本實用新型涉及一種電壓模式無源混頻器，具體是指一種低功耗低成本高線性的電壓模式無源混頻器，屬于射頻接收機技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著無線通信技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷的擴展，人們對便攜穿戴、智能家居、智能醫(yī)療和高清定位系統(tǒng)等設(shè)備的需求量在迅速的提高。而對于這些設(shè)備而言，更高靈敏度，更小體積，更低的能耗，更寬的動態(tài)范圍等設(shè)計指標(biāo)要求也越來越苛刻。混頻器是這些設(shè)備射頻接收系統(tǒng)中的一個非常重要的模塊，其作用就是把射頻信號和本振信號相混頻后，提取出中頻信號。就目前的技術(shù)水平和廣泛應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)來說，射頻接收機的下變頻采用一次變頻和二次變頻這兩種方式。一次變頻的優(yōu)點是實現(xiàn)簡單、低功耗、高集成度，但缺點主要是高頻本振泄漏嚴(yán)重，容易造成信號通道阻塞，嚴(yán)重影響動態(tài)范圍。二次變頻就需要兩套本振，兩個混頻器再加上一些輔助電路，從而增加設(shè)計面積、功耗和電路的復(fù)雜度，但是具有很高的隔離度，很好的線性度和很寬的動態(tài)范圍。

綜合整體的設(shè)計指標(biāo)要求來考慮，對射頻和本振頻率越高的系統(tǒng)，接收機一般采用二次變頻架構(gòu)，這就要求在功耗、面積和線性度之間進行折中。就傳統(tǒng)的二次變頻架構(gòu)中，第二個混頻器采用電壓型有源混頻器和電流型無源混頻器兩種形式。電壓型有源混頻器的優(yōu)點是噪聲系數(shù)(NF)好，最大缺點是線性度差和功耗大，不適合應(yīng)用在動態(tài)范圍寬的系統(tǒng)。而電流型無源混頻器一般的負載連接跨導(dǎo)放大器實現(xiàn)電流轉(zhuǎn)換成電壓，方便后續(xù)信號處理，這種架構(gòu)的優(yōu)點是線性度高，適合應(yīng)用在窄帶通信系統(tǒng)，不適合應(yīng)用在寬帶和超寬帶的通信系統(tǒng)中，原因是跨導(dǎo)放大器需要消耗很大的電流才能實現(xiàn)大帶寬。

為了克服上述的二次變頻架構(gòu)的接收機中，第二個混頻器為電壓型有源混頻器和電流型無源混頻器兩種形式所存在的不足，目前亟需提出一種低功耗低成本高線性的電壓模式無源混頻器，從而能夠?qū)崿F(xiàn)低功耗低成本高線性度寬頻帶的射頻接收機。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于提供一種低功耗低成本高線性的電壓模式無源混頻器，能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中二次變頻架構(gòu)的接收機中，第二個混頻器為電壓型有源混頻器和電流型無源混頻器兩種形式所存在的不足，實現(xiàn)同時兼具低功耗、低成本、高線性度、寬頻帶特點的射頻接收機。

為了達到上述目的，本實用新型通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：一種低功耗低成本高線性的電壓模式無源混頻器，設(shè)置在射頻接收機的信號通路上，作為射頻接收機中的第二混頻器，通過電路連接設(shè)置在第一混頻器與低通濾波器之間，包含兩個結(jié)構(gòu)相同的混頻電路，由第一混頻器輸出的射頻信號分別與本振信號在各個混頻電路中進行混頻，輸出中頻信號，并經(jīng)低通濾波器濾波；每個混頻電路的本振信號均采用25％占空比的I/Q正交方波信號，由兩個混頻電路實現(xiàn)同相正交I/Q變頻。

所述的混頻電路包含：核心處理模塊，與第一混頻器通過電路連接，將經(jīng)過第一次混頻輸出的射頻信號與本振信號進行混頻以輸出中頻信號；電壓偏置模塊，與核心處理模塊通過電路連接，提供偏置電壓，使核心處理模塊工作在穩(wěn)定的電壓范圍內(nèi)；源極跟隨器，通過電路連接設(shè)置在核心處理模塊與低通濾波器之間，提高驅(qū)動能力以驅(qū)動低通濾波器。

