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摘要
申请专利号：	CN201110458224.3	申请日：	2011.12.31
公开号：	CN102522955A	公开日：	2012.06.27
当前法律状态：	撤回	有效性：	无权
法律详情：	发明专利申请公布后的视为撤回IPC(主分类):H03D 7/14申请公布日:20120627\|\|\|公开
IPC分类号：	H03D7/14	主分类号：	H03D7/14
申请人：	东南大学
发明人：	王剑; 吴毅强; 徐建; 唐路; 王志功
地址：	210096 江苏省南京市玄武区四牌楼2号
优先权：
专利代理机构：	南京经纬专利商标代理有限公司 32200	代理人：	许方
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内容摘要

本发明公开了一种混频器，属于混频器技术领域。该混频器包括跨导级、开关级和负载级，所述跨导级采用由全差分对跨导和伪差分对跨导组成的DMGTR(差分多栅晶体管)结构，所述开关级是由折叠式的两个吉尔伯特单元构成，一个吉尔伯特单元作为信号的同相通路，另一个作为信号的正交通路，两个吉尔伯特单元均连接跨导级的输出端，每个吉尔伯特单元的输出端连接一个由两个电阻构成的负载级。本发明可以大大提高混频器的线性度，并同时可以获得较高的增益。

权利要求书

1：一种混频器，包括跨导级、开关级和负载级，其特征在于：所述跨导级采用 DMGTR 结构；所述开关级是由折叠式的两个吉尔伯特单元构成，第一吉尔伯特单元作为信号的同相通路，第二吉尔伯特单元作为信号的正交通路，两个吉尔伯特单元均连接跨导级的输出端；所述负载级包括两个子负载级，每个吉尔伯特单元的输出端连接一个子负载级。2：根据权利要求 1 所述的混频器，其特征在于：所述 DMGTR 结构是由全差分对跨导和伪差分对跨导组成。3：根据权利要求 1 所述的混频器，其特征在于：所述子负载级是由两个电阻构成。

