一種返回式電流復用混頻器的製作方法
2023-04-23 16:07:16
專利名稱：一種返回式電流復用混頻器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種返回式電流復用混頻器，該混頻器包含跨導/放大級和混頻級。 射頻信號經跨導級和混頻級下變頻至中頻信號，再次饋送至跨導級進行中頻放大；經過一 階低通濾波後輸出。該混頻器跨導級同時放大輸入射頻信號和輸出中頻信號，為了保證電 路穩定性，使用低通/高通濾波網絡對射頻/中頻信號進行耦合和隔離。該結構具有節約 功耗、節約電路結構、轉換增益高的特點，適用於低功耗、低成本的恆包絡通信標準。
背景技術：
返回式電路是基於再生式電路基礎之上的。再生式電路技術最早出現在早期的電 子管收音機中，由於當時電子管昂貴的價格，使得無線電設計人員開始尋求用最少的電子 管來構建整個收音機。美國人埃德溫·阿姆斯特朗發明了再生式電路，使得單管收音機的 實現成為了可能。再生式電路的原理是廣播射頻信號在電子管的放大及非線性作用下，輸 出含有放大的射頻信號和解調後的音頻信號，使用正反饋技術使得該信號一部分被再次送 至電子管的輸入端進行放大，這樣在電子管的輸入端形成輸入信號的振蕩現象，「再生」了 輸入射頻信號。由于振蕩將趨於飽和，因此對不同強度的輸入信號而言，最終振蕩的幅度是 固定的，輸出的解調後的音頻信號幅度也固定；對不同強度的電臺其收聽音量幾乎相同，省 去了音量調節的過程。需要注意的是，該振蕩過程註定不能是無休止的振蕩，在電路中，每 隔一個很短的時間會自動「復位」該振蕩信號，使得其重新根據輸入信號進行起振和維持振 蕩，以隨時跟蹤輸入信號並再生該輸入信號。總而言之，再生式電路允許其處於間歇式的非 穩定狀態，很多情況下只是用一個管子就實現了收音機的功能。再生式電路打破了在一階 近似系統下增益帶寬積恆定的規律，增大了接收電路等效Q值。省去了中頻放大管降低了 收音機成本，同時也順便節省了功耗，儘管如何降低功耗當時並不受人們關注。然而，早期 的再生式電路同時也面臨著一系列的問題，如在無輸入信號的情況下，該電路會無限放大 噪聲，使得揚聲器發出滋滋的聲音；振蕩後的信號會發射出去幹擾其他的收音機；再生式 電路的調節需要具備一定的電路功底，頻率選擇性不佳等。再生式電路誕生在一個瘋狂節 約管子數量的時代，雖然性能上差強人意，但是其設計思想給電路設計者開闢了一種獨特 的思路。再生式電路的正反饋是導致其種種不足的主要原因，但是其對放大管的充分利用 給了後人啟發。在隨後的若干年裡，有人提出了返回式結構的雛形，即輸入高頻信號與解調 輸出後的中頻信號使用同一個放大級。為了避免正反饋的出現，對射頻信號和中頻信號同 時使用高通和低通濾波網絡進行隔離。然而，當時的短波音頻廣播最大頻率只有幾兆到幾 十兆赫茲，與輸出音頻相差不過2到3個數量級，射頻與輸出中頻之間的隔離效果差，彼此 之間互相干擾，收聽音質不佳。隨著電晶體技術的出現和發展，管子的成本大幅度下降，超 外差結構的收音機開始普及，相比之下再生式結構和返回式結構的成本優勢已經不再，在 很長的一段時間裡被人遺忘了。如今的射頻通訊電路，其載波頻率高達2-5GHZ，輸出中頻通常在2_10MHz範圍內。簡單的一階無源濾波網絡就可以實現對射頻信號和中頻信號進行有效隔離。隨著可攜式通 訊工具和無線傳感網絡的廣泛應用，如何顯著降低功耗增加電池使用時間成為設計人員不 斷追求的目標。而返回式電路的射頻/中頻增益復用概念正好為降低功耗提供了途徑。本 發明正是將已被人遺忘的再生返回式電路的相關思想，融合進當今集成電路的設計中去， 構建出一種新的低功耗返回式混頻器。
