CN103795348B

CN103795348B - 一种降低无源混频器噪声的方法和电路

Info

Publication number: CN103795348B
Application number: CN201310665351.XA
Authority: CN
Inventors: 孙志刚; 李罗生
Original assignee: Beijing CEC Huada Electronic Design Co Ltd
Current assignee: Beijing CEC Huada Electronic Design Co Ltd
Priority date: 2013-12-10
Filing date: 2013-12-10
Publication date: 2016-09-14
Anticipated expiration: 2033-12-10
Also published as: CN103795348A

Abstract

一种降低无源混频器噪声的方法和电路，该电路用于无线通信射频前端电路中。射频前端电路一般都包含混频器，无源混频器因为较高的线性度和噪声特性而较多的被采用。但是混频器开关管栅极偏置电压和本振信号幅度对混频器的噪声性能有很大影响。本发明的电路结构可以通过调节无源混频器的偏置电压来实现对其噪声性能的优化。较低噪声的无源混频器将会提高射频前端电路整体噪声性能。

Description

一种降低无源混频器噪声的方法和电路

技术领域

本发明为射频前端电路中一种降低混频器噪声的电路结构，属于射频通信领域。

背景技术

无线通信技术在最近几十年得到了迅猛的发展，这主要是源于人们对于无线产品的需求日益旺盛，这种需求驱动了电子产业高速前进。作为无线通信中的重要组成部分，应用于无线通信的射频电路也在向着低噪声，高灵敏度等特点的方向发展。

射频前端一般分为3大部分：接收机，锁相环，发射机。接收机和发射机需要完成下变频和上变频以便信号的处理和传输。混频器通常作为上变频器和下变频器工作在发射机和接收机中，完成射频和基带信号之间的转化。

一般发射机支路主要关注输出信号的功率和线性度，因为它主要负责远距离传输有用信号。但是在某些应用中，发射机发出的有用信号附近的噪声需要迅速衰减，否则会对邻近信道造成干扰。一般会在发射机和天线之间加入声表滤波器，对射频信号进行滤波以便达到噪声要求。接收机支路主要是在噪声中提取有用信号，进行放大和滤波，送入基带处理。噪声性能对接收机来说非常重要，较小的噪声系数会提高接收机的灵敏度。

收发机中常用的混频器可以分为有缘混频器和无源混频器两种。Gilbert单元是有缘混频器的典型结构。在采用Gilbert单元作为混频器的发射机中，PA引入的噪声是可以忽略的，Gilbert混频器产生的噪声占了输出噪声的大部分。这就需要在PPA和PA之间***SAW对于发射机部分的信号进行滤波。V-I的转换，不但降低了线性度，而且引入了很多的噪声。而无源混频器是对前一级的输出电压直接采样，没有V-I的转换，在这个结构中，唯一能够引入噪声的就是作为开关管的MOS管，MOS管在导通的时候能够引入导通电阻的热噪声。随着MOS特征尺寸的减小，这个噪声也是可以改进的。合理取值，无源混频器的噪声可以忽略，使得噪声主要来源于LO的相位噪声。

无源混频器会在噪声和线性度上优于传统的Gilbert单元，但是无源混频器中偏置电压的大小和本振信号LO的幅度都会影响无源混频器的噪声特性。本振信号LO为射频信号，调整LO来优化无源混频器的噪声特性会花费很大的功耗，所以针对调节无源混频器开关管的偏置电压来实现对混频器的噪声的优化更为合理。

无源混频器开关管源极的偏置电压VB_S一般是由前一级输出直流电位点确定，或者隔直以后进行重新偏置。无源混频器开关管栅极直流电位VB_G的大小决定了开关管直流状态下的工作状态。当VB_S一定的时候，开关管是开启还是关闭，主要要看VB_G和VB_S+Vth的关系。更具两者之间的大小关系，混频器的工作状态分成了如下3种。

