專利名稱：一種返回式電流復用混頻器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種返回式電流復用混頻器，該混頻器包含跨導/放大級和混頻 級。射頻信號經(jīng)跨導級和混頻級下變頻至中頻信號，再次饋送至跨導級進行中頻放大；經(jīng)過 一階低通濾波后輸出。該混頻器跨導級同時放大輸入射頻信號和輸出中頻信號，為了保證 電路穩(wěn)定性，使用低通/高通濾波網(wǎng)絡對射頻/中頻信號進行耦合和隔離。該結構具有節(jié) 約功耗、節(jié)約電路結構、轉換增益高的特點，適用于低功耗、低成本的恒包絡通信標準。
背景技術：
返回式電路是基于再生式電路基礎之上的。再生式電路技術最早出現(xiàn)在早期的電 子管收音機中，由于當時電子管昂貴的價格，使得無線電設計人員開始尋求用最少的電子 管來構建整個收音機。美國人埃德溫·阿姆斯特朗發(fā)明了再生式電路，使得單管收音機的 實現(xiàn)成為了可能。再生式電路的原理是廣播射頻信號在電子管的放大及非線性作用下，輸 出含有放大的射頻信號和解調(diào)后的音頻信號，使用正反饋技術使得該信號一部分被再次送 至電子管的輸入端進行放大，這樣在電子管的輸入端形成輸入信號的振蕩現(xiàn)象，“再生”了 輸入射頻信號。由于振蕩將趨于飽和，因此對不同強度的輸入信號而言，最終振蕩的幅度是 固定的，輸出的解調(diào)后的音頻信號幅度也固定；對不同強度的電臺其收聽音量幾乎相同，省 去了音量調(diào)節(jié)的過程。需要注意的是，該振蕩過程注定不能是無休止的振蕩，在電路中，每 隔一個很短的時間會自動“復位”該振蕩信號，使得其重新根據(jù)輸入信號進行起振和維持振 蕩，以隨時跟蹤輸入信號并再生該輸入信號。總而言之，再生式電路允許其處于間歇式的非 穩(wěn)定狀態(tài)，很多情況下只是用一個管子就實現(xiàn)了收音機的功能。再生式電路打破了在一階 近似系統(tǒng)下增益帶寬積恒定的規(guī)律，增大了接收電路等效Q值。省去了中頻放大管降低了 收音機成本，同時也順便節(jié)省了功耗，盡管如何降低功耗當時并不受人們關注。然而，早期 的再生式電路同時也面臨著一系列的問題，如在無輸入信號的情況下，該電路會無限放大 噪聲，使得揚聲器發(fā)出滋滋的聲音；振蕩后的信號會發(fā)射出去干擾其他的收音機；再生式 電路的調(diào)節(jié)需要具備一定的電路功底，頻率選擇性不佳等。再生式電路誕生在一個瘋狂節(jié) 約管子數(shù)量的時代，雖然性能上差強人意，但是其設計思想給電路設計者開辟了一種獨特 的思路。再生式電路的正反饋是導致其種種不足的主要原因，但是其對放大管的充分利用 給了后人啟發(fā)。在隨后的若干年里，有人提出了返回式結構的雛形，即輸入高頻信號與解調(diào) 輸出后的中頻信號使用同一個放大級。為了避免正反饋的出現(xiàn)，對射頻信號和中頻信號同 時使用高通和低通濾波網(wǎng)絡進行隔離。然而，當時的短波音頻廣播最大頻率只有幾兆到幾 十兆赫茲，與輸出音頻相差不過2到3個數(shù)量級，射頻與輸出中頻之間的隔離效果差，彼此 之間互相干擾，收聽音質(zhì)不佳。隨著晶體管技術的出現(xiàn)和發(fā)展，管子的成本大幅度下降，超 外差結構的收音機開始普及，相比之下再生式結構和返回式結構的成本優(yōu)勢已經(jīng)不再，在 很長的一段時間里被人遺忘了。如今的射頻通訊電路，其載波頻率高達2-5GHZ，輸出中頻通常在2_10MHz范圍內(nèi)。簡單的一階無源濾波網(wǎng)絡就可以實現(xiàn)對射頻信號和中頻信號進行有效隔離。隨著便攜式通 訊工具和無線傳感網(wǎng)絡的廣泛應用，如何顯著降低功耗增加電池使用時間成為設計人員不 斷追求的目標。而返回式電路的射頻/中頻增益復用概念正好為降低功耗提供了途徑。本 實用新型正是將已被人遺忘的再生返回式電路的相關思想，融合進當今集成電路的設計中 去，構建出一種新的低功耗返回式混頻器。
