CMOS混频器的设计技术

引言
近年来，无线通信技术得到了迅猛地发展。它对收发信机前端电路提出的新要求是：高的工作频率，低电压，低功耗，高度集成。实现小型化以及低功耗的一种可行性方法是实现收发机射频电路和基带电路的单片集成，这也是收发信机设计的最终目标。由于数字处理部分的面积通常占到芯片面积的75%以上，集成度及功耗等指标的要求使得不可能以CMOS以外的其他工艺实现，所以只有实现CMOS集成射频前端，才能实现单片集成。CMOS工艺向0.25um以下的迅速发展，使上述愿望的实现变为可能。0.18umCMOS工艺的特征频率fT可达60GHz，0.15um的可达80GHz。混频器是射频前端电路中实现频谱搬移的器件，是十分重要的模块。本文将介绍CMOS混频器的基本原理，基本实现结构以及当前的电路设计技术。
混频器的基本原理
混频器必须是非线性或是时变的，以提供所需的频率变换。它的核心是对射频信号(RF)和本振信号(LO)在时间域的相乘。



这样就得到含有输入和频和差频的输出信号，输出信号幅度与RF信号和LO信号幅度的乘积成正比。

CMOS混频器的基本结构
设计者首先面临的问题是选择合适的混频器结构。由于单端结构不可能完全消除非线性，且电源抑制比较差，混频器结构通常采用差分形式。这些结构实现输入信号相乘，并消去高次项和共模成分。
MOS管电压电流关系的简单模型可表示为：



可见，利用MOS管的电压电流关系，采用适当的结构，可以通过乘法来进行混频。基于实现乘法的MOS管的工作区，可将混频器分为如下几类：
(1)工作于线性区的MOS混频器
这一类是利用MOS管工作于线性区的电流电压关系，来实现乘法。分为两种实现方式：①利用式(1)中的vGSvDS项实现乘法，②利用式(1)中的v2DS实现乘法。
(2)工作于饱和区的MOS混频器
这一类是利用工作于饱和区的MOS管的电流电压关系来实现乘法，利用的是式(2)中的v2GS项。
(3)开关混频器

图1是一个典型的开关混频器的电路结构图，本振信号LO起到控制MOS管的开和关的作用。直流电压VLO，DC与VBB，DC的选择应满足：



VLO，DC-VBB，DC=VT(VT是MOS管的阈值电压)
如果电路完全对称，所用的LO信号也对称，则输出的信号谱中不含偶次分量及直流分量。开关混频器的主要优点在于：CMOS管非常近似于一个理想的开关；MOS管中的偏置电流为0，所以闪烁噪声小。
还有一种很常用的开关混频器是Gilbert混频器。电路原理见图2。图2中，M3、M6是跨导级，起到将输入RF信号电压转换成电流的作用，M1、M2、M4、M5在LO信号的控制下交替开和关，实现频率变换。Gilbert混频器的优点在于增益高，端口到端口的隔离度大。



(4)采样混频器
CMOS可以实现很好的开关，可以利用采样—保持电路来实现混频，在高频的带限信号以频率被采样。根据调制信号的Nyquist采样定理，为了不发生混叠，所需的采样频率fS不能小于调制的RF信号的带宽的两倍，而不是必须为最高频率的两倍。fs的值依赖于带宽和信号的绝对频率位置。图3给出了采样的原理。图4是一个采样—保持电路作为采样混频器的例子。
采样混频器的优点是线性度高，本振信号为基带采样频率，与射频信号离得较远，没有由于LO泄漏引起的杂散辐射。对采样—保持电路的要求是不仅要有足够的带宽，还要有低的时钟抖动，这对采样时钟的相位噪声要求很高。采样混频的缺点是采样不仅将信号变换到中频，也将输入的噪声折叠到输出端，所以噪声增加的倍数约为RF带宽/IF带宽。由于RF带宽通常比中频带宽大许多，采样混频器的噪声指数可能很大(例如25dB)。这样，这种混频器线性度高的优点通常被噪声性能差所抵消，混频器的总动态范围并不比一般的混频器好(甚至可能更差)。从理论上来说，可以利用有足够增益的LNA来克服混频器噪声的影响，但是实现同时拥有高增益和高线性度的LNA很难。因此，必须谨慎选用采样混频。


