[发明专利]低功耗单平衡谐波混频器

说明书

技术领域

本发明涉及接收机射频前端的混频器研究领域，具体地，涉及低功耗单平衡谐波混频器。

背景技术

随着通信技术的进步，无线通信设备已成为人们生活中不可缺少的部分，大家对重量轻、体积小、成本低、功耗低的产品需求越来越强烈。同时，由于深亚微米CMOS工艺的不断进步和成熟，加上CMOS工艺跟其他工艺相比具有价格低、功耗低、集成度高等特点，用CMOS工艺设计射频集成电路已成为当前的热点。

混频器作为接收机的重要组成部分，其作用在于实现频率变换功能。线性度、变频增益、噪声系数和功耗是混频器的主要性能指标，直接影响整个接收机系统的性能。为了延长系统电池的使用寿命，则要降低系统功耗，而混频器作为接收机的核心模块，其功耗决定着系统的功耗。低功耗的混频器可用于物联网、蓝牙、WiFi、RFID等含有射频接发系统的领域。

传统的混频器结构常采用如图1所示的Gilbert混频器，其主要分为跨导级、开关级和负载级三个部分。跨导级的NMOS管M1和M2作用是把射频电压信号转换成电流信号；开关级的NMOS管M3-M6其实工作在开关状态，通过控制管子的导通来进行射频信号与本振信号的混频，实现频率转换；负载级电阻R1和R2的作用在于把电流信号变换成电压信号，最后输出得到的中频信号。Gilbert混频器采用双平衡基波混频结构，其优点为变频增益较高，隔离度好，但缺点也很明显，功耗大、版图面积大。而且基波混频存在本振自混频的现象，以及对本振信号要求较高，改用谐波混频的方法可以解决这些问题。

发明内容

本发明提供了低功耗单平衡谐波混频器，解决了传统的混频器存在的功耗大、版图面积大的技术问题，实现了单平衡谐波混频器功耗小、版图面积小的技术效果。

为解决上述技术问题，本申请提供了低功耗单平衡谐波混频器，所述混频器包括：跨导级、开关级、负载级、输出缓冲级；其中，跨导级与开关级连接，开关级与负载级和输出缓冲级均连接；跨导级、开关级中的NMOS管均工作在亚阈值区。

进一步的，跨导级包括：NMOS管M1、电感L1、电容C1、电容C2；开关级包括：NMOS管M2和M3、电感L2和L3、电容C3和C4；缓冲级包括：电容C5、电阻R2、NMOS管M4、电阻R3和电容C6；电容C1的正极与电容C2的正极均与射频信号RF的输入端连接，电容C1的负极接地，电容C2的负极与NMOS管M1的栅极和电感L1的一端连接，电感L1的另一端与偏置电压Vrf的输入端连接，NMOS管M1的源极接地，NMOS管M1的漏极与NMOS管M2的源极和NMOS管M3的源极均连接；电容C4和C3的正极分别与本振差分信号的一路LO+输入端和本振差分信号的另一路LO-输入端连接，电容C4的负极和C3的负极分别与NMOS管M2的栅极和NMOS管M3的栅极连接，偏置电压Vlo的输入端与电感L2的一端和电感L3的一端均连接，电感L2的另一端与NMOS管M2的栅极连接，电感L3的另一端与NMOS管M3的栅极连接，NMOS管M2的漏极、NMOS管M3的漏极、电容C5的正极均与负载级的一端连接，负载级的另一端与电源VDD连接；电容C5的负极与电阻R2的一端和NMOS管M4的栅极均连接，NMOS管M4漏级和电阻R2的另一端均与电源VDD连接，NMOS管M4的源极与电阻R3的一端和电容C6的正极均连接，电阻R3的另一端接地，电容C6的负极接信号输出端。

其中，所述跨导级元件包括NMOS管M1、电感L1、电容C1和电容C2。首先，射频信号RF通过匹配网络C1和C2加到NMOS管M1的栅极，同时，并联电容C1可以滤除信号中的高频成分，串联电容C2除了参与匹配还有隔直的作用；NMOS管M1的衬底接地，源级也接地，漏级接开关对NMOS管M2和M3相互连接的共源级；偏置电压Vrf通过电感L1加到M1的栅极，电感L1可防止射频信号交流接地。

本发明所述开关级包括NMOS管M2和M3、电感L2和L3、电容C3和C4。本振差分信号的一路LO+通过隔直电容C3加到NMOS管M2的栅极，另一路LO-通过隔直电容C4加到NMOS管M3的栅极。所述开关级利用差分信号来控制M2和M3的通断，可以选择合适的本振信号与射频信号进行混频，再将M2和M3的漏级相互连接。M2和M3的共漏级接负载电阻的一端，偏置电压Vlo分别通过扼流电感L2和L3加到NMOS管M2和M3的栅极。

本发明所述的开关级电路是差分电路，差分电路要保证其对称性，故电路中M2和M3、L2和L3、C3和C4完全一样，差分信号LO+和LO-电压幅度相同，相位相反。