第08章混频器

射频微电子学

西安交通大学·电子与信息工程学院

微电子学系张鸿陈贵灿

hongzhang@

第8章混频器

本章内容

概述

混频器的指标

基于电路的非线性实现混频

基于乘法器的混频器

亚采样混频器

二极管混频器

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概述

混频器把RF 信号变换成一个较低的频率，称为中频（IF:Intermediate Frequency ），可用固定的滤波器 电路分析中总是假设器件或电路是线性时不变的

而混频器（Mixer ）正是要利用器件的非线性或时变特性来实现混频

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转换增益（Conversion Gain ）

IF 信号的功率（或电压、电流）与RF 信号的功率之比

噪声系数

分为单边带（SSB ）和双边带（DSB ）噪声系数 SSB NF ：有用信号只存在于RF 信号处

DSB NF ：有用信号同时存在于RF 和Image 处DSB NF 比SSB NF 小3dB 。所以对于一个产品报告的噪声

系数一定要区分DSB 还是SSB

Mixer 的性能指标

线性度

通信系统中对输入动态范围的要求较高，通常要求80到

100dB，其下限根据噪声系数确定；上限由线性度来确定

与LNA一样，Mixer的线性度也用1 dB压缩点和IIP3等参数来衡量

由于Mixer在LNA之后，所以线性度要求更高。

隔离

LO-IF feedthrough( 馈通）：尽管可以通过滤波的方式抑

制IF 端口的LO信号，但LO的功率很大，很有可能干扰IF

信号，同时LO的噪声将恶化整体噪声性能

LO-RF feedthrough：本振泄漏至天线影响其他信道、自混频、使系统灵敏度降低

RF-LO feedthrough：同样有自混频现象，同时强干扰信号会影响本振的工作

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阻抗匹配

与片外镜频抑制滤波器及信道选择滤波器连接时需提供匹配的输入输出阻抗

项、输入的各次谐波、以及互调项

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DC 项（由偶次非线性产生），在超外差应用中很容易被滤掉，在零中频中也可以用交流耦合解决

谐波项m ωLO 和m ωRF ，m =1，2,···, N, 一般离IF 的频率较远，也很容易被滤掉 互调项：p ωRF ±q ωLO ，只有二次互调项(p=q=1)是所需要的。其它互调项，可能很接近IF 因此很难滤除，而高阶非线性带来的这些互调项非常多。 理想的非线性混频器：平方律特性

非线性混频器的特例：平方律混频器

DC 项c 0很容易滤掉，所以忽略以简化计算

212OUT IN IN

v c v c v

=+cos()cos()

IN RF RF LO LO v v t v t ωω=+

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系统的输出包含三个分量的和：

v fund 与输入的频率相同，被滤除

v square 会产生直流项和二次谐波，被滤除

有用的只是v cross

OUT fund square cross

v v v v =++[]

2cos()cos()cross RF LO RF LO RF LO v c v v t t ωωωω=++−[]

1cos()cos()fund RF RF LO LO v c v t v t ωω=+[][]

{

}

22

2cos()cos()square RF RF LO LO v c v t v t ωω=+[][]

22cos()cos()cross RF LO RF LO v c v v t t ωω=

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基于乘法器的混频器

由于非线性是间接提供乘法实现混频，所以会产生许多不希望的频率成分，而且由于二端口混频器只有一个输入端，所以RF 和LO 不能很好的隔离

基于乘法器的混频器在理想情况下只产生需要的互调项，各个输入进入各自的端口，可以实现很好的隔离

单平衡混频器（Single-Balanced Mixer ）

信号在电流阈相乘（RF 的电压需变换成电流） v LO

很大，使

RF

电流从差分对的一边切换到另一边

)]

LO t RF DC i I =+

函数的傅立叶级数只含奇次谐波，所以单平衡混频器

管的跨导随栅源电压变化

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Ch.8 Mixer: 22RF RF LO 2

π

=

sin ⋅

电流注入，减小流过开

BN

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Gilbert型混频器的线性度

在电流开关性能很好，而且LO幅度足够大的情况下：混频

器的IP3基本上等于跨导级电路的IP3

优化跨导级线性度的方法有四种：

预失真（Predistortion)

反馈（包括负反馈和正反馈）

前馈（Feedforward）

逐段近似（Piecewise Proximation）

预失真法，其思想是利用两个相反非线性相互抵消得到线性 应用：电流镜。输入电流通过一个非线性器件得到栅源

电压，用这个栅源电压产生与输入完全正比的电流）

以共栅的跨导级电路说明这种方法的一个应用

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