發明內容
技術問題本發明的目的在於提供一種返回式低功耗混頻器，該混頻器跨導級使 用了電流復用技術，且輸入射頻和輸出中頻信號共用同一個跨導放大級，具有節約功耗、節 約電路結構、轉換增益高的特點。技術方案本發明目的通過以下方法實現如圖Ia所示，常規的混頻器主要包含 依次連接的跨導級、混頻級、低通濾波級三個模塊。射頻信號通過跨導級轉換成射頻電流， 該電流通過混頻級的調製作用在輸出端產生位於中頻的下變頻信號、位於射頻的輸入饋通 信號以及上變頻信號。上述信號在通過低通濾波網絡之後，饋通信號與上變頻信號被濾除 掉，在輸出端得到純淨的下變頻信號。—種返回式電流復用混頻器，包括依次連接的跨導/放大級和混頻級，跨導放大 級放大輸入射頻信號，放大後的射頻信號經過混頻級產生輸出中頻信號；該中頻信號被再 次送到跨導/放大級的輸入端，經跨導/放大級放大後，再作為最終的中頻信號輸出；在跨導/放大級與混頻級之間串聯高通濾波網絡對中頻信號進行阻隔；在混頻級 輸出端與跨導/放大級之間串聯低通濾波網絡對射頻信號進行阻隔；所述跨導/放大級採用電流復用結構，兼做射頻的跨導級和中頻的放大級。具體來說，所述跨導/放大級包括PM0S管PMO和PM3 ；匪OS管匪0和匪1 ；電容 CO 禾口 Cl ；電容 C2 禾口 C3 ；電阻 R1、R2、R3 禾口 R4 ；ΡΜ0、匪0、PM3和匪1構成電流復用跨導級；匪0和匪1同時作為輸出中頻信號的 放大管，最終輸出信號從ΝΜ0，匪1的漏極輸出；所述混頻級包括雙平衡開關PM4、PM5、PM6和PM7 ；用作偏置管的PMOS管PMl和 PM2 ；PM4 PM7構成混頻核心電路，由PMl和PM2提供電流偏置；用作混頻負載的NMOS管 NM2 禾口 NM3 ；跨導級的直流偏置電壓由匪2和匪3的柵極電壓提供；在跨導級和混頻級之間連 接射頻耦合電容C4和C5作為高通濾波網絡，用以耦合射頻信號，隔離最終的中頻信號輸 出；所述低通濾波網絡包括C6、R5、C7、C9以及R6、C8、C10，用以耦合自混頻級輸出的
中頻信號至跨導/放大級，並且隔離自混頻級輸出的射頻信號；電容CO、Cl的上極板接正輸入信號端，Cl的下極板接PMO的柵極；CO的下極板接 NMO的柵極；電容C2、C3的上極板接正輸入信號端，C3的下極板接PM3的柵極；C2的下極板 接匪1的柵極；PMO的源極接電源電壓，漏極接NMO的漏極；電阻Rl正端接PMO的柵極，負端接電 阻R2的正端，R2的負端接PMO的漏極；PM3的源極接電源電壓，漏極接匪1的漏極；電阻R3 的正端接PM3的柵極，負端接R4的正端，R4的負端接PM3的漏極；Rl的負端與R3的負端同時接到電容C12的上極板，C12的下極板接地；NMO和匪1的漏極接地；PMl和PM2的源端接電源電壓，柵極接電流鏡柵極電壓； PM4、PM5的源極接PMl的漏極，PM6、PM7的源極接PM2的漏極；本振信號正端接PM5和PM6 的柵極，本振信號負端接PM4和PM7的柵極；匪2和匪3的源極接地，柵極接電容Cl 1的上極板，電容Cl 1的下極板接地；匪2的 漏極接PM4、PM6的漏極；匪3的漏極接PM5、PM6的漏極；電容C4的上極板接PMO的漏極，下極板接PMl的漏極；電容C5的上極板接PM3的 漏極，下極板接PM2的漏極；電阻R7的正端接匪2的漏極，負端接匪2的柵極；R8的正端接 匪3的漏極，負端接匪3的柵極；電容C6跨接在R7的正端和R8的正端之間；電容C9的上 