一種基於開環運放的低壓低功耗高線性混頻器的製作方法
2023-04-23 06:48:06 1
專利名稱：一種基於開環運放的低壓低功耗高線性混頻器的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於無線通信器件技術領域，涉及集成器件中的混頻器電
路，尤其涉及一種新穎結構的基於開環運放的壓控MOSFET電位混頻器， 它應用於ZigBee無線通信系統的射頻前端接收鏈路。
背景技術：
近年來無線通信市場的快速擴大，尤其是一種新興的短距離、低速率、 低功耗、低成本的ZigBee無線網絡技術的興起令人矚目，ZigBee無線網絡 的目標市場主要有PC的滑鼠、鍵盤、遊戲操控杆等外設，TV、 VCR、 CD、 VCD、 DVD等消費類電子設備的遙控裝置，照明、能源計量控制及報警等 家庭內智能控制，電子寵物玩具，醫院監視器和傳感器的智能監護，企事 業監視器、傳感器和自動控制設備的智能工控等領域，展現出廣闊的應用 前景。吸引了眾多研究者對應用於ZigBee無線網絡的通信收發器的研究。 眾所周知，在低電壓無線通信設備領域，人們要求通信設備電池使用時間 越來長，對器件降低功耗更苛求。混頻器是無線通信收發器中的一個重要 的基本模塊，其關鍵性能參數包括線性度、功耗、噪聲係數和轉換增益。 ZigBee無線網絡對射頻前端接收鏈路中混頻器提出了低電壓、低功耗和高 線性度的嚴格要求。
無線射頻接收機中，集成器件中常用的混頻器都是基於乘法原理來實 現混頻功能， 一般都採用吉爾伯特(Gilbert)型混頻器或電位混頻器兩種電 路結構。
吉爾伯特型混頻器由兩個單平衡的混頻器構成，它將輸入的射頻(RF) 信號電壓信號變換成電流信號，然後在電流域內執行乘法從而得到頻率信號的和差分量。因單平衡混頻器的射頻信號輸入管工作於飽和區，電壓轉 換成電流信號並不是線性關係，所以從原理上決定了這種結構不能獲得高 的線性度。儘管可以採取源極負反饋的方式，在晶片上使用電感元件來使 其線性度得到"最佳"的優化，但其線性度的改善需要付出增加器件和成本的 代價。
電位混頻器的電路原理圖如圖1所示(Jan Crols and Michel S. J. Steyaert "A 1.5 GHz highly linear downconversion mixer" , / 5b/zV/ Stote Cz>cw/&， VOL. 30， No.7, pp. 736 742, July 1995)。從圖1可以看到，電位混頻器由混 頻管、濾波電容、反饋電阻和運算放大器(OTA)構成，它的混頻管M01、 M02、 M03和M04都工作於線性區，射頻信號RF+和RF-作用於混頻管的柵 極，在源漏電壓一定的情況下，RF信號控制電晶體導通電阻的變化而使其 導通電流變化。運算放大器工作於閉環結構中，混頻管導通電流流經運放 反饋電阻R01和R02，最終輸出得到中頻信號(IF)。使用反饋電阻直接影 響運放-3dB帶寬性能，因而要求運放加入緩衝級來降低R01和R02對運放 -3犯帶寬的影響。此結構用於低中頻下變頻的混頻器電路，需要有較大的 導通電流來保證運放-3dB帶寬，這種電路結構對於有低功耗應用要求的模 塊器件而言，是一個嚴重的缺陷。而且引入緩衝級還會降低運放的輸出擺 幅，又限制了這種結構的電位混頻器在低壓供電條件下的使用。
發明內容
為了克服吉爾伯特型混頻器線性度不高和電位混頻器結構中運算放大 器因緩衝級的引入導致的輸出擺幅的降低以及不能滿足低功耗應用要求的 缺陷，本實用新型提供一種基於開環運放的低壓低功耗高線性混頻器，它 是壓控MOSFET電位混頻器的新穎改進型結構，該結構混頻器能同時實現 高線性度混頻、輸出大擺幅以及滿足極低功耗的應用要求。
本實用新型解決技術問題所採用的技術方案是新穎改進型混頻器中 的運算放大器為開環結構，工作於開環模式的運放去除反饋電阻和反饋電 容，可得到大的信號輸出擺幅，運放又可不引入緩衝級，並把負載效應預先計算在內，可顯著降低混頻器功耗。
一種基於開環運放的低壓低功耗高線性混頻器，它由混頻器件場效應
