【導(dǎo)讀】CMOS技術(shù)低價(jià)格、低功耗以及易于集成等特點(diǎn)使得射頻集成電路向著高集成度、高性能和低功耗低成本的的趨勢(shì)發(fā)展。目前的全集成CMOS混頻器也是種類繁多，本文采用TSMC的0．25μm CMOS管模型設(shè)計(jì)了一種有源Gilbert結(jié)構(gòu)雙平衡混頻器，可滿足當(dāng)前大部分無(wú)線通信的要求。
第一講：混頻器的工作原理分析
第二講：三極管混頻器的電路組態(tài)及技術(shù)指標(biāo)
CMOS技術(shù)本身具有低價(jià)格、低功耗、易于集成的特點(diǎn)，使得射頻集成電路向著高集成度、高性能和低功耗低成本的的趨勢(shì)發(fā)展，加之半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步，基于CMOS技術(shù)的器件的工作頻率已能達(dá)到20GHz，并且完全可以與收發(fā)器后端電路實(shí)現(xiàn)單片集成，極大推動(dòng)了無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展。
混頻器利用器件的非線性特性來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)載波頻率的變化，產(chǎn)生輸入頻率的和頻和差頻分量。作為無(wú)線通信系統(tǒng)射頻前端的核心部分之一，其性能的好壞將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。目前已有種類繁多的全集成CMOS混頻器，本文采用TSMC的0．25μm CMOS管模型設(shè)計(jì)了一種有源Gilbert結(jié)構(gòu)雙平衡混頻器。根據(jù)在2．5GHz的射頻輸入下得到的仿真結(jié)果，該設(shè)計(jì)完全可以滿足802．11b／g／n與Bluetooth等無(wú)線通信的要求。
Gilbert單元結(jié)構(gòu)如圖1所示。這種結(jié)構(gòu)主要由開(kāi)關(guān)管(M1、M2、M3、M4)和跨導(dǎo)晶體管(M5、m6)組成。本振信號(hào)VLO從開(kāi)關(guān)管的柵極引入，射頻信號(hào)VRF加在具有固定偏置的跨導(dǎo)級(jí)差分對(duì)M5與M6的柵極(M5和M6工作在飽和區(qū))，將VRF信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)；M1～M4工作在近飽和狀態(tài)，是兩對(duì)開(kāi)關(guān)，由本振大信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)兩對(duì)管交替開(kāi)關(guān)，達(dá)到混頻的目的；R1是電阻負(fù)載，通過(guò)負(fù)載電阻將混頻后的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)VIF輸出。
假設(shè)VRF的輸入信號(hào)為一正弦信號(hào)：
跨導(dǎo)晶體管M5和M6的跨導(dǎo)為GM，并假定開(kāi)關(guān)對(duì)管M1～M4在VLO的驅(qū)動(dòng)下，處于理想開(kāi)關(guān)狀態(tài)，M1和M4、M2和M3兩兩組合通斷，由于該混頻電路的對(duì)稱性，不再分別進(jìn)行討論。當(dāng)方波在正半周期，M1和M4導(dǎo)通時(shí)，跨導(dǎo)晶體管M5、M6的漏電流ID輸出為
根據(jù)式(4)的中頻輸出可以看出，輸出信號(hào)既不包含輸入射頻信號(hào)頻率分量，也不包含本振信號(hào)頻率分量，因此理想雙平衡混頻器能夠有效抑制RF-IF和LO-IF信號(hào)饋通，因此具有極好的端口隔離度。另外，差分的射頻輸入信號(hào)也可以抑制射頻信號(hào)中的共模噪聲。但是需要補(bǔ)充說(shuō)明一點(diǎn)，要使M1～M4成為理想的開(kāi)關(guān)，輸入本振信號(hào)應(yīng)該是理想的方波，在低電平時(shí)MOS能夠完全關(guān)斷，源漏電阻Roff為無(wú)窮大；在高電平時(shí)能將MOS完全打開(kāi)，導(dǎo)通電阻Ron近似為零，這種射頻方波信號(hào)在電路中很難實(shí)現(xiàn)。實(shí)際電路中驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管的一般是幅度較大的正弦信號(hào)來(lái)替代。