極板接匪2的漏極，下極板接地；電容ClO的上極板接匪3的漏極，下極板接地；電阻R5的 正端接匪2的漏極，負端接NMO的柵極和電容C7的上極板，C7的下極板接地；電阻R6的正 端接匪3的漏極，負端接匪1的柵極和電容C8的上極板，C8的下極板接地；R9的正端接輸出結點1，R9的負端為中頻輸出正極，接電容C13的上極板，C13的 下極板接地；RlO的正端接輸出結點2，RlO的負端為中頻輸出負極，接電容C14的上極板， C14的下極板接地；輸出結點1是在電阻R2的負端，輸出結點2是在電阻R4的負端。本技術方案的原理如下本發明的返回式混頻器如圖Ib所示，在跨導級與混頻級之間串聯高通濾波網絡， 混頻級輸出接低通濾波網絡後耦合至跨導/放大級。經跨導/放大級放大後輸出。該跨導 /放大級對輸入射頻信號而言是一個電流復用的跨導級，對輸出中頻信號而言承擔了中頻 放大器的作用。從物理結構上看，混頻級的輸出與跨導/放大級的輸入接到一起，構成了環 路。然而，由於高通/低通濾波網絡的介入，射頻信號在混頻級的輸出端被阻隔，中頻信號 在跨導級的輸出端被阻隔。實際都沒有構成反饋環路。由於射頻信號與輸出中頻信號相差 數千倍，僅用一階無源高通/低通濾波網絡即可實現可靠的隔離效果。圖3所示為整個頻 域在該物理環路中的環路增益圖，可見任何頻率上的環路增益值均低於OdB，即該混頻器在 任何頻率上均不會產生振蕩。本發明的混頻器結構如圖2所示，該混頻器為輸入輸出全差分結構。跨導級差分 端分別由ΡΜ0、ΝΜ0以及PM3、匪1構成。輸入射頻信號通過電容同時耦合至PMOS管的柵極 與NMOS管的柵極。跨導級產生的射頻電流通過小電容C4、C5耦合至本振級。該電容對射 頻信號可以全部饋通，對於中頻信號近似為開路，將中頻信號阻隔在混頻級之前。混頻級與 跨導級分開偏置，便於對混頻級使用更低的偏置電流從而改善混頻器的噪聲係數。變頻後 的信號從匪2和匪3管的漏極輸出，經過一階低通濾波濾除射頻信號後加到NMO和匪1的柵 極。在NMO和匪1的漏極形成最終中頻輸出。圖4所示為混頻級輸出端的轉換增益(下) 與跨導放大級處輸出端的轉換增益(上)隨輸入頻率變化曲線；其中本振頻率為2. 45GHz ； 從圖中可以清楚看出由於返回式結構的加入，在同樣的功耗與有源器件條件下，轉換增益 被提高了 20多dB.有益效果該混頻器包含跨導放大級和混頻級以及高通及低通濾波網絡；跨導放 大級為電流復用CMOS結構，將輸入射頻信號轉化為射頻電流，經過高通濾波網絡去除低頻 成分後注入到混頻級，經過混頻級的調製作用生成輸出中頻信號。該中頻信號經過低通濾 波網絡去除高頻成分後被再次送到輸入跨導放大級，經跨導放大級放大後輸出，該混頻器
6跨導級使用了電流復用技術，且輸入射頻和輸出中頻信號共用同一個跨導放大級，具有節 約功耗、節約電路結構、轉換增益高的特點。
圖Ia為常規混頻器模塊框圖；圖Ib為本發明的返回式電流復用混頻器模塊框圖；圖2為本發明的返回式電流復用混頻器電路原理圖；圖3為本發明的返回式電流復用混頻器在整個頻譜範圍內的內部環路增益曲線；圖4為混頻級輸出端的轉換增益(下)與跨導放大級處輸出端的轉換增益(上) 隨輸入頻率變化曲線；其中本振頻率為2. 45GHz ；圖5為輸入射頻信號波形(淺色曲線)、混頻級輸出端波形(較小幅度低頻正弦 波)與跨導/放大級輸出端的中頻信號波形(較大幅度低頻正弦波)。
