第13章混频器

作业：
P.336 第四题
谢 谢

在开关对的设计上，通过前面的图中可以看出，增加偏置电流会增
加开关对的热噪声和本振噪声，但可以减小驱动级热噪声的贡献，而 且会降低混号幅度会降低开关对的热噪声和本振噪声，但会增加
驱动级热噪声的贡献。
设计混频器时应根据哪部分是噪声主要来源，折中进行考虑。
线性度
对于单平衡混频器
LO
A
LO-RF
RF LO+RF
f
混频器的信号图
混频基本原理
混频基本原理
混频基本原理
混频基本原理
混频基本原理
混频基本原理
混频基本原理
混频基本原理
混频基本原理
混频基本原理
• Gilbert（电流换向）混频器的分 析和设计
电路结构
单平衡有源和双平衡有源混频器
• 驱动级：将输入电压信号转换为电流信号，它的线性度决定了整个混 频器的线性度。 • 混频级：如果本振信号足够大，作为开关管，在本振信号的控制下， 周期性的开关。 • 负载：电阻或者谐振网络。
2
1 RL
FDSB
1 2( 5 rg 5 g m5 ) g m5 4 1G 4rg1G RL 2 c c 2 g 2 m5 Rs
理想情况下，可由下面两个公式估计混频器的噪声系数
1 ( r g ) g 3 g 3 m3 m3 RL 2 1 4 g 2 m3 Rs
gm1 gm 2 Sn12 ( f , t ) 16kT ( ) 8kT G(t ) gm1 gm 2
3.本振端噪声
本振信号是由时变电路产生的，该时变电路 会在混频器本振输入端引入周期性稳态噪声。由 于混频过程本身也是一个时变过程，所以本振噪 声分析十分复杂。
于单平衡混频器和双平衡混频器
Gv 2

g m RL
双平衡混频器
iout (t ) sgn cos LOt (I B I RF cos RF t ) sgn cos LOt ( I B I RF cos RF t)
混频的结果只包含射频信号与LO各奇次谐波混频的差频、和频 成分，不包括直流偏置与LO各奇次谐波混频成分，对LO-IF有着很 好的抑制作用。 假设混频管为理想管，方波信号的基频幅度为4/π，则转换电压 增益为
二极管无源混频器
二极管混频器
在分离器件中，最常用的是无源二极管混频器，它利用了二极管 的非线性，电路结构简单、线性度好、隔离差、噪声较高、本振信号 驱动要求高。
MOS无源混频器
直接将输入电压信号与本振信号在电压域进行混频。 特点：不提供增益、线性度较好。
总结
• 1.介绍了混频器的基本性能参数。 • 2.重点分析了Gilbert混频器（有源混频器），这类混频器 具有较好的线性度及噪声性能，并且广泛应用于单片集成 电路中。 • 3.无源对比有源混频器 无源混频器虽然具有较好的线性度、功耗，但引入了衰减。 有源混频器由于提供一定的转换增益，所以相对无源混频 器，可以在一定程度上抑制后续电路噪声对整个收发机系 统噪声的影响。
假设驱动级的输出电流is中包含噪声电流成分n3(t)，其噪声功率谱密度 为Sn3(f,t)，则它的时变功率谱密度为
对于单平衡混频器来说，Nn3包含晶体管M3的热噪声、 信号源阻抗RS引入的噪声和晶体管栅级寄生阻抗rg3的热噪 声，因此
Sn3 ( f , t ) 4kT ( RS rg 3
Gv 2

