一種基于電流模有源器件的寬帶射頻混頻器制造技術

本發明專利技術公開一種基于電流鏡與DOCCII(雙輸出端電流傳輸器)的寬帶射頻混頻器。提出的寬帶混頻器由雙重NMOS?PMOS電流鏡混頻單元與電流輸出級構成。雙重NMOS?PMOS電流鏡混頻單元由嵌入了本振信號v

A wide band radio frequency mixer based on current mode active devices

A broadband radio frequency mixer based on a current mirror and an DOCCII (double output current conveyor) is disclosed. Broadband mixer proposed by double NMOS PMOS current mirror mixing unit and the current output level. Double NMOS PMOS current mirror mixing unit is composed of embedded in the vibration signal V

【技術實現步驟摘要】
一種基于電流模有源器件的寬帶射頻混頻器
本專利技術涉及一種基于電流模有源器件的寬帶射頻混頻器，它由電流鏡與雙輸出端電流傳輸器來實現，屬于射頻集成電路領域。
技術介紹
當前，微型化射頻集成電路設計對實現工作在人體體內的可植入式生物醫療設備(如無線膠囊內窺鏡)或新興的可穿戴式設備具有非常重要的理論與現實意義。在微型化射頻集成電路設計中，寬帶混頻器主要用來實現頻率變換。目前電感無源元件被廣泛地用于寬帶混頻器的阻抗匹配網絡、帶寬拓展與諧振負載電路中。雖然MOS管元件尺寸隨著CMOS技術的發展而不斷縮小，然而占大部分芯片面積的電感無源元件并不隨CMOS技術的演進而成比例縮小。因此，為了減少電感無源元件的使用以滿足微型化混頻器設計要求，需要探索新的混頻器設計方法和電路拓撲結構。當前電流模有源器件無需電感無源元件，芯片面積小，如電流鏡、電流傳輸器(CCII)、電流差分跨導放大器(CDTA)等。由電流模有源器件構成的電路，由于電路內部節點的低阻抗特性，電路的主要信號變量是以電流而不是以電壓形式來表達，省去了不必要的電壓-電流轉換，這樣不僅簡化了電路結構，而且避免了因引入高值電阻對電路工作速度和高頻特性的損害。另一方面，基于電流模有源器件實現的電路，無論信號大小，都能比相應的基于電壓運算放大器(VOA)的電路提供更大帶寬下的更高增益，即更大的增益帶寬積。目前寬帶混頻器主要分為有源吉爾伯特(Gilbert)混頻器和無源混頻器兩大類。有源Gilbert混頻器由輸入跨導級、開關級和輸出負載級構成，它采用MOS管堆疊結構縱向換流來完成頻率變換，有較大的轉換增益和好的端口隔離特性；但它不支持工藝代縮減，需要無源電感來完成阻抗變換，同時它在開關級會產生較嚴重的閃爍(1/f)噪聲。無源混頻器由輸入跨導級、開關級和跨阻放大器構成，如圖1所示，采用電容直接耦合結構橫向換流來完成頻率變換，它可以減少MOS管堆疊層數，其開關級無直流電流，可以降低1/f噪聲和改善線性度；但它需要很強的本振驅動功率，同時跨阻放大器大的寄生阻抗限制了頻帶寬度。因此，本專利技術在傳統的有源Gilbert混頻器和無源混頻器基礎上，探索基于電流模有源器件的寬帶射頻混頻器設計方法，使提出的混頻器無需電感無源元件，且同時滿足微型化、轉換增益、線性度、1/f噪聲、頻帶寬度等性能要求。
技術實現思路
在傳統的有源Gilbert混頻器和無源混頻器基礎上，本專利技術專利提出一種基于電流模有源器件的寬帶射頻混頻器，提出的新型混頻器模塊結構圖如圖2所示。由四個雙重NMOS-PMOS電流鏡(電流鏡1-電流鏡4)組合而成的電流鏡放大器，它由雙輸入端口和四輸出端口的差分結構組成。按照圖2中連接方式，嵌入了本振信號vLO+和vLO-的電流鏡放大器構成一種雙重NMOS-PMOS電流鏡混頻單元，用于執行新型混頻器的輸入級與無源開關核，它相當于傳統有源Gilbert混頻器的雙平衡拓撲結構，可以抑制偶次諧波失真和改善各端口間的隔離度。雙重NMOS-PMOS電流鏡混頻單元用來傳遞電流鏡放大器輸入端的差分射頻信號iRF+和iRF-，與嵌入在雙重NMOS-PMOS電流鏡中的本振信號vLO+和vLO-混頻后，再來驅動電流鏡放大器輸出端的差分中頻信號iIF+和iIF-。