说明书

一种混频器
    技术领域本发明涉及一种射频前端集成电路中的混频器，尤其涉及一种基于 DMGTR 结构的折叠式正交混频器，属于混频器技术领域。
     背景技术传统的混频器一般采用吉尔伯特 (Gilbert) 单元的双平衡结构，如图 1 所示，虽然这种混频器结构具有各端口隔离度高、对电源电压和环境噪声敏感度小等优点，但是 Gilbert 单元由于偏置管、跨导管和开关管的堆叠及负载的压降，在低电源电压下很难保证所有晶体管都工作在希望的饱和区。另外，为提高电路的转换增益，需要增大跨导级的偏置电流，而偏置电流的增大将导致负载上的压降增大，从而压缩了开关对和跨导级的电压空间，降低了电路的线性度。
     线性度是混频器最重要的技术指标，一般提高线性度的方法是增大晶体管的过驱动电压，但在电流不变的情况下，这样会降低晶体管的跨导，从而导致增益下降，噪声增大。
     如图 2 所示的混频器，即使采用了 DMGTR(Differential Multiple Gate Transistors，差分多栅晶体管 ) 结构，线性度可以大大提高，但其仍然将晶体管堆叠，由于要使堆叠的晶体管全都偏置在希望的饱和区 ( 伪差分对除外 )，所以 RL 的值不能过大，否则电阻压降过大会导致电压空间不满足偏置晶体管在饱和区的要求，而混频器的增益与 RL 成正比，所以这种混频器结构不能获得很高的增益，其对后级电路噪声的抑制作用有限。
     发明内容本发明针对现有混频器技术存在的不足，而提出一种基于 DMGTR 结构的折叠式正交混频器。
     该混频器包括跨导级、开关级和负载级，所述跨导级采用 DMGTR 结构；所述开关级是由折叠式的两个吉尔伯特单元构成，第一吉尔伯特单元作为信号的同相通路，第二吉尔伯特单元作为信号的正交通路，两个吉尔伯特单元均连接跨导级的输出端；所述负载级包括两个子负载级，每个吉尔伯特单元的输出端连接一个子负载级。
     所述 DMGTR 结构是由全差分对跨导和伪差分对跨导组成。
     所述子负载级是由两个电阻构成。
     技术效果：
     1、跨导级采用 DMGTR 结构，大大提高了混频器的线性度。
     2、开关级采用折叠式结构，使混频器能够获得较高的转换增益，提高了对后级电路噪声的抑制效果。
     3、折叠的开关对与输入管相对独立，降低了电压裕度的要求。
     附图说明
     图 1 为传统混频器的电路结构图。图 2 为 DMGTR 结构的非折叠式混频器电路结构图。图 3 为 FDT 电路结构图。图 4 为 PDT 电路结构图。图 5 为本发明混频器的电路结构图。图 6 为本发明混频器的仿真电路原理图。图 7 为本发明混频器线性度指标的仿真结果图。图 8 为本发明混频器转换增益的仿真结果图。具体实施方式
     下面对本发明作进一步说明。
     本发明混频器的电路结构如图 5 所示，包括跨导级、开关级和负载级。所述跨导级采用由全差分对跨导 (FDT ： Fully Differential Transconductance) 和伪差分对跨导 (PDT ： Pseudo Differential Transconductance) 组成 DMGTR 结构， FDT 电路结构如图 3 所示， PDT 电路结构如图 4 所示，在图 5 中， M1 和 M2 组成 FDT， M13 相当于电流源， M3 和 M4 组成 PDT ；所述开关级是由折叠式的两个吉尔伯特单元构成，在图 5 中，由 M5 ～ M8 构成的第一吉尔伯特单元作为信号的同相通路，由 M9 ～ M12 构成的第二吉尔伯特单元作为信号的正交通路，两个吉尔伯特单元均连接跨导级的输出端；所述负载级包括两个子负载级，在图 5 中，第一吉尔伯特单元的输出端连接由电阻 R3、 R4 构成的第一子负载级，第二吉尔伯特单元的输出端连接由电阻 R5、 R6 构成的第二子负载级。
     在图 5 中，跨导级中的 FDT 和 PDT 作为两个输入管接进射频信号 RF+ 和 RF-，开关级中的第一吉尔伯特单元 ( 同相通路 ) 接进同相本振信号 ILO_P 和 ILO_N，第二吉尔伯特单元 ( 正交通路 ) 接进正交本振信号 QLO_P 和 QLO_N，负载级作为混频器的输出，第一子负载级输出同相 (I 路 ) 中频信号 IIF_P 和 IIF_N，第二子负载级输出正交 (Q 路 ) 中频信号 QIF_P 和 QIF_N。本发明采用 SMIC 0.18μm CMOS 工艺实现，应用于 DRM(Digital Radio Mondiale，全球数字广播 ) 接收机芯片中。本发明混频器的原理仿真电路如图 6 所示，射频输入端 PORT0 通过变压器转换成双端信号输入混频器；同相信号输入端 PORT2 和正交信号输入端 PORT3 均通过变压器转换成双端信号输入混频器；混频器的输出通过 220uF 的电容交流耦合到后级电路，这里用 PORT1 代替后级电路，其内阻设置为后级电路的输入阻抗，使仿真结果更加真实； VDD 是电源电压， VDMGTR 是伪差分对的栅极偏置电压，其余的偏置电压均已做到芯片内部。
     本发明混频器线性度指标 IIP3 和转换增益 G 的仿真结果分别如图 7 和图 8 所示，射频信号频率 20MHz，本振频率 55MHz，中频频率 35MHz。
     下面介绍本发明的作用原理。
     本混频器采用的 DMGTR 结构是利用输入晶体管跨导 gm 的二阶导数 gm″与 IIP3 的关系来提高线性度。共源结构 MOS 管的漏极电流可以用泰勒 (Taylor) 级数展开式表示：
     式中： Idc 表示漏极电流的直流分量， vgs 表示晶体管栅源的电压， gm(n) 表示跨导 gm的 n 阶导数。
     则用电压形式表示的 IIP3 可以表示为：
     可见晶体管的线性度和 gm″成反比，如果 gm″≈ 0，则跨导驱动级引入的非线性可以完全被忽略，而整个混频器的非线性将仅仅由开关对产生。
     下面给出 FDT 和 PDT 的 gm″ ：
     对于混频器而言，小信号情况下的 IIP3 相较于大信号情况更加重要，这是由于当接收机接收到的信号强度较大时，往往可以通过自动增益控制电路调整 LNA 的增益，从而能够保证混频器的输入信号功率较低，仍然可以当作小信号处理。因此，当差模输入交流小信号 Δv 趋近于零时， FDT 的 gm″可以表示为：
     可见 FDT 的 gm″永远小于零，这也是采用 FDT 作为跨导驱动级的传统 Gilbert 混频器线性度难以做高的原因。研究发现，工作在亚阈值区的 PDT 能够使得 gm″大于零，将 PDT 与 FDT 并联则能够抵消 FDT 的 gm″，使得 gm″趋近于零，从而能明显提高混频器的线性度。
     当 Δv 趋近于零时， PDT 的 gm″可以表示为：
     比较式 (3) 和式 (4) 可以看出，当 FDT 的 gm″与 PDT 的 gm″相加为零时混频器的线性度最好，所以线性度最优条件为：
     上式中： ISS 和 W/L 是 FDT 设计参数， I0 和 vb 是 PDT 设计参数。
     另外，本混频器采用的折叠式开关级结构能有效提高混频器的增益，混频器的转换增益可以表示为：
     式中： gm1 表示晶体管 M1 的跨导， gm3 表示晶体管 M3 的跨导。在图 5 中，式 (6) 中的 RL ＝ R3 ＝ R4 ＝ R5 ＝ R6，在驱动级晶体管跨导确定的情况下，可以通过适当增大负载电阻 RL 获得较高的增益，这在传统堆叠结构的混频器中不易实现。

