專利名稱：混頻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于射頻集成電路領(lǐng)域，涉及一種混頻器，具體為一種超低功耗、高線 性度、低噪聲的混頻器。
背景技術(shù)：
快速增長的無線通信市場使得無線通信技術(shù)向著低成本、低功耗、高集成度的方 向發(fā)展，其中功耗問題尤為突出，在進入0. 13 μ m、90nm技術(shù)節(jié)點后，單位面積上的功耗密 度急劇上升，因此，功耗已經(jīng)成為集成電路中繼傳統(tǒng)兩個要素一速度、面積后的又一個關(guān) 鍵要素。然而低功耗的要求勢必對電路設(shè)計提出了更多的挑戰(zhàn)。比如，許多收發(fā)機的應(yīng)用 決定我們設(shè)計的芯片必須具備超低功耗的要求，但是，在集成電路設(shè)計中，低功耗的設(shè)計和 芯片的性能是往往是一對折衷，例如在混頻器中，其噪聲系數(shù)、增益的優(yōu)化與功耗的要求往 往是一對矛盾。因此，在集成電路芯片設(shè)計中，需要始終把超低功耗作為 重要的設(shè)計指標(biāo)來 考量，在確保系統(tǒng)性能的前提下實現(xiàn)超低功耗的要求。混頻器(Mixer)是無線通信系統(tǒng)射頻接收機前端的關(guān)鍵模塊，在接收并下變頻信 號的過程中起著關(guān)鍵性的作用。不同的接收機系統(tǒng)架構(gòu)，包括外差結(jié)構(gòu)、直接下變頻結(jié)構(gòu)、 低中頻結(jié)構(gòu)等都需要一個能將射頻(RF)頻率下變頻到基帶中頻(IF)頻率的電路模塊，這 一關(guān)鍵電路模塊的功能由混頻器來實現(xiàn)，因此混頻器的增益、噪聲、線性度等都將直接影響 著整個接收機的性能。圖1為現(xiàn)有技術(shù)中一種常用混頻器的電路結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示，其工作原理為射 頻端的射頻信號經(jīng)NMOS晶體管M4送至開關(guān)管M2與M3，開關(guān)管M2與M3將射頻信號與本征 頻率信號(L0_P與L0_N)混頻后輸出中頻信號(IF_N與IF_P)。然而，由于上述混頻器如果需要達到較高的增益，勢必導(dǎo)致其功耗較高，不利于低 功耗的集成電路設(shè)計，并且一個高性能的混頻器不僅需要具有足夠好的轉(zhuǎn)換增益，使得信 號在下變頻的過程中同時被有效放大，而且需要具備足夠低的噪聲和線性度，使得混頻器 對整個系統(tǒng)有著優(yōu)越的性能貢獻，因此如何設(shè)計低功耗且具有更高線性度與更低噪聲的混 頻器成為目前亟待解決的問題。

實用新型內(nèi)容為克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的混頻器功耗較高的問題，本實用新型的主要目的在于 提供一種低功耗混頻器，其通過使上級預(yù)放大器與下級混頻器共用電源，可以在較低功耗 下實現(xiàn)更大的增益，且本實用新型實現(xiàn)了更低噪聲與更高線性度的目的。為達上述及其它目的，本實用新型一種混頻器，至少包含混頻器主電路，采用上下級級聯(lián)的兩級混頻器結(jié)構(gòu)，包含連接一電源的上級預(yù)放 大器與下級混頻器，該上級預(yù)放大器為上級結(jié)構(gòu)，用于對射頻端輸入的射頻信號進行放大 后輸出至該下級混頻器，該下級混頻器為下級結(jié)構(gòu)，用于接收放大后的該射頻信號，并將其 與本征頻率信號進行混頻，轉(zhuǎn)換成雙端差分信號。