        
混频器的电路设计技术
对于CMOS混频器，设计目标和关键技术主要有：高线性度，低电压，低功耗，直流失调小(主要针对直接下变频的接收机)，低噪声系数。在具体实现时，通常是在这几个指标之间取得折衷。
(1)提高线性度
理想的混频器，输出信号的幅度应与输入信号的幅度成正比，输出信号的无用杂散分量少(因为邻带可能会有干扰)，这就是在混频器中线性度的意义。3dB下降点和IIP3(输出基频电平与三阶互调输出相等时的输入信号电平)都可用来描述混频器的线性度。混频器处理的信号幅度比低噪声放大器大，因此要不成为接收机动态范围的瓶项，它必须有足够的线性度。
Gilbert类型的混频器中跨导的线性度限定了整个混频器的线性度下界。因此，在设计中，重要的工作是加大跨导的线性。运用泰勒级数展开得到了跨导的IIP3与电路参数之间的关系。分析了开关混频器的非线性失真。对于高频混频器，不能忽略MOS管寄生电容对线性度的影响，这时，混频器的跨导应被视为有记忆电路，采用VOlttera级数进行分析精度较高。我们利用VOlttera级数对CMOS高频跨导进行了线性度分析，得到了跨导的IIP3与各电路参数(工作电压，MOS管沟道长度，沟道宽度，寄生电容等)之间关系的解析表达式，与仿真得到的结果十分接近。我们对跨导进行了UMC流片，测试结果验证了解析表达式的正确性。
跨导的线性化可以通过逐段逼近的方法，图5中，每一个差分对在一段输入范围内是线性的，叠加起来就构成更大范围内的线性跨导，如图6所示。



另一种提高混频器线性度的结构是前面提到的采样混频器，与Gilbert混频器相比，它在线性度上有所改进，但噪声指数更大、功耗增加，需要更加复杂的电路。
(2)降低工作电压和功耗
随着CMOS工艺向亚微米发展，能处理的电压也随之下降，例如，0.18um的CMOS工艺只能工作于1.8V以下的电压。在手机中，工作电压和功耗一起影响了手机电池的寿命、大小以及重量。降低电压和功耗已成为射频前端电路设计的重要目标。只有当前端电路的功耗能够与双极工艺相当时，CMOS在射频集成电路中才会具有竞争力。
为了降低供电电压，可以通过减少堆叠MOS管的数目，也可采用电感与电容得到低电压的混频器结构。图7是我们新设计的一个混频器电路，其中M1工作于线性区，M1在LO信号控制下，其等效电阻表达式中有一项与LO信号的幅度成正比，M2工作于饱和区，相当于一个线性跨导，将输入RF电压信号转化成与RF信号幅度成正比的电流，这个电流流过与本振信号幅度成正比的电阻，得到的输出电压v中就含所要的混频项。这个结构由于避免了堆叠MOS管，可以工作于很低的电压。以此电路结构为核心电路的混频器已进行UMC流片，测试结果验证了混频器的功能。



(3)降低直流失调
直流失调的产生有以下几个原因：
①混频器输入的器件失配；
②本振信号泄漏到射频信号端口，自混频到直流；
③本振信号通过外部导线耦合到天线端发射出去，被外部物体反射回来。
④很大的邻近信道的干扰信号泄漏到本振端口，与本振信号一起泄漏到射频端，与本振相乘，被下变频。这种失调是潜伏性的，因为它们的幅度随接收机的位置和方向而改变，很难除去。
迄今为止，主要有四种方法去除直流失调：
①对没有直流信号或宽带调制的系统，可利用高通滤波或交流耦合。但这对于一些系统，例如GSM系统不适用，这种系统的功率谱在直流处为最大值，
②利用数字无线标准中的空闲时间来消除失调。在这个空闲时间内测量失调，除去失调。这仅当在接收两个突发信号的间隔时间内失调不变时才有效。在这个间隔之间的强干扰信号可能会导致错误的测量，
③数字控制的模拟自适应抵消技术。混频器的输出由ADC采样，使用dualloop算法，可在数字域检测出时变的失调，这些用来消除混频器的失调，
④谐波混频器。见图8，把LO的一半频率的信号加到本振输入端，LO端和RF端的管子都工作在饱和区，产生的LO频率与RF频率进行混频，这样产生的直流失调小，而且由于输入的信号频率低，本振泄漏也减小了。通过测试结果可知，这个电路的直流失调比一般的混频器电路的直流失调要小44dB。
(4)降低噪声
影响CMOS混频器性能的主要噪声源有电阻的热噪声和MOS管的热噪声和闪烁噪声。



对开关形式的Gilbert混频器进行了噪声分析。在有些电路中，MOS管工作于弱反型区，且宽长比做得较大，这样不仅提高了增益，噪声也减小。
结论
本文介绍了CMOS混频器的性能指标，并从提高线性度，降低电压和功耗，降低直流失调，降低噪声系数等几个方面详细讨论了当前的CMOS混频器的主要设计技术。