摘要:无线技术的发展对收发信号前端电路提出的新要求是:高的工作频率,低电压,低功耗,高度集成。混频器是射频前端电路中进行频率变换的十分重要的模块,主要介绍了CMOS混频器的基本工作原理,实现混频的一些常见结构。并介绍了当前CMOS混频器的主要电路设计技术以及作者在混频器跨导线性度分析方面进行的研究,文中还给出了作者设计的一个新型混频器的结构。
关键词:CMOS混频器;射频前端;电路设计技术
混频器是收发机中的重要部分之一。混频器位于低噪声放大器(LNA)之后,直接处理LNA放大后的射频信号，为实现混频功能,混频器还需要接收来自压控振荡器的本振(LO)信号,其电路完全工作在射频频段，负责完成频率变换，将射频信号转换为中频信号(超外差接收方式)或者直接变换为零频信号(零中频接收)。混频器的各项指标对通讯系统的调制解调结果有很大的影响，如由本振等引起的相噪会影响调频调相信号；混频器的相噪还会使输出的频谱纯净度变差，淹没有用信号；如果混频器的增益太低或者说损耗过大，那么对后级电路的增益和噪声要求将很高；等等。因此,混频器的设计通常需要考虑转换增益、线性度、噪声系数、端口之间的隔离度以及功耗等性能指标。同时实现混频器的成本也是需要考虑的因素。因此，如何在特定场合选择合适的混频器也是很重要的。
一、混频器的基本原理
混频器必须是非线性或是时变的,以提供所需的频率变换。它的核心是对射频信号(RF)和本振信号(LO)在时间域的相乘。
这样就得到含有输入和频及差频的输出信号,输出信号幅度与RF信号和LO信号幅度的乘积成正比。
二、CMOS混频器的基本结构
设计者首先面临的问题是选择合适的混频器结构。在具体实现时，一般有以下几种电路表现形式:
（一）基于Gilbert单元的有源混频器结构。其基本单元结构[1]和各种变化改进结构[2]广泛应用在各种标准的射频电路中，其本质是基于电路乘法器。乘法器的两个输入分别是本振信号和基带信号。本振信号控制相应的MOS管依次关断—导通，对基带信号进行调制，实现混频功能。
（二）基于开关调制的无源混频器结构。图1所示为典型的电路结构。当LOp使开关打开时，LOn关断，假设输出是+Vrf，则LOp关断、LOn打开时，输出即为-Vrf，从而输入信号被LO信号调制，输出端得到混频后的信号。
（三）利用器件非线性工作特性实现混频[3]。典型的如二极管和MOS管混频器，其中二极管电压和电流呈指数关系，MOS管电压和电流的平方律关系都可以用于混频。图2所示为应用MOS管的电路示意图。该电路具有混频功能。
图1无源混频器图 2平方律混频器
（四）欠采样混频器(SubharmonicMixer)[3]。电路结构如图3所示。高性能的采样保持电路是此类混频器的核心，其主要的缺点是噪声系数比较大。
图3欠采样混频器
三、混频器的电路设计技术
对于CMOS混频器,设计目标和关键技术主要有:高线性度,低电压,低功耗,直流失调小(主要针对直接下变频的接收机),低噪声系数。在具体实现时,通常是在这几个指标之间取得折衷。
(一)提高线性度
由于混频器的线性度直接决定接收机的动态范围,因此,如何提高混频器的线性度,是混频器的关键设计技术之一。许多研究都致力于改善混频器的线性度。理想的混频器,输出信号的幅度应与输入信号的幅度成正比,输出信号的无用杂散分量少(因为邻带可能会有干扰),这就是在混频器中线性度的意义。3dB下降点和IIP3(输出基频电平与三阶互调输出相等时的输入信号电平)都可用来描述混频器的线性度。混频器处理的信号幅度比低噪声放大器大,因此要不成为接收机动态范围的瓶颈,它必须有足够的线性度。
Gilbert类型的混频器中跨导的线性度限定了整个混频器的线性度下界。因此,在设计中,重要的工作是加大跨导的线性。参考文献[4]运用泰勒级数展开得到了跨导的IIP3与电路参数之间的关系。文献[14]分析了开关混频器的非线性失真。对于高频混频器,不能忽略MOS管寄生电容对线性度的影响，这时,混频器的跨导应被视为有记忆电路,采用Volttera级数进行分析精度较高。我们利用Volttera级数对CMOS高频跨导进行了线性度分析,得到了跨导的IIP3与各电路参数(工作电压,MOS管沟道长度,沟道宽度,寄生电容等)之间关系的解析表达式,与仿真得到的结果十分接近。我们对跨导进行了UMC流片,测试结果验证了解析表达式的正确性。跨导的线性化可以通过逐段逼近的方法[5],图4中,每一个差分对在一段输入范围内是线性的,叠加起来就构成更大范围内的线性跨导,如图5所示。
图4跨导的线性化图 5逐段逼近法实现线性跨导