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另外，電路中CMOS管溝道尺寸及相關(guān)參數(shù)有如下公式：
其中W／L為CMOS管溝道尺寸之比，μN為溝道載流子的遷移率，COX為單位面積的柵級(jí)電容，ID為漏電流，VGS為柵源間的電壓，VTH為MOS管的閾值電壓。
由式(5)可知，在開(kāi)關(guān)近似理想的狀態(tài)下，整個(gè)混頻器的增益只與跨導(dǎo)GM和負(fù)載電阻RL有關(guān)，同時(shí)，增益的線性度是由跨導(dǎo)電路的線性度決定的。但是，由于CMOS器件的跨導(dǎo)較小，故跨導(dǎo)大小的選取要受到實(shí)際電路模型的限制；而負(fù)載電阻會(huì)給整個(gè)電路引入熱噪聲，使噪聲系數(shù)的惡化，且過(guò)大的負(fù)載電阻也會(huì)使整個(gè)混頻器的工作電壓和功耗上升，所以RL不宜過(guò)大；而因此需通過(guò)選取適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換增益來(lái)對(duì)RL和GM進(jìn)行選取。開(kāi)關(guān)管M1～M4的溝道尺寸通過(guò)使柵極過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓VGS-VTH的值在0．1～0．3V之間時(shí)根據(jù)式(7)確定，而M5、M6的尺寸可通過(guò)GM和適當(dāng)?shù)穆╇娏鱅d，再根據(jù)式(6)來(lái)求得。故混頻器的設(shè)計(jì)中需要將轉(zhuǎn)換增益、線性度、噪聲系數(shù)、功耗等性能指標(biāo)之間進(jìn)行折中，來(lái)實(shí)現(xiàn)整體設(shè)計(jì)的最佳性能。
因此，為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，我們需先對(duì)若干參數(shù)的取值范圍進(jìn)行限定，再根據(jù)其余參數(shù)間的互相關(guān)系對(duì)它們的取值范圍進(jìn)行選取，最后通過(guò)仿真結(jié)果的比對(duì)來(lái)選定一組相對(duì)最優(yōu)參數(shù)。
通過(guò)參考相關(guān)設(shè)計(jì)，先限定幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：轉(zhuǎn)換增益需大于10dB，噪聲系數(shù)小于10，1dB壓縮點(diǎn)大于0dBm。通過(guò)利用ADS軟件仿真時(shí)的調(diào)諧功能(Tuning)。在這里再對(duì)其余參數(shù)的值進(jìn)行分段調(diào)整。通過(guò)多次優(yōu)化，最后選取M1～M4的溝道長(zhǎng)、寬為0．6μm、170μm，M5、M6的溝道長(zhǎng)、寬為0．6m、277μm，電流源取6mA，負(fù)載電阻為900Ω。設(shè)計(jì)時(shí)采用兩共柵的MOS管來(lái)實(shí)現(xiàn)恒流源，并在跨導(dǎo)源級(jí)加入反饋電阻Rf，這樣做可以使跨導(dǎo)變?yōu)樵瓉?lái)的1／(1+GMRf)倍。恒流源及反饋電阻部分電路如圖2所示。
圖2：恒流源及反饋電阻
2 仿真結(jié)果及分析
本次設(shè)計(jì)的混頻器的射頻信號(hào)輸入頻率范圍在2．4～2．5GHz。仿真時(shí)選取2．5GHz、-30dBm的射頻輸入信號(hào)，2．25GHz、5dBm的本振信號(hào)作為示例，CMOS管采用基于TSMC(臺(tái)積電)的0．25μm工藝的Bsim3_Model的V3．1模型，使用Agilent公司的ADS2008進(jìn)行仿真，以下為仿真結(jié)果及分析。