所述的核心處理模塊包含由四個無源PMOS晶體管組成的雙平衡混頻器，其中，第一PMOS晶體管的柵極連接第一路本振信號，源極連接輸入的第一路射頻信號，漏極連接輸出的第一路中頻信號；第二PMOS晶體管的源極連接輸入的第一路射頻信號，即連接第一PMOS晶體管的源極，漏極連接輸出的第二路中頻信號；第三PMOS晶體管的柵極連接第二PMOS晶體管的柵極，即連接第二路本振信號，源極連接輸入的第二路射頻信號，漏極連接輸出的第一路中頻信號；第四PMOS晶體管的柵極連接第一PMOS晶體管的柵極，即連接第一路本振信號，源極連接輸入的第二路射頻信號，即連接第三PMOS晶體管的源極，漏極連接輸出的第二路中頻信號。

所述的核心處理模塊還包含：襯偏電壓輸入電路，連接設(shè)置在第一、第二PMOS晶體管的源極與第三、第四PMOS晶體管的源極之間，由依次串聯(lián)的第一電阻和第二電阻組成，阻止兩路輸入的射頻信號流入電壓偏置模塊；第一隔直流電路，包含第一電容和第二電容，該第一電容設(shè)置在第一路射頻信號與第一、第二PMOS晶體管的源極之間，該第二電容設(shè)置在第二路射頻信號與第三、第四PMOS晶體管的源極之間，阻隔直流并防止共模串?dāng)_。

所述的核心處理模塊還包含：柵偏電壓輸入電路，連接設(shè)置在第一、第四PMOS晶體管的柵極與第二、第三PMOS晶體管的柵極之間，由依次串聯(lián)的第三電阻和第四電阻組成，阻止兩路輸入的本振信號流入電壓偏置模塊；第二隔直流電路，包含第三電容和第四電容，該第三電容設(shè)置在第一路本振信號與第一、第四PMOS晶體管的柵極之間，該第四電容設(shè)置在第二路本振信號與第二、第三PMOS晶體管的柵極之間，阻隔直流。

所述的電壓偏置模塊包含：第一電流源，產(chǎn)生恒定電流輸出；電流復(fù)制電路，由鏡像連接的第一NMOS晶體管和第二NMOS晶體管組成，對第一電流源的輸出電流進行復(fù)制，其中，該第一NMOS晶體管連接第一電流源；偏置電壓生成電路，由依次連接的第五PMOS晶體管、第六電阻和第五電阻組成，其中，第五PMOS晶體管連接第二NMOS晶體管；第一電流源的輸出電流經(jīng)復(fù)制后通過第五PMOS晶體管，利用其閾值電壓產(chǎn)生柵偏電壓，并由第三電阻和第四電阻之間輸入核心處理模塊；第一電流源的輸出電流經(jīng)復(fù)制后通過第五PMOS晶體管、第六電阻和第五電阻，利用電流流經(jīng)第六電阻和第五電阻形成的壓降產(chǎn)生襯偏電壓，并由第一電阻和第二電阻之間輸入核心處理模塊。

所述的源極跟隨器由第三NMOS晶體管和第二電流源連接組成，由核心處理模塊輸出的中頻信號經(jīng)過第三NMOS晶體管后輸出至低通濾波器。

綜上所述，本實用新型所提供的低功耗低成本高線性的電壓模式無源混頻器，能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中二次變頻架構(gòu)的接收機中，第二個混頻器為電壓型有源混頻器和電流型無源混頻器兩種形式所存在的不足，實現(xiàn)同時兼具低功耗、低成本、高線性度、寬頻帶特點的射頻接收機。

