引言

近年來，無線通訊系統(tǒng)如無繩電話、手機(jī)、無線局域網(wǎng)等，已經(jīng)成為生活中不可缺少的 一部分。在這些射頻收發(fā)機(jī)中，作為射頻核心之一的混頻器的性能直接影響整個(gè)收發(fā)機(jī)的性 能。隨著無線通訊設(shè)備不斷向高性能、低電壓、低功耗和小體積的方向發(fā)展，低電壓、低功 耗、高線性度混頻器已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。 目前通信系統(tǒng)中的混頻器主要是基于CMOS 工藝的有源Gilbert 電流開關(guān)型混頻器，它 能提供增益以減小前級(jí)低噪聲放大器的增益要求和后級(jí)電路的噪聲影響。然而，這種通用的 Gilbert 混頻器由三級(jí)MOS 管堆疊而成，很難工作在低電壓條件下。同時(shí)，低電壓也限制了 混頻器線性度。因此，需要針對這種混頻器進(jìn)行低電壓和高線性度方面的改進(jìn)。目前低電壓 混頻器設(shè)計(jì)技術(shù)的核心思想是減少電源到地之間的堆疊管數(shù)。線性度方面，一種常用的 方法為源極電感負(fù)反饋[7]，但它影響混頻器增益。2002 年，Salem R F 等提出了一種不帶尾 電流的射頻輸入技術(shù)，該技術(shù)大大提高了混頻器的線性度，然而該結(jié)構(gòu)不利于抑制共模信 號(hào)。使用AB 類跨導(dǎo)級(jí)，該方法大大改善了混頻器的線性度，但在改善線性度同時(shí)增 加了混頻器的功耗。]采用了一種并聯(lián)一個(gè)輔助MOS 管來改善線性度，該方法在 基本上不影響其他參數(shù)如噪聲、增益、功耗的情況下大大改善低噪聲放大器和混頻器的線性 度，然而采用單端輸入不利于抑制偶次諧波。

本文提出了一種新折疊式Gilbert 混頻器，采用差分式LC 折疊結(jié)構(gòu)來降低直流工作電 壓和抑制偶次諧波及共模信號(hào)，通過使用并聯(lián)一工作在弱反應(yīng)區(qū)的輔助MOS 管方法改善其 線性度。與折疊式Gilbert 混頻器相比較，仿真表明該混頻器在基本不影響混頻器其它參數(shù) 如增益、功耗、噪聲的條件下IIP3 提高了6dB。

2 折疊式低電壓Gilbert 混頻器結(jié)構(gòu)

典型的電流開關(guān)型 CMOS Gilbert 混頻器結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示：

然而，這種通用的 Gilbert 混頻器由三級(jí)MOS 管堆疊而成，很難工作在低電壓條件下。 如果將圖1（a）中跨導(dǎo)級(jí)的尾電流（M7 管）用LC 諧振腔代替可以降低電源電壓，其中LC 諧振腔諧振于射頻輸入信號(hào)頻率，如圖1（b）所示。設(shè)圖1（b）中M5、M6 的過驅(qū)動(dòng)電壓

3 線性度分析

忽略開關(guān)級(jí)的非理想特性影響，混頻器的線性度主要由跨導(dǎo)決定。對于簡單共源管，其 漏極電流可由泰勒公式表示為：

4 混頻器的電路設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果

通過上面的低電壓和線性度分析，采用TSMC0.18μ mRFCMOS 工藝，本文設(shè)計(jì)了一低 電壓高線性度混頻器。通過采用折疊式Gilbert 結(jié)構(gòu)來減少工作電壓，通過采用并聯(lián)一工作 在弱反應(yīng)區(qū)的MOS 管來改善線性度。圖3 為其電路圖，其中N1、N4 為主跨導(dǎo)管，N2、N3 為工作在弱反應(yīng)區(qū)的輔跨導(dǎo)管，通過優(yōu)化輔助管的柵寬和偏置電壓來消除3 g 提高混頻器的 IIP3，Vshift 為0.18V，P1—P4 為開關(guān)管，L1、L2 用來做輸入匹配，R1、R2 為負(fù)載同時(shí)為 N5、N6 提供共模負(fù)反饋。采用ADS 對電路進(jìn)行仿真，設(shè)定RF 輸入頻率為2.4GHz，LO 輸 入頻率為2.39G。仿真表明，改進(jìn)后混頻器在1V 工作電壓下，功耗為4.1mW，噪聲為10.3dB， IIP3 達(dá)到10dBm，與改進(jìn)前4dBm 的IIP3，3.8 mW 功耗，以及9.2dB 噪聲相比較，在基本 不影響功耗和噪聲下IIP3 提高了6dB。圖4 為IIP3 隨vgs 變化曲線，圖5 為混頻器的IIP3。

5 結(jié)論

本文提出了一個(gè)用 TSMC0.18μ mRFCMOS 工藝的折疊式混頻器。利用LC 諧振腔來代 替Gilbert 混頻器的尾電流，同時(shí)采用LC 折疊式結(jié)構(gòu)降低了直流工作電壓。通過并聯(lián)一工 作在弱反應(yīng)區(qū)的輔助MOS 管方法改善混頻器線性度。弱反應(yīng)區(qū)的輔助MOS 管的使用，在 基本不影響其它參數(shù)如增益、功耗、噪聲的條件下，將混頻器IIP3 從改進(jìn)前的4dBm 提高 到了10dBm，提高了6 dBm。