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1、(10)申请公布号 CN 102522955 A (43)申请公布日 2012.06.27 C N 1 0 2 5 2 2 9 5 5 A *CN102522955A* (21)申请号 201110458224.3 (22)申请日 2011.12.31 H03D 7/14(2006.01) (71)申请人东南大学地址 210096 江苏省南京市玄武区四牌楼2 号 (72)发明人王剑吴毅强徐建唐路王志功 (74)专利代理机构南京经纬专利商标代理有限公司 32200 代理人许方 (54) 发明名称一种混频器 (57) 摘要本发明公开了一种混频器，属于混频器技术领域。该混频器包括跨。

2、导级、开关级和负载级，所述跨导级采用由全差分对跨导和伪差分对跨导组成的DMGTR(差分多栅晶体管)结构，所述开关级是由折叠式的两个吉尔伯特单元构成，一个吉尔伯特单元作为信号的同相通路，另一个作为信号的正交通路，两个吉尔伯特单元均连接跨导级的输出端，每个吉尔伯特单元的输出端连接一个由两个电阻构成的负载级。本发明可以大大提高混频器的线性度，并同时可以获得较高的增益。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页说明书3页附图5页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请权利要求书 1 页说明书 3 页附图 5 页 1/1页 2 1.一种混频器，包括跨导级、开关。

3、级和负载级，其特征在于：所述跨导级采用DMGTR结构；所述开关级是由折叠式的两个吉尔伯特单元构成，第一吉尔伯特单元作为信号的同相通路，第二吉尔伯特单元作为信号的正交通路，两个吉尔伯特单元均连接跨导级的输出端；所述负载级包括两个子负载级，每个吉尔伯特单元的输出端连接一个子负载级。 2.根据权利要求1所述的混频器，其特征在于：所述DMGTR结构是由全差分对跨导和伪差分对跨导组成。 3.根据权利要求1所述的混频器，其特征在于：所述子负载级是由两个电阻构成。权利要求书CN 102522955 A 1/3页 3 一种混频器技术领域 0001 本发明涉及一种射频前端集成电路中的混频器，。