附圖說明

圖1為本實用新型中的低功耗低成本高線性的電壓模式無源混頻器在射頻接收機信號通路上的位置示意圖；

圖2為本實用新型中的低功耗低成本高線性的電壓模式無源混頻器的混頻電路的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本實用新型中的核心處理模塊的電路示意圖；

圖4為本實用新型中的電壓偏置模塊的電路示意圖；

圖5為本實用新型中的源極跟隨器的電路示意圖；

圖6為本實用新型中的輸入采用25％占空比I/Q正交方波信號的示意圖；

圖7為本實用新型中的低功耗低成本高線性的電壓模式無源混頻器的-3dB帶寬仿真結(jié)果圖；

圖8為本實用新型中的低功耗低成本高線性的電壓模式無源混頻器的輸入1dB壓縮點仿真結(jié)果圖。

具體實施方式

以下結(jié)合圖1～圖8，通過詳細說明一個較佳的具體實施例，對本實用新型做進一步闡述。

如圖1所示，為本實用新型所提供的低功耗低成本高線性的電壓模式無源混頻器在射頻接收機信號通路上的位置示意圖，該電壓模式無源混頻器100作為射頻接收機中的第二混頻器，通過電路連接設(shè)置在第一混頻器(mixer)130與低通濾波器(Low Pass Filter，LPF)110之間，包含兩個結(jié)構(gòu)相同的混頻電路。經(jīng)過低噪聲放大器(LNA)140放大的射頻信號與第一本振信號(LO_1)在第一混頻器130中進行混頻，輸出的射頻信號分別與第二本振信號(LO_2)在各個混頻電路中進行混頻，輸出中頻信號(Intermediate Frequency，IF)，并最后經(jīng)低通濾波器110濾波。

如圖6所示，為了能夠提高電壓模式無源混頻器100的增益、線性度和噪聲性能，每個所述的混頻電路的第二本振信號LO_2均采用25％占空比的I/Q正交方波信號，因此，采用兩個結(jié)構(gòu)相同的混頻電路以實現(xiàn)同相正交I/Q變頻，以得到高性能的中頻信號輸出。

如圖2所示，所述的混頻電路包含：核心處理模塊200，與第一混頻器130通過電路連接，將經(jīng)過第一次混頻的射頻信號(RFin)240與第二本振信號(LO_2)230進行混頻以輸出中頻信號IF；電壓偏置模塊(Voltage Bias Generator)210，與核心處理模塊200通過電路連接，提供偏置電壓，使核心處理模塊200工作在穩(wěn)定的電壓范圍內(nèi)；源極跟隨器(Source Follower，SF)220，通過電路連接設(shè)置在核心處理模塊200與低通濾波器110之間，提高混頻電路的驅(qū)動能力，使其具有足夠的驅(qū)動能力來驅(qū)動低通濾波器110。本實施例中，由于電壓模式無源混頻器100的混頻電路的驅(qū)動能力較差，負載對其性能的影響非常大，并且同時為了使其具有足夠的驅(qū)動能力來驅(qū)動低通濾波器110，因此設(shè)置源極跟隨器220是非常有必要的。

如圖3所示，所述的核心處理模塊200包含由四個無源PMOS晶體管300組成的雙平衡混頻器(Double Balanced Mixer)，其中，第一PMOS晶體管A的柵極連接第一路本振信號LO_2inp，源極連接輸入的第一路射頻信號Iinp，漏極連接輸出的第一路中頻信號Ioutp；第二PMOS晶體管B的源極連接輸入的第一路射頻信號Iinp，即連接第一PMOS晶體管A的源極，漏極連接輸出的第二路中頻信號Ioutn；第三PMOS晶體管C的柵極連接第二PMOS晶體管B的柵極，即連接第二路本振信號LO_2inn，源極連接輸入的第二路射頻信號Iinn，漏極連接輸出的第一路中頻信號Ioutp；第四PMOS晶體管D的柵極連接第一PMOS晶體管A的柵極，即連接第一路本振信號LO_2inp，源極連接輸入的第二路射頻信號Iinn，即連接第三PMOS晶體管C的源極，漏極連接輸出的第二路中頻信號Ioutn。