[0009]進一步地，本實用新型混頻器還包括一中頻放大電路，其具有兩個輸入端和兩個 輸出端，用于接收該雙端差分信號進行第二次放大，輸出雙端的中頻信號。進一步地，該兩級混頻器結(jié)構(gòu)為電流復(fù)用的上下級級聯(lián)的兩級混頻器結(jié)構(gòu)。該上級預(yù)放大器與該下級混頻器的連接點為虛地點。該上級預(yù)放大器進一步包括漏極相接的PMOS晶體管與第一 NMOS晶體管，該PMOS 晶體管源極接電源，該第一 NMOS晶體管柵極連接該射頻端，源極與該下級混頻器連接。進一步地，該PMOS晶體管與該第一 NMOS晶體管的連接點通過一交流耦合電容連 接至該下級混頻器。
進一步地，該下級混頻器為單端轉(zhuǎn)雙端的吉爾伯特混頻器。進一步地，該下級混頻器進一步包括第二 NMOS晶體管、第一開關(guān)管以及第二開關(guān) 管，該第二 NMOS晶體管柵極與該交流耦合電容相接以接收放大后的該射頻信號，并通過漏 極輸出至該第一開關(guān)管與該第二開關(guān)管，該第一開關(guān)管與第二開關(guān)管分別連接該本征頻率 信號與該中頻放大電路的兩個輸入端，用于將該本征信號與放大后的射頻信號進行混頻后 形成該雙端差分信號輸出至該中頻放大電路。進一步地，該第一開關(guān)管與該第二開關(guān)管為NMOS晶體管，其漏極分別通過一負載 連接至該上級預(yù)放大器，該第一開關(guān)管與該第二開關(guān)管的柵極分別接該本征頻率信號，漏 極還連接至該中頻放大電路的兩輸入端。進一步地，該第一 NMOS晶體管、該第一開關(guān)管以及該第二開關(guān)管均采用自偏置結(jié) 構(gòu)。進一步地，該中頻放大電路為一運算放大器，該運算放大器正輸入端接該第一開 關(guān)管漏極，負輸入端接該第二開關(guān)管的漏極。進一步地，該第一開關(guān)管與該第二開關(guān)管的源極之間設(shè)置串連的第六電阻與第七 電阻，該第六電阻與該第七電阻的連接點接至該第二 NMOS晶體管漏極。進一步地，該上級預(yù)放大器與該下級混頻器的連接點還連接一電容。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型一種混頻器，其通過采用上下級聯(lián)的兩級電流復(fù)用 結(jié)構(gòu)，達到了在較低功耗下實現(xiàn)更大增益的目的，并且，本實用新型通過預(yù)放大器提高了混 頻器的增益，并減小了下級混頻器及后級電路的噪聲，實現(xiàn)了更低噪聲設(shè)計，而且該預(yù)放大 器不需要消耗額外的電流，大幅節(jié)省了功耗，同時本實用新型通過引入兩個源簡并電阻，達 到了在不增加電路功耗的前提下提高混頻器線性度的目的。

圖1為現(xiàn)有技術(shù)混頻器的電路結(jié)構(gòu)圖；圖2為本實用新型混頻器較佳實施例的電路圖；圖3為本實用新型混頻器包括中頻放大電路的電路圖；圖4為本實用新型混頻器電路版圖。
具體實施方式
以下通過特定的具體實例并結(jié)合附圖說明本實用新型的實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人 員可由本說明書所揭示的內(nèi)容輕易地了解本實用新型的其它優(yōu)點與功效。本實用新型亦可 通過其它不同的具體實例加以施行或應(yīng)用，本說明書中的各項細節(jié)亦可基于不同觀點與應(yīng)用，在不背離本實用新型的精神下進行各種修飾與變更。圖2為本實用新型混頻器較佳實施例的電路結(jié)構(gòu)圖。