專利名稱：一種帶有自動(dòng)最優(yōu)偏置和諧波控制的吉爾伯特混頻器的制作方法
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，具體涉及一種帶有改進(jìn)的自動(dòng)最優(yōu)偏置和可調(diào)有源電感諧波控制的高線性度吉爾伯特混頻器。
背景技術(shù)：
混頻器是射頻集成電路中最基本模塊之一。在收發(fā)機(jī)電路中，混頻器實(shí)現(xiàn)頻率搬移。與無(wú)源混頻器相比較，有源混頻器可以提供轉(zhuǎn)換增益以進(jìn)一步抑制后級(jí)電路的噪聲。吉爾伯特混頻單元可以提供良好的射頻端與本振端之間的隔離。因此，基于吉爾伯特混頻單元的有源混頻器得到了廣泛的應(yīng)用。圖1為經(jīng)典的吉爾伯特混頻單元，包括作為跨導(dǎo)級(jí)的第一和第二 NMOS售腿-麗2、 作為開關(guān)級(jí)的第三到第六NMOS管U-避隊(duì)作為負(fù)載級(jí)的第一和第二負(fù)載電阻T^-ZG以及第一到第四偏置電阻第一到第四交流耦合電容跨導(dǎo)級(jí)將輸入射頻電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流；然后，開關(guān)級(jí)通過電流切換實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換；最終，負(fù)載級(jí)實(shí)現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)換。吉爾伯特混頻單元中的跨導(dǎo)級(jí)、開關(guān)級(jí)以及負(fù)載級(jí)累疊在電源和地之間。隨著工藝的不斷進(jìn)步，電源電壓不斷降低，吉爾伯特混頻單元的這種堆疊結(jié)構(gòu)不利于其線性度性能。 然而，射頻收發(fā)機(jī)系統(tǒng)往往對(duì)混頻器有著較高的線性度指標(biāo)要求。因此，有必要對(duì)經(jīng)典的吉爾伯特混頻單元進(jìn)行改進(jìn)以優(yōu)化其線性度性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種高線性度吉爾伯特混頻器，可以應(yīng)用在對(duì)混頻器有著較高線性度要求的收發(fā)機(jī)系統(tǒng)中。本發(fā)明提供的高線性度吉爾伯特混頻器，包括基本的吉爾伯特混頻單元、最優(yōu)偏置電路和諧波控制電路。其中，所述吉爾伯特混頻單元主要包括跨導(dǎo)級(jí)、開關(guān)級(jí)和負(fù)載級(jí)。 跨導(dǎo)級(jí)將輸入射頻電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流；然后，開關(guān)級(jí)通過電流切換實(shí)現(xiàn)頻率搬移；最終， 負(fù)載級(jí)實(shí)現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)換。所述最優(yōu)偏置電路主要包括吉爾伯特混頻單元跨導(dǎo)級(jí)器件的復(fù)制或者同比例縮小、流過微小電流的電阻鏈和構(gòu)成兩個(gè)反饋環(huán)路的運(yùn)算放大器。最優(yōu)偏置電路中電阻鏈的中點(diǎn)提供吉爾伯特混頻單元中跨導(dǎo)管的直流偏置。所述諧波控制電路由可調(diào)有源電感和諧波控制電容構(gòu)成，該諧波控制電路連接在吉爾伯特混頻單元跨導(dǎo)管漏端。吉爾伯特混頻單元中的開關(guān)級(jí)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，負(fù)載級(jí)可選用無(wú)源元件，因此，開關(guān)級(jí)和負(fù)載級(jí)均不是主要的非線性來(lái)源。針對(duì)作為主要非線性來(lái)源的跨導(dǎo)級(jí)，本發(fā)明對(duì)其線性度進(jìn)行優(yōu)化。綜合低頻和高頻兩方面考慮，本發(fā)明提出了自動(dòng)最優(yōu)偏置電路和諧波控制電路。針對(duì)低頻特性，本發(fā)明中的最優(yōu)偏置電路可以將吉爾伯特混頻單元中的跨導(dǎo)管自動(dòng)偏置在三階跨導(dǎo)非線性系數(shù)過零點(diǎn)的位置。本發(fā)明通過引入反饋環(huán)路使得最優(yōu)偏置電路中復(fù)制跨導(dǎo)管和混頻單元中跨導(dǎo)管的漏源電壓相同，優(yōu)化了所產(chǎn)生偏置的準(zhǔn)確度。
