本發(fā)明屬于射頻集成電路領(lǐng)域，尤其涉及一種混頻器電路。

背景技術(shù)：

混頻器是射頻接收機(jī)中的關(guān)鍵模塊，因?yàn)樗瓿蒖F-IF的頻率變換，并直接決定了接收機(jī)的架構(gòu)體系。為了降低混頻器，后級(jí)電路噪聲對于系統(tǒng)噪聲的貢獻(xiàn)，同時(shí)補(bǔ)償中頻濾波器的損耗，混頻器需要一定的轉(zhuǎn)換增益。其中基于Gilbert的有源混頻器由于其高的混頻增益和優(yōu)越的端口隔離度等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種架構(gòu)的射頻集成前端。不過，其噪聲指數(shù)相對較高。

有源混頻器的噪聲主要來源于開關(guān)級(jí)的閃爍噪聲、熱噪聲和射頻跨導(dǎo)級(jí)的熱噪聲。因?yàn)榭鐚?dǎo)級(jí)的閃爍噪聲會(huì)變頻到高頻，對于基帶接收沒有影響。對于后者，一般可以在射頻跨導(dǎo)級(jí)采用噪聲消除技術(shù)以獲得低噪聲輸出。對于前者，為了降低開關(guān)級(jí)的閃爍噪聲和熱噪聲，通常的做法是采用如圖1所示的電流注入型有源混頻器(J.Park,C.H.Lee,B.-S.Kim,and J.Laskar,“Design and analysis of low flicker-noise CMOS mixers for direct-conversion receivers,”IEEE Trans.Microw.Theory Tech.,vol.54,no.12,pp.4372–4380,Dec.2006.)。它通過恒流源為跨導(dǎo)級(jí)提供大部分的偏置電流，從而降低流過開關(guān)管的直流電流，使得開關(guān)對的電流換向時(shí)間較小，進(jìn)而開關(guān)級(jí)的噪聲貢獻(xiàn)也得以抑制。

但是，該方法是建立在本振驅(qū)動(dòng)理想化的情形下的。即，開關(guān)管被理想的本振梯形波信號(hào)驅(qū)動(dòng)，不存在任何失配。實(shí)際上，由壓控振蕩器傳給混頻器的LO信號(hào)經(jīng)過緩沖和路徑延時(shí)后，難免存在幅度和相位的不平衡，使得混頻器的開關(guān)對切換時(shí)間延長，電路性能退化[B Guo,S An，An analytical model of conversion gain for submicron active mixers with LO offsets，F(xiàn)requenz,vol.67(3–4):85-91,2013]。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題，提出了一種具有本振相位失配補(bǔ)償功能的混頻器電路，對混頻器電路引入失配補(bǔ)償級(jí)，對本振失配信號(hào)進(jìn)行檢測反饋，進(jìn)而調(diào)整源級(jí)節(jié)點(diǎn)電壓，來抑制本振開關(guān)切換時(shí)間對電路性能的惡化，從而降低電路噪聲，提高增益。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種具有本振相位失配補(bǔ)償功能的混頻器電路，包括：第一跨導(dǎo)輸入級(jí)、第二跨導(dǎo)輸入級(jí)、第一開關(guān)混頻級(jí)、第二開關(guān)混頻級(jí)、第一失配補(bǔ)償級(jí)、第二失配補(bǔ)償級(jí)、輸出負(fù)載級(jí)、第一電感和第二電感；

所述第一跨導(dǎo)輸入級(jí)第一端接地，第一跨導(dǎo)輸入級(jí)第二端接第一電感第一端，第一跨導(dǎo)輸入級(jí)第三端接電壓V_RF+；

所述第一電感第二端接第一開關(guān)混頻級(jí)第一端；

所述第一開關(guān)混頻級(jí)第一端還接第一失配補(bǔ)償級(jí)第一端，第一開關(guān)混頻級(jí)第二端接輸出負(fù)載級(jí)第一端，第一開關(guān)混頻級(jí)第三端接輸出負(fù)載第四端，第一開關(guān)混頻級(jí)第四端接V_LO-端口，第一開關(guān)混頻級(jí)第五端接V_LO+端口；

所述第一失配補(bǔ)償級(jí)第二端接V_LO+端口，第一失配補(bǔ)償級(jí)第三端接地，第一失配補(bǔ)償級(jí)第四端接V_LO-端口；

所述輸出負(fù)載級(jí)第二端接V_DD，輸出負(fù)載級(jí)第三端接V_DD，輸出負(fù)載級(jí)第四端接第二開關(guān)混頻級(jí)第一端，輸出負(fù)載級(jí)第一端作為混頻器電路的第一輸出端口；輸出負(fù)載級(jí)第四端作為混頻器電路的第二輸出端口；