具體實施例方式本發明的返回式電流復用混頻器主體結構主要由跨導/放大級、混頻級、偏置電 路、濾波網絡等模塊構成。跨導/放大級包括P型金屬氧化物場效應管(以下簡稱PMOS 管)PMO、PM3，N型金屬氧化物場效應管(以下簡稱NMOS管)NMO、NMl構成。ΡΜ0、ΝΜ0以及 PM3、W1構成電流復用跨導級。NMO和匪1同時作為輸出中頻信號的放大管，最終輸出信號 從ΝΜ0，匪1的漏極輸出。雙平衡開關PM4-PM7作為混頻核心電路，由偏置管PMl和PM2提 供電流偏置。跨導級的直流偏置電壓由混頻負載管匪2和匪3的柵極電壓提供。電容C4、 C5在跨導級和混頻級之間，用以耦合射頻信號，隔離中頻輸出信號。C6、R5、C7、C9以及R6、 C8、ClO組成低通濾波網絡，用以耦合自混頻級輸出的中頻信號至跨導/放大級，並且隔離 自混頻級輸出的射頻信號。電容CO、Cl的上極板接正輸入信號端，Cl的下極板接PMO的柵極；CO的下極板接 NMO的柵極；電容C2、C3的上極板接正輸入信號端，C3的下極板接PM3的柵極；C2的下極 板接匪1的柵極；PMO的源極接電源電壓，漏極接NMO的漏極；電阻Rl正端接PMO的柵，負 端接電阻R2的正端，R2的負端接PMO的漏極。PM3的源極接電源電壓，漏極接匪1的漏極。 電阻R3的正端接PM3的柵，負端接R4的正端，R4的負端接PM3的漏極。Rl的負端與R3的 負端同時接到電容C12的上極板，C12的下極板接地。NMO和匪1的漏極接地。PMl和PM2 的源端接電源電壓，柵極接電流鏡柵極電壓。PM4、PM5的源極接PMl的漏極，PM6、PM7的源 極接PM2的漏極；本振信號正端接PM5和PM6的柵極，本振信號負端接PM4和PM7的柵極。 匪2和匪3的源極接地，柵極接電容Cll的上極板，電容Cll的下極板接地。匪2的漏極接 PM4、PM6的漏極；匪3的漏極接PM5、PM6的漏極。射頻耦合電容C4的上極板接PMO的漏極， 下極板接PMl的漏極；射頻耦合電容C5的上極板接PM3的漏極，下極板接PM2的漏極；電 阻R7的正端接匪2的漏極，負端接匪2的柵極。R8的正端接匪3的漏極，負端接匪3的柵 極。電容C6跨接在R7的正端和R8的正端之間。電容C9的上極板接匪2的漏極，下極板 接地。電容ClO的上極板接匪3的漏極，下極板接地。電阻R5的正端接匪2的漏極，負端 接NMO的柵極和電容C7的上極板，C7的下極板接地。電阻R6的正端接匪3的漏極，負端 接NMl的柵極和電容C8的上極板，C8的下極板接地。R9的正端接輸出結點1，R9的負端為中頻輸出正極，接電容C13的上極板，C13的下極板接地。RlO的正端接輸出結點2，RlO的 負端為中頻輸出負極，接電容C14的上極板，C14的下極板接地。 以上所述僅為本發明的較佳實施方式，本發明的保護範圍並不以上述實施方式為 限，但凡本領域普通技術人員根據本發明所揭示內容所作的等效修飾或變化，皆應納入權 利要求書中記載的保護範圍內。
權利要求
1.一種返回式電流復用混頻器，包括依次連接的跨導/放大級和混頻級，其特徵是跨 導放大級放大輸入射頻信號，放大後的射頻信號經過混頻級產生輸出中頻信號；該中頻信 號被再次送到跨導/放大級的輸入端，經跨導/放大級放大後，再作為最終的中頻信號輸 出；在跨導/放大級與混頻級之間串聯高通濾波網絡對中頻信號進行阻隔；在混頻級輸出 端與跨導/放大級之間串聯低通濾波網絡對射頻信號進行阻隔；所述跨導/放大級採用電流復用結構，兼做射頻的跨導級和中頻的放大級。
