一种基于130 nm CMOS 工艺的K 波段上/下双向混频器*

赵玉楠，潘俊仁，彭尧，何进，王豪，常胜，黄启俊

(武汉大学 物理科学与技术学院，湖北 武汉 430072)

0 引言

随着汽车工业快速地发展，驾驶员迫切需要先进的驾驶辅助系统(Advanced Driver-Assistance System，ADAS)来提高道路交通的安全性[1-2]。毫米波雷达传感器作为先进驾驶辅助系统的重要模块，具有高空间分辨率、低大气衰减等特点，近年来受到了广泛的关注[3-7]。目前，汽车雷达传感器主要采用两个毫米波段，一个是K 波段的24 GHz，用于盲点检测和防撞等短程应用；另一个是E 波段的77 GHz，用于自适应巡航控制等远程雷达通信。由于CMOS 工艺具有开关速度快、成本低、集成度高等优点，为了满足日益增长的市场需求，基于CMOS工艺的K 波段收发机得到了广泛的研究和开发[8-13]。传统无线收发机的收发支路一般采用分开设计的方式。作为收发支路中的关键组成部分，下变频混频器在接收支路中，将低噪放大器放大后的射频信号下变频为中频信号；而上变频混频器则在发射支路中，将基带信号上变频为射频信号。相对来说，这种收发支路分开设计的方式将占用更大的芯片面积，消耗更多的功耗，增加系统的复杂度，对小型化、低功耗、低成本的芯片设计较为不利。虽然单个无源混频器可以实现上/下双向变频功能，但是它们有转换损耗，并且需要较高的本振驱动[14]，从而导致系统功耗显著增加。

本文基于130 nm RF CMOS 工艺，设计了一种可实现上/下双向变频功能的K 波段混频器。创新地通过同一核心电路实现了上变频与下变频的混频功能，同时在保证混频器有较好性能的前提下，节省了射频接收机芯片面积。

1 上/下双向混频器电路原理图及设计思路

K 波段上/下双向变频混频器的电路原理图如图1所示。该双向混频器由混频器核心电路、本振(Local Oscillator，LO)巴伦电路、基带(Baseband，BB)有源巴伦电路和中频(Intermediate Frequency，IF)输出缓冲电路组成。本振巴伦电路具有单端-差分转换和在本振端口50 Ω阻抗匹配的功能；基带有源巴伦电路则对基带信号进行单端-差分转换和放大；中频缓冲电路用于在中频差分输出端口IFout+和IFout-驱动50 Ω 负载。

在图1 中，本文创新地采用了跨导/负载(gm/load)共用电路，在以吉尔伯特(Gilbert)混频器为基础的核心电路上实现上/下双向变频功能。当混频器上变频时，跨导/负载共用电路执行跨导(gm)功能，将经过有源巴伦电路进行单端-差分变换后的基带差分电压信号转换为差分基带电流信号，并输入至本振开关级电路，进而被上变频为差分射频(Radio Frequency，RF)电流信号；混频器下变频时，将经过RF 变压器T1进行单端-差分变换后的射频差分电压信号转换为射频差分电流信号，并输入至本振开关级电路，进而被下变频为中频差分电流信号，此时跨导/负载共用电路实现负载(load)功能，将中频差分电流信号最终转换为中频差分电压信号。更为详细的工作原理将在第2 节结合电路进行具体分析。

图1 K 波段上/下双向混频器电路原理图

2 双向混频器的电路设计和分析

2.1 上/下双向混频器核心电路

图2 描述了混频器核心电路图及其上/下双向工作模式。晶体管M1～M4组成由差分信号LO+和LO-驱动的本振开关级。

上变频模式：有源巴伦电路产生的基带差分电压信号VU+和VU-，经由晶体管M5～M6构成的跨导(gm5，6)级传输到电路节点X+和X-，再经由LO 开关级，上变频为RF差分电流信号iRF+、iRF-，通过从电路节点Y+和Y-看进去的等效输入阻抗，得到射频差分电压信号VY+、VY-，最后由片上变压器巴伦T1转变为单端射频输出信号VRF，并在RF 端口完成50 Ω 负载阻抗匹配。如图2 中所示，根据变压器巴伦T1的自身阻抗ZT和电路节点Y+/Y-处的寄生电容CY，混频器核心电路在上变频模式的转换增益(up-conversion gain，up-CG)可以表示为：

图2 混频器核心电路及上/下双向工作模式

由此可知，若要提高Aup-CG，既可以通过增加gm5，6，也可以通过ZT与CY在工作频率wRF处谐振来实现。

下变频模式：晶体管M5～M6成为有源负载(ro5，6)级。T1将单端射频输入信号VRF差分为电压信号VY+、VY-，通过电路节点Y+和Y-处ZT与CY的等效阻抗，转换为RF差分电流信号iRF+、iRF-，再经过LO 开关级，下变频为IF差分电流信号，最终经有源负载ro5，6得到IF 差分电压信号VD+、VD-。同理，混频器核心电路在下变频模式的转换增益（down-conversion gain，down-CG）可表示为：

因此，混频器可工作在上/下双向变频模式。仿真结果显示，在栅源电压VGS5，6为0.75 V 时，晶体管M5～M6偏置在饱和区；当尺寸为20μm/300nm时，M5～M6获得较大的输出电阻ro5，6，为5 kΩ。折衷考虑转换损耗、开关速度和寄生电容CY等性能参数，本振开关级晶体管M1～M4的尺寸最终优化为40μm/130nm。偏置电压Vb被设置为0.95 V 以平衡上/下变频的转换增益。