所述第二開關(guān)混頻級(jí)第二端接V_LO+端口，第二開關(guān)混頻級(jí)第三端接V_LO-端口，第二開關(guān)混頻級(jí)第四端接輸出負(fù)載級(jí)第一端，第二開關(guān)混頻級(jí)第五端接第二失配補(bǔ)償級(jí)第一端；

所述第二失配補(bǔ)償級(jí)第二端接V_LO+端口，第二失配補(bǔ)償級(jí)第三端接V_LO-端口，第二失配補(bǔ)償級(jí)第四端接地；

所述第二開關(guān)混頻級(jí)第五端還接第二電感第一端，所述第二電感第二端接第二跨導(dǎo)輸入級(jí)第一端；

所述第二跨導(dǎo)輸入級(jí)第二端接地，第二跨導(dǎo)輸入級(jí)第三端接電壓V_RF-。

進(jìn)一步地，所述第一跨導(dǎo)輸入級(jí)包括：第一晶體管，所述第一晶體管的柵極作為第一跨導(dǎo)輸入級(jí)的第三端接電壓V_RF+，所述第一晶體管的源極作為第一跨導(dǎo)輸入級(jí)的第一端接地，所述第一晶體管的漏極作為第一跨導(dǎo)輸入級(jí)的第二端。

進(jìn)一步地，所述第二跨導(dǎo)輸入級(jí)包括：第二晶體管，所述第二晶體管的柵極作為第二跨導(dǎo)輸入級(jí)的第三端接電壓V_RF-，所述第二晶體管的源極作為第二跨導(dǎo)輸入級(jí)的第二端接地，所述第二晶體管的漏極作為第二跨導(dǎo)輸入級(jí)的第一端。

進(jìn)一步地，所述第一開關(guān)混頻級(jí)包括：第三晶體管、第四晶體管；所述第三晶體管的柵極作為第一開關(guān)混頻級(jí)的第五端接V_LO+端口，所述第三晶體管的漏極作為第一開關(guān)混頻級(jí)的第二端，所述第三晶體管的源極作為第一開關(guān)混頻級(jí)第一端；所述第四晶體管的柵極作為第一開關(guān)混頻級(jí)第四端接V_LO-端口，所述第四晶體管的漏極作為第一開關(guān)混頻級(jí)第三端，所述第四晶體管的源極與第三晶體管的源極相連。

進(jìn)一步地，所述第二開關(guān)混頻級(jí)包括：第五晶體管、第六晶體管；所述第五晶體管的柵極作為第二開關(guān)混頻級(jí)第三端接V_LO-端口，所述第五晶體管的漏極作為第二開關(guān)混頻級(jí)的第四端，所述第五晶體管的源極作為第一開關(guān)混頻級(jí)第五端；所述第六晶體管的柵極作為第二開關(guān)混頻級(jí)第二端接V_LO+端口，所述第六晶體管的漏極作為第二開關(guān)混頻級(jí)第一端，所述第六晶體管的源極與第五晶體管的源極相連。

進(jìn)一步地，所述第一失配補(bǔ)償級(jí)包括：第一電阻、第二電阻、第三電阻、第一電容、第三電容、第七晶體管以及第八晶體管；所述第一電阻的第一端作為第一失配補(bǔ)償級(jí)第二端接V_LO+端口，所述第四電阻第二端接第二電阻第一端，所述第二電阻第二端作為第一失配補(bǔ)償級(jí)第四端接V_LO-端口，所述第一電容第一端接第一電阻第二端，第一電容第二端接第七晶體管的柵極，所述第七晶體管的源極接V_DD，第七晶體管的漏極接第三電阻第一端，所述第三電阻第二端作為第一失配補(bǔ)償級(jí)第三端接地，第三電容第一端接第七晶體管的漏極，第三電容第二端接第八晶體管的柵極，第八晶體管的源極接第七晶體管的源極，第八晶體管的漏極作為第一失配補(bǔ)償級(jí)第一端。

進(jìn)一步地，所述第二失配補(bǔ)償級(jí)包括：第四電阻、第五電阻、第六電阻、第二電容、第四電容、第九晶體管以及第十晶體管；所述第四電阻的第一端作為第二失配補(bǔ)償級(jí)第二端接V_LO+端口，所述第四電阻第二端接第五電阻第一端，所述第五電阻第二端作為第二失配補(bǔ)償級(jí)第三端接V_LO-端口，所述第二電容第一端接第四電阻第二端，第二電容第二端接第九晶體管的柵極，所述第九晶體管的源極接V_DD，第九晶體管的漏極接第六電阻第一端，所述第六電阻第二端作為第二失配補(bǔ)償級(jí)第四端接地，第四電容第一端接第九晶體管的漏極，第四電容第二端接第十晶體管的柵極，第十晶體管的源極接第九晶體管的源極，第十晶體管的漏極作為第二失配補(bǔ)償級(jí)第一端。

