5_8GHzCMOS混频器设计

基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(90307016);国家预研项目(E0617010)518GHz CMOS 混频器设计
任怀龙1,默立冬1,吴思汉2,陈兴1,冯威1,廖斌1,吴洪江1
(11中国电子科技集团公司第十三研究所,石家庄050051;21国防科技信息研究中心,北京100028)摘要:介绍了C MOS 混频器主要技术指标的设计思路和技术。

采用0118L m C MOS 工艺,使用Agilent 公司的ADS 软件设计出一种518GHz C MOS 混频器电路,结果表明,工作电压118V 时,RF 频率518GHz,本振频率5178GHz,中频频率20MHz 下,转换增益713dB 、输入1dB 压缩点-813dB m,噪声系数817,工作电流小于5mA,该电路已交付流片。

关键词:C MOS 混频器;转换增益;线性度
中图分类号:TN405 文献标识码:A 文章编号:1003-353X (2008)03-0257-04
Design of 518GHz CMOS Mixer
Ren Huailong 1
,Mo Lidong 1
,Wu Sihan 2
,Chen Xing 1
,Feng Wei 1
,Liao Bin 1
,
Wu Hongjiang 1
(11The 13th Resea r ch I nstitute ,CETC,Shi jia z huang 050051,China;21The Research Center o f De f ense T echnology In f ormation,Bei j ing 100028,China)
Abstract:The design techniques of improved CMOS mixers were illustrated.Based on 0118L m CMOS
process,a 518GHz C MOS mixer was designed with Agilent ADS.The simulated results show that this mixer achieves a conversion gain of 713dB,input 1dB gain compress of -813dBm,and a noise figure of 817dB,while consuming less than 5mA from a single 118V supply,the circuit is in manufacturing.
Key words:C MOS mixer;c onversion gain;linearity EEAC C:2570A
0 引言
近年来,无线通信系统,如无绳电话、手机、PDA 、W LAN 、导航仪等,已经成为人们日常生活中不可或缺的一部分。

多种无线通信系统的蓬勃发展,使得对重量轻、体积小、功耗低、成本低的无线产品需求迅速增加,高集成度的射频收发机越来越受到关注。

随着深亚微米C MOS 工艺的不断进步和成熟,其沟道长度不断减小,截止频率f T 不断增加,再加上C MOS 工艺与其他工艺相比具有价格低、集成度高、功耗小等特点,用C MOS 工艺设计
射频集成电路已经成为世界范围内的研究热点[1]
,人们不断提出基于C MOS 工艺的射频电路结构及设计技术,并逐渐推出成熟的C MOS 射频产品,取得了非常大的成绩。

混频器作为射频接收机中的关键部件,负责实现射频接收机的频率转换,其性能直接影响着整个接收机的性能,因此,混频器C MOS 设计技术的研究也是非常重要的课题之一。

混频器的设计通常需要考虑转换增益、线性度、噪声系数、端口之间的隔离度以及功耗等性能指标,如低噪声的混频器可以减少对LNA 增益的要求;高转换增益的混频器可以减小中频噪声的影响,混频器的线性度决定了射频收发机的动态范围,其功耗也是接收机整体功耗主要组成部分。

因此,研究设计高性能的混频器具有非常重要的应用价值。

本文针对无限局域网的射频前端接收电路,设计了一种518GHz C MOS 混频器。

1 电路设计
111 混频器结构选择
根据电路设计及实现工艺的要求,可以应用的
集成电路设计与开发
Design and Development of IC
混频器结构有很多,一般分成两种:无源混频器和有源混频器。

无源混频器包括二极管混频器、无源场效应晶体管混频器等,它具有很好的线性度,并且可以工作在很高的频率范围内,其明显的缺点是没有转换增益;有源混频器具有转换增益,可以减小来自中频的噪声影响,通常所用的有源混频器包括单晶体管有源混频器、双栅FE T 混频器、单平衡有源混频器和双平衡混频器[2]。

为了改善混频器的线性度,人们还提出了一些新的混频器结构,其中最主要的有交叉耦合型和亚抽样型。

对零中频接收机提出了双平衡子谐波混频器,可以很好地克服零中频接收机中存在的直流失调问题,使得射频和本振端口之间具有很好的隔离性能。

单晶体管有源混频器和双栅FE T 混频器电路结构简单,性能良好,但由于射频和本振信号的邻近影响,使得本振信号会通过滤波器和密勒(Miller)电容对射频信号产生干扰。

与单平衡混频器相比,由于双平衡混频器全对称差分结构消除了中频IF 端口存在的来自射频和本振的馈通信号,提高了混频信号的质量,射频输入信号与两路反向的本振信号混频之后信号求和,消除了射频输入信号的穿通,克服了本振反馈,具有很好的端口隔离特性。