管MOSFET、電容器對和運算放大器OTA組成，其在於所述運算放大器為 開環結構；混頻器由混頻器件包括耗盡型N溝道絕緣柵場效應管M1、 M2、 M3和M4，電容器對包括C1和C2，以及運算放大器OTA，還有外部基準 電壓源VB1和VB2組成；混頻器組成器件的電連接如下混頻器件場效應 管Ml和M4的柵極與混頻器的射頻差分正相輸入信號RF+並和外部基準電 壓源VB1相連，混頻器件場效應管M2和M3的柵極與混頻器的射頻差分 反相輸入信號RF-並和外部基準電壓源VB2相連，混頻器件場效應管Ml 的漏極和M2的源極與本振正相輸入信號LO+相連，混頻器件場效應管M3 的源極和M4的漏極與本振反相輸入信號LO-相連，混頻器件場效應管Ml 的源極和M3的漏極與運算放大器OTA正輸入端相連，混頻器件場效應管 M2的漏極和M4的源極與運算放大器OTA負輸入端相連，運算放大器OTA 正輸入端並接電容Cl到地，運算放大器OTA負輸入端並接電容C2到地， 運算放大器OTA正輸出端的輸出信號即為反相中頻輸出信號IF-,運算放大 器OTA負輸出端的輸出信號即為正相中頻輸出信號IF+。
運算放大器OTA是基於開環工作模式設計，使用PMOS管作為運放輸 入管，採用單級放大結構。運算放大器模塊採用TSMC0.18微米工藝仿真實 現，工藝成熟，運算放大器性能穩定。區別於傳統的閉環運放工作模式， 去除了電連接於運放輸入端和輸出端的反饋電阻，以及與此反饋電阻並聯 的反饋電容所構成的濾波網絡。
所述混頻器件場效應管M1和M4的柵極接外部基準電壓源VB1和射頻 差分輸入信號RF+， M2、 M3的柵極接VB2和射頻差分輸入信號RF-，外部 基準電壓源提供的偏置電壓使MOSFETMl、 M2、 M3和M4置於線性工作 區，受射頻差分輸入信號RF+和RF-的控制，它們的導通電阻為線性變化而 引起電晶體的電流變化呈線性，此電流再受壓控本振VCO的差分信號LO+ 和LO-的調製，因而，混頻器件的混頻性能具有良好的線性。混頻器件Ml的源極和M3的源極並在一起，並與電容器Cl的一端並 聯接到運放OTA的+輸入端；混頻器件M2的漏極和M4的漏極並在一起， 並與電容器C2的一端並聯接到運放OTA的-輸入端。場效應管Ml的柵極 連接射頻正相輸入信號RF+，其漏極接本振正相輸入信號LO+，場效應管 M3的柵極連接射頻反相輸入信號RF-，其漏極接本振反相輸入信號LO-， 經混頻後M1和M3源極的輸出信號相位相同，兩路輸出連接在一起；場效 應管M2的柵極連接射頻反相輸入信號RF-，其源極接本振正相輸入信號 LO+，場效應管M4的柵極連接射頻正相輸入信號RF+， M4的源極接本振 反相輸入信號LO-，經混頻後M2和M4漏極的輸出信號相位相同，兩輸出 端連接在一起。
電容器Cl和C2為高頻濾波電容器，混頻器件的兩路混頻輸出端上的 高頻信號分別經由並接在輸出端上的高頻濾波電容器Cl和C2饋通至地電 位，兩路混頻輸出端上的中頻信號各自輸出加到運放OTA兩個中的一個輸
入端o
該改進型壓控MOSFET電位混頻器結構中，運算放大器工作於開環模 式，去掉了經典電位混頻器電路結構中運放的正(反)相輸出端與反(正) 相輸入端之間由反饋電阻和反饋電容組成的濾波網絡，省略了運放輸出緩 衝級，降低了運放輸出擺幅的限制，而得到大的信號輸出擺幅。
電位混頻器的功耗幾乎為運算放大器所消耗，在混頻器後級為電容負 載條件下，開環運算放大器不使用反饋電阻，並且壓控MOSFET管工作在 線性區，既大大降低了混頻器的功耗，又滿足了-3dB帶寬的要求，它與同 樣大小尺寸的電位混頻管相比，具有良好的低功耗、大帶寬特性，並能保 持優良的線性度。
同現有的其它混頻器相比，本實用新型的有益效果是
1、 可以得到良好的線性度和較大的輸出擺幅。
2、 同時具有極佳的低功耗性能。
3、 完全適用於低工作電壓、低功耗和高線性度的射頻前端接收和發射鏈路。
圖1是已有技術電位混頻器的典型電路結構。
圖2是本實用新型一種基於開環運放的低壓低功耗高線性混頻器電 路結構原理圖。
