傳統(tǒng)的Gilbert混頻器由跨導(dǎo)級,、開關(guān)級、負載級堆疊組成,，其結(jié)構(gòu)自下而上分別為跨導(dǎo)級,、開關(guān)級、負載級,。這種結(jié)構(gòu)中,，所有的直流電流都流經(jīng)跨導(dǎo)級、開關(guān)級和負載級,，跨導(dǎo)級與開關(guān)級電路都需要一個開啟電壓(VON ) ,，負載級也會有一定的電壓降(VRL ) ， 因此,， 電源電壓的最小值Vdd,，min = 2Von +VRL,。如果采用低電源電壓,，這種結(jié)構(gòu)不能保證所有的管子都工作在飽和區(qū)。也就是說,， Gilbert混頻器不能滿足低電壓的要求,， 需要對其做出改進， 如:文獻[2 - 3 ]提出省去尾電流管來減小電源電壓,，文獻[ 4 - 11 ]用折疊結(jié)構(gòu)代替堆疊結(jié)構(gòu)來解決上述問題,。

　　文獻[ 8 ]給出了折疊結(jié)構(gòu)和堆疊結(jié)構(gòu)的比較，折疊結(jié)構(gòu)增加了兩個射頻中斷電路和一個耦合電容,。這樣對直流通道來說,，跨導(dǎo)級與開關(guān)級、負載級的直流電路分開,，兩條支路相互獨立,，互不影響。電源電壓只需提供相當于一個開啟電壓(Von )的值就能使跨導(dǎo)管與開關(guān)管都工作在各自的飽和區(qū),， 即電源電壓的最小值Vdd,，min = Von + VRL 。達到了低電源電壓的目的。但是,， 射頻中斷電路一般用LC 諧振網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn),，電感的使用增加了電路的版圖面積和噪聲。本文設(shè)計了一種新的折疊結(jié)構(gòu)混頻器,，電路不使用具有大電感的LC諧振電路,，工作于1. 2 V 電壓時，得到了低電壓,、低功耗,、低噪聲和高線性度的性能。

　　1　電路設(shè)計與分析

　　1. 1　電路拓撲結(jié)構(gòu)

　　本文設(shè)計的折疊混頻器拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示,，M1 ～M4 為跨導(dǎo)級,，M5 ～M8 為開關(guān)級， RL 為負載電阻,。RF輸入端接匹配網(wǎng)絡(luò),， IF輸出端接源跟隨器作為輸出緩沖電路( buffer) 。

圖1　交流耦合折疊混頻器拓撲結(jié)構(gòu)

　　該折疊混頻器電路的跨導(dǎo)級采用電流復(fù)用技術(shù),，由NMOS管(M1,、M2 ) 、PMOS管(M3,、M4 )和隔直電容Cd 組成交流耦合互補跨導(dǎo)結(jié)構(gòu),。跨導(dǎo)級的輸出端(A,、A′點)與開關(guān)管的源極相連,。跨導(dǎo)級直接接于電源電壓,，使得跨導(dǎo)管M1 和M2 的直流電流由兩部分組成,，一部分來自M3 和M4 ，另一部分來自開關(guān)管和負載電阻,，達到了低電源電壓的目的,。

　　由于流經(jīng)開關(guān)級與負載級的電流很小，這樣一方面使得開關(guān)管產(chǎn)生的閃爍噪聲減小,，另一方面負載電阻RL 值可以適當加大,，從而提高了混頻器的轉(zhuǎn)換增益。所以該電路既滿足了低電壓的要求,，又能保證混頻器在低電源電壓下有良好的性能,。

　　1. 2　跨導(dǎo)電路設(shè)計

　　圖2是幾種折疊混頻器跨導(dǎo)電路。圖2 ( a)在跨導(dǎo)級NMOS管M1 漏端接負載電阻R ,，M1 管的電流In 在A 點分流,， 一部分流經(jīng)開關(guān)管( Is ) ,，另一部分流經(jīng)負載電阻( Ir ) ，但是這種跨導(dǎo)電路的缺點是射頻信號一部分通過負載電阻R 泄露到交流地,。

　　為了減少射頻信號的損失,，必須增加電阻R，這樣又會使節(jié)點A 的直流電壓減小,，在低電源電壓下,，不能保證M1 管工作在飽和區(qū)。為了解決這個問題,，用有源負載替代負載電阻R ,，如圖2 ( b) 。但是,，這里的PMOS管僅僅增大了節(jié)點A與電源電壓之間的阻抗,，如果把M1 和M2 的柵極連起來，形成CMOS反相器結(jié)構(gòu),，那么M2 在增加阻抗的同時還能跟M1共同放大射頻信號 ,，如圖2 ( c) ，這樣就完全避免了射頻信號通過M2 泄露到交流地,。由圖可知,， Is =In + Ip ，總跨導(dǎo)gm = gm n + gm p ( gm n是NMOS管的跨導(dǎo),， gm p是PMOS管的跨導(dǎo)) ,，所以CMOS反相器有效地提高了混頻器的轉(zhuǎn)換增益。

圖2　折疊混頻器的跨導(dǎo)級幾種結(jié)構(gòu)

