[發明專利]低功耗單平衡諧波混頻器

在審

• 申請號: 201710840650.0
• 申請日: 2017-09-18
• 公開（公告）號: CN107659270A
• 公開（公告）日: 2018-02-02
• 發明（設計）人: 曾傳德
• 申請（專利權）人: 曾傳德
• 主分類號: H03D7/14
• 分類號: H03D7/14
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及接收機射頻前端的混頻器研究領域，具體地，涉及低功耗單平衡諧波混頻器。

背景技術

隨著通信技術的進步，無線通信設備已成為人們生活中不可缺少的部分，大家對重量輕、體積小、成本低、功耗低的產品需求越來越強烈。同時，由于深亞微米CMOS工藝的不斷進步和成熟，加上CMOS工藝跟其他工藝相比具有價格低、功耗低、集成度高等特點，用CMOS工藝設計射頻集成電路已成為當前的熱點。

混頻器作為接收機的重要組成部分，其作用在于實現頻率變換功能。線性度、變頻增益、噪聲系數和功耗是混頻器的主要性能指標，直接影響整個接收機系統的性能。為了延長系統電池的使用壽命，則要降低系統功耗，而混頻器作為接收機的核心模塊，其功耗決定著系統的功耗。低功耗的混頻器可用于物聯網、藍牙、WiFi、RFID等含有射頻接發系統的領域。

傳統的混頻器結構常采用如圖1所示的Gilbert混頻器，其主要分為跨導級、開關級和負載級三個部分。跨導級的NMOS管M1和M2作用是把射頻電壓信號轉換成電流信號；開關級的NMOS管M3-M6其實工作在開關狀態，通過控制管子的導通來進行射頻信號與本振信號的混頻，實現頻率轉換；負載級電阻R1和R2的作用在于把電流信號變換成電壓信號，最后輸出得到的中頻信號。Gilbert混頻器采用雙平衡基波混頻結構，其優點為變頻增益較高，隔離度好，但缺點也很明顯，功耗大、版圖面積大。而且基波混頻存在本振自混頻的現象，以及對本振信號要求較高，改用諧波混頻的方法可以解決這些問題。

發明內容

本發明提供了低功耗單平衡諧波混頻器，解決了傳統的混頻器存在的功耗大、版圖面積大的技術問題，實現了單平衡諧波混頻器功耗小、版圖面積小的技術效果。

為解決上述技術問題，本申請提供了低功耗單平衡諧波混頻器，所述混頻器包括：跨導級、開關級、負載級、輸出緩沖級；其中，跨導級與開關級連接，開關級與負載級和輸出緩沖級均連接；跨導級、開關級中的NMOS管均工作在亞閾值區。

進一步的，跨導級包括：NMOS管M1、電感L1、電容C1、電容C2；開關級包括：NMOS管M2和M3、電感L2和L3、電容C3和C4；緩沖級包括：電容C5、電阻R2、NMOS管M4、電阻R3和電容C6；電容C1的正極與電容C2的正極均與射頻信號RF的輸入端連接，電容C1的負極接地，電容C2的負極與NMOS管M1的柵極和電感L1的一端連接，電感L1的另一端與偏置電壓Vrf的輸入端連接，NMOS管M1的源極接地，NMOS管M1的漏極與NMOS管M2的源極和NMOS管M3的源極均連接；電容C4和C3的正極分別與本振差分信號的一路LO+輸入端和本振差分信號的另一路LO-輸入端連接，電容C4的負極和C3的負極分別與NMOS管M2的柵極和NMOS管M3的柵極連接，偏置電壓Vlo的輸入端與電感L2的一端和電感L3的一端均連接，電感L2的另一端與NMOS管M2的柵極連接，電感L3的另一端與NMOS管M3的柵極連接，NMOS管M2的漏極、NMOS管M3的漏極、電容C5的正極均與負載級的一端連接，負載級的另一端與電源VDD連接；電容C5的負極與電阻R2的一端和NMOS管M4的柵極均連接，NMOS管M4漏級和電阻R2的另一端均與電源VDD連接，NMOS管M4的源極與電阻R3的一端和電容C6的正極均連接，電阻R3的另一端接地，電容C6的負極接信號輸出端。

其中，所述跨導級元件包括NMOS管M1、電感L1、電容C1和電容C2。首先，射頻信號RF通過匹配網絡C1和C2加到NMOS管M1的柵極，同時，并聯電容C1可以濾除信號中的高頻成分，串聯電容C2除了參與匹配還有隔直的作用；NMOS管M1的襯底接地，源級也接地，漏級接開關對NMOS管M2和M3相互連接的共源級；偏置電壓Vrf通過電感L1加到M1的柵極，電感L1可防止射頻信號交流接地。

本發明所述開關級包括NMOS管M2和M3、電感L2和L3、電容C3和C4。本振差分信號的一路LO+通過隔直電容C3加到NMOS管M2的柵極，另一路LO-通過隔直電容C4加到NMOS管M3的柵極。所述開關級利用差分信號來控制M2和M3的通斷，可以選擇合適的本振信號與射頻信號進行混頻，再將M2和M3的漏級相互連接。M2和M3的共漏級接負載電阻的一端，偏置電壓Vlo分別通過扼流電感L2和L3加到NMOS管M2和M3的柵極。

本發明所述的開關級電路是差分電路，差分電路要保證其對稱性，故電路中M2和M3、L2和L3、C3和C4完全一樣，差分信號LO+和LO-電壓幅度相同，相位相反。