g m RL
单平衡混频器
噪声分析 由于开关管的工作点是周期性变化的，信号 的处理过程是一个周期性时变过程，因此混频 器产生的噪声具有周期性时变特性。一般用时 变功率谱密度S(f,t)来描述。
噪声来源：驱动级噪声；混频单元的噪声； 来自LO输入端噪声；负载的噪声。
1.驱动级的噪声
1 2( r g ) g 5 g 5 m5 m5 RL 2 1 4 g 2 m5 Rs
FSSB
FDSB
噪声优化
混频器输出端噪声主要由驱动级产生的热噪声、开关对产生的热噪 声和本振噪声、负载噪声引起。 驱动级是一个共源放大器，因此可以采用与低噪声放大器相同的噪 声优化方法，优化驱动级中晶体管的尺寸和偏置，使得驱动级产生的 热噪声尽可能低。
主要性能指标典型值
二、混频器的类型
混频器的电路结构非常多， 从系统的角度看，非线性系统和线性时 变系统以产生新的频率分量而具有混频 的可能； 从电路的角度看，混频器可以是有源的 也可以是无源的； 还有其它如单平衡或双平衡结构、采样 保持电路等等
二、混频器的类型
输出信号由LO和RF信号的和与差（LORF）两个信号组成。通常我们仅 需要这些信号中的一个信号，另一个信号将被滤掉。由于LO的谐波和RF在混 频器中混频，会产生许多更小、更高次的信号，所以这些信号也应滤掉。一般 而言，混频器所产生的全部信号有（n×LO±m×RF），其中m，n为整数。
混频器 Mixers
张艺蒙
西安电子科技大学微电子学院 zhangyimeng@
摘要
• 前言：无线收发机射频前端的系统结构
• 基本概念：混频器的性能参数 • Gilbert（电流换向）混频器的分析和设计
• 无源混频器的分析
• 总结
超外差接收器的方框图
混频器
RF放 大器
IF 放 大 器 / 滤波器
• 单平衡混频器
iout (t ) sgn cos LOt ( I B I RF cos RF t )
由于方波信号仅包含奇次阶谐波，尾电流源与本振信号混频的 结果包含射频信号与LO各奇次谐波混频的差频、和频成分，也包含直 流偏置与LO的各奇次谐波混频的成分，导致存在LO-IF泄露。 假设混频管为理想管，方波信号的基频幅度为4/π，则转换电压 增益为
解调
基带 放大器
调 整 控 制
本地振荡器 LO
输出
射频信号RF 中频 IF
固定的带通滤波器
本地振荡LO
概述
概述
混频原理: 1、非线性系统
混频原理
混频原理：2、线性时变状态
镜像信号
定义：指与有用射频信号关于本振频率对称的信号，它与有用信 号的频率差等于两倍中频频率。
混频器的性能参数：噪声系数
噪声系数
线性度
性能参数：隔离度和阻抗匹配
隔离度：本端口功率与其窜通到另一端口的功率之比。 LO-RF:强本振信号泄露到输入端，使混频器发生过载或 饱和。 LO-IF:强本振信号泄露到输出端，容易造成后级中频模 块发生过载或饱和。 RF-LO:出现自混频现象，同时强干扰信号会影响本振的 工作。 阻抗匹配：RF、LO端匹配到50欧姆，IF端口匹配到后级 滤波器的输入端阻抗。

g m3
) g 2m3
对于双平衡混频器
2 2 Sn5,6 ( f , t ) 4kT ( RS 2rg 3 ) g m5 g m3
2.开关对（混频单元）噪声 当混频管M1或者M2工作于截止区而另一混频管处于导通状态时，输出电 流完全由混频单元的尾电流决定，混频单元不产生噪声。 当开关对两管同时导通时，才产生热噪声。可表示为：
SnLO ( f , t ) 4kT (RLO 2rg1 )G2
SnLO ( f , t ) 4kT (4rg1 )G
2
综合以上分析混频器各种噪声，可以最终得到混频器的噪声系数
FSSB

c
2
( 3 rg 3 g m3 ) g m3 2 1G ( RLO 2rg1 )G 2 c 2 g 2 m3 Rs
输出电流归一化结果为
iout I B 1 (1
2
2
) 2 sgn( )
3 5 2 I B 4 32
式中α=VLO/Vod
改善线性度的方法
• 驱动级
1.采用源简并技术
2.分段线性近似
•开关对
开关对引入的三阶交调积与开关对共源节点的寄生电容有很大关系。 采取在共源节点并联一个电感。