　　再來分析一下該結(jié)構(gòu)的直流工作狀況,，M1 和M2 的柵極加相同偏置電壓Vrfdc ,，假設(shè)Vt 為MOS管的閾值電壓， Vovn為M1 的過驅(qū)動電壓,， Vovp為M2 的過驅(qū)動電壓,，則有: Vovn =Vrfdc - Vt ， Vovp =Vdd - Vrfdc -Vt ,，所以電源電壓最小值Vdd，min = Vovn + Vovp + 2Vt,。

　　在0. 18μm CMOS工藝中,， Vt 典型值為500 mV，因此用反相器作為跨導(dǎo)電路的混頻器只適用于1 V以上的電源電壓,。為了使混頻器能滿足更低的電壓,，在M1 和M2 之間增加隔直電容Cd ，M1 和M2 管偏置分開,，如圖2 ( d) ,。這種結(jié)構(gòu)稱為交流耦合互補跨導(dǎo),。假設(shè)Vrfdcn為M1 的偏置電壓， Vrfdcp為M2 的偏置電壓,，則電源電壓的最小值Vdd,，min = Vovn + Vovp + 2Vt+Vrfdcp - Vrfdcn ，可見,，在Vrfdcn >Vrfdcp時,， Vdd，min比常規(guī)反相器更小,，適用于更低的工作電壓,。

　　1. 3　性能分析

　　1. 3. 1　增益

　　假設(shè)本振信號LO為理想方波信號， 則該混頻器(如圖1)的增益可表示為:

　　gm n是M1 和M2 的跨導(dǎo),， gm p是M3 和M4 的跨導(dǎo),， R 即負載電阻RL 的值。因為開關(guān)管的漏極電流很小,，所以負載電阻值可以適當增加,，由式( 1)知，混頻器的增益將隨之提高,。值得注意的是,， 增大負載電阻值的同時必須保證節(jié)點A 的直流電壓足夠使得M1 和M2 工作在飽和區(qū)。

　　1. 3. 2　噪聲系數(shù)

　　假設(shè)本振信號為理想方波信號,，并考慮鏡像頻率的影響,，噪聲系數(shù)的表達式為：

　　RS 為源阻抗， RL 為負載電阻值,， 系數(shù)γn 對長溝道晶體管來說等于2 /3,，對于亞微米MOSFET，γn 的值較大,。由式(2)知,，只要選擇合理的偏置電壓Vrfdcn、Vrfdcp和M1～M4的寬長比,， 噪聲系數(shù)隨著跨導(dǎo)的增加而減小,。

　　1. 3. 3　線性度

　　如果節(jié)點A (見圖1)的電壓過高，開關(guān)管將會關(guān)斷,。也就是說,，如果M1 和M3 的電流很大，M1 和M2的輸出端電壓也增大,，這樣就會關(guān)斷開關(guān)管M7 和M6或者M5 和M8,。開關(guān)管進入線性區(qū)，影響混頻器的線性度,，所以降低節(jié)點A 的電壓,，并讓開關(guān)管遠離線性區(qū) ,，即Vgs≈Vth ，能提高混頻器的線性度,。

　　2　電路仿真

　　該混頻器設(shè)計基于SM IC 0. 18 μm標準CMOS工藝,，用Advanced Design SySTem軟件進行電路設(shè)計與仿真。電源電壓1. 2 V; RF頻率為2. 5 GHz,，功率為- 30 dbm; LO頻率為2. 6 GHz,，本振信號的電壓擺幅VLO = 600 m Vpp。

　　圖3是三階交調(diào)點( IIP3)隨本振功率變化曲線,，在本振功率為0 dBm時,， IIP3達到最大值3. 857dBm。當本振功率大于或小于0 dBm時,， IIP3都會急劇下降,。圖4是噪聲系數(shù)(NF)和轉(zhuǎn)換增益(Con2version Gain)隨本振功率變化曲線，本振功率為- 3dBm時,，噪聲系數(shù)達最小值4. 982 dB,，本振功率為- 5 dBm時，轉(zhuǎn)換增益達到最大值11. 23 dB,?？紤]到混頻器的整體性能，必須采取折衷,，所以選擇本振功率為0 dBm,，此時，噪聲系數(shù)為5. 257 dB,，轉(zhuǎn)換增益為9. 787 dB,。圖5是當本振功率為0 dBm時，噪聲系數(shù)隨輸出頻率變化曲線,，噪聲系數(shù)隨著輸出頻率的增加不斷減小,，在輸出頻率為100 MHz時，噪聲系數(shù)為5. 257 dB,。

圖3　IIP3隨本振功率變化曲線,。

圖4　NF與轉(zhuǎn)換增益隨本振功率變化曲線。

圖5　NF隨輸出頻率變化曲線,。

　　圖6是該折疊混頻器的版圖,，該版圖用CadenceVirtuoso Layout editor進行設(shè)計及優(yōu)化。RF輸入端的匹配網(wǎng)絡(luò)與IF輸出端的buffer都集成在了片內(nèi),，版圖面積556μm ×966μm。

圖6　折疊混頻器版圖,。

　　表1是本文設(shè)計的折疊混頻器整體性能的仿真結(jié)果,，并與其他發(fā)表的論文做了比較,，可以看出該混頻器具有高線性度，低噪聲的優(yōu)點,。

表1　混頻器性能總結(jié)與比較

　　3　總結(jié)

　　本文采用交流耦合互補跨導(dǎo)級成功設(shè)計了一種適用于低電源電壓下工作的折疊混頻器,。仿真結(jié)果表明，該混頻器具有高線性度,、低噪聲的優(yōu)點,。