發(fā)明內(nèi)容技術問題本實用新型的目的在于提供一種返回式低功耗混頻器，該混頻器跨導 級使用了電流復用技術，且輸入射頻和輸出中頻信號共用同一個跨導放大級，具有節(jié)約功 耗、節(jié)約電路結構、轉換增益高的特點。技術方案本實用新型目的通過以下方法實現(xiàn)如圖Ia所示，常規(guī)的混頻器主要 包含依次連接的跨導級、混頻級、低通濾波級三個模塊。射頻信號通過跨導級轉換成射頻電 流，該電流通過混頻級的調(diào)制作用在輸出端產(chǎn)生位于中頻的下變頻信號、位于射頻的輸入 饋通信號以及上變頻信號。上述信號在通過低通濾波網(wǎng)絡之后，饋通信號與上變頻信號被 濾除掉，在輸出端得到純凈的下變頻信號?！N返回式電流復用混頻器，包括依次連接的跨導/放大級和混頻級，跨導放大 級放大輸入射頻信號，放大后的射頻信號經(jīng)過混頻級產(chǎn)生輸出中頻信號；該中頻信號被再 次送到跨導/放大級的輸入端，經(jīng)跨導/放大級放大后，再作為最終的中頻信號輸出；在跨導/放大級與混頻級之間串聯(lián)高通濾波網(wǎng)絡對中頻信號進行阻隔；在混頻級 輸出端與跨導/放大級之間串聯(lián)低通濾波網(wǎng)絡對射頻信號進行阻隔；所述跨導/放大級采用電流復用結構，兼做射頻的跨導級和中頻的放大級。具體來說，所述跨導/放大級包括PM0S管PMO和PM3 ；匪OS管匪0和匪1 ；電容 CO 禾口 Cl ；電容 C2 禾口 C3 ；電阻 R1、R2、R3 禾口 R4 ；ΡΜ0、匪0、PM3和匪1構成電流復用跨導級；匪0和匪1同時作為輸出中頻信號的 放大管，最終輸出信號從ΝΜ0，匪1的漏極輸出；所述混頻級包括雙平衡開關PM4、PM5、PM6和PM7 ；用作偏置管的PMOS管PMl和 PM2 ；PM4 PM7構成混頻核心電路，由PMl和PM2提供電流偏置；用作混頻負載的NMOS管 NM2 禾口 NM3 ；跨導級的直流偏置電壓由匪2和匪3的柵極電壓提供；在跨導級和混頻級之間連 接射頻耦合電容C4和C5作為高通濾波網(wǎng)絡，用以耦合射頻信號，隔離最終的中頻信號輸 出；所述低通濾波網(wǎng)絡包括C6、R5、C7、C9以及R6、C8、C10，用以耦合自混頻級輸出的
中頻信號至跨導/放大級，并且隔離自混頻級輸出的射頻信號；電容CO、Cl的上極板接正輸入信號端，Cl的下極板接PMO的柵極；CO的下極板接 NMO的柵極；電容C2、C3的上極板接正輸入信號端，C3的下極板接PM3的柵極；C2的下極板 接匪1的柵極；PMO的源極接電源電壓，漏極接NMO的漏極；電阻Rl正端接PMO的柵極，負端接電 阻R2的正端，R2的負端接PMO的漏極；PM3的源極接電源電壓，漏極接匪1的漏極；電阻R3 的正端接PM3的柵極，負端接R4的正端，R4的負端接PM3的漏極；Rl的負端與R3的負端同時接到電容C12的上極板，C12的下極板接地；NMO和匪1的漏極接地；PMl和PM2的源端接電源電壓，柵極接電流鏡柵極電壓； PM4、PM5的源極接PMl的漏極，PM6、PM7的源極接PM2的漏極；本振信號正端接PM5和PM6 的柵極，本振信號負端接PM4和PM7的柵極；匪2和匪3的源極接地，柵極接電容Cl 1的上極板，電容Cl 1的下極板接地；匪2的 漏極接PM4、PM6的漏極；匪3的漏極接PM5、PM6的漏極；電容C4的上極板接PMO的漏極，下極板接PMl的漏極；電容C5的上極板接PM3的 漏極，下極板接PM2的漏極；電阻R7的正端接匪2的漏極，負端接匪2的柵極；R8的正端接 