針對(duì)高頻時(shí)的二次諧波反饋效應(yīng)對(duì)線性度性能的影響，混頻單元跨導(dǎo)管漏端的兩倍信號(hào)頻率串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)諧波控制。本發(fā)明采用基于可調(diào)有源電感的串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)。 與傳統(tǒng)的采用片上螺旋電感和鍵合線電感的方案相比較，本發(fā)明不僅省面積而且健壯。


圖1為經(jīng)典的吉爾伯特混頻單元電路圖。圖2為漏源電壓300mV，不同柵源電壓時(shí)的一階、二階和三階跨導(dǎo)非線性系數(shù)。圖3為漏源電壓分別為300mV和800mV，不同柵源電壓時(shí)的三階跨導(dǎo)非線性系數(shù)比較。圖4為本發(fā)明的電路圖。圖5為本發(fā)明中可調(diào)有源電感的一種實(shí)現(xiàn)。
具體實(shí)施例方式首先結(jié)合本發(fā)明電路，對(duì)線性度的理論進(jìn)行分析。如前所述，跨導(dǎo)級(jí)是吉爾伯特混頻單元的主要非線性來(lái)源，我們將對(duì)其非線性特性進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)樣本為0.13 μ m CMOS工藝下尺寸為60μπιΧ0. 13μπι的NMOS管。需要注意的是，本發(fā)明可推廣到其他特征尺寸的CMOS工藝。在一般工作條件下，吉爾伯特混頻單元中跨導(dǎo)管的非線性主要來(lái)自其跨導(dǎo)的非線性?？鐚?dǎo)管的漏電流可按跨導(dǎo)非線性進(jìn)行泰勒展開，如式(1)所示。
權(quán)利要求
1.一種吉爾伯特混頻器電路，其特征在于，包括基本的吉爾伯特混頻單元、最優(yōu)偏置電路和諧波控制電路；其中，所述吉爾伯特混頻單元包括跨導(dǎo)級(jí)、開關(guān)級(jí)和負(fù)載級(jí)；跨導(dǎo)級(jí)將輸入射頻電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流；然后，開關(guān)級(jí)通過電流切換實(shí)現(xiàn)頻率搬移；最終，負(fù)載級(jí)實(shí)現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)換；所述最優(yōu)偏置電路包括吉爾伯特混頻單元跨導(dǎo)級(jí)器件的復(fù)制或者同比例縮小、流過微小電流的電阻鏈和構(gòu)成兩個(gè)反饋環(huán)路的運(yùn)算放大器；最優(yōu)偏置電路中電阻鏈的中點(diǎn)提供吉爾伯特混頻單元中跨導(dǎo)管的直流偏置；所述諧波控制電路由可調(diào)有源電感和諧波控制電容構(gòu)成，該諧波控制電路連接在吉爾伯特混頻單元跨導(dǎo)管漏端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的吉爾伯特混頻器電路，其特征在于，所述的最優(yōu)偏置電路將吉爾伯特混頻單元中的跨導(dǎo)管自動(dòng)偏置在三階跨導(dǎo)非線性系數(shù)過零點(diǎn)的位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的吉爾伯特混頻器電路，其特征在于，所述的最優(yōu)偏置電路，通過引入的反饋環(huán)路使最優(yōu)偏置電路中復(fù)制跨導(dǎo)管和混頻單元中跨導(dǎo)管的漏源電壓相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的吉爾伯特混頻器電路，其特征在于，混頻單元跨導(dǎo)管漏端的兩倍信號(hào)頻率串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)諧波控制。