折叠式低电压Gilbert混频器的线性度分析

引言

近年来，无线通讯系统如无绳电话、手机、无线局域网等，已经成为生活中不可缺少的 一部分。在这些射频收发机中，作为射频核心之一的混频器的性能直接影响整个收发机的性 能。随着无线通讯设备不断向高性能、低电压、低功耗和小体积的方向发展，低电压、低功 耗、高线性度混频器已成为当前的研究热点。 目前通信系统中的混频器主要是基于CMOS 工艺的有源Gilbert 电流开关型混频器，它 能提供增益以减小前级低噪声放大器的增益要求和后级电路的噪声影响。然而，这种通用的 Gilbert 混频器由三级MOS 管堆叠而成，很难工作在低电压条件下。同时，低电压也限制了 混频器线性度。因此，需要针对这种混频器进行低电压和高线性度方面的改进。目前低电压 混频器设计技术的核心思想是减少电源到地之间的堆叠管数。线性度方面，一种常用的 方法为源极电感负反馈[7]，但它影响混频器增益。2002 年，Salem R F 等提出了一种不带尾 电流的射频输入技术，该技术大大提高了混频器的线性度，然而该结构不利于抑制共模信 号。使用AB 类跨导级，该方法大大改善了混频器的线性度，但在改善线性度同时增 加了混频器的功耗。]采用了一种并联一个辅助MOS 管来改善线性度，该方法在 基本上不影响其他参数如噪声、增益、功耗的情况下大大改善低噪声放大器和混频器的线性 度，然而采用单端输入不利于抑制偶次谐波。

本文提出了一种新折叠式Gilbert 混频器，采用差分式LC 折叠结构来降低直流工作电 压和抑制偶次谐波及共模信号，通过使用并联一工作在弱反应区的辅助MOS 管方法改善其 线性度。与折叠式Gilbert 混频器相比较，仿真表明该混频器在基本不影响混频器其它参数 如增益、功耗、噪声的条件下IIP3 提高了6dB。

2 折叠式低电压Gilbert 混频器结构

典型的电流开关型 CMOS Gilbert 混频器结构如图1（a）所示：

然而，这种通用的 Gilbert 混频器由三级MOS 管堆叠而成，很难工作在低电压条件下。 如果将图1（a）中跨导级的尾电流（M7 管）用LC 谐振腔代替可以降低电源电压，其中LC 谐振腔谐振于射频输入信号频率，如图1（b）所示。设图1（b）中M5、M6 的过驱动电压

3 线性度分析

忽略开关级的非理想特性影响，混频器的线性度主要由跨导决定。对于简单共源管，其 漏极电流可由泰勒公式表示为：

4 混频器的电路设计和仿真结果

通过上面的低电压和线性度分析，采用TSMC0.18μ mRFCMOS 工艺，本文设计了一低 电压高线性度混频器。通过采用折叠式Gilbert 结构来减少工作电压，通过采用并联一工作 在弱反应区的MOS 管来改善线性度。图3 为其电路图，其中N1、N4 为主跨导管，N2、N3 为工作在弱反应区的辅跨导管，通过优化辅助管的栅宽和偏置电压来消除3 g 提高混频器的 IIP3，Vshift 为0.18V，P1—P4 为开关管，L1、L2 用来做输入匹配，R1、R2 为负载同时为 N5、N6 提供共模负反馈。采用ADS 对电路进行仿真，设定RF 输入频率为2.4GHz，LO 输 入频率为2.39G。仿真表明，改进后混频器在1V 工作电压下，功耗为4.1mW，噪声为10.3dB， IIP3 达到10dBm，与改进前4dBm 的IIP3，3.8 mW 功耗，以及9.2dB 噪声相比较，在基本 不影响功耗和噪声下IIP3 提高了6dB。图4 为IIP3 随vgs 变化曲线，图5 为混频器的IIP3。

5 结论

本文提出了一个用 TSMC0.18μ mRFCMOS 工艺的折叠式混频器。利用LC 谐振腔来代 替Gilbert 混频器的尾电流，同时采用LC 折叠式结构降低了直流工作电压。通过并联一工 作在弱反应区的辅助MOS 管方法改善混频器线性度。弱反应区的辅助MOS 管的使用，在 基本不影响其它参数如增益、功耗、噪声的条件下，将混频器IIP3 从改进前的4dBm 提高 到了10dBm，提高了6 dBm。