匪3的漏極，負端接匪3的柵極；電容C6跨接在R7的正端和R8的正端之間；電容C9的上 極板接NM2的漏極，下極板接地；電容ClO的上極板接NM3的漏極，下極板接地；電阻R5的 正端接匪2的漏極，負端接NMO的柵極和電容C7的上極板，C7的下極板接地；電阻R6的正 端接匪3的漏極，負端接匪1的柵極和電容C8的上極板，C8的下極板接地；R9的正端接輸出結點1，R9的負端為中頻輸出正極，接電容C13的上極板，C13的 下極板接地；RlO的正端接輸出結點2，RlO的負端為中頻輸出負極，接電容C14的上極板， C14的下極板接地；輸出結點1是在電阻R2的負端，輸出結點2是在電阻R4的負端。本技術方案的原理如下本實用新型的返回式混頻器如圖Ib所示，在跨導級與混頻級之間串聯(lián)高通濾波 網(wǎng)絡，混頻級輸出接低通濾波網(wǎng)絡后耦合至跨導/放大級。經(jīng)跨導/放大級放大后輸出。該 跨導/放大級對輸入射頻信號而言是一個電流復用的跨導級，對輸出中頻信號而言承擔了 中頻放大器的作用。從物理結構上看，混頻級的輸出與跨導/放大級的輸入接到一起，構成 了環(huán)路。然而，由于高通/低通濾波網(wǎng)絡的介入，射頻信號在混頻級的輸出端被阻隔，中頻 信號在跨導級的輸出端被阻隔。實際都沒有構成反饋環(huán)路。由于射頻信號與輸出中頻信號 相差數(shù)千倍，僅用一階無源高通/低通濾波網(wǎng)絡即可實現(xiàn)可靠的隔離效果。圖3所示為整 個頻域在該物理環(huán)路中的環(huán)路增益圖，可見任何頻率上的環(huán)路增益值均低于OdB，即該混頻 器在任何頻率上均不會產(chǎn)生振蕩。本實用新型的混頻器結構如圖2所示，該混頻器為輸入輸出全差分結構?？鐚Ъ?差分端分別由PMO、NMO以及PM3、匪1構成。輸入射頻信號通過電容同時耦合至PMOS管的 柵極與NMOS管的柵極?？鐚Ъ壆a(chǎn)生的射頻電流通過小電容C4、C5耦合至本振級。該電容 對射頻信號可以全部饋通，對于中頻信號近似為開路，將中頻信號阻隔在混頻級之前?；?頻級與跨導級分開偏置，便于對混頻級使用更低的偏置電流從而改善混頻器的噪聲系數(shù)。 變頻后的信號從匪2和匪3管的漏極輸出，經(jīng)過一階低通濾波濾除射頻信號后加到NMO和 匪1的柵極。在NMO和匪1的漏極形成最終中頻輸出。圖4所示為混頻級輸出端的轉換增 益(下)與跨導放大級處輸出端的轉換增益(上)隨輸入頻率變化曲線；其中本振頻率為 2. 45GHz ；從圖中可以清楚看出由于返回式結構的加入，在同樣的功耗與有源器件條件下， 轉換增益被提高了 20多dB.有益效果該混頻器包含跨導放大級和混頻級以及高通及低通濾波網(wǎng)絡；跨導放 大級為電流復用CMOS結構，將輸入射頻信號轉化為射頻電流，經(jīng)過高通濾波網(wǎng)絡去除低頻 成分后注入到混頻級，經(jīng)過混頻級的調(diào)制作用生成輸出中頻信號。該中頻信號經(jīng)過低通濾 波網(wǎng)絡去除高頻成分后被再次送到輸入跨導放大級，經(jīng)跨導放大級放大后輸出，該混頻器跨導級使用了電流復用技術，且輸入射頻和輸出中頻信號共用同一個跨導放大級，具有節(jié) 約功耗、節(jié)約電路結構、轉換增益高的特點。

圖Ia為常規(guī)混頻器模塊框圖；圖Ib為本實用新型的返回式電流復用混頻器模塊框圖；圖2為本實用新型的返回式電流復用混頻器電路原理圖；圖3為本實用新型的返回式電流復用混頻器在整個頻譜范圍內(nèi)的內(nèi)部環(huán)路增益 曲線；圖4為混頻級輸出端的轉換增益(下)與跨導放大級處輸出端的轉換增益(上) 隨輸入頻率變化曲線；其中本振頻率為2. 45GHz ；圖5為輸入射頻信號波形(淺色曲線)、混頻級輸出端波形(較小幅度低頻正弦 波)與跨導/放大級輸出端的中頻信號波形(較大幅度低頻正弦波)。