圖3是本實用新型實施例的壓控MOSFET電位混頻器的結構框圖。
圖1和圖2中MOl， M02, M03， M04為混頻管；C01， C02， C03和 C04為濾波電容；R01和R02為反饋電阻；OTA為運算放大器。
圖2中M1， M2， M3， M4為混頻管；Cl和C2為濾波電容；OTA為運 算放大器；VB1和VB2為基準電壓源。
圖3中MIXER1代表本實用新型的混頻器，其具體電路如圖2; LNA 為預置的低噪聲放大器；VCO為壓控振蕩器；IFAMP為混頻器後續負載的 中頻放大器。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型電路結構作進一步說明。附圖給 出本實用新型的電路結構和一種具體實施實例，
以下結合附圖對本實用新 型做進一步的說明。
改進型壓控MOSFET電位混頻器的基本電路結構如圖2所示。本實用 新型的一個實施例是應用於2.4GHz的ZigBee射頻前端接收器系統中。 ZigBee無線網絡傳輸技術的突出特點是應用簡單、電池低壓長壽命、有組 網能力、可靠性高、體積小以及成本低，因此要求各個組成模塊在滿足功 能的同時具有良好的低功耗性能。
本實施例ZigBee射頻前端接收器應用系統的中頻信號為2MHz。基於 開環運放的壓控MOSFET電位混頻器電路原理結構如圖2所示，其電連接 是射頻正相輸入信號RF+接至混頻管M1和M4的柵極，射頻反相輸入信 號RF-接至混頻管M2和M3的柵極；本振正相輸入信號LO+與Ml的漏極和M2的源極相接，本振反相輸入信號LO-與M3的漏極和M4的源極相接。 Ml的源極和M2的漏極接至運放的反相輸入端，M3的源極和M4的漏極接 至運放的正相輸入端。混頻管M1， M2， M3和M4為MOSFET管，它的尺 寸根據獲得最小的噪聲係數和工藝器件尺寸來確定。運放的兩個輸入端分 別連接一個電容器Cl和C2，為混頻後高頻信號提供過濾到地電位的通路。 運放的兩個輸出端即分別為混頻器的兩個輸出端IF-和IF+。基準電壓源VB1 和VB2分別接在混頻管Ml ， M2， M3和M4的柵極上以使這些器件工作於 線性區。
本實施例混頻器的工作過程是混頻器採用低壓供電，外部基準電壓 源VBl和VB2為混頻管M1、 M2、 M3和M4提供偏置電壓，使各混頻管工作於 線性區，差分射頻信號RF+和RF-分別輸入至M1和M4、 M2和M3的柵極，本 振輸出LO+輸入至Ml漏極和M2源極，本振輸出LO-輸入至M3源極和M4漏 極，射頻信號的變化引起混頻管導通電阻隨之線性變化，各混頻管上的射頻 信號將本振信號進行調製，混頻具有良好的線性度，各混頻管輪流導通， 流過M1和M3源極連接點的導通電流以及流過混頻管M2和M4漏極連接點的 導通電流較小，但該電流包含了射頻信號與本振信號混頻後生成的和頻分 量以及差頻分量，和頻分量為高頻信號，導通電流的和頻分量由高頻濾波 電容器C1和C2濾除。差頻分量為中頻信號，導通電流的差頻分量被保留， 而在C1和C2上產生中頻信號電壓。該中頻信號電壓輸入到開環工作的運放 OTA的正輸入端和負輸入端，經過運放放大形成最終的中頻輸出信號。由 於運放OTA工作在開環狀態，輸出端省去了緩衝級，並把本混頻器的後續 負載放大模塊的負載效應預先計算在內，不僅獲得大的信號輸出擺幅，而 且混頻器低功耗工作。
實施例混頻器的模塊器件採用臺積電(TSMC) 0.18微米工藝實現。線 性度作為混頻器的一個重要指標，通常用輸入三階交調點(IIP3)和輸出三 階交調點(OIP3)的大小來衡量。通過使MOSFET混頻管Ml， M2， M3 和M4工作在線性區，在採用1.5V的供電電壓，功耗僅要求0.3毫瓦的情 況下，輸入三階交調點(IIP3)和輸出三階交調點(OIP3)分別達至U-10dBm和20dBm，運放-3dB帶寬達到4M，滿足混頻器中頻信號為2M的低中頻 結構應用要求。
