混频器mixer的设计

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• 采样混频电路
频谱搬移也可以通过采样的方式完成，但是这属于 离散信号处理，数学分析上较为复杂。右图为一个 采样保持电路原理图。 采样混频的一个特点是，采样信号或本振 理论上只要满足 f LO ≥ 2 ∆f 频Biblioteka Baidu fLO 可以很低， 就可以完全恢复出信号，这里 ∆f 为信号带宽。 这种使用低采样速率的技术称为 Sub-sampling 或 “亚采样”技术。选择适当的采样频率， 可以实现零中频接收。 这里的问题是，每一个 LO 的冲击谱线都 将一部分的宽带噪声搬移到了中频，因此这 种混频器具有很高的噪声系数。
Amplitude normalized to A
0.637 (−3.9dB)
0.637
fRF = 11 MHz fLO = 10 MHz fRF−fLO = 1 MHz fLO+fRF = 21 MHz 3fLO−fRF = 19 MHz 3fLO+fRF = 41 MHz 5fLO−fRF = 39 MHz 5fLO+fRF = 61 MHz
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在完全平衡的条件下，
+ = –v + v LO LO = v LO ⁄ 2 , v RF = – v RF = v RF ⁄ 2 − −
于是 i out ≈ K ⋅ v RF ⋅ v LO 运算放大器所构成的滤波 / 放大电路一方面滤除高频信号，另一方面将输出 电流转换成电压 ( 跨阻放大 )，并起到隔离作用。 该电路可以达到极高的线性度 (40dBm)，但是噪声系数也很高 (30dB)，一部 分噪声来自运放电路，而工作在线性区时过小的 gm 对沟道热噪声也起到了 “放大”的作用。因此总的动态范围并无大的变化。另外为了保持线性区工 作， M1-M4 需要足够的栅极偏置电压，所以不适合于低电压电路。
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vRF
vLO vout
Sample & Hold
−2fLO
−fLO
0
fLO
2fLO
−2fLO
−fLO
0
fLO
2fLO
Sub-sampling
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• 理想开关混频电路 ( 线性 !)
右图开关电路对 vRF 来说是线性时变的，对 vLO 来 说是非线性时变的， v out = v RF sgn ( v LO ) = A cos ( ω RF t ) sgn ( v LO ) 其中 4 1 1 - sin ( ω LO t ) – -- sin ( 3 ω LO t ) + -- sin ( 5 ω LO t ) – … sgn ( v LO ) = -π 3 5 所以 2A - sin ( ω RF + ω LO ) t – sin ( ω RF – ω LO ) t v out = -----π 1 1 - sin ( ω RF – 3 ω LO ) t - sin ( ω RF + 3 ω LO ) t – -+ -3 3 1 -- sin ( ω RF – 5 ω LO ) t + … - sin ( ω RF + 5 ω LO ) t – 1 + -5 5
0.212 0.127 0 10 20 30 Frequency (MHz) 40
0.212
vout
A/2 0
−A/2 −A 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
Time (µs)
如果开关是理想的，那么这个混频电路也是理想的 ( 虽然引入了损耗 )：它本身 不产生噪声、具有理想的线性度、端口之间相互隔离、有用中频在输出信号中 占较大比例 ( 效率高 )、没有直流功耗。
vRF VBias
vLO
v IN = A RF cos ω RF t + A LO cos ω LO t + V Bias 如果对偏置电压归一化， u IN = 1 + a ⋅ cos ω RF t + b ⋅ cos ω LO t 因此输出信号为 2 ⋅ Z = k ( j ω ) ⋅ u 2 = k ( j ω ) ⋅ ( 1 + a cos ω t + b cos ω t ) 2 u OUT = K ⋅ u IN L IN RF LO
i out = i o1 – i o2 = ( i D1 + i D2 ) – ( i D3 + i D4 )
+ v+ + v v + + ≈ K ( v LO RF LO RF – v LO v RF – v LO v RF ) 射频集成电路设计基础 > 混频器 > 混频基本原理 − − − −
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– 平衡的线性 MOSFET 混频器 [7] v RF v LO
M3 M4
+
− v RF i o1
M1 M2
+
v LO v RF
−
−
vIF
v RF i o2
+
假设运放输入端保持虚地状态，沿用上例中的近似分析可以得到
+ ≈ µC W + v + = Kv + v + - v LO i D1 ≈ g m 1 v RF ox ---RF LO RF L + v , i + i D2 ≈ Kv LO v RF , i D3 ≈ Kv LO RF D4 ≈ Kv LO v RF − − − −
1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 −0.2 −0.4 −0.6 −0.8 −1
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
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• 线性区 MOSFET 混频器
– 双栅 MOSFET[6] 双栅管 M 可以用 M1 和 M2 来构造， M2 工作在饱和区， M1 工作在线性区，其跨导随漏极电压 vDS1 变化， vDS1 则随 vLO 而变化，所以输出电流 i out = v RF g m 1 ( v LO ) 一个粗略的近似是把 M2 看成源极跟随器，则 v DS1 ≈ v LO + V DS1 W - v DS1 = µ C ox W ---- ( v + V DS1 ) g m 1 ≈ µ C ox ---L L LO W W - ⋅ v LO v RF + µ C ox ---- ⋅ V DS1 v RF i out ≈ µ C ox ---L L
