻器，其特征在于所有混頻器中晶體管均為工藝庫中的射頻NMOS管和射頻PMOS管，所有無源器件均為工藝庫中的射頻電阻和射頻電容。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于襯底偏置的超低耗電流復用混頻器。該混頻器包括以下幾個部分一對NMOS管和一對PMOS管組成的跨導級、兩對NMOS管組成的開關(guān)級以及電阻構(gòu)成的負載級。該混頻器跨導級采用自偏置的互補跨導結(jié)構(gòu)，并與開關(guān)級構(gòu)成折疊結(jié)構(gòu)，大大降低了電源電壓；電路中所有的MOS管襯底均加有固定偏置電壓，減小了MOS管的閾值電壓，實現(xiàn)了超低電壓超低功耗的設(shè)計；并采用電流復用技術(shù)，改善了電路的噪聲性能，并提高了其轉(zhuǎn)換增益和線性度。本發(fā)明可用于深亞微米射頻CMOS集成電路的應用，可廣泛應用于航空航天領(lǐng)域的電子系統(tǒng)中。
文檔編號H03D7/12GK102611392SQ20121010976
公開日2012年7月25日 申請日期2012年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月23日
發(fā)明者張曉林, 申晶 申請人:北京航空航天大學