所述的四個無源PMOS晶體管300是核心處理模塊200的關(guān)鍵器件；采用PMOS晶體管能夠提高噪聲性能和消除MOS管的襯偏效應(yīng)，因為PMOS晶體管比NMOS晶體管具有更好的flicker noise(閃爍噪聲)性能，同時PMOS晶體管加工在獨立的NWELL(N阱)上，其源極和襯底極可以直接連接在一起來消除襯偏效應(yīng)；另外，使用雙平衡混頻電路比單平衡混頻電路(Single Balanced Mixer)具有更好的消除本振前饋效應(yīng)(LO-IF feed through)功能，并且雙平衡混頻器具有2/π的增益。

所述的核心處理模塊200還包含：襯偏電壓(Vmixsub)輸入電路310，連接設(shè)置在第一、第二PMOS晶體管的源極與第三、第四PMOS晶體管的源極之間，由依次串聯(lián)的第一電阻R1和第二電阻R2組成，該兩個電阻R1、R2具有隔離作用，阻止兩路輸入的射頻信號(Iinp，Iinn)360流入電壓偏置模塊210；第一隔直流電路320，包含第一電容C1和第二電容C2，該第一電容C1設(shè)置在第一路射頻信號Iinp與第一、第二PMOS晶體管的源極之間，該第二電容C2設(shè)置在第二路射頻信號Iinn與第三、第四PMOS晶體管的源極之間，具有阻隔直流并防止共模串?dāng)_的作用。

所述的核心處理模塊200還包含：柵偏電壓(Vmixb)輸入電路330，連接設(shè)置在第一、第四PMOS晶體管的柵極與第二、第三PMOS晶體管的柵極之間，由依次串聯(lián)的第三電阻R3和第四電阻R4組成，該兩個電阻R3、R4具有隔離作用，阻止兩路輸入的本振信號(LO_2inp、LO_2inn)350流入電壓偏置模塊210；第二隔直流電路340，包含第三電容C3和第四電容C4，該第三電容C3設(shè)置在第一路本振信號LO_2inp與第一、第四PMOS晶體管的柵極之間，該第四電容C4設(shè)置在第二路本振信號LO_2inn與第二、第三PMOS晶體管的柵極之間，具有阻隔直流的作用。

所述的襯偏電壓輸入電路310和柵偏電壓輸入電路330一起決定四個PMOS晶體管工作在線性區(qū)，提高雙平衡混頻器的線性度和噪聲性能。

如圖1所示，由于本實用新型的電壓模式無源混頻器由兩個結(jié)構(gòu)相同的混頻電路構(gòu)成，因此，如圖6所示，其中一個混頻電路的兩路本振信號(LO_2inp、LO_2inn)輸入25％占空比的方波信號，而另一個混頻電路的兩路本振信號也同樣輸入25％占空比的方波信號，從而組成正交方波信號，在一個完整的本振信號周期內(nèi)，兩個混頻電路共8個PMOS晶體管中，每1/4周期內(nèi)只有兩個中頻信號相疊加的PMOS晶體管導(dǎo)通，與現(xiàn)有技術(shù)中50％占空比的正交方波信號相比，具有抑制I/Q串?dāng)_的作用，并且也給電壓模式無源混頻器提高了3dB的增益

如圖4所示，所述的電壓偏置模塊210包含：第一電流源(IBG)410，由Band gap(帶隙)模塊產(chǎn)生恒定電流輸出，不隨溫度和電源電壓的變化而變化；電流復(fù)制電路420，由鏡像連接的第一NMOS晶體管NM1和第二NMOS晶體管NM2組成，對第一電流源410的輸出電流進行復(fù)制，其中，該第一NMOS晶體管NM1連接第一電流源410；偏置電壓生成電路400，由依次連接的第五PMOS晶體管PM1、第六電阻R6、第五電阻R5組成，其中，第五PMOS晶體管PM1連接第二NMOS晶體管NM2；第一電流源410的輸出電流經(jīng)復(fù)制后通過第五PMOS晶體管PM1，利用其閾值電壓Vth產(chǎn)生柵偏電壓Vmixb，并由第三電阻R3和第四電阻R4之間輸入核心處理模塊200，第一電流源410的輸出電流經(jīng)復(fù)制后通過第五PMOS晶體管PM1、第六電阻R6和第五電阻R5，利用電流流經(jīng)第六電阻R6和第五電阻R5形成的壓降產(chǎn)生襯偏電壓Vmixsub，并由第一電阻R1和第二電阻R2之間輸入核心處理模塊200。

