一種降低無源混頻器噪聲的方法和電路的制作方法
【專利摘要】一種降低無源混頻器噪聲的方法和電路，該電路用于無線通信射頻前端電路中。射頻前端電路一般都包含混頻器，無源混頻器因為較高的線性度和噪聲特性而較多的被采用。但是混頻器開關管柵極偏置電壓和本振信號幅度對混頻器的噪聲性能有很大影響。本發(fā)明的電路結構可以通過調節(jié)無源混頻器的偏置電壓來實現對其噪聲性能的優(yōu)化。較低噪聲的無源混頻器將會提高射頻前端電路整體噪聲性能。
【專利說明】一種降低無源混頻器噪聲的方法和電路
【技術領域】
[0001]本發(fā)明為射頻前端電路中一種降低混頻器噪聲的電路結構，屬于射頻通信領域?！颈尘凹夹g】
[0002]無線通信技術在最近幾十年得到了迅猛的發(fā)展，這主要是源于人們對于無線產品的需求日益旺盛，這種需求驅動了電子產業(yè)高速前進。作為無線通信中的重要組成部分，應用于無線通信的射頻電路也在向著低噪聲，高靈敏度等特點的方向發(fā)展。
[0003]射頻前端一般分為3大部分:接收機，鎖相環(huán)，發(fā)射機。接收機和發(fā)射機需要完成下變頻和上變頻以便信號的處理和傳輸?；祛l器通常作為上變頻器和下變頻器工作在發(fā)射機和接收機中，完成射頻和基帶信號之間的轉化。 [0004]一般發(fā)射機支路主要關注輸出信號的功率和線性度，因為它主要負責遠距離傳輸有用信號。但是在某些應用中，發(fā)射機發(fā)出的有用信號附近的噪聲需要迅速衰減，否則會對鄰近信道造成干擾。一般會在發(fā)射機和天線之間加入聲表濾波器，對射頻信號進行濾波以便達到噪聲要求。接收機支路主要是在噪聲中提取有用信號，進行放大和濾波，送入基帶處理。噪聲性能對接收機來說非常重要，較小的噪聲系數會提高接收機的靈敏度。
[0005]收發(fā)機中常用的混頻器可以分為有緣混頻器和無源混頻器兩種。Gilbert單元是有緣混頻器的典型結構。在采用Gilbert單元作為混頻器的發(fā)射機中，PA引入的噪聲是可以忽略的，Gilbert混頻器產生的噪聲占了輸出噪聲的大部分。這就需要在PPA和PA之間插入SAW對于發(fā)射機部分的信號進行濾波。V-1的轉換，不但降低了線性度，而且引入了很多的噪聲。而無源混頻器是對前一級的輸出電壓直接采樣，沒有V-1的轉換，在這個結構中，唯一能夠引入噪聲的就是作為開關管的MOS管，MOS管在導通的時候能夠引入導通電阻的熱噪聲。隨著MOS特征尺寸的減小，這個噪聲也是可以改進的。合理取值，無源混頻器的噪聲可以忽略，使得噪聲主要來源于LO的相位噪聲。
[0006]無源混頻器會在噪聲和線性度上優(yōu)于傳統的Gilbert單元，但是無源混頻器中偏置電壓的大小和本振信號LO的幅度都會影響無源混頻器的噪聲特性。本振信號LO為射頻信號，調整LO來優(yōu)化無源混頻器的噪聲特性會花費很大的功耗，所以針對調節(jié)無源混頻器開關管的偏置電壓來實現對混頻器的噪聲的優(yōu)化更為合理。
[0007]無源混頻器開關管源極的偏置電壓VB_S —般是由前一級輸出直流電位點確定，或者隔直以后進行重新偏置。無源混頻器開關管柵極直流電位VB_G的大小決定了開關管直流狀態(tài)下的工作狀態(tài)。當VB_S—定的時候，開關管是開啟還是關閉，主要要看￥8_6和VB_S+Vth的關系。更具兩者之間的大小關系，混頻器的工作狀態(tài)分成了如下3種。
[0008]第一種工作狀態(tài)如圖1所示，VB_G>VB_S+Vth，此時在一個本振信號LO的周期內，會出現不同相位本振信號LO和LOB控制的開關管同時打開，如圖1中黑色的三角部分，這種工作狀態(tài)稱之為ON OVERLAP。在這種工作狀態(tài)下，差分輸入信號會在一段時間內同時輸出到下一級，如圖2所示，造成了差分信號之間的低效，引入了噪聲。