2.根據權利要求1所述的返回式電流復用混頻器，其特徵在於所述跨導/放大級包括PM0S管PMO和PM3 ；匪OS管匪0和匪1 ；電容CO和Cl ；電容 C2 禾口 C3 ；電阻 Rl、R2、R3 禾口 R4 ；ΡΜΟ、ΝΜ0, PM3和匪1構成電流復用跨導級；NMO和匪1同時作為輸出中頻信號的放大 管，最終輸出信號從NMO，Wl的漏極輸出；所述混頻級包括雙平衡開關PM4、PM5、PM6和PM7 ；用作偏置管的PMOS管PMl和PM2 ； PM4 PM7構成混頻核心電路，由PMl和PM2提供電流偏置；用作混頻負載的NMOS管匪2和 匪3 ；跨導級的直流偏置電壓由匪2和匪3的柵極電壓提供；在跨導級和混頻級之間連接射 頻耦合電容C4和C5作為高通濾波網絡，用以耦合射頻信號，隔離最終的中頻信號輸出；所述低通濾波網絡包括C6、R5、C7、C9以及R6、C8、C10，用以耦合自混頻級輸出的中頻 信號至跨導/放大級，並且隔離自混頻級輸出的射頻信號；電容CO、Cl的上極板接正輸入信號端，Cl的下極板接PMO的柵極；CO的下極板接NMO 的柵極；電容C2、C3的上極板接正輸入信號端，C3的下極板接PM3的柵極；C2的下極板接 匪1的柵極；PMO的源極接電源電壓，漏極接NMO的漏極；電阻Rl正端接PMO的柵極，負端接電阻R2 的正端，R2的負端接PMO的漏極；PM3的源極接電源電壓，漏極接匪1的漏極；電阻R3的正 端接PM3的柵極，負端接R4的正端，R4的負端接PM3的漏極；Rl的負端與R3的負端同時接 到電容C12的上極板，C12的下極板接地；NMO和匪1的漏極接地；PMl和PM2的源端接電源電壓，柵極接電流鏡柵極電壓；PM4、 PM5的源極接PMl的漏極，PM6、PM7的源極接PM2的漏極；本振信號正端接PM5和PM6的柵 極，本振信號負端接PM4和PM7的柵極；匪2和匪3的源極接地，柵極接電容Cll的上極板，電容Cll的下極板接地；匪2的漏極 接PM4、PM6的漏極；匪3的漏極接PM5、PM6的漏極；電容C4的上極板接PMO的漏極，下極板接PMl的漏極；電容C5的上極板接PM3的漏極， 下極板接PM2的漏極；電阻R7的正端接匪2的漏極，負端接匪2的柵極；R8的正端接匪3 的漏極，負端接匪3的柵極；電容C6跨接在R7的正端和R8的正端之間；電容C9的上極板 接匪2的漏極，下極板接地；電容ClO的上極板接匪3的漏極，下極板接地；電阻R5的正端 接匪2的漏極，負端接NMO的柵極和電容C7的上極板，C7的下極板接地；電阻R6的正端接 匪3的漏極，負端接匪1的柵極和電容C8的上極板，C8的下極板接地；R9的正端接輸出結點1，R9的負端為中頻輸出正極，接電容C13的上極板，C13的下極 板接地；RlO的正端接輸出結點2，R10的負端為中頻輸出負極，接電容C14的上極板，C14的下極板接地；輸出結點1是在電阻R2的負端，輸出結點2是在電阻R4的負端。
全文摘要
一種返回式電流復用混頻器，該混頻器包含跨導放大級和混頻級以及高通及低通濾波網絡；跨導放大級為電流復用CMOS結構，將輸入射頻信號轉化為射頻電流，經過高通濾波網絡去除低頻成分後注入到混頻級，經過混頻級的調製作用生成輸出中頻信號。該中頻信號經過低通濾波網絡去除高頻成分後被再次送到輸入跨導放大級，經跨導放大級放大後輸出，該混頻器跨導級使用了電流復用技術，且輸入射頻和輸出中頻信號共用同一個跨導放大級，具有節約功耗、節約電路結構、轉換增益高的特點。
文檔編號H03D7/00GK102111109SQ201110004140
公開日2011年6月29日 申請日期2011年1月11日 優先權日2011年1月11日
發明者葉至易, 吳建輝, 孫杰, 張萌, 時龍興, 李紅, 王子軒, 陳超 申請人:東南大學