圖3是本實用新型應用於2.4GHz的ZigBee射頻前端接收器系統中的 一個實施例，給出了應用於ZigBee射頻前端接收器系統中的混頻器模塊與 相應的預置的低噪聲放大器LNA、壓控振蕩器VCO以及作為混頻器後續 負載的中頻放大器IFAMP模塊的連接框圖。圖3中的MIXERi為本實用新 型的改進型壓控MOSFET電位混頻器，其基本電路結構如圖2。
本實施例中混頻器預先考慮了負載效應以控制功耗。在射頻前端接收 器系統中，混頻器的輸入為低噪聲放大器LNA的MOS管差分對，其輸出 端的後續負載為中頻放大器IF AMP，則混頻器的負載即可將MOS管的寄 生電容作為負載考慮，結合工藝，通過設計使其大小在100fF左右，既可有 效控制運放的帶寬而且只化費不多的電流，功耗很小。
權利要求1、一種基於開環運放的低壓低功耗高線性混頻器，它由混頻器件場效應管MOSFET、電容器對和運算放大器OTA組成，其特徵在於所述運算放大器為開環結構；混頻器由混頻器件耗盡型N溝道絕緣柵場效應管M1、M2、M3和M4，電容器對包括C1和C2，以及運算放大器OTA，還有外部基準電壓源VB1和VB2組成；混頻器件場效應管M1和M4的柵極與混頻器的射頻差分正相輸入信號RF+並和外部基準電壓源VB1相連，混頻器件場效應管M2和M3的柵極與混頻器的射頻差分反相輸入信號RF-並和外部基準電壓源VB2相連，混頻器件場效應管M1的漏極和M2的源極與本振正相輸入信號LO+相連，混頻器件場效應管M3的源極和M4的漏極與本振反相輸入信號LO-相連，混頻器件場效應管M1的源極和M3的漏極與運算放大器OTA正輸入端相連，混頻器件場效應管M2的漏極和M4的源極與運算放大器OTA負輸入端相連，運算放大器OTA正輸入端並接電容C1到地，運算放大器OTA負輸入端並接電容C2到地，運算放大器OTA正輸出端的輸出信號即為反相中頻輸出信號IF-，運算放大器OTA負輸出端的輸出信號即為正相中頻輸出信號IF+。
2、 根據權利要求1所述的一種基於開環運放的低壓低功耗高線性混頻 器，其特徵在於所述運算放大器是基於開環工作模式，使用PMOS管作為 運放輸入管，採用單級放大結構。
3、 根據權利要求1所述的一種基於開環運放的低壓低功耗高線性混頻 器，其特徵在於混頻器件場效應管Ml和M4的柵極接外部基準電壓源VB1 和射頻差分輸入信號RF+，M2、M3的柵極接VB2和射頻差分輸入信號RF-， 外部基準電壓源提供的偏置電壓使MOSFETMl、 M2、 M3和M4置於線性 工作區，受射頻差分輸入信號RF+和RF-的控制，它們的導通電阻為線性變 化而引起電晶體的電流變化呈線性。
4、 根據權利要求1所述的一種基於開環工作運放的低壓低功耗高線性 混頻器，其特徵在於混頻器件M1的源極和M3的源極並在一起，並與電容 器Cl的一端並聯接到運放OTA的+輸入端；混頻器件M2的漏極和M4的 漏極並在一起，並與電容器C2的一端並聯接到運放OTA的-輸入端。
5、 根據權利要求1或4所述的一種基於開環工作運放的低壓低功耗高 線性混頻器，其特徵在於電容器C1和C2為高頻濾波電容器，混頻器件的 兩路輸出端上的高頻信號分別經由並接在輸出端上的高頻濾波電容器Cl和 C2饋通至地電位。
專利摘要本實用新型公開一種基於開環運放的低壓低功耗高線性混頻器，它包括混頻器件MOSFET、電容器和運算放大器三個部分的混頻器，其運算放大器為開環電路結構，使用PMOS管作為運放輸入管，採用單級放大結構；混頻器件MOSFET M1、M2、M3和M4，通過外部基準電壓源提供電壓而被偏置在線性區工作，它將振蕩器的輸出信號與射頻輸入信號混頻生成中頻信號，電容為中頻信號提供交流通路並濾除信號中高頻成分；基於開環電路結構運算放大器避免了傳統閉環結構中因採用輸出級而限制了輸出信號擺幅，並且開環結構大大降低了運放的功耗以及無法適應低電壓工作的缺陷。本實用新型混頻器可廣泛應用於低中頻的ZigBee無線傳感網射頻接收模塊中。
文檔編號H04B1/26GK201163770SQ20082008244
公開日2008年12月10日 申請日期2008年1月18日 優先權日2008年1月18日
發明者葉甜春, 姚志健, 莫太山, 馬成炎 申請人:杭州中科微電子有限公司