应用于ISM频段的高线性混频器的设计

孙 波

(南京邮电大学 电子科学与工程学院，江苏 南京 210023)



应用于ISM频段的高线性混频器的设计

孙 波

(南京邮电大学 电子科学与工程学院，江苏 南京 210023)

设计了一种用于ISM频段的正交下变频混频器。在普通的吉尔伯特混频器的基础上，优化电路结构，采用共栅跨作为混频器的导级，同时混频器采用共跨导级正交结构，并利用动态电流注入技术减小噪声和提高混频器的增益。设计采用SMIC 0.18 μm CMOS工艺，1.8 V电压供电，仅消耗电流4 mA。仿真结果显示，混频器增益为10.16 dB，1 dB压缩点大约为0 dBm，噪声系数为10.38 dB，电路性能参数满足预期要求。

共栅级跨导；正交混频器；动态电流注入；线性度

根据频谱规划，2 400～2 483.5 MHz为ISM频段[1]。该频段主要是开放给医学、科学和工业3个主要机构使用，只需遵守一定的发射功率(一般低于1 W)，并且不对其它频段造成干扰即可[2-3]。混频器作为射频前端的主要组成部分，混频器性能的高低直接影响接收机的工作。为了追求混频器的高线性性能，在文献[4～5]中，多采用跨导级并联工作在亚阈值区的MOS管消除三阶跨导，然而这种方式受寄生参数的影响比较严重，不容易达到预期的设计。

文中介绍了一种用于ISM频段的直接下变频混频器，为减小功耗混频器采用开关级公用跨导级结构,使IQ两路混频器集成到一块芯片上，同时电路采用动态电流注入技术，不仅降低了混频器的噪声还提高了混频器的增益，仿真显示其可有效降低开关级闪烁噪声对噪声。与此同时，在中频输出后设计了源极跟随器，方便了混频器芯片的测试。

1 正交混频器结构

吉尔伯特混频器可以实现IF-LO很高的隔离度，传统的正交混频器使用两个独立的混频器功耗较大。本文采用共用跨导级混频器如图1所示，两路混频器使用一个跨导级，这种混频器的两个通道具有较高的匹配性，避免了混频器的IQ两路输出由于跨导级晶体管的失配所带来的误差，同时减少了晶体管的使用，在一定程度上减小了噪声和功耗。CMOS管M1，M2作为混频器的跨导级，射频信号从M1和M2的源极进入；同时引入交叉耦合电容(Cross-Coupling Capacitor)提高电路增益，M3～M6作为I路开关级，M7～M10作为Q路开关级；PMOS管M11作为电流源，M12和M13构成动态电流注入结构，两个管子的栅极与开关管的源极相连，同时该两管的栅漏交叉相连；负载采取RC网络，作为低通滤波器，可以抑制输出的部分高频信号，解决了混频过程中的产生的毛刺，增加增益平坦度。

图1 提出的正交混频器结构

1.1 共栅跨导级的设计

在已发表的正交混频器结构中[6-7]，跨导级采用的是共源极，较大的跨导可以提高混频器的增益，但共源极做跨导会恶化电路的线性度。本文采用共栅极作为混频器的跨导级，如图2所示采用交叉耦合电容结构[8]，结构中的C1和C2分别将输入的差分射频信号耦合到跨导管的栅极进行再次放大，假设共栅极跨导管的栅源电容为Cgs且忽略栅极寄生电容，则输入的等效跨导Cm,eff为

图2 混频器的共栅极跨导

(1)

式中，C1,2为耦合电容；gm为共栅跨导管的跨导，从式(1)可以看出，当共栅管M1和M2的栅源寄生电容满足Cgs≪C1,2；等效跨导将Cm,eff近是gm的两倍。

此外，传统的共源极做混频器的跨导级，输入电阻比较大，有利于电压的传输，一般不需要输入匹配就可以和前级低噪声放大器级联。然而共栅极做跨导级导致混频器的输入阻抗较小，如果不对混频器输入匹配会有损于电压传输，需要对设计的混频器输入匹配。由于跨导级的源极通过电感Ls连接到地，所以直接在射频输入端串联电容C，不仅可以达到输入匹配50 Ω的目的，还起到了隔直作用。