2.2 有源巴伦、本振巴伦和输出缓冲器电路

如图1 所示，基带有源巴伦电路由差分共源共栅对(M7-M9-R7和M8-M10-R8)及电流源(M15)组成。差分共源共栅对的一个输入端口用于输入单端基带信号BBin，另一个端口则通过电容C7直接接地。电路完成了对BBin信号的差分转换和放大，其增益表示为：

为了获得较强的驱动特性，采用了自偏置反相器型放大器作为IF 输出缓冲器电路，包括晶体管M11～M14和反馈电阻R5-R6。此外，由于工作在高频段，本振巴伦电路同射频端口一样采用片上变压器巴伦来实现。T1和T2有着类似的如图3 所示的结构。

图3 片上本振变压器巴伦T2

为更好地与LO 开关级晶体管M1～M4的输入端进行匹配，将T2的两个差分端口串联耦合电容C1和C2，以补偿其输入端的感性阻抗；同时C1和C2还能用于隔离M1～M4的偏置电压与T2中心接地抽头间的直流电平。

3 双向混频器版图及仿真结果

3.1 双向混频器版图

基于后端有7 层金属层的130 nm RF CMOS 工艺，本文设计了可实现上/下双向变频功能的K 波段混频器。图4 所示为K 波段双向混频器版图，包括两个片上变压器巴伦T1、T2和所有测试焊盘在内的整个芯片版图面积为0.75 mm×0.8 mm，其中G-S-G 焊盘的中心间距为150 μm。

图4 K 波段双向混频器版图

3.2 后仿真结果

为了得到更为精确的混频器性能，采用了全波三维电磁高频结构仿真器对混频器的无源元件(包括变压器、电容、金属连线和过孔等)进行了整体电磁仿真，最后将所生成的无源多端口S 参数文件与晶圆厂提供PDK 中的有源器件进行联合仿真，以获得整体混频器设计的最终性能。整体混频器优化后的最终仿真结果如图5～图7 所示。

图7 混频器上变频模式性能仿真

图5 为射频端口和本振端口在23～25 GHz 频段内的50 Ω 阻抗匹配(回波损耗S11_RF 和S22_LO)仿真结果，可以看出在23.3～25 GHz 频段内，混频器S11_RF 和S22_LO都小于-10 dB，具备良好的阻抗匹配度。

图5 射频/本振端口50 Ω 阻抗匹配仿真

图6 为混频器下变频模式性能仿真结果。图6(a)和图6(b)为电路工作在下变频模式时，在不同本振驱动功率下的混频器转换增益和噪声系数(NF)。可以看到，混频器的下变频转换增益和噪声系数随着本振功率的增加(从-4 dBm 变化至4 dBm)而逐步地得到改善。但考虑到实际应用中本振驱动信号一般由压控振荡器或频率合成器产生，其功率不会太大，因此选定0 dBm 为下变频模式下混频器的本振输入功率。此时，混频器的下变频转换增益和下变频噪声系数分别为3.4 dB 和15.2 dB。图6(c)和图6(d)为本振功率是0 dBm 时，混频器的线性度(RF 端口输入-IF 端口输出的输入1 dB 压缩点IP1dB)和本振-射频(LO-RF)端口的隔离度（ISO）仿真结果。可见在下变频模式下，电路在24 GHz 频点时的线性度为-3.6 dBm，隔离度为-58 dB，端口隔离性能良好。

图6 混频器下变频模式性能仿真

图7 为混频器上变频模式性能仿真结果。图7(a)和图7(b)为电路工作在上变频模式时，在不同本振驱动功率下的混频器转换增益和噪声系数。对其的分析同图6(a) 和图6(b)类似，不再赘述。当本振驱动功率为0 dBm 时，混频器的上变频转换增益和上变频噪声系数分别为-0.4 dB和12.95 dB；在24 GHz 频点时，混频器的线性度(IF 端口输入-RF 端口输出的输出1 dB 压缩点OP1dB)为-8.2 dBm，本振-射频端口的隔离度为-58 dB。

版图的后仿真结果表明，在0 dBm 的本振驱动功率下，混频器工作于上/下两种变频模式时均可获得较好的输入线性度、适宜的噪声系数和转换增益，本振和射频端口具备较强的隔离度，而且50 Ω 阻抗匹配良好，整体电路直流功耗为12 mW。

表1 总结了所提出的上/下双向混频器的性能，并与最近报道的混频器进行了参数对比。可以看出，本设计不仅实现了上/下双向变频功能，且表现出具有竞争力的性能。

表1 本文电路性能总结与同类型设计性能比较

4 结论

本文基于130 nm RF CMOS 工艺，采用了跨导/负载共用电路，在以Gilbert 混频器为基础的核心电路上，提出了一种可实现上/下双向变频功能的K 波段有源混频器。整个芯片版图面积包括两个片上变压器巴伦T1、T2和所有测试焊盘在内为0.75 mm×0.8 mm。在1.5 V 供电电压下，整体混频器电路的直流功耗为12 mW。与其他混频器相比较，本设计在面积、功耗、隔离度等方面表现出具有竞争力的性能。因此，该混频器在高集成度K 波段CMOS 收发机中具有潜在的应用前景。