如圖1所示，本實用新型一種 混頻器，至少包括混頻器主電路21，其中，混頻器主電路21在電流復(fù)用基礎(chǔ)上采用上下級 聯(lián)的兩級混頻器結(jié)構(gòu)，其上級結(jié)構(gòu)為一連接電源的上級預(yù)放大器23，下級結(jié)構(gòu)為下級混頻 器24，其中上級預(yù)放大器23與下級混頻器24共用該電源，上級預(yù)放大器23用于對射頻端 輸入的射頻信號RF_IN進行放大，并將放大后的射頻信號輸出至下級混頻器24，下頻混合 器24用于將經(jīng)上級預(yù)放大器23放大后的射頻信號與其接收的本征頻率信號進行混頻，并 完成單端轉(zhuǎn)換雙端的操作，同時將轉(zhuǎn)換成雙端的雙端差分信號(混頻信號)輸出。當(dāng)然，為 使本實用新型混頻器具備更加好的線性度，本實用新型混頻器還可包括中頻放大電路22， 如圖3所示，中頻放大電路22具有兩個輸入端與兩個輸出端，用于接收雙端差分信號將雙 端的混頻信號進行第二次放大，并輸出中頻輸出信號，以保證增益性能及提高線性度。
請繼續(xù)參照圖2及圖3，在本實用新型較佳實施例中，上級預(yù)放大器23包括漏極 相接的PMOS晶體管M2與第一 NMOS晶體管M1，其中PMOS晶體管M2，源極接電源，柵極接恒 定電壓源，第一 NMOS晶體管Ml采用自偏置結(jié)構(gòu)，其柵極與漏極間接第一電阻R1，并且，Ml 的柵極連接射頻端以接收輸入的射頻信號RF_IN，第一 NMOS晶體管Ml的源極與下級混頻 器24連接，其與下級混頻器24的連接點P為一虛地點，通過該虛地點本實用新型混頻器巧 妙實現(xiàn)了電流復(fù)用，最大限度地利用了混頻器的電流和功耗，當(dāng)然，為保證虛地端的效果， 連接點P可以選擇性地接芯片外部大電容，如通過一電容Cp接地。PMOS晶體管M2與第一 NMOS晶體管Ml的連接點通過一交流耦合電容Cl與下級混頻器24連接，以把經(jīng)上級預(yù)放大 器23放大后的射頻信號傳遞給下級混頻器24的輸入端，上級預(yù)放大器23不僅可以提高本 實用新型混頻器的增益，而且可以遏制下級混頻器24的噪聲；下級混頻器24采用單端轉(zhuǎn)雙 端的吉爾伯特混頻器結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，其進一步包括第二 NMOS晶體管M5、第一開關(guān)管M3以及第 二開關(guān)管M4，其中第二 NMOS晶體管M5柵極接交流耦合電容Cl以接收放大后的射頻信號， M5源極接地，漏極與第一開關(guān)管M3與第二開關(guān)管M4連接，以將放大后的射頻信號輸至第一 開關(guān)管M3與第二開關(guān)管M4，第一開關(guān)管M3與第二開關(guān)管M4均為NMOS晶體管，其漏極分別 通過第二電阻R2(負載)與第三電阻R3(負載)連接至連接點P，第一開關(guān)管M3與第二開 關(guān)管M4均采用自偏置結(jié)構(gòu)自己供給直流偏置點，具體來說，第一開關(guān)管M3的漏極與柵極間 通過第四電阻R4連接，第二開關(guān)管M4的漏極與柵極間通過第五電阻R5連接，第一開關(guān)管 M3與第二開關(guān)管M4的柵極分別連接正本征頻率信號L0_P與負本征頻率信號L0_N，第一開 關(guān)管M3與第二開關(guān)管M4將本征頻率信號與放大后的射頻信號進行混頻，并通過第一開關(guān) 管M3與第二開關(guān)管M4的漏極向中頻放大電路22提供雙端差分信號(混頻信號)；中頻放 大電路22由雙端輸入雙端輸出的運算放大器組成，較佳的，該運算放大器為超低功耗運算 放大器，其正輸入端連接第一開關(guān)管M3漏極，負輸入端連接該第二開關(guān)管M4的漏極，用于 對下變頻后的雙端差分信號進行第二次放大后輸出中頻信號(正輸出端輸出正的中頻信 號IF_P，負輸出端輸出負的中頻信號IF_N)，以保證增益性能，同時提高線性度。