[发明专利]一种低压混频器

说明书

技术领域

本发明属于深亚微米RF CMOS集成电路领域，具体涉及一种低压CMOS折叠共源共栅混频器。

背景技术

混频器是导航接收机中的重要组成部分，主要用来实现频率的变换。混频器的某些性能参数直接影响着整个导航接收机的性能，例如：混频器的转换增益决定着导航接收机中混频器的后级模块对系统性能的影响程度，混频器功耗的降低对接收机系统功耗的降低有着重要影响，混频器线性度的提高对整个接收机线性度的改善起着关键作用，混频器的噪声也严重影响着接收机的灵敏度。因此，对于导航接收机系统，拥有性能优良的混频器是非常重要的。

随着便携式电子产品和深亚微米集成电路技术的迅猛发展，标准互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，简称CMOS)工艺所允许的电源电压越来越低，低压低耗已成为集成电路设计工业的重要发展方向；而通过降低系统的电源电压来降低系统的功耗，是一种最为直接有效的办法。随着晶体管特征尺寸和栅氧层厚度的不断减小，仅需较低的电压就可保证电子器件的正常工作，1.8V(0.18μm)电源电压现已被广泛应用，1.2V(0.13μm)和0.9V(90nm)的电源电压也已陆续被应用于电子器件以及片上系统的设计与生产。另外，对于军用以及航空航天等领域中的便携式电子设备，也需要低压低耗电路来延长电池的使用寿命，以保证系统在较长时间内可以正常稳定地工作。

当前主要的混频器都采用Gilbert型混频器。标准Gilbert型混频器的结构如图1所示：NMOS管1为整个电路提供偏置电流I_SS；NMOS管2和NMOS管3组成共源管，构成了跨导级，将输入的射频差分电压信号RF转换成电流信号并对其进行放大；本振差分电压信号LO分别输入到由NMOS管4至NMOS管7组成的开关级的四个栅极。通过本振差分电压信号LO对NMOS管2和NMOS管3的漏极输出电流的调制来实现混频，并通过中频负载电阻8和电阻9将电流信号转化为中频差分电压信号IF输出。从图1中可看出，标准Gilbert型混频器在低压低耗设计、转换增益、线性度以及噪声性能的改善方面存在如下几个问题：

第一，不利于低压低耗设计。跨导级NMOS管2、3和开关级NMOS管4～7堆叠于电源和地之间，降低了电压余度，系统需提供较大的电源电压才能保证一定的线性范围。因此，标准Gilbert型混频器严重限制了电源电压的降低，不利于低功耗设计的实现。

第二，加大了线性度和噪声性能、线性度和转换增益之间进行折衷设计的难度。若将开关级近似为理想开关，则整个混频器的线性度主要由跨导级决定；而CMOS混频器的非线性现象就是由跨导级MOS管的平方律特性造成的，所以，可通过改善跨导级在非线性方面的限制来改善混频器的线性度。通常有如下几种常见方法：可采用欠采样混频技术提高线性度，但会导致噪声系数增大，降低噪声性能，即需要在线性度和噪声性能之间进行折衷设计；可在标准Gilbert型混频器跨导级的源极加入负反馈，但会引起转换增益的下降，即需要在线性度和转换增益之间进行折衷设计；可使跨导级工作在线性状态，但同样会引起转换增益的下降，也需要在线性度和转换增益之间进行折衷设计。

此外，衡量混频器线性度的典型指标——输入三阶截断点IIP3与跨导级偏置电流I_SS成正比例关系增加，因此，还可通过提高跨导级偏置电流I_SS来提高线性度。但如图1所示，标准Gilbert型混频器中跨导级NMOS管2、3和开关级NMOS管4～7串联堆叠于电源和地之间，跨导级偏置电流I_SS的提高自然会引起开关级NMOS管4～7偏置电流的提高，造成开关级NMOS管4～7噪声性能的恶化(详见下文第四个问题的论述)，即需要在线性度和噪声性能之间进行折衷设计。

第三，加大了转换增益和噪声性能之间折衷设计的难度。如图1所示，若将开关级NMOS管4～7近似为理想开关，则整个混频器的转换增益G_C主要由跨导级决定，即主要取决于跨导级的跨导g_m2，3，如下式所示：