可以看到，電流鏡放大器的輸入射頻信號iRF±在本振信號vLO±驅動下，交替開關，實現了混頻功能。同時，傳統無源混頻器的跨阻放大器被電流輸出級所替代，它由兩個DOCCII(DOCCII1和DOCCII2)的同相電流與反相電流輸出端交叉耦合連接而成；兩個DOCCII的Y端相連接，其電壓VCM的大小由基準電壓提供，k為電流輸出級的電流放大系數。該結構能使差模電流信號在輸出端進一步放大，無用的共模信號和偶次諧波在輸出端被有效抑制。當電流輸出級工作在低頻段時，DOCCII的X端口有很低的輸入阻抗，Z端口有很高的輸出阻抗，它可以使前級變頻后的電流信號幾乎全部流進，并有效驅動下一級電路；隨著頻率增加，電流輸出級在X端口的輸入阻抗逐漸增加，Z端口的輸出阻抗逐漸降低，信號的傳輸與驅動能力逐漸變弱。可以看到，電流輸出級實現了低通濾波的效果，它能夠改善混頻器的阻塞抑制能力，減輕對前級射頻低噪聲放大器的線性度要求。因此，提出的寬帶混頻器無需使用電感無源元件，在寬頻率范圍內，具備有源Gilbert混頻器的優勢，能得到高的轉換增益；具備無源混頻器的優勢，能得到好的線性度。另外，當混頻器與下一級電流模低通濾波器直接相連時，該電流輸出級部分也可以去除，從而簡化混頻器電路的設計。附圖說明圖1是傳統的無源混頻器結構。圖2是專利技術的基于電流模有源器件的寬帶混頻器模塊結構圖。圖3是本專利技術中采用的雙重NMOS-PMOS電流鏡混頻單元。圖4是本專利技術中用于電流輸出級的DOCCII原理圖。具體實施方式本專利技術專利提出的雙重NMOS-PMOS電流鏡混頻單元如圖3所示。由四個雙重NMOS-PMOS電流鏡組合而成的電流鏡放大器(M1-M12)，它由雙輸入端口和四輸出端口的差分結構組成，所有的M1-M12管都工作在飽和區。其中，NMOS管M1和M4分別作為NMOS電流鏡的輸入晶體管，NMOS管M2、M3和M5、M6分別作為NMOS電流鏡的輸出晶體管。PMOS管M7和M10分別作為PMOS電流鏡的輸入晶體管，PMOS管M8、M9和M11、M12分別作為PMOS電流鏡的輸出晶體管。MOS管M1、M2、M7、M8構成雙重NMOS-PMOS電流鏡1，MOS管M1、M3、M7、M9構成雙重NMOS-PMOS電流鏡2，MOS管M4、M5、M10、M11構成雙重NMOS-PMOS電流鏡3，MOS管M4、M6、M10、M12構成雙重NMOS-PMOS電流鏡4。雙重NMOS-PMOS電流鏡1、3的輸出級MOS管(M2、M5、M8、M11)襯底極連接在一起，用于加入本振信號vLO+；雙重NMOS-PMOS電流鏡2、4的輸出級MOS管(M3、M6、M9、M12)襯底極連接在一起，用于加入本振信號vLO-。由于本振信號vLO±直接嵌入在MOS管襯底極中，其工作電壓方向與混頻器信號電壓傳遞方向相互垂直，同時襯底極無需消耗直流偏置電流，因此它可以使提出的混頻器獲得低電壓低功耗性能。在雙重NMOS-PMOS電流鏡混頻單元中，射頻信號iRF+和iRF-通過電容C1和C2加入在電流鏡放大器的輸入級，本振信號vLO+和vLO-直接嵌入在電流鏡輸出級的NMOS-PMOS管襯底極；按照圖3中連接方式，通過電容C3和C4，從電流鏡放大器輸出級的MOS管漏極引出中頻輸出信號iIF+和iIF-。在雙重NMOS-PMOS電流鏡混頻單元中，PMOS管(M8、M9和M11、M12)充當NMOS電流鏡混頻單元的電流源負載，反過來，NMOS管(M2、M3和M5、M6)充當PMOS電流鏡混頻單元的電流源負載。因此，在復用的直流偏置電流下，雙重NMOS-PMOS電流鏡混頻單元，把變頻后的IF信號疊加在一起作為輸出信號，它可以使提出的混頻器獲得高的轉換增益。在傳統無源混頻器中，由電壓運算放大器(VOA)構造的跨阻放大器，其輸入低阻帶寬有限，難以同時在有用信號和阻塞信號頻率處呈現低阻狀態，造成阻塞信號在混頻器輸出端的擺幅較大，惡化混頻器的線性度，影響了混頻器的抗阻塞能本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于電流模有源器件的寬帶射頻混頻器，其特征在于，提出的寬帶混頻器由雙重NMOS?PMOS電流鏡混頻單元與電流輸出級構成；雙重NMOS?PMOS電流鏡混頻單元由嵌入了本振信號v