[0009]第二種工作狀態(tài)如圖3所示，VB_G〈VB_S+Vth，此時在一個本振信號LO的周期內，會出現不同相位本振信號LO和LOB控制的開關管同時關斷的狀態(tài)，如圖3中黑色的三角部分，這種工作狀態(tài)稱之為OFF OVERLAP。在這種工作狀態(tài)下，混頻器的開關管在一段時間內同時處于關閉狀態(tài)，上一時間段其中一個開關管導通時送入下一級輸入端口的信號將會處于保持狀態(tài)，較大的RC乘機會使得該點的放電非常慢。開關管同時關閉的狀態(tài)將會影響下一級正常的采集有用信號，引入了噪聲。
[0010]第三種工作狀態(tài)如圖4所示，VB_G=VB_S+Vth,差分本振信號的控制的開關管會在一個關閉的同時立刻開啟，不會有同時打開的狀態(tài)，也不會有同時關閉的狀態(tài)。這種狀態(tài)稱之為NO OVERLAP。NO OVERLAP是ON OVERLAP和OFF OVERLAP的一個中間狀態(tài)，實現起來有些困難，因為Vth會隨著工藝等因素的影響，所以找到一個準確的VB_G=VB_S+Vth需要進行處理。

【發(fā)明內容】

[0011]針對ON OVERLAP和OFF OVERLAP狀態(tài)，本發(fā)明通過偵測混頻器輸出端的噪聲來自動調節(jié)混頻器開關管柵極電壓VB_G，以實現對混頻器噪聲的優(yōu)化，如圖5所示，圖5電路結構的主要目標是降低混頻器的噪聲，以便提高整體電路的信噪比。
[0012]混頻器(Mixer)是本發(fā)明需要提高性能的核心電路，它實現輸入信號vin和本振信號LO的頻率相加減，具體電路已被矩形線框出。B_1和B_2是Mixer的下一級電路，它對Mixer的輸出信號進行放大或者濾波。積分器將一定帶寬內的信號能量進行積分，計算帶寬內信號能量的大小。模數轉換器能夠將輸入的模擬量轉換為數字信號，方便將數據在數字域進行處理。數字電路處理(Digital)部分將送入的數字信號進行相關處理，并根據輸入信號的情況，調整輸出端輸出值，從而達到根據輸入的不同控制其他電路工作的順序和狀態(tài)?？勺兓鶞孰妷寒a生電路能夠產生一系列基準電壓，但是輸出哪一個基準值需要相應的控制字CTRL〈N>-CTRL〈0>來進行控制。
[0013]Mixer的輸出噪聲信號首先通過B_1和B_2進行處理，B_1和B_2的輸出信號送入積分器中，積分器對B_1和B_2的輸出噪聲信號進行積分，計算出帶寬內噪聲信號的能量，并將計算值送給ADC，將噪聲信號的能量值量化為數字量。ADC將量化后的結果送入Digital部分，進行數值存儲和相關控制動作。Digital的輸出控制可變基準電壓產生電路輸出相應的基準電壓信號到Mixer中MOS管的柵極上。上述電路構成了一個環(huán)路。
[0014]具體操作中，首先將VCTRL〈0>-VCTRL〈M>設定一個值，即先給VB_G提供一個直流電位，用積分器收集與混頻器級聯模塊的輸出噪聲，用ADC將在噪聲能量進行量化，然后將反應噪聲大小的量存入DIGITAL部分；更換VCTRL〈0>-VCTRL〈M>為另外一個值，在采取上述的相同的過程:采樣、積分、量化、存儲。
[0015]將VCTRL〈0>-VCTRL〈M>遍歷完以后，從已經存儲的列表中找到最小的噪聲值，然后將VCTRL〈0>-VCTRL〈M>調整至相應的值，這樣便實現了對混頻噪聲的優(yōu)化。首先設置CTRL<0>-CTRL<N>為一個值，然后在與混頻器級聯模塊B_1和B2的輸出級取出噪聲送入積分器，積分器將積分后的噪聲能量值送入ADC中，ADC將該能量進行量化，量化后的能量值被儲存在DIGITAL部分中。當儲存完成以后，DIGITAL控制譯碼器的輸入CTRL〈0>-CTRL〈N>更換為另一個值，從而將VB_G偏置在另外一個電壓值后，再重復上述采集噪聲能量并記錄能量值大小的過程。當CTRL〈0>-CTRL〈N>值遍歷后，取出噪聲能量最小時對應的 CTRL〈0>-CTRL〈N>，將VB_G偏置在該直流電壓小，混頻器將會實現噪聲性能的優(yōu)化。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1ON OVERLAP狀態(tài)示意圖