4、尤其涉及一种基于DMGTR结构的折叠式正交混频器，属于混频器技术领域。背景技术 0002 传统的混频器一般采用吉尔伯特(Gilbert)单元的双平衡结构，如图1所示，虽然这种混频器结构具有各端口隔离度高、对电源电压和环境噪声敏感度小等优点，但是 Gilbert单元由于偏置管、跨导管和开关管的堆叠及负载的压降，在低电源电压下很难保证所有晶体管都工作在希望的饱和区。另外，为提高电路的转换增益，需要增大跨导级的偏置电流，而偏置电流的增大将导致负载上的压降增大，从而压缩了开关对和跨导级的电压空间，降低了电路的线性度。 0003 线性度是混频器最重要的技术指标，一般提高线性度的方法是增大晶体。

5、管的过驱动电压，但在电流不变的情况下，这样会降低晶体管的跨导，从而导致增益下降，噪声增大。 0004 如图2所示的混频器，即使采用了DMGTR(Differential Multiple Gate Transistors，差分多栅晶体管)结构，线性度可以大大提高，但其仍然将晶体管堆叠，由于要使堆叠的晶体管全都偏置在希望的饱和区(伪差分对除外)，所以RL的值不能过大，否则电阻压降过大会导致电压空间不满足偏置晶体管在饱和区的要求，而混频器的增益与RL 成正比，所以这种混频器结构不能获得很高的增益，其对后级电路噪声的抑制作用有限。发明内容 0005 本发明针对现有混频器技术存在的不足，而提出。

6、一种基于DMGTR结构的折叠式正交混频器。 0006 该混频器包括跨导级、开关级和负载级，所述跨导级采用DMGTR结构；所述开关级是由折叠式的两个吉尔伯特单元构成，第一吉尔伯特单元作为信号的同相通路，第二吉尔伯特单元作为信号的正交通路，两个吉尔伯特单元均连接跨导级的输出端；所述负载级包括两个子负载级，每个吉尔伯特单元的输出端连接一个子负载级。 0007 所述DMGTR结构是由全差分对跨导和伪差分对跨导组成。 0008 所述子负载级是由两个电阻构成。 0009 技术效果： 0010 1、跨导级采用DMGTR结构，大大提高了混频器的线性度。 0011 2、开关级采用折叠式结构，使混频器能够。

7、获得较高的转换增益，提高了对后级电路噪声的抑制效果。 0012 3、折叠的开关对与输入管相对独立，降低了电压裕度的要求。附图说明 0013 图1为传统混频器的电路结构图。说明书CN 102522955 A 2/3页 4 0014 图2为DMGTR结构的非折叠式混频器电路结构图。 0015 图3为FDT电路结构图。 0016 图4为PDT电路结构图。 0017 图5为本发明混频器的电路结构图。 0018 图6为本发明混频器的仿真电路原理图。 0019 图7为本发明混频器线性度指标的仿真结果图。 0020 图8为本发明混频器转换增益的仿真结果图。具体实施方式 0021 下面对本发明作进。

8、一步说明。 0022 本发明混频器的电路结构如图5所示，包括跨导级、开关级和负载级。所述跨导级采用由全差分对跨导(FDT：Fully Differential Transconductance)和伪差分对跨导 (PDT：Pseudo Differential Transconductance)组成DMGTR结构，FDT电路结构如图3所示，PDT电路结构如图4所示，在图5中，M1和M2组成FDT，M13相当于电流源，M3和M4组成PDT；所述开关级是由折叠式的两个吉尔伯特单元构成，在图5中，由M5M8构成的第一吉尔伯特单元作为信号的同相通路，由M9M12构成的第二吉尔伯特单元作为信号的正。