第一种工作状态如图1所示，VB_G>VB_S+Vth，此时在一个本振信号LO的周期内，会出现不同相位本振信号LO和LOB控制的开关管同时打开，如图1中黑色的三角部分，这种工作状态称之为ON OVERLAP。在这种工作状态下，差分输入信号会在一段时间内同时输出到下一级，如图2所示，造成了差分信号之间的低效，引入了噪声。

第二种工作状态如图3所示，VB_G<VB_S+Vth，此时在一个本振信号LO的周期内，会出现不同相位本振信号LO和LOB控制的开关管同时关断的状态，如图3中黑色的三角部分，这种工作状态称之为OFF OVERLAP。在这种工作状态下，混频器的开关管在一段时间内同时处于关闭状态，上一时间段其中一个开关管导通时送入下一级输入端口的信号将会处于保持状态，较大的RC乘机会使得该点的放电非常慢。开关管同时关闭的状态将会影响下一级正常的采集有用信号，引入了噪声。

第三种工作状态如图4所示，VB_G=VB_S+Vth，差分本振信号的控制的开关管会在一个关闭的同时立刻开启，不会有同时打开的状态，也不会有同时关闭的状态。这种状态称之为NO OVERLAP。NO OVERLAP是ON OVERLAP和OFF OVERLAP的一个中间状态，实现起来有些困难，因为Vth会随着工艺等因素的影响，所以找到一个准确的VB_G=VB_S+Vth需要进行处理。

发明内容

针对ON OVERLAP和OFF OVERLAP状态，本发明通过侦测混频器输出端的噪声来自动调节混频器开关管栅极电压VB_G，以实现对混频器噪声的优化，如图5所示，图5电路结构的主要目标是降低混频器的噪声，以便提高整体电路的信噪比。

混频器(Mixer)是本发明需要提高性能的核心电路，它实现输入信号vin和本振信号LO的频率相加减，具体电路已被矩形线框出。B_1和B_2是Mixer的下一级电路，它对Mixer的输出信号进行放大或者滤波。积分器将一定带宽内的信号能量进行积分，计算带宽内信号能量的大小。模数转换器能够将输入的模拟量转换为数字信号，方便将数据在数字域进行处理。数字电路处理(Digital)部分将送入的数字信号进行相关处理，并根据输入信号的情况，调整输出端输出值，从而达到根据输入的不同控制其他电路工作的顺序和状态。可变基准电压产生电路能够产生一系列基准电压，但是输出哪一个基准值需要相应的控制字CTRL<N>-CTRL<0>来进行控制。

Mixer的输出噪声信号首先通过B_1和B_2进行处理，B_1和B_2的输出信号送入积分器中，积分器对B_1和B_2的输出噪声信号进行积分，计算出带宽内噪声信号的能量，并将计算值送给ADC，将噪声信号的能量值量化为数字量。ADC将量化后的结果送入Digital部分，进行数值存储和相关控制动作。Digital的输出控制可变基准电压产生电路输出相应的基准电压信号到Mixer中MOS管的栅极上。上述电路构成了一个环路。

具体操作中，首先将VCTRL<0>-VCTRL<M>设定一个值，即先给VB_G提供一个直流电位，用积分器收集与混频器级联模块的输出噪声，用ADC将在噪声能量进行量化，然后将反应噪声大小的量存入DIGITAL部分；更换VCTRL<0>-VCTRL<M>为另外一个值，在采取上述的相同的过程：采样、积分、量化、存储。

将VCTRL<0>-VCTRL<M>遍历完以后，从已经存储的列表中找到最小的噪声值，然后将VCTRL<0>-VCTRL<M>调整至相应的值，这样便实现了对混频噪声的优化。首先设置CTRL<0>-CTRL<N>为一个值，然后在与混频器级联模块B_1和B2的输出级取出噪声送入积分器，积分器将积分后的噪声能量值送入ADC中，ADC将该能量进行量化，量化后的能量值被储存在DIGITAL部分中。当储存完成以后，DIGITAL控制译码器的输入CTRL<0>-CTRL<N>更换为另一个值，从而将VB_G偏置在另外一个电压值后，再重复上述采集噪声能量并记录能量值大小的过程。当CTRL<0>-CTRL<N>值遍历后，取出噪声能量最小时对应的CTRL<0>-CTRL<N>，将VB_G偏置在该直流电压小，混频器将会实现噪声性能的优化。