同时,它具有较低的噪声系数,能提供较大的混频增益,对本噪声和伪信号噪声抑制能力强,被广泛应用于高性能的有源混频器。

因此,目前在射频接收机中运用最多的还是吉尔伯特双平衡混频器结构。

图1 混频器原理图Fig 11 Gilbert cell mixer archi tecture
吉尔伯特结构混频器的基本结构如图1所示。

射频信号从M 1和M 2的栅极输入,MOS 管工作在饱和区,将射频电压信号转化为电流信号;本振信号从M 3、M 4、M 5和M 6的栅极输入,MOS 管工作在开关状态。

由开关电路对RF 电流信号进行开关调制,实现混频功能[3]。

112 提高混频器指标的技术
对于CMOS 混频器,设计目标和关键技术主要有:转换增益、线性度、噪声系数、端口之间的隔离度以及功耗,在具体实现时,通常需要在这几个指标之间进行折衷。

由于吉尔伯特双平衡混频器结构的固有特性,它具有很好的端口隔离特性和较低的噪声系数,因此这里重点讨论提高C MOS 混频器线性度和转换增益的技术。

(1)线性度。

在接收机中,射频输入信号经低噪声放大器后,再输入到混频器时,已经有较大的功率,为了保证信号的不失真并使整机有较高的信噪比,就要使混频器有很高的线性度。

由于混频器的线性度直接决定接收机的动态范围,因此如何提高混频器的线性度,是混频器的关键设计技术之一。

吉尔伯特混频器通过互导管,把射频电压信号转换成电流信号,然后利用开关对对射频电流信号进行开关调制实现混频功能。

因此,该电路的非线性主要是由互导管电压到电流的非线性转换关系和开关对的非理想开关特性造成的。

随着沟道长度逐渐减小,MOS 管的I -V 非线性越来越严重,导致互导管M 1、M 2成为吉尔伯特混频器主要的非线性源。

吉尔伯特类型的混频器中跨导的线性度决定了整个混频器的线性度下限。

所以,在设计中重要的工作是加大跨导的线性,这可以通过逐段逼近的方法来实现。

在CMOS 电路中,由于在小的输入范围内,跨导管呈现出合理的线性跨导,因此理论上讲,若混频器中输入级并联使用多组跨导管,并分别偏置在适当的电压下,跨导管总跨导g m 可以在较大的输入范围内都体现出良好的线性性能。

图2中每一个差分对的跨导在一段输入范围内是线性的,结合在一起就构成了在更大范围内的线性跨导,如图3所示。

图2 跨导的线性化
Fig 12 C MOS g m cell
另一个提高混频器线性度最常用和最有效的方法是采用源级退化技术,即通过在图1的M 1和M 2的源级增加电阻,使阻抗提高,从而有效地提高混
任怀龙 等:518GHz CMOS 混频器设计
图3 逐段逼近法实现线性跨导的图示
Fig 13 Illus tration of li near transcond uctor by piecewi se
app roxi mation
频器的最大输入电压范围,实现增加线性度的目的[4]。

在设计时一般采用电感来形成阻抗Z s 构成源级退化。

这样做的原因,一是理想的电感不存在热噪声,因而不会增加混频器的噪声系数;二是电感没有直流压降,这可增加混频器的净空电压以及线性度;三是使用电感可提高高频时的阻抗,能够滤除高频成分;四是对集成电路而言,低噪放与混频器直接相连,不需要功率匹配。

(2)转换增益。

为了弥补中频滤波器的损耗以及降低混频器后续电路噪声对系统噪声的贡献,混频器需要有两种转换增益,即功率增益和电压增益。

开关型混频器通常采用的转换增益公式为A v =g m R L (2/P ),其中,g m 为互导管的跨导;R L 为混频器负载。

该公式的前提是LO 信号的幅度足够大,混频器中的开关对工作在理想开关状态。

文献[6]对上述增益公式进行了修正,给出了更为精确的增益公式。

由公式可以看出,提高混频器转换增益可以通过提高互导管的跨导g m 和负载R L 来实现,提高跨导g m 可在输入级采用多组跨导管并联,每组跨导管与开关管形成改进的吉尔伯特混频器结构,设各跨导管的跨导依次为g m 1~g m n ,其等效总跨导
则为各跨导管跨导之和,即,g m =E n
n =1
g m n
[5]
;提高负载可采用高摆幅负载技术和有源负载技术。

另一种提高转换增益的方法是采用电流注入技术,改善开关对的开关特性,如图4所示。

在吉尔伯特混频器的开关管中间额外加入两个电流源,形成两个注入电流。

由于增加了电流注入,使流过负载电阻的直流减小,在保持电路直流工作点不变的情况下,增大负载电阻,从而使混频器的增益增大。

采用电流注入还有以下优点:可以在电源电压不变的情况下有效提高混频器的线性度;可以减小由于MOS 管开关工作不理想所带来的闪烁噪声,
从而减小混频器的噪声系数。

图4 带电流注入的混频器Fig 14 Current injected mixer
113 混频器总体电路
本文设计的混频器总体电路。

主要包括输入阻抗匹配、混频器单元和后级输出缓冲三个部分,如图5。

图5 混频器电路原理图
Fig 15 Complete circui t diagram of the CMOS mixer
为实现输入阻抗匹配、射频信号和本振信号的直流电平分别通过R 1和R 2、R 3和R 4分压得到,输入信号通过和508匹配电阻相接,对于差分的输入信号,O 点相当于虚地,从而实现输入端508的阻抗匹配。