為提高本實用新型混頻器的線性度，下級混頻器24的第一開關(guān)管M3與第二開關(guān) 管M4的源極之間還可設(shè)置串聯(lián)的第六電阻R6與第七電阻R7，第六電阻R6與第七電阻R7 的連接點連接至第二 NMOS晶體管M5的漏極，引入這兩個源簡并電阻的目的是提高混頻器 的線性度，從而保證混頻器的高線性度。[0031]圖4為本實用新型混頻器電路版圖。為了確保信號的增益不受信號通路上寄生 的影響而損失，需要仔細地規(guī)劃混頻器的布局，確保整個信號通路引入最小的寄生。此 夕卜，在混頻器版圖的周圍采用了 G-D-G保護環(huán)以節(jié)省面積。整個混頻器版圖的面積為 205ymX285ym(不包括保護環(huán))。本實用新 型對上述混頻器進行了版圖寄生提取后仿真，本實用新型混頻器主電路 只消耗非常少的電流，為0. 18mA。一般來說，如此小的電流消耗很難實現(xiàn)混頻器應(yīng)有的性 能，但是，對于本實用新型混頻器主電路來說，其增益為14. ldB，噪聲系數(shù)為26. 5dB，而且 線性度PldB可以超過-20dBm，達到了較高的性能要求。由此看出，本實用新型混頻器能夠 在確保超低功耗的前提下，提高混頻器的增益、并且降低其噪聲系數(shù)、提高線性度。綜上所述，本實用新型混頻器具有以下優(yōu)點(1)電路結(jié)構(gòu)簡單，本實用新型混頻器基本單元為由混頻器主電路和中頻放大電 路構(gòu)成，電路原理清晰明了 ；(2)超低功耗設(shè)計，本實用新型由于采用上下級聯(lián)的兩級電流復(fù)用結(jié)構(gòu)，兩級共用 電流，因此可以在較低的功耗下實現(xiàn)更大的增益；(3)低噪聲設(shè)計，本實用新型通過上級預(yù)放大器提高了混頻器的增益，而且其提供 的增益減小了下級混頻器及后級電路的噪聲，因此整個混頻器電路的等效輸入噪聲較小， 有效實現(xiàn)混頻器的低噪聲設(shè)計；(4)高線性度設(shè)計，本實用新型混頻器引入兩個源簡并電阻可以在不增加電路功 耗的前提下，提高混頻器的線性度；(5)對后級電路噪聲的抑制效果，中頻放大電路由超低功耗運算放大器組成，在進 一步提高整個混頻器電路增益的同時，遏制了混頻器后級電路的噪聲，而且可以對下變頻 信號進一步放大，從而保證增益性能、同時提高線性度；(6)本實用新型還可在上下兩級的連接點P處使用了芯片外部大電容，這樣可以 減小上下兩級電路之間的干擾。上述實施例僅例示性說明本實用新型的原理及其功效，而非用于限制本實用新 型。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員均可在不違背本實用新型的精神及范疇下，對上述實施例進行修 飾與改變。因此，本實用新型的權(quán)利保護范圍，應(yīng)如權(quán)利要求書所列。
權(quán)利要求1.一種混頻器，其特征在于，至少包含混頻器主電路，采用上下級級聯(lián)的兩級混頻器結(jié)構(gòu)，包含連接一電源的上級預(yù)放大器 與下級混頻器，該上級預(yù)放大器為上級結(jié)構(gòu)，用于對射頻端輸入的射頻信號進行放大后輸 出至該下級混頻器，該下級混頻器為下級結(jié)構(gòu)，用于接收放大后的該射頻信號，并將其與本 征頻率信號進行混頻，轉(zhuǎn)換成雙端差分信號輸出。