1.2 动态电流注入技术

电流注入有两种方式:静态电流注入[9-10]和动态电流注入，静态电流注入一般采用固定偏置抽取固定的偏置电流，会增加开关管子的的1/f噪声，同时由于静态电流源的输入阻抗不是理想的无穷大，导致混频器的增益和线性度都会受到影响。本文采用的动态电流注入技术如图3所示。当开关管接近导通时，开关级的两个共源节点P和Q的电压达到最低值时，M2和M3才导通，电流开始注入。当开关管没有同时导通时，共源节点P和Q的电压上升，则M2和M3截止，没有电流注入。动态电流注入结构会有效的降低1/f噪声，同时动态离子注入结构会增加跨导级的跨导，增加电路的转换增益。

图3 电流注入技术

1.3 缓冲级的设计

为了能更好的驱动50 Ω的测试仪器输入阻抗，本设计在混频器的输出端加上源极跟随器作为缓冲器来实现阻抗匹配和提供适当的驱动能力 ，源极跟随器如图4所示。

图4 源极跟随器

在高频装置中源极跟随器的增益如式(2)所示，驱动一个负载RL的外部终端负载电压增益为

(2)

从式(2)可以看出，M1需要够大的尺寸，M1的跨导足够大，使源极跟随器的增益接近1。

2 仿真验证

基于Smic 0.18 CMOS工艺Cadence仿真验证设计。输入射频频率为2.4 GHz,功率为-50 mW,本振输入频率为2.39 GHz，功率为2 mW。混频器的1 dB压缩点如图5所示，由于采用了共栅极跨导级提高了线性度，高达0 dBm。设计的混频器的噪声系数如图6所示，电路采用了动态电流注入技术，明显改善了混频器的热噪声，当输出的中频信号是10 MHz时，噪声系数比没采用电流注入技术的混频器大约降低了7.6 dB。混频器的转换增益如图7所示，可以看出在频带内增益平坦，转换增益为10.16 dB。

图5 混频器1 dB压缩点仿真结果

图6 混频器噪声系数

图7 混频器转换增益

参数文献[12]文献[13]文献[14]文献[15]本文工艺/CMOS018018018018018Rf频率/GHz192452424电源电压/V331181815工作电流/mA73245863转换增益/dB611931102输入1dB/dBm15-13-5-1150噪声系数/dB1851395317310

表1列出了所改进的正交下变频混频器和近年来已发表文献混频器的比较。从表1可以看出，所设计的混频器的输入1 dB压缩点为最高，高达0 dBm，电路消耗的功耗仅高于文献[12]，噪声系数仅高于文献[14]，但增益和线性度远优于文献[14];文献[12]的线性度由于本设计，但功耗过大，采用的是单路混频器结构；各项参数都优于同为2.4 GHz ISM频段的文献[15]。

3 结束语

设计的改进型共用共栅极跨导的正交混频器，设计采用smic 0.18 μm工艺，在1.8 V电源供电，仅消耗3 mA直流电流，增益为10 dB，1 dB压缩点高达0 dBm，同时噪声系数仅为10.1 dB，设计的正交混频器结果满足预期要求，可应用于ISM频段。

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Design of High Linearity Mixer Used in ISM Band

SUN Bo

(School of Electronic Science and Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210023, China)

A quadrature down conversion mixer for ISM frequency band is designed. On the basis of the general Gilbert mixer optimization circuit structure, the mixer adopts the total transconductance orthogonal structure with the common gate cross as the guide of mixer and the dynamic current injection technology to reduce the noise and improve the mixer gain. The SMIC 0.18 CMOS M technology is employed, with 1.8 V voltage supply and a mere current consumption of 4 mA. Simulation shows a mixer gain of 10.16 dB, a 1 dB compression point about 0 dBm, and a noise coefficient of 10.38 dB.

ISM band; quadrature mixer; dynamic current injection; linearity

2016- 07- 07

江苏省自然科学基金青年基金(BK20130880)；南京邮电大学大学生创新训练计划基金(SZD2016004)

孙波(1991-)，男，硕士研究生。研究方向：射频集成电路设计。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.06.017

TN773

A

1007-7820(2017)06-063-04