進(jìn)一步地，所述輸出負(fù)載級(jí)包括：第七電阻、第八電阻以及第五電容；所述第七電阻第一端作為負(fù)載級(jí)第二端接V_DD，所述第七電阻第二端作為輸出負(fù)載級(jí)第一端，所述第七電阻第二端還接第五電容第一端，第五電容第二端接第八電阻第一端，第八電阻第一端作為輸出負(fù)載級(jí)第四端，第八電阻第二端作為輸出負(fù)載級(jí)第三端接V_DD。

本發(fā)明的有益效果：

(1)通過設(shè)計(jì)失配補(bǔ)償電路，檢測本振失配狀況，并注入反饋補(bǔ)償信號(hào)至開關(guān)對源極節(jié)點(diǎn)，從而抑制本振失配帶來的附加開關(guān)對切換時(shí)間，使得混頻器整體的噪聲減??；

(2)失配補(bǔ)償電路使得本振的切換時(shí)間最小化，本振更接近于理想的零切換時(shí)間狀態(tài)，在不增加系統(tǒng)過多功耗情況下，增益也更為有優(yōu)勢；

(3)失配補(bǔ)償電路又具有電流注入結(jié)構(gòu)的降噪特性，即，在不存在本振失配的情況下，依然保留了傳統(tǒng)電流注入結(jié)構(gòu)的降低噪聲的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有電流注入型有源混頻器電路圖；

圖2是本發(fā)明的具有本振相位失配補(bǔ)償功能的混頻器電路圖；

圖3是本發(fā)明本振相位失配反饋補(bǔ)償?shù)墓δ苁疽鈭D；

圖4是本發(fā)明具有本振相位失配補(bǔ)償功能的混頻器的噪聲系數(shù)圖；

圖5是本發(fā)明具有本振相位失配補(bǔ)償功能的混頻器的轉(zhuǎn)換增益圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。

如圖2所示為本發(fā)明的具有本振相位失配補(bǔ)償功能的混頻器電路圖，本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種具有本振相位失配補(bǔ)償功能的混頻器電路，第一跨導(dǎo)輸入級(jí)1、第二跨導(dǎo)輸入級(jí)2、第一開關(guān)混頻級(jí)3、第二開關(guān)混頻級(jí)4、第一失配補(bǔ)償級(jí)5、第二失配補(bǔ)償級(jí)6、輸出負(fù)載級(jí)7、第一電感和第二電感；其中所述跨導(dǎo)輸入級(jí)接收RF電壓信號(hào)，將RF電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)；開關(guān)混頻級(jí)由本振信號(hào)LO控制，對電流信號(hào)進(jìn)行周期性換向，將頻率從射頻變換到中頻，完成頻率變換；輸出負(fù)載級(jí)，對高頻信號(hào)進(jìn)行濾波抑制，并將相應(yīng)的中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為輸出IF電壓信號(hào)；失配補(bǔ)償級(jí)則檢測本振失配狀況，并將失配電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，注入開關(guān)對源極節(jié)點(diǎn)，補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)電壓的失配，以及抑制本振切換時(shí)間的惡化。

第一跨導(dǎo)輸入級(jí)與第二跨導(dǎo)輸入級(jí)為差分對稱結(jié)構(gòu)，左右側(cè)結(jié)構(gòu)完全相同，第一跨導(dǎo)輸入級(jí)包括第一晶體管M₁；M₁的柵極作為第一跨導(dǎo)輸入級(jí)的第三端，用于射頻信號(hào)輸入，射頻信號(hào)為一電壓信號(hào)V_RF+；M₁的源極作為第一跨導(dǎo)輸入級(jí)的第一端連接至參考地；M₁的漏極作為第一跨導(dǎo)輸入級(jí)的第二端通過電感L₁連接到X節(jié)點(diǎn)。

第二跨導(dǎo)輸入級(jí)包括第二晶體管M₂；M₂的柵極作為第一跨導(dǎo)輸入級(jí)的第三端，用于射頻信號(hào)輸入，射頻信號(hào)為一電壓信號(hào)V_RF-；M₂的源極作為第一跨導(dǎo)輸入級(jí)的第二端連接至參考地；M₂的漏極作為第一跨導(dǎo)輸入級(jí)的第一端通過電感L₁連接到Y(jié)節(jié)點(diǎn)。