具體實施方式
本實用新型的返回式電流復用混頻器主體結構主要由跨導/放大級、混頻級、偏 置電路、濾波網(wǎng)絡等模塊構成?？鐚?放大級包括P型金屬氧化物場效應管(以下簡稱PMOS 管)PMO、PM3，N型金屬氧化物場效應管(以下簡稱NMOS管)NM0、NM1構成。ΡΜ0、ΝΜ0以及 PM3、W1構成電流復用跨導級。NMO和匪1同時作為輸出中頻信號的放大管，最終輸出信號 從ΝΜ0，匪1的漏極輸出。雙平衡開關PM4-PM7作為混頻核心電路，由偏置管PMl和PM2提 供電流偏置?？鐚Ъ壍闹绷髌秒妷河苫祛l負載管匪2和匪3的柵極電壓提供。電容C4、 C5在跨導級和混頻級之間，用以耦合射頻信號，隔離中頻輸出信號。C6、R5、C7、C9以及R6、 C8、ClO組成低通濾波網(wǎng)絡，用以耦合自混頻級輸出的中頻信號至跨導/放大級，并且隔離 自混頻級輸出的射頻信號。電容CO、Cl的上極板接正輸入信號端，Cl的下極板接PMO的柵極；CO的下極板接 NMO的柵極；電容C2、C3的上極板接正輸入信號端，C3的下極板接PM3的柵極；C2的下極 板接匪1的柵極；PMO的源極接電源電壓，漏極接NMO的漏極；電阻Rl正端接PMO的柵，負 端接電阻R2的正端，R2的負端接PMO的漏極。PM3的源極接電源電壓，漏極接匪1的漏極。 電阻R3的正端接PM3的柵，負端接R4的正端，R4的負端接PM3的漏極。Rl的負端與R3的 負端同時接到電容C12的上極板，C12的下極板接地。NMO和匪1的漏極接地。PMl和PM2 的源端接電源電壓，柵極接電流鏡柵極電壓。PM4、PM5的源極接PMl的漏極，PM6、PM7的源 極接PM2的漏極；本振信號正端接PM5和PM6的柵極，本振信號負端接PM4和PM7的柵極。 匪2和匪3的源極接地，柵極接電容Cll的上極板，電容Cll的下極板接地。匪2的漏極接 PM4、PM6的漏極；匪3的漏極接PM5、PM6的漏極。射頻耦合電容C4的上極板接PMO的漏極， 下極板接PMl的漏極；射頻耦合電容C5的上極板接PM3的漏極，下極板接PM2的漏極；電 阻R7的正端接匪2的漏極，負端接匪2的柵極。R8的正端接匪3的漏極，負端接匪3的柵 極。電容C6跨接在R7的正端和R8的正端之間。電容C9的上極板接匪2的漏極，下極板 接地。電容ClO的上極板接匪3的漏極，下極板接地。電阻R5的正端接匪2的漏極，負端 接NMO的柵極和電容C7的上極板，C7的下極板接地。電阻R6的正端接匪3的漏極，負端接NMl的柵極和電容C8的上極板，C8的下極板接地。R9的正端接輸出結點1，R9的負端為 中頻輸出正極，接電容C13的上極板，C13的下極板接地。RlO的正端接輸出結點2，RlO的 負端為中頻輸出負極，接電容C14的上極板，C14的下極板接地。 以上所述僅為本實用新型的較佳實施方式，本實用新型的保護范圍并不以上述實 施方式為限，但凡本領域普通技術人員根據(jù)本實用新型所揭示內(nèi)容所作的等效修飾或變 化，皆應納入權利要求書中記載的保護范圍內(nèi)。
權利要求1.一種返回式電流復用混頻器，包括依次連接的跨導/放大級和混頻級，其特征是跨 導放大級放大輸入射頻信號，放大后的射頻信號經(jīng)過混頻級產(chǎn)生輸出中頻信號；該中頻信 號被再次送到跨導/放大級的輸入端，經(jīng)跨導/放大級放大后，再作為最終的中頻信號輸 出；在跨導/放大級與混頻級之間串聯(lián)高通濾波網(wǎng)絡對中頻信號進行阻隔；在混頻級輸出 端與跨導/放大級之間串聯(lián)低通濾波網(wǎng)絡對射頻信號進行阻隔；所述跨導/放大級采用電流復用結構，兼做射頻的跨導級和中頻的放大級。