2.如權(quán)利要求1所述的混頻器，其特征在于該混頻器還包括一中頻放大電路，其具有 兩個輸入端和兩個輸出端，用于接收該雙端差分信號進行第二次放大，輸出雙端的中頻信 號。
3.如權(quán)利要求2所述的混頻器，其特征在于該兩級混頻器結(jié)構(gòu)為電流復(fù)用的上下級 級聯(lián)的兩級混頻器結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求3所述的混頻器，其特征在于該上級預(yù)放大器與該下級混頻器的連接 點為虛地點。
5.如權(quán)利要求4所述的混頻器，其特征在于，該上級預(yù)放大器進一步包括漏極相接的 PMOS晶體管與第一 NMOS晶體管，該PMOS晶體管源極接該電源，該第一 NMOS晶體管柵極連 接該射頻端，源極與該下級混頻器連接。
6.如權(quán)利要求5所述的混頻器，其特征在于，該PMOS晶體管與該第一NMOS晶體管的連 接點通過一交流耦合電容連接至該下級混頻器。
7.如權(quán)利要求5或6所述的混頻器，其特征在于，該下級混頻器為單端轉(zhuǎn)雙端的吉爾伯 特混頻器。
8.如權(quán)利要求7所述的混頻器，其特征在于，該下級混頻器進一步包括第二NMOS晶體 管、第一開關(guān)管以及第二開關(guān)管，該第二 NMOS晶體管柵極與該交流耦合電容相接以接收放 大后的該射頻信號，并通過漏極輸出至該第一開關(guān)管與該第二開關(guān)管，該第一開關(guān)管與第 二開關(guān)管分別連接該本征頻率信號與該中頻放大電路的兩個輸入端，用于將該本征信號與 放大后的射頻信號進行混頻后形成該雙端差分信號輸出至該中頻放大電路。
9.如權(quán)利要求8所述的混頻器，其特征在于，該第一開關(guān)管與該第二開關(guān)管為NMOS晶 體管，其漏極分別通過一負載連接至該上級預(yù)放大器，該第一開關(guān)管與該第二開關(guān)管的柵 極分別接該本征頻率信號，漏極還連接至該中頻放大電路的兩輸入端。
10.如權(quán)利要求9所述的混頻器，其特征在于，該第一NMOS晶體管、該第一開關(guān)管以及 該第二開關(guān)管均采用自偏置結(jié)構(gòu)。
11.如權(quán)利要求10所述的混頻器，其特征在于，該中頻放大電路為一運算放大器，該運 算放大器正輸入端接該第一開關(guān)管漏極，負輸入端接該第二開關(guān)管的漏極。
12.如權(quán)利要求11所述的混頻器，其特征在于，該第一開關(guān)管與該第二開關(guān)管的源極 之間設(shè)置串連的第六電阻與第七電阻，該第六電阻與該第七電阻的連接點接至該第二 NMOS 晶體管漏極。
13.如權(quán)利要求12所述的混頻器，其特征在于，該上級預(yù)放大器與該下級混頻器的連 接點還連接一電容。
專利摘要本實用新型公開了一種混頻器，至少包括混頻器主電路，其中混頻器主電路在電流復(fù)用基礎(chǔ)上采用上下級級聯(lián)的兩級混頻器結(jié)構(gòu)，本實用新型的混頻器主電路由于采用了電流復(fù)用方法，使上下兩級共用一個電流，因此在相同的功耗下能夠提供更大的增益和更小的噪聲，本實用新型還通過一中頻放大電路對下變頻后的信號進行第二次放大，以保證增益性能，同時提高線性度。
文檔編號H03D7/14GK201898478SQ20102054849
公開日2011年7月13日 申請日期2010年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月29日
發(fā)明者何波, 李琛, 王勇, 皮常明 申請人:上海集成電路研發(fā)中心有限公司