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的吉爾伯特混頻器電路，其特征在于，諧波控制電路基于可調(diào)有源電感實(shí)現(xiàn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的吉爾伯特混頻器電路，其特征在于，吉爾伯特混頻單元包括第一到第六NMOS管GW/-_)、第一和第二負(fù)載電阻UK》、第一到第四偏置電阻 (Mm-Rm)和第一到第四交流耦合電容；最優(yōu)偏置電路包括第七到第十NMOS管 OWZtW/O)、第一和第二 PMOS管(/17、/ )、第一和第二電流源(/7、Λ )、第一到第四電阻 0 7 )、第一和第二大電阻0 Am、7 A￥)以及第一和第二運(yùn)算放大器(AMAiF^ )；諧波控制電路包括可調(diào)有源電感4 以及第一和第二諧波控制電容(6^、Chc2)；其中，吉爾伯特混頻單元中第一和第二 NMOS管GW/、U)源端接地，第一 NMOS管GW/)漏端接第三和第四匪OS管(Μ3、NM4)源端，第二匪OS管(M2)漏端接第五和第六匪OS管(M15、JW6)源端； 第三和第五NMOS管GWJ、NM5)漏端相連并經(jīng)第一負(fù)載電阻O^)連接到電源，第四和第六 NMOS管(M們漏端相連并經(jīng)第二負(fù)載電阻UD連接電源；最優(yōu)偏置電路中第一和第二電流源(/八12)的微小電流流經(jīng)由第一到第四電阻(於-財(cái))構(gòu)成的電阻鏈，電阻鏈中點(diǎn)連接到吉爾伯特混頻單元跨導(dǎo)管的直流偏置點(diǎn)；第七到第十NMOS管GWZtW^)的源端接地，柵端依次連接上述電阻鏈中的節(jié)點(diǎn)，第七和第九NMOS管(Μ7、ΝΜ9)的漏端與第一 PMOS 管iPMl)的漏端相連，第八和第十NMOS管(Μ 8、麗 10)的漏端與第二 PMOS管(/ )的漏端相連；第一和第二 PMOS管(/W7、/ )源端接電源，并構(gòu)成電流鏡；第一運(yùn)算放大器(iFW) 的正負(fù)輸入端分別接第二 PMOS管(/ )和第一 PMOS管_ )的漏端，輸出端接第七NMOS 管0W7)的柵端；第二運(yùn)算放大器(傲擬)的正輸入端接第一 PMOS管(ZM)的漏端，負(fù)輸入端接由第一和第二大電阻采集到的吉爾伯特混頻單元跨導(dǎo)管漏端電壓，輸出端接第一和第二 PMOS管(/M、U)的柵端；諧波控制電路的第一和第二諧波控制電容(C^、 Chc2)連接在吉爾伯特混頻單元跨導(dǎo)管漏端，其中點(diǎn)經(jīng)可調(diào)有源電感(Zm)接地。
全文摘要
本發(fā)明屬于射頻集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種帶有自動(dòng)最優(yōu)偏置和諧波控制的吉爾伯特混頻器。該混頻器包括基本的吉爾伯特混頻單元、最優(yōu)偏置電路和諧波控制電路；吉爾伯特混頻單元包括跨導(dǎo)級(jí)、開關(guān)級(jí)和負(fù)載級(jí)；最優(yōu)偏置電路包括吉爾伯特混頻單元跨導(dǎo)級(jí)器件的復(fù)制或者同比例縮小、流過微小電流的電阻鏈和構(gòu)成兩個(gè)反饋環(huán)路的運(yùn)算放大器；最優(yōu)偏置電路中電阻鏈的中點(diǎn)提供吉爾伯特混頻單元中跨導(dǎo)管的直流偏置；諧波控制電路由可調(diào)有源電感和諧波控制電容構(gòu)成，該諧波控制電路連接在吉爾伯特混頻單元跨導(dǎo)管漏端。本發(fā)明優(yōu)化了所產(chǎn)生最優(yōu)偏置的準(zhǔn)確度，克服了二次諧波反饋效應(yīng)。本發(fā)明適用于需要高線性度有源混頻器的無(wú)線通信收發(fā)機(jī)電路。
文檔編號(hào)H03D7/12GK102394566SQ20111027513
公開日2012年3月28日 申請(qǐng)日期2011年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月16日
發(fā)明者洪志良, 胡嵩, 黃煜梅 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)