[0017]圖20N OVERLAP狀態(tài)時信號流圖
[0018]圖30FF OVERLAP狀態(tài)示意圖
[0019]圖4N0 OVERLAP狀態(tài)示意圖
[0020]圖5降低混頻器噪聲整體電路結構
[0021]圖6混頻器噪聲與VB_G關系的仿真結果
【具體實施方式】
[0022]圖5電路結構的主要目標是降低混頻器的噪聲，以便提高整體電路的信噪比。通過一個電阻串將VREF分壓，分壓后的結果送入多路選擇器中。VCTRL〈0>-VCTRL〈M>控制多路選擇器中哪一路開啟，以便決定VB_G直流電位的大小。
[0023]首先將VCTRL〈0>-VCTRL〈M>設定一個值，即先給VB_G提供一個直流電位，用積分器收集與混頻器級聯模塊的輸出噪聲，用ADC將在噪聲能量進行量化，然后將反應噪聲大小的量存入DIGITAL部分；更換VCTRL〈0>-VCTRL〈M>為另外一個值，在采取上述的相同的過程:采樣、積分、量化、存儲。
[0024]將VCTRL〈0>-VCTRL〈M>遍歷完以后，從已經存儲的列表中找到最小的噪聲值，然后將VCTRL〈0>-VCTRL〈M>調整至相應的值，這樣便實現了對混頻噪聲的優(yōu)化。
[0025]線性度仿真結果顯示，混頻器的噪聲系數在VB_G掃描過程中存在著最優(yōu)值。當VB_G接近于VB_S+Vth時，噪聲系數會產生極小值。在途中表明了 3個點，當VB_G=0.8536v時，噪聲系數為16.3dB,當VB_G減小IOOmV為0.753v時，噪聲系數上升到17.28dB,當VB_G增大IOOmV為0.953v時，噪聲系數為18.16dB。仿真顯示，如果偏置電壓VB_G偏置合理，噪聲系數會有l(wèi)_2dB的優(yōu)化空間。
【權利要求】
1.一種降低混頻器噪聲的電路，其特征在于包括混頻器、積分器、模數轉換器、數字電路處理部分、可變基準電壓產生電路、譯碼器，其中: 混頻器實現輸入信號和本振信號的頻率相加減，由混頻器的下一級電路對混頻器的輸出噪聲信號進行放大或者濾波，并將噪聲信號輸出至積分器中； 積分器將一定帶寬內的噪聲信號進行積分，計算帶寬內噪聲信號能量的大小，并將計算值送給模數轉換器； 模數轉換器將輸入的計算值模擬量轉換為數字信號，將量化后的數字信號送入數字電路處理部分； 數字電路處理部分將送入的數字信號進行存儲和處理，并根據輸入的數字信號的情況，控制譯碼器的輸入CTRL〈0>-CTRL〈N>，N>1，調整輸出端輸出值，從而控制可變基準電壓產生電路輸出相應的基準電壓信號到混頻器中MOS管的柵極上。
2.一種降低混頻器噪聲的方法，應用于如權利要求1所述的電路中，其特征在于步驟如下: a)先將混頻器的偏置電壓VB_G偏置在一個電壓值，即將譯碼器的輸入CTRL<0>-CTRL<N>調整至相應的值； b)用積分器收集混頻器的下一級電路輸出的噪聲信號； c)用模數轉換器將噪聲信號能量進行量化，然后將反應噪聲信號能量大小的數字信號存入數字電路處理部分； d)當數字電路處理部分儲存完成以后，數字電路處理部分控制譯碼器的輸入CTRL〈0>-CTRL〈N>更換為另一個值，從而將VB_G偏置在另外一個電壓值； e)重復步驟a)-d)，采集噪聲信號能量并記錄能量值大小的過程； f)當CTRL〈0>-CTRL〈N>值遍歷后，取出噪聲信號能量最小時對應的CTRL〈0>-CTRL〈N>，將VB_G偏置在該直流電壓小，混頻器將會實現噪聲性能的優(yōu)化。
3.如權利要求1所述的電路，其特征在于，混頻器輸出端連接的下一級電路可以是濾波器或者是放大器。
【文檔編號】H03D7/16GK103795348SQ201310665351
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2013年12月10日 優(yōu)先權日:2013年12月10日
【發(fā)明者】孫志剛, 李羅生 申請人:北京中電華大電子設計有限責任公司