[发明专利]一种带有自动最优偏置和谐波控制的吉尔伯特混频器

说明书

技术领域

本发明属于射频集成电路设计技术领域，具体涉及一种带有改进的自动最优偏置和可调有源电感谐波控制的高线性度吉尔伯特混频器。

背景技术

混频器是射频集成电路中最基本模块之一。在收发机电路中，混频器实现频率搬移。与无源混频器相比较，有源混频器可以提供转换增益以进一步抑制后级电路的噪声。吉尔伯特混频单元可以提供良好的射频端与本振端之间的隔离。因此，基于吉尔伯特混频单元的有源混频器得到了广泛的应用。

图1为经典的吉尔伯特混频单元，包括作为跨导级的第一和第二NMOS管NM1-NM2、作为开关级的第三到第六NMOS管NM3-NM6、作为负载级的第一和第二负载电阻R_L1-R_L2以及第一到第四偏置电阻R_b1-R_b4、第一到第四交流耦合电容C_C1-C_C4。跨导级将输入射频电压信号转换为电流；然后，开关级通过电流切换实现频率转换；最终，负载级实现电流到电压的转换。吉尔伯特混频单元中的跨导级、开关级以及负载级累叠在电源和地之间。随着工艺的不断进步，电源电压不断降低，吉尔伯特混频单元的这种堆叠结构不利于其线性度性能。然而，射频收发机系统往往对混频器有着较高的线性度指标要求。因此，有必要对经典的吉尔伯特混频单元进行改进以优化其线性度性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高线性度吉尔伯特混频器，可以应用在对混频器有着较高线性度要求的收发机系统中。

本发明提供的高线性度吉尔伯特混频器，包括基本的吉尔伯特混频单元、最优偏置电路和谐波控制电路。其中，所述吉尔伯特混频单元主要包括跨导级、开关级和负载级。跨导级将输入射频电压信号转换为电流；然后，开关级通过电流切换实现频率搬移；最终，负载级实现电流到电压的转换。所述最优偏置电路主要包括吉尔伯特混频单元跨导级器件的复制或者同比例缩小、流过微小电流的电阻链和构成两个反馈环路的运算放大器。最优偏置电路中电阻链的中点提供吉尔伯特混频单元中跨导管的直流偏置。所述谐波控制电路由可调有源电感和谐波控制电容构成，该谐波控制电路连接在吉尔伯特混频单元跨导管漏端。 

吉尔伯特混频单元中的开关级器件工作在开关状态，负载级可选用无源元件，因此，开关级和负载级均不是主要的非线性来源。针对作为主要非线性来源的跨导级，本发明对其线性度进行优化。综合低频和高频两方面考虑，本发明提出了自动最优偏置电路和谐波控制电路。

针对低频特性，本发明中的最优偏置电路可以将吉尔伯特混频单元中的跨导管自动偏置在三阶跨导非线性系数过零点的位置。本发明通过引入反馈环路使得最优偏置电路中复制跨导管和混频单元中跨导管的漏源电压相同，优化了所产生偏置的准确度。

针对高频时的二次谐波反馈效应对线性度性能的影响，混频单元跨导管漏端的两倍信号频率串联谐振网络实现谐波控制。本发明采用基于可调有源电感的串联谐振网络。与传统的采用片上螺旋电感和键合线电感的方案相比较，本发明不仅省面积而且健壮。

附图说明

图1为经典的吉尔伯特混频单元电路图。

图2为漏源电压300mV，不同栅源电压时的一阶、二阶和三阶跨导非线性系数。

图3为漏源电压分别为300mV和800mV，不同栅源电压时的三阶跨导非线性系数比较。

图4为本发明的电路图。

图5为本发明中可调有源电感的一种实现。

具体实施方式

首先结合本发明电路，对线性度的理论进行分析。

如前所述，跨导级是吉尔伯特混频单元的主要非线性来源，我们将对其非线性特性进行分析。实验样本为0.13μm CMOS工艺下尺寸为60μm×0.13μm的NMOS管。需要注意的是，本发明可推广到其他特征尺寸的CMOS工艺。

在一般工作条件下，吉尔伯特混频单元中跨导管的非线性主要来自其跨导的非线性。跨导管的漏电流可按跨导非线性进行泰勒展开，如式(1)所示。

                                                                                          (1)