第一開關(guān)混頻級(jí)包括：第三晶體管M₃、第四晶體管M₄，M₃的柵極作為第一開關(guān)混頻級(jí)的第五端，用于本振差分信號(hào)V_LO+的輸入；M₃的漏極作為第一開關(guān)混頻級(jí)的第二端接到輸出負(fù)載級(jí)的負(fù)載電阻R_L1的負(fù)端；M₃和M₄的源極連接在一起連接到X節(jié)點(diǎn)，作為第一開關(guān)混頻級(jí)的第一端；M₄的柵極作為第一開關(guān)混頻級(jí)第四端，用于本振差分信號(hào)V_LO-的輸入；M₄的漏極作為第一開關(guān)混頻級(jí)第三端接到輸出負(fù)載級(jí)的負(fù)載電阻R_L2的負(fù)端。

第二開關(guān)混頻級(jí)包括：第五晶體管M₅、第六晶體管M₆，M₅的柵極作為第二開關(guān)混頻級(jí)的第三端，用于本振差分信號(hào)V_LO-的輸入；M₅的漏極作為第二開關(guān)混頻級(jí)的第四端接到輸出負(fù)載級(jí)的負(fù)載電阻R_L1的負(fù)端；M₅和M₆的源極連接在一起連接到Y(jié)節(jié)點(diǎn)，作為第五開關(guān)混頻級(jí)的第五端；M₆的柵極作為第二開關(guān)混頻級(jí)第二端，用于本振差分信號(hào)V_LO+的輸入；M₆的漏極作為第二開關(guān)混頻級(jí)第一端接到輸出負(fù)載級(jí)的負(fù)載電阻R_L2的負(fù)端。

在第一輸入跨導(dǎo)級(jí)、第二輸入跨導(dǎo)級(jí)和第一混頻開關(guān)級(jí)、第二混頻開關(guān)級(jí)之間，第一電感L₁、第二電感L₂用于諧振吸收跨導(dǎo)級(jí)的輸出寄生電容和開關(guān)對寄生輸入電容，從而構(gòu)成π型諧振網(wǎng)絡(luò)，以獲得寬帶級(jí)間匹配。

輸出負(fù)載級(jí)為第七電阻R_L1、第八R_L2和第五電容C_L構(gòu)成的IF濾波器，負(fù)載電阻R_L1的正端作為輸出負(fù)載級(jí)的第二端連接電源V_DD，負(fù)載電阻R_L1的負(fù)端作為輸出負(fù)載級(jí)的第一端，R_L2的正端作為輸出負(fù)載級(jí)第三端連接電源V_DD，R_L2的負(fù)端作為輸出負(fù)載級(jí)第四端，輸出負(fù)載級(jí)的負(fù)載電容C_L接在兩個(gè)負(fù)載電阻R_L1、R_L2的負(fù)端之間，中頻輸出信號(hào)V_IF+由R_L1的負(fù)端引出，中頻輸出信號(hào)V_IF-由R_L2的負(fù)端引出。

第一失配補(bǔ)償級(jí)包括：第七晶體管M₇、第八晶體管M₈、第一電阻R₁、第二電阻R₂、第三電阻R₃、第一電容C₁、第三電容C₃，R₁第一端作為第一失配補(bǔ)償級(jí)第二端接V_LO+端口，R₁第二端與R₂第一端相連，R₂第二端作為第一失配補(bǔ)償級(jí)第四端接V_LO-端口，R₁第二端通過耦合電容C₁連接到M₇的柵極，M₇源極連接到電源V_DD，M₇漏極通過電阻R₃連接到地，R₃的負(fù)極作為第一失配補(bǔ)償級(jí)第三端；M₈的源極連接到電源V_DD，M₈的柵極通過電容C₃連接到電阻R₃的正極，M₈的漏極作為第一失配補(bǔ)償級(jí)的第一端連接到節(jié)點(diǎn)X。

第二失配補(bǔ)償級(jí)包括：第九晶體管M₉、第十晶體管M₁₀、第四電阻R₄、第五電阻R₅、第六電阻R₆、第二電容C₂、第四電容C₄，R₄第一端作為第二失配補(bǔ)償級(jí)第二端接V_LO+端口，R₄第二端與R₅第一端相連，R₅第二端作為第二失配補(bǔ)償級(jí)第三端接V_LO-端口，R₄第二端通過耦合電容C₂連接到M₉的柵極，M₉源極連接到電源V_DD，M₉漏極通過電阻R₆連接到地，R₆的負(fù)極作為第二失配補(bǔ)償級(jí)第四端；M₁₀的源極連接到電源V_DD，M₁₀的柵極通過電容C₄連接到電阻R₆的正極，M₁₀的漏極作為第二失配補(bǔ)償級(jí)的第一端連接到節(jié)點(diǎn)Y。