圖3：混頻器輸出頻譜
圖3中m1所標(biāo)為中頻輸出譜線，根據(jù)輸入射頻輸入信號(hào)為-30dBm可以算出混頻器的轉(zhuǎn)換增益為10．975dB。m2是同為二階產(chǎn)物的和頻輸出分量，幅度是相當(dāng)高的，不過(guò)要去除也是較容易的，只需在輸出端接一低通或帶通濾波器將其濾除即可。
表1：?jiǎn)芜吋半p邊帶噪聲系數(shù)
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表1所列為混頻器單邊帶與雙邊帶噪聲系數(shù)。當(dāng)混頻器輸出有用信號(hào)只存在于本振信號(hào)的一側(cè)，用單邊帶(SSB)噪聲系數(shù)來(lái)表征；與之相對(duì)應(yīng)的，若接收信號(hào)是均勻輻射譜，有用信號(hào)存在于兩個(gè)邊帶上，則需用雙邊帶(DSB)噪聲系數(shù)表示，在天文或遙感使用較多。由于鏡像噪聲的影響，單邊帶噪聲系數(shù)一般要高出3dB，故為了參數(shù)美觀，大部分混頻器在不做特殊說(shuō)明的情況下僅將雙邊帶噪聲系數(shù)標(biāo)示出來(lái)，而實(shí)際應(yīng)用中大部分是需要單邊帶噪聲系數(shù)作為重要參考的，這是大家需要注意的。
圖4：本振功率與中頻輸出的關(guān)系
從圖4可以看出，正如前文所描述，由于用正弦信號(hào)替代理想方波信號(hào)，必須在本振功率高到一定程度，開(kāi)關(guān)管工作于近似理想開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)，混頻器才能保持較穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換增益。由圖可知當(dāng)本振信號(hào)大于-3dBm時(shí)，轉(zhuǎn)換增益穩(wěn)定保持在10dB以上。
圖5所示是實(shí)際中頻輸出功率與理想輸出功率的差異。圖中直線為線性增益的延長(zhǎng)線，曲線為混頻器實(shí)際增益的輸出曲線。由圖中標(biāo)示可知，當(dāng)射頻輸入信號(hào)RF達(dá)到-8dBm時(shí)，實(shí)際增益出現(xiàn)壓縮，此時(shí)中頻輸出功率1．2dBm左右。
圖5：1dB功率壓縮點(diǎn)
對(duì)于出現(xiàn)兩個(gè)頻率很相近的射頻信號(hào)RF1、RF2同時(shí)進(jìn)入混頻器和本振LO進(jìn)行混頻。由于混頻器為非線性器件，輸出頻譜中會(huì)包含多階產(chǎn)物，其中3階產(chǎn)物的頻率：ω3：ω3=ωLO-(2ωRF1-ωRF2)和ω3=ωLO-(2ωRF2-ωRF1)會(huì)出現(xiàn)輸出中頻附近，造成很大干擾，尤其出現(xiàn)射頻多路通信系統(tǒng)中將會(huì)是相當(dāng)嚴(yán)重的問(wèn)題。故仿真時(shí)用2．5GHz+50kHz的雙音功率源，圖6中m2標(biāo)示的為一根三階分量的譜線，經(jīng)仿真軟件計(jì)算得出的結(jié)果見(jiàn)表2。
圖6：雙音測(cè)試時(shí)的輸出頻譜
表2：雙音測(cè)試時(shí)得出的三階調(diào)試截止點(diǎn)
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，一般情況下三階調(diào)制截止點(diǎn)比1dB壓縮點(diǎn)高10dB左右，據(jù)此可驗(yàn)證仿真結(jié)果是否合理。
3 結(jié)束語(yǔ)
本文采用TSMC 0．25μm工藝CMOS設(shè)計(jì)了一種具有Gilbert結(jié)構(gòu)的有源雙平衡混頻器，在不增加電路復(fù)雜性的前提下，通過(guò)反饋電阻的引入及借助ADS軟件對(duì)元件及電路參數(shù)的適當(dāng)選取，使該混頻器的增益及線性度較文獻(xiàn)、均有明顯的改進(jìn)，并可滿足當(dāng)前大部分無(wú)線通信的要求。
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