另一种提高混频器线性度的结构是前面提到的采样混频器,与Gilbert混频器相比,它在线性度上有所改进,但噪声指数更大、功耗增加,需要更加复杂的电路。
(二)降低工作电压和功耗
目前,无线通信设备正朝着小体积、低功耗的趋势发展。为使设备功耗低、电源数目少、电池使用时间长,必须降低射频接收机的工作电压和系统功耗。混频器作为接收机中的关键模块之一,降低工作电压和功耗势在必行。低工作电压和低功耗设计是混频器设计中又一关键技术,随着CMOS工艺向亚微米发展,能处理的电压也随之下降,例如,0.18Lm的CMOS工艺只能工作于1.8V以下的电压。在手机中,工作电压和功耗一起影响了手机电池的寿命、大小以及重量。降低电压和功耗已成为射频前端电路设计的重要目标。只有当前端电路的功耗能够与双极工艺相当时,CMOS在射频集成电路中才会具有竞争力。为了降低供电电压,可以通过减少堆叠MOS管的数目,也可采用电感与电容得到低电压的混频器结构[6]【7】。图6是我们新设计的一个混频器电路,其中M1工作于线性区,M1在LO信号控制下,其等效电阻表达式中有一项与LO信号的幅度成正比,M2工作于饱和区,相当于一个线性跨导,将输入RF电压信号转化成与RF信号幅度成正比的电流,这个电流流过与本振信号幅度成正比的电阻,得到的输出电压v中就含所要的混频项。这个结构由于避免了堆叠MOS管,可以工作于很低的电压。以此电路结构为核心电路的混频器已进行UMC流片,测试结果验证了混频器的功能。
图6一种新型低电压混频器图 7谐波混频器的电路原理图
(三)降低直流失调
直流失调的产生有以下几个原因:1.混频器输入的器件失配。2.本振信号泄漏到射频信号端口,自混频到直流。3.本振信号通过外部导线耦合到天线端发射出去,被外部物体反射回来[9]。4.很大的邻近信道的干扰信号泄漏到本振端口,与本振信号一起泄漏到射频端,与本振相乘,被下变频。这种失调是潜伏性的,因为它们的幅度随接收机的位置和方向而改变,很难除去。迄今为止,主要有四种方法去除直流失调[9]:1.对没有直流信号或宽带调制的系统,可利用高通滤波或交流耦合。但这对于一些系统,例如GSM系统不适用,这种系统的功率谱在直流处为最大值。2.利用数字无线标准中的空闲时间来消除失调。在这个空闲时间内测量失调,除去失调。这仅当在接收两个突发信号的间隔时间内失调不变时才有效。在这个间隔之间的强干扰信号可能会导致错误的测量。3.数字控制的模拟自适应抵消技术。混频器的输出由ADC采样,使用dual-loop算法,可在数字域检测出时变的失调,这些用来消除混频器的失调[10]。4.谐波混频器。见图7,把LO的一半频率的信号加到本振输入端,LO端和RF端的管子都工作在饱和区,产生的LO频率与RF频率进行混频，这样产生的直流失调小,而且由于输入的信号频率低,本振泄漏也减小了。文献[11]中的测试结果可知,这个电路的直流失调比一般的混频器电路的直流失调要小44dB。
（四）提高转换增益
混频器的转换增益有两种表示方式:功率增益和电压增益。目前,提高混频器增益的方法有三种。
1.提高互导管的跨导，如图8采用CMOS单元技术提高互导管的互导,该混频器在1.5V的工作电压下,增益可达到26.6dB。
图8带CMO S单元的混频器
2.提高负载。负载的提高可导致混频器电源电压的抬升,从而增加功耗。为此,提出了多种改善负载的设计技术,在不抬升混频器电源电压的前提下,提高有效负载,如图9所示;
图9带高摆幅负载的混频器图 10带电流注入的混频器
3.改善LO信号的幅度,使开关对工作更理想。该方法很容易导致LO信号的馈通,一般不采用。但是,可以通过电流注入技术,改善开关对的开关特性,如图10所示。
(五)降低噪声
影响CMOS混频器性能的主要噪声源有电阻的热噪声和MOS管的热噪声和闪烁噪声,文献[12]给出了电阻的热噪声模型,MOS管工作于线性区和饱和区的热噪声模型以及闪烁噪声的模型。利用这些模型,可具体分析电路参数对混频器噪声的影响。
在CMOS的下变频的混频器中,闪烁噪声是主要的低频噪声。NMOS的闪烁噪声大于PMOS的闪烁噪声。对于电阻,仅当电阻中流过直流电流时,才有闪烁噪声,噪声随电流增加。金属薄膜和线绕的电阻的闪烁噪声小。文献[13]对开关形式的Gilbert混频器进行了噪声分析。在有些电路中,MOS管工作于弱反型区,且宽长比做得较大,这样不仅提高了增益,噪声也减小。
四、结论
本文介绍了CMOS混频器的性能指标,并从提高线性度,降低电压和功耗,降低直流失调,提高转换增益，降低噪声系数等几个方面详细讨论了当前的CMOS混频器的主要设计技术。
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