混频器单元采用逐段逼近法线性跨导技术,在混频器输入级使用了三组跨导管,以提高混频器的线性。

另外,采取电流注入技术,用一个P MOS 管和一个电阻实现注入电流,通过PMOS 的源级接电阻来增大电流源的内阻,使得并联电流源内阻对负载电阻的影响减小,从而提高混频器的转换增益。

输出缓冲采用差分放大器的结构,与混频器单元的输出直接耦合。

在设计时考虑放大器增益的同时也需要考虑它的线性度。

2 仿真结果与分析
使用Agilent 公司的ADS 仿真软件基于0118L m 混合CMOS 工艺模型对设计电路进行了优化仿真设计。

优化时,折衷考虑转换增益、线性度、噪声系
任怀龙 等:518GHz C MOS 混频器设计
数和功耗等指标要求,对源级退化电感、偏置电流、匹配网络的电感、跨导放大器和开关管尺寸等参数进行优化。

为了便于设计,跨导管取相同的宽长比,通过调节电阻的电流,来改变跨导管的直流偏置,利用各输入级在相同交流输入信号下不同的跨导特性进行互补,结合仿真,使输入级总跨导尽可能平坦,从而输出交流电流与输入电压成较好的线性关系。

最终优化结果:在RF 输入频率为518GHz,LO 输入频率为5178GHz,I F 输出频率为20MHz 的条件下,转换增益713dB,输入P -1 -813dB m,噪声系数817dB,电路工作电压118V,工作电流小于5mA 。

仿真结果见图6。

(a)
转换增益与有线源功率
(b)转换增益与IF
输出功率
(c)加到负载上的输出功率
图6 混频器的转换增益和输入P -1 仿真结果
Fig 16 Si mulati on res ults of convers ion gai n and gai n compres sion
3 版图设计
版图设计采用0118L m C MOS 工艺,大栅宽的MOS 管需要用多指版图实现,以减小栅电阻。

为降低噪声,所有的晶体管周围要多放接触孔,晶体管的多指栅使用金属连接。

同时要优化版图布局布线,避免因布局不好产生寄生的互联电阻和电容。

4 结论
介绍了提高C MOS 混频器主要技术指标的设计技术,讨论了一种518GHz C MOS 混频器的设计考虑,采用0118L m CMOS 工艺模型进行了设计分析,设计电路已经交付流片。

本电路的设计为开展C MOS 混频器设计打下了基础,但还需在输出匹配和提高线性度方面做进一步深入研究,为研究C MOS 集成收发电路做储备。

参考文献:
[1]陈新华,陈志恒,王志功,等.0135L m C MOS 工艺实现的119GHz 上变频器[J].东南大学学报,2001,31(4):10-13.[2]张国艳,黄如,张兴,等.CMOS 射频集成电路的研究进展[J].微电子学,2004,34(4):377-383.
[3]唐守龙,罗岚,陆生礼.MOSFET 输出阻抗对混频器线性度影响分析[J].应用科学学报,2005,23(2):169-173.[4]李鸣,唐守龙,罗岚,等.高线性度上变频混频器设计
[J].电子器件,2004,27(4):604-606.
[5]席占国,秦亚杰,苏彦锋,等.119GHz 高线性度上混频器
设计[J].固体电子学研究与进展,2007,27(1):49-53.[6]RUDE LL J C,OU J J,CHO T B,et al.A 119GHz wideband IF double conversion C MOS receiver for cordless telephone
applications[J].IEEE J SSC,1997,32(12):2071-2088.
(收稿日期:2007-11-
26)
作者简介:
任怀龙(1967)),男,河北平山人,高工,研
究方向为射频、高速集成电路设计;
默立冬(1975)),男,河北新乐人,硕士,研究方向为射频、高速集成电路设计;
吴思汉(1968)),男,安徽无为人,工程师,研究方向为模拟、射频集成电路设计;
陈兴(1979)),男,河北唐山人,研究方向为射频、高速集成电路设计;
冯威(1974)),男,河北正定人,研究方向为微波、射频、高速集成电路设计;
廖斌(1971)),男,湖北长沙人,高工,研究方向为微波、射频、高速集成电路设计;
吴洪江(1964)),男,河北衡水人,研究员,研究方向为微波、射频、高速集成电路设计。

任怀龙 等:518GHz CMOS 混频器设计。