此時，核心處理模塊200的四個關(guān)鍵無源器件PMOS 300的工作偏置電壓不斷的跟蹤第五PMOS晶體管PM1和第五電阻R5、第六電阻R6產(chǎn)生的柵偏電壓和襯偏電壓。只要偏置電阻R5、R6的類型和產(chǎn)生恒定電流的電阻類型一致，其實際是四個關(guān)鍵無源器件PMOS 300的工作偏置電壓是在不斷的跟蹤產(chǎn)生恒定電流的Band gap模塊的電壓VBG。因為電壓VBG是不隨溫度和電源電壓的變化而變化的，這就保證四個關(guān)鍵無源器件PMOS 300不管電源電壓和溫度怎么變化都能穩(wěn)定的工作在設(shè)定的電壓范圍內(nèi)。

如圖5所示，所述的源極跟隨器220由第三NMOS晶體管NM3和第二電流源510連接組成，由核心處理模塊200輸出的中頻信號經(jīng)過第三NMOS晶體管NM3后輸出至低通濾波器110；其中第二電流源510由Band gap模塊產(chǎn)生基準(zhǔn)電流。使用源級跟隨器220作為電壓模式無源混頻器的混頻電路的輸出驅(qū)動的原因在于：第一、即使電流源510使用比較小的電流，源級跟隨器220的整體輸出阻抗也比較小，這意味著工作帶寬大，實現(xiàn)了低功耗寬頻帶的要求；第二、輸入阻抗大，對電壓的傳輸損耗小，有利于電壓模式無源混頻器輸出信號的傳輸；第三、由于電壓模式無源混頻器的核心處理模塊的四個關(guān)鍵無源器件使用PMOS晶體管，其襯偏電壓的設(shè)計值比較高，源級跟隨器220的輸入晶體管是NMOS晶體管，輸入信號高于電源電壓都還能正常工作，從而實現(xiàn)了高線性度。

為了進一步說明本實用新型所提供的低功耗低成本高線性的電壓模式無源混頻器的科學(xué)性和可實現(xiàn)性，設(shè)計基于SMIC 180nm CMOS工藝，采用Cadence Spectre軟件進行仿真驗證和分析。本實用新型的低功耗低成本高線性的電壓模式無源混頻器應(yīng)用在高清導(dǎo)航儀射頻接收機系統(tǒng)中，使用的電源電壓為1.8V，整個無源混頻器消耗的電流只有220μA，但是對整個無源混頻器進行頻響仿真(AC Analysis)和線性度進行仿真(PSS Analysis)。如圖7所示，發(fā)現(xiàn)-3dB帶寬可達到56MHz。如圖8所示，輸入1dB壓縮點可達到11.7dBm，輸出的中頻信號IF為24MHz，總體增益為-3dB。因此，可證明了本實用新型的科學(xué)性和可實現(xiàn)性。

綜上所述，本實用新型提供的低功耗低成本高線性的電壓模式無源混頻器，能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中二次變頻架構(gòu)的接收機中，第二個混頻器為電壓型有源混頻器和電流型無源混頻器兩種形式所存在的不足，實現(xiàn)同時兼具低功耗、低成本、高線性度、寬頻帶特點的射頻接收機。

盡管本實用新型的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實施例作了詳細介紹，但應(yīng)當(dāng)認識到上述的描述不應(yīng)被認為是對本實用新型的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本實用新型的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本實用新型的保護范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。