在本實(shí)施方式中，以左側(cè)電路為例，當(dāng)本振差分信號(hào)V_LO+存在一定相位失配時(shí)，如圖3(a)所示，對應(yīng)存在一個(gè)△t，開關(guān)管M₄和M₃同時(shí)導(dǎo)通和截止。而且，沒有反饋補(bǔ)償級(jí)的開關(guān)對源極節(jié)點(diǎn)電壓曲線V_x示意圖也顯示在圖中。通過電阻R₁、R₂網(wǎng)絡(luò)來檢測由于該相位失配導(dǎo)致的開關(guān)對切換時(shí)間的惡化。其等效失配電壓信號(hào)被M₇、M₈放大器放大后形成小信號(hào)電流注入到開關(guān)對的源極節(jié)點(diǎn)。如圖3(b)所示，為補(bǔ)償后源級(jí)節(jié)點(diǎn)的V_x電壓波形示意圖。如圖3(c)所示，為整體本振信號(hào)和源級(jí)節(jié)點(diǎn)的波形圖，通過合理設(shè)計(jì)補(bǔ)償電路的放大倍數(shù)，可以將補(bǔ)償后的源級(jí)節(jié)點(diǎn)的變化峰值V_x+V_th接近相位失配本振交點(diǎn)處的電壓值。這樣，可以保證開關(guān)管近似理想地輪換導(dǎo)通，電流切換時(shí)間接近零。于是，由于本振相位失配帶來的開關(guān)對切換時(shí)間對電路增益噪聲性能的不利影響得以克服。

本發(fā)明采用0.18μm CMOS工藝，為了闡述本申請技術(shù)方案比傳統(tǒng)技術(shù)方案的技術(shù)優(yōu)勢，本申請將傳統(tǒng)的電流注入混頻器進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真。換言之，將發(fā)明的M₇、M₉晶體管通過置位高電平關(guān)閉，電路結(jié)構(gòu)即退化為傳統(tǒng)的電流注入混頻器。具體仿真環(huán)境：在1.8V電源電壓下，消耗的直流偏置電流為7.5mA，其中M₇、M₉晶體管支路消耗電流約400uA。LO驅(qū)動(dòng)功率為0dBm，且本振失配相位范圍為0-20度。在模擬過程中，射頻差分信號(hào)V_RF和本振差分信號(hào)V_LO的頻率被同步改變，中頻頻率總是保持在恒定的100KHz。

如圖4所示，縱坐標(biāo)NF表示噪聲指數(shù)，橫坐標(biāo)LO phase offset表示本振相位失配角度，空心圓表示的線條為電流注入混頻器的NF隨本振相位失配角度的變化曲線，以實(shí)心五角菱形表示的為本發(fā)明的NF隨本振相位失配角度變化的曲線，圖4中給出了模擬的中頻頻率在100KHz時(shí)候的噪聲指數(shù)NF。它顯示出在20度的本振相位失配時(shí)候本發(fā)明的噪聲指數(shù)NF數(shù)值為13dB，較傳統(tǒng)的電流注入混頻器的噪聲指數(shù)降低了大約1.8dB。如圖5所示，縱坐標(biāo)Gain表示增益，橫坐標(biāo)LO phase offset表示本振相位失配角度，空心圓表示的線條為電流注入混頻器的增益隨本振相位失配角度的變化曲線，以實(shí)心五角菱形表示的為本發(fā)明的增益隨本振相位失配角度變化的曲線，本發(fā)明的增益仿真結(jié)果在20度的本振相位失配時(shí)候?yàn)?4.2dB，也比電流注入混頻器的增益有1dB的優(yōu)勢。此外，使用等幅雙音1GHz和1.01GHz的測試信號(hào)來測試在20度的本振相位失配時(shí)候混頻器的線性度，獲得的輸入?yún)⒖既A截取點(diǎn)(IIP3)為-0.5dBm，比電流注入混頻器的IIP3模擬結(jié)果-1.5dBm更具優(yōu)勢。整體看來，和現(xiàn)有的電流注入型有源混頻器相比，在不增加過多功耗情況下，本方法由于使用本振失配補(bǔ)償技術(shù)，以及優(yōu)化的級(jí)間π型諧振網(wǎng)絡(luò)使得混頻器取得好的噪聲，增益性能。

本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，這里所述的實(shí)施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應(yīng)被理解為本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實(shí)施例。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。