9、交通路，两个吉尔伯特单元均连接跨导级的输出端；所述负载级包括两个子负载级，在图5 中，第一吉尔伯特单元的输出端连接由电阻R3、R4构成的第一子负载级，第二吉尔伯特单元的输出端连接由电阻R5、R6构成的第二子负载级。 0023 在图5中，跨导级中的FDT和PDT作为两个输入管接进射频信号RF+和RF-，开关级中的第一吉尔伯特单元(同相通路)接进同相本振信号ILO_P和ILO_N，第二吉尔伯特单元(正交通路)接进正交本振信号QLO_P和QLO_N，负载级作为混频器的输出，第一子负载级输出同相(I路)中频信号IIF_P和IIF_N，第二子负载级输出正交(Q路)中频信号 QIF_P和QIF_。

10、N。 0024 本发明采用SMIC 0.18m CMOS工艺实现，应用于DRM(Digital Radio Mondiale，全球数字广播)接收机芯片中。本发明混频器的原理仿真电路如图6所示，射频输入端 PORT0通过变压器转换成双端信号输入混频器；同相信号输入端PORT2和正交信号输入端 PORT3均通过变压器转换成双端信号输入混频器；混频器的输出通过220uF的电容交流耦合到后级电路，这里用PORT1代替后级电路，其内阻设置为后级电路的输入阻抗，使仿真结果更加真实；VDD是电源电压，VDMGTR是伪差分对的栅极偏置电压，其余的偏置电压均已做到芯片内部。 0025 本发明混频器线性度。

11、指标IIP3和转换增益G的仿真结果分别如图7和图8所示，射频信号频率20MHz，本振频率55MHz，中频频率35MHz。 0026 下面介绍本发明的作用原理。 0027 本混频器采用的DMGTR结构是利用输入晶体管跨导g m 的二阶导数g m 与IIP 3 的关系来提高线性度。共源结构MOS管的漏极电流可以用泰勒(Taylor)级数展开式表示： 0028 0029 式中：I dc 表示漏极电流的直流分量，v gs 表示晶体管栅源的电压，g m (n) 表示跨导g m 说明书CN 102522955 A 3/3页 5 的n阶导数。 0030 则用电压形式表示的IIP 3 可以表示为： 0。

12、031 0032 可见晶体管的线性度和g m 成反比，如果g m 0，则跨导驱动级引入的非线性可以完全被忽略，而整个混频器的非线性将仅仅由开关对产生。 0033 下面给出FDT和PDT的g m ： 0034 对于混频器而言，小信号情况下的IIP 3 相较于大信号情况更加重要，这是由于当接收机接收到的信号强度较大时，往往可以通过自动增益控制电路调整LNA的增益，从而能够保证混频器的输入信号功率较低，仍然可以当作小信号处理。因此，当差模输入交流小信号v趋近于零时，FDT的g m 可以表示为： 0035 0036 可见FDT的g m 永远小于零，这也是采用FDT作为跨导驱动级的传统Gilbe。

13、rt混频器线性度难以做高的原因。 0037 研究发现，工作在亚阈值区的PDT能够使得g m 大于零，将PDT与FDT并联则能够抵消FDT的g m ，使得g m 趋近于零，从而能明显提高混频器的线性度。 0038 当v趋近于零时，PDT的g m 可以表示为： 0039 0040 比较式(3)和式(4)可以看出，当FDT的g m 与PDT的g m 相加为零时混频器的线性度最好，所以线性度最优条件为： 0041 0042 上式中：I SS 和W/L是FDT设计参数，I 0 和v b 是PDT设计参数。 0043 另外，本混频器采用的折叠式开关级结构能有效提高混频器的增益，混频器的转换增益可以。

14、表示为： 0044 0045 式中：g m1 表示晶体管M1的跨导，g m3 表示晶体管M3的跨导。在图5中，式(6)中的R L R3R4R5R6，在驱动级晶体管跨导确定的情况下，可以通过适当增大负载电阻R L 获得较高的增益，这在传统堆叠结构的混频器中不易实现。说明书CN 102522955 A 1/5页 6 图1 说明书附图CN 102522955 A 2/5页 7 图2 图3 说明书附图CN 102522955 A 3/5页 8 图4 图5 说明书附图CN 102522955 A 4/5页 9 图6 说明书附图CN 102522955 A 5/5页 10 图7 图8 说明书附图CN 102522955 A 10 。

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