附图说明

图1 ON OVERLAP状态示意图

图2 ON OVERLAP状态时信号流图

图3 OFF OVERLAP状态示意图

图4 NO OVERLAP状态示意图

图5降低混频器噪声整体电路结构

图6混频器噪声与VB_G关系的仿真结果

具体实施方式

图5电路结构的主要目标是降低混频器的噪声，以便提高整体电路的信噪比。通过一个电阻串将VREF分压，分压后的结果送入多路选择器中。VCTRL<0>-VCTRL<M>控制多路选择器中哪一路开启，以便决定VB_G直流电位的大小。

首先将VCTRL<0>-VCTRL<M>设定一个值，即先给VB_G提供一个直流电位，用积分器收集与混频器级联模块的输出噪声，用ADC将在噪声能量进行量化，然后将反应噪声大小的量存入DIGITAL部分；更换VCTRL<0>-VCTRL<M>为另外一个值，在采取上述的相同的过程：采样、积分、量化、存储。

将VCTRL<0>-VCTRL<M>遍历完以后，从已经存储的列表中找到最小的噪声值，然后将VCTRL<0>-VCTRL<M>调整至相应的值，这样便实现了对混频噪声的优化。

线性度仿真结果显示，混频器的噪声系数在VB_G扫描过程中存在着最优值。当VB_G接近于VB_S+Vth时，噪声系数会产生极小值。在途中表明了3个点，当VB_G=0.8536v时，噪声系数为16.3dB，当VB_G减小100mV为0.753v时，噪声系数上升到17.28dB，当VB_G增大100mV为0.953v时，噪声系数为18.16dB。仿真显示，如果偏置电压VB_G偏置合理，噪声系数会有1-2dB的优化空间。

Claims

1.一种降低混频器噪声的电路，其特征在于包括混频器、积分器、模数转换器、数字电路处理部分、可变基准电压产生电路、译码器，其中：

混频器实现输入信号和本振信号的频率相加减，由混频器的下一级电路对混频器的输出噪声信号进行放大或者滤波，并将噪声信号输出至积分器中；

积分器将该噪声信号进行积分，计算噪声信号能量的大小，并将计算值送给模数转换器；

模数转换器将输入的计算值模拟量转换为数字信号，将量化后的数字信号送入数字电路处理部分；

数字电路处理部分将送入的数字信号进行存储和处理，并根据输入的数字信号的情况，控制译码器的输入CTRL<0>-CTRL<N>，N>1，调整输出端输出值，从而控制可变基准电压产生电路输出相应的基准电压信号到混频器中MOS管的栅极上。

2.一种降低混频器噪声的方法，应用于如权利要求1所述的电路中，其特征在于步骤如下：

a)先将混频器的偏置电压VB_G偏置在一个电压值，即将译码器的输入CTRL<0>-CTRL<N>调整至相应的值；

b)用积分器收集混频器的下一级电路输出的噪声信号；

c)用模数转换器将噪声信号能量进行量化，然后将反应噪声信号能量大小的数字信号存入数字电路处理部分；

d)当数字电路处理部分储存完成以后，数字电路处理部分控制译码器的输入CTRL<0>-CTRL<N>更换为另一个值，从而将VB_G偏置在另外一个电压值；

e)重复步骤a)-d)，采集噪声信号能量并记录能量值大小的过程；

f)当CTRL<0>-CTRL<N>值遍历后，取出噪声信号能量最小时对应的CTRL<0>-CTRL<N>，将VB_G偏置在该直流电压上，混频器将会实现噪声性能的优化。

3.如权利要求1所述的电路，其特征在于，混频器输出端连接的下一级电路可以是滤波器或者是放大器。