【技術特征摘要】
1.一種基于電流模有源器件的寬帶射頻混頻器，其特征在于，提出的寬帶混頻器由雙重NMOS-PMOS電流鏡混頻單元與電流輸出級構成；雙重NMOS-PMOS電流鏡混頻單元由嵌入了本振信號vLO±的四個雙重NMOS-PMOS電流鏡組合而成，用于執行混頻器的輸入級與無源開關核；電流輸出級由兩個DOCCII的同相電流與反相電流輸出端交叉耦合連接組成，用于充當傳統無源混頻器的跨阻放大器。2.根據權利要求1所述的一種基于電流模有源器件的寬帶射頻混頻器，其特征在于，所述的雙重NMOS-PMOS電流鏡混頻單元包括由四個雙重NMOS-PMOS電流鏡組合而成的電流鏡放大器；所述的電流鏡放大器，包括：由第一NMOS管、第二NMOS管、第七PMOS管、第八PMOS管構成的雙重NMOS-PMOS電流鏡1，由第一NMOS管、第三NMOS管、第七PMOS管、第九PMOS管構成的雙重NMOS-PMOS電流鏡2，由第四NMOS管、第五NMOS管、第十PMOS管、第十一PMOS管構成的雙重NMOS-PMOS電流鏡3，由第四NMOS管、第六NMOS管、第十PMOS管、第十二PMOS管構成的雙重NMOS-PMOS電流鏡4；射頻差分信號的一路RF+連接第一電容的正極，通過第一電容的負極輸入到第一NMOS管的漏極，第一NMOS管的源極接地，第一NMOS管的柵極與漏極相連；第七PMOS管的漏極與第一NMOS管的漏極相連，第七PMOS管的源極接電源VCC，第七PMOS管的柵極與漏極相連；射頻差分信號的一路RF-連接第二電容的正極，通過第二電容的負極輸入到第四NMOS管的漏極，第四NMOS管的源極接地，第四NMOS管的柵極與漏極相連；第十PMOS管的漏極與第四NMOS管的漏極相連，第十PMOS管的源極接電源VCC，第十PMOS管的柵極與漏極相連；第一NMOS管、第四NMOS管的襯底極接地，第七PMOS管、第十PMOS管的襯底極接電源VCC；第二NMOS管的源極接地，第二NMOS管的柵極與第一NMOS管的柵極相連；第八PMOS管的源極接電源VCC，第八PMOS管的柵極與第七PMOS管的柵極相連；第二NMOS管的漏極與第八PMOS管的漏極相連；第三NMOS管的源極接地，第三NMOS管的柵極與第一NMOS管的柵極相連；第九PMOS管的源極接電源VCC，第九PMOS管的柵極與第七PMOS管的柵極相連；第三NMOS管的漏極與第九PMOS管的漏極相連；第五NMOS管的源極接地，第五NMOS管的柵極與第四NMOS管的柵極相連；第十一PMOS管的源極接電源VCC，第十一PMOS管的柵極與第十PMOS管的柵極相連；第五NMOS管的漏極與第十一PMOS管的漏極相連；第六NMOS管的源極接地，第六NMOS管的柵極與第四NMOS管的柵極相連；第十二PMOS管的源極接電源VCC，第十二PMOS管的柵極與第十PMOS管的柵極相連；第六NMOS管的漏極與第十二PMOS管的漏極相連；第二NMOS管的漏極、...

【專利技術屬性】
技術研發人員：萬求真，徐丹丹，董俊，陳世明，童麟，
申請(專利權)人：湖南師范大學，
類型：發明
國別省市：湖南,43