2.根據(jù)權利要求1所述的返回式電流復用混頻器，其特征在于所述跨導/放大級包括PM0S管PMO和PM3 ；匪OS管匪0和匪1 ；電容CO和Cl ；電容 C2 禾口 C3 ；電阻 Rl、R2、R3 禾口 R4 ；ΡΜΟ、ΝΜ0, PM3和匪1構成電流復用跨導級；NMO和匪1同時作為輸出中頻信號的放大 管，最終輸出信號從NMO，Wl的漏極輸出；所述混頻級包括雙平衡開關PM4、PM5、PM6和PM7 ；用作偏置管的PMOS管PMl和PM2 ； PM4 PM7構成混頻核心電路，由PMl和PM2提供電流偏置；用作混頻負載的NMOS管匪2和 匪3 ；跨導級的直流偏置電壓由匪2和匪3的柵極電壓提供；在跨導級和混頻級之間連接射 頻耦合電容C4和C5作為高通濾波網(wǎng)絡，用以耦合射頻信號，隔離最終的中頻信號輸出；所述低通濾波網(wǎng)絡包括C6、R5、C7、C9以及R6、C8、C10，用以耦合自混頻級輸出的中頻 信號至跨導/放大級，并且隔離自混頻級輸出的射頻信號；電容CO、Cl的上極板接正輸入信號端，Cl的下極板接PMO的柵極；CO的下極板接NMO 的柵極；電容C2、C3的上極板接正輸入信號端，C3的下極板接PM3的柵極；C2的下極板接 匪1的柵極；PMO的源極接電源電壓，漏極接NMO的漏極；電阻Rl正端接PMO的柵極，負端接電阻R2 的正端，R2的負端接PMO的漏極；PM3的源極接電源電壓，漏極接匪1的漏極；電阻R3的正 端接PM3的柵極，負端接R4的正端，R4的負端接PM3的漏極；Rl的負端與R3的負端同時接 到電容C12的上極板，C12的下極板接地；NMO和匪1的漏極接地；PMl和PM2的源端接電源電壓，柵極接電流鏡柵極電壓；PM4、 PM5的源極接PMl的漏極，PM6、PM7的源極接PM2的漏極；本振信號正端接PM5和PM6的柵 極，本振信號負端接PM4和PM7的柵極；匪2和匪3的源極接地，柵極接電容Cll的上極板，電容Cll的下極板接地；匪2的漏極 接PM4、PM6的漏極；匪3的漏極接PM5、PM6的漏極；電容C4的上極板接PMO的漏極，下極板接PMl的漏極；電容C5的上極板接PM3的漏極， 下極板接PM2的漏極；電阻R7的正端接匪2的漏極，負端接匪2的柵極；R8的正端接匪3 的漏極，負端接匪3的柵極；電容C6跨接在R7的正端和R8的正端之間；電容C9的上極板 接匪2的漏極，下極板接地；電容ClO的上極板接匪3的漏極，下極板接地；電阻R5的正端 接匪2的漏極，負端接NMO的柵極和電容C7的上極板，C7的下極板接地；電阻R6的正端接 匪3的漏極，負端接匪1的柵極和電容C8的上極板，C8的下極板接地；R9的正端接輸出結點1，R9的負端為中頻輸出正極，接電容C13的上極板，C13的下極 板接地；RlO的正端接輸出結點2，R10的負端為中頻輸出負極，接電容C14的上極板，C14的下極板接地；輸出結點1是在電阻R2的負端，輸出結點2是在電阻R4的負端。
專利摘要一種返回式電流復用混頻器，該混頻器包含跨導放大級和混頻級以及高通及低通濾波網(wǎng)絡；跨導放大級為電流復用CMOS結構，將輸入射頻信號轉化為射頻電流，經(jīng)過高通濾波網(wǎng)絡去除低頻成分后注入到混頻級，經(jīng)過混頻級的調(diào)制作用生成輸出中頻信號。該中頻信號經(jīng)過低通濾波網(wǎng)絡去除高頻成分后被再次送到輸入跨導放大級，經(jīng)跨導放大級放大后輸出，該混頻器跨導級使用了電流復用技術，且輸入射頻和輸出中頻信號共用同一個跨導放大級，具有節(jié)約功耗、節(jié)約電路結構、轉換增益高的特點。
文檔編號H03D7/14GK201918963SQ20112000626
公開日2011年8月3日 申請日期2011年1月11日 優(yōu)先權日2011年1月11日
發(fā)明者葉至易, 吳建輝, 孫杰, 張萌, 時龍興, 李紅, 王子軒, 陳超 申請人:東南大學