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
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– 指数律电路 利用三极管基极电压与集电极电流的指数关系可以构造一个指数律的非线性 电路。与单个二极管的情况类似，输出信号中的频率分量更多，效率更低。 – 模拟乘法器 在其线性范围内，一个模拟乘法 器的输出为其输入 ( 通常是 2 路 ) 的积： v out ( t ) = v in1 ( t ) × v in2 ( t ) 因此会给人一种理想混频电路的 印象，但乘法器为了使两个输入 信号同时具有较大的线性范围， 在用作混频器时会造成带宽和噪 声等方面的性能损失。
同 LNA 相似，适当的增益有助于抑制后续电路的噪声
• 噪声系数
由于仍然处在系统的前端，混频器的 NF 对系统噪声有较大的影响
• 线性度
混频器在接收机中处于射频信号幅度最高的位置，而且许多干扰信号未得到有 效的抑制，因此线性度是一个非常重要 ( 甚至是最重要 ) 的指标
• 隔离度 ( 平衡度 )
– LO-IF feedthrough：尽管可以通过滤波的方式抑制 IF 端口的 LO 信号，但如 果 LO 的功率很大仍有可能对微弱的中频信号形成阻塞，同时 LO 的噪声也 将提高整体噪声系数 – LO-RF feedthrough ( 馈通） ：本振泄漏、自混频、信号阻塞 ( 灵敏度退化 )
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混频基本原理
• 非线性混频电路
理论上任何非线性器件都具有混频的功能，例如一个 个二极管电路，如果输出端接地，输入为 v IN = v RF + v LO + V bias 则流经管子的电流为 ( v RF + v LO ) ( v RF + v LO ) 2 ( v RF + v LO ) 3 - + ----------------------------- + -----------------------------+… I ≈ I 0 1 + --------------------------2 3 VT 2 VT 6 VT 输出端接负载时非线性情况更加复杂，但其中包含了我们所需要的 v RF v LO 项。 这个电路非常简单，而且可以工作在很高的频率，但存在不少缺点，主要是：
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– 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
• 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
• 种类
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都可 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。
vLO vRF
VBias1 VBias2 VBias1 VBias2
vLO vRF
M
M2 M1
当然也可以直接用大信号的电流公式，或者把 M1 看成是一个由 vRF 控制的 可变电导 gds，计算 i out = v DS g ds
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vRF vLO
vout
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下图给出了输出电压的时域波形和主要频谱分量。
A
vRF
A /2 0
−A/2 −A 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
sgn(vLO)
1 0.5 0
−0.5 −1 0 A 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
《射频集成电路设计基础》 讲义
混频器
下变频器概述 混频基本原理 电流开关混频器 线性度及其改善技术 噪声系数及其优化 小结 参考文献
东南大学射频与光电集成电路研究所 陈志恒 , Dec-1, 2002
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下变频器概述
• 增益 / 损耗 (Conversion Gain/Loss)
• 典型指标 [1]
Table 1: Typical mixer characteristics. SSB NF IIP3 (Voltage) Gain LO-RF isolation Power Dissipation
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12 dB +5 dBm 10 dB 40 dB 10 mW << >> < > ↵
2 2 a b = k ( j ω ) 1 + ---- + ---- + 2 a cos ω RF t + 2 b cos ω LO t + ab cos ( ω LO – ω RF ) t 2 2
a2 b2 - cos 2 ω RF t + ---- cos 2 ω LO t + ab cos ( ω LO + ω RF ) t + ---2 2
» 各端口之间完全没有隔离 » 杂波响应非常严重 » 插入损耗大 ( 有用的输出信号功率只占一小部分 )
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vIN
vout
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– 平方律电路 长沟道 MOS 管的电流电压接近平方律关系，三 极管也可以构成具有平方律关系的输入输出电 路， vRF, vLO 在这类电路的输入端通过某种方式 线性相加：
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其中只有 ab cos ( ω LO – ω RF ) t 是所需要的中频信号，所以它的效率不高，同 时 RF 和 LO 也都直接出现在 IF 端。这也可以从输出电流波形中看出来：
3
( a = b = 0.333 )