CN106301227B - 一种负载自偏置电流倍增型无源混频器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种负载自偏置电流倍增型无源混频器，包括自偏置输入跨导级、无源本振开关以及低电压跨阻放大器。本发明通过增加一组差分对并复制共栅管的电流注入到负载，将下变频后的电流进行了倍增，提高了转换增益；并使用了负载自偏置技术，提高了负载阻值以进一步提升转换增益并抑制共模增益，使输出共模电平等于负载管栅极电压下移一个固定偏压，以适应低电源应用场合；此外为克服40nm晶体管沟道阻抗低对电流复制比例的影响，本发明对跨导级采用了自偏置技术，从PMOS跨导管阵列中分出一部分同时为开关管和负载级电路提供偏置电流，实现了低电压低、低功耗、低噪声和高转换增益的特点。

Description

一种负载自偏置电流倍增型无源混频器

技术领域

本发明涉及混频器技术领域，具体涉及一种负载自偏置电流倍增型无源混频器。

背景技术

在射频接收***中，混频器作为射频前端关键模块，其功耗水平在接收链路中占据了可观的份额。针对混频器的低功耗设计方法和电路结构一直是业界的研究热点，而降低电源电压和减少偏置电流是降低功耗的主要途径。而当半导体工艺尺寸到达40nm以下时，短沟道晶体管的有限输出阻抗给偏置电流的精确设置带来了挑战。对于如GPS等卫星信号接收机，射频前端需实现较高的转换增益以实现对噪声的抑制。

发明内容

发明目的：为了显著降低混频器的功耗水平，本发明提出一种负载自偏置电流倍增型无源混频器，相比传统无源混频器，本发明同时降低电源电压和偏置电流，实现了更高的功效，即本发明增加一组差分对并复制共栅管的电流注入到负载，将下变频后的电流进行了倍增，提高了转换增益；并使用了负载自偏置技术，提高了负载阻值以进一步提升转换增益并抑制共模增益，使输出共模电平等于负载管栅极电压下移一个固定偏压，以适应低电源应用场合；此外为克服40nm晶体管沟道阻抗低对电流复制比例的影响，本发明对跨导级采用了自偏置技术，从PMOS跨导管阵列中分出一部分同时为开关管和负载级电路提供偏置电流。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种负载自偏置电流倍增型无源混频器，包括自偏置输入跨导级、无源本振开关和低电压跨阻放大器，其中：

所述自偏置输入跨导级包括镜像PMOS跨导管和自偏置电路，自偏置电路设有自偏置NMOS跨导管，无源本振开关输入本振信号，自偏置输入跨导级的镜像PMOS跨导管与自偏置NMOS跨导管采用电容耦合的方式，通过无源本振开关共同为低电压跨阻放大器提供偏置电流，且通过形成的PMOS跨导管阵列分出部分电流同时为无源本振开关中的开关管和负载级电路提供偏置电流；

所述低电压跨阻放大器为跨导增强结构，低电压跨阻放大器包括NMOS管共源放大器、PMOS管共栅管、差分对和负载自偏置电路，所述差分对包括PMOS管组成的跨导管，通过NMOS管共源放大器为PMOS管共栅管提升跨导，差分对的跨导管与PMOS管共栅管尺寸相同，并偏置在相同的直流电流下，差分对的栅极与PMOS共栅管的漏极相连，在跨导增强结构电路的作用下，PMOS管共栅管的源极相当于虚地，差分对中的跨导管复制PMOS管共栅管的电流并注入到负载，将下变频后的电流进行了倍增；所述负载自偏置电路包括PMOS管，负载自偏置电路通过注入直流电流的方式，使低电压跨阻放大器的输出共模电平等于负载管栅极电压下移一个固定偏压。

作为优选，所述负载自偏置电流倍增型无源混频器包括构成无源本振开关的第二NMOS管NM2和第三NMOS管NM3；构成低电压跨阻放大器的第四NMOS管NM4、第五NMOS管NM5、第二PMOS管PM2、第三PMOS管PM3、第四PMOS管PM4、第五PMOS管PM5、第六PMOS管PM6、第七PMOS管PM7、第八PMOS管PM8、第三电阻R3、第四电阻R4、第二电容C2、第五电容C5、第六电容C6、第七NMOS管NM7、第八NMOS管NM8和第十PMOS管PM10，其中：

所述第二NMOS管NM2的漏极和第三NMOS管NM3的漏极相接，其连接点连接自偏置输入跨导级的输出信号；第二NMOS管NM2的栅极接本振信号的正极，第二NMOS管NM2的源极接第二PMOS管PM2的源极；第三NMOS管NM3的栅极接本振信号的负极，第三NMOS管NM3的源极接第三PMOS管PM3的源极；第二电容C2的上极板接第三NMOS管NM3的源极，第二电容C2的下极板接第二NMOS管NM2的源极；第二PMOS管PM2的栅极接第四NMOS管NM4的漏极，第二PMOS管PM2的漏极为负载自偏置电流倍增型无源混频器的输出信号正极输出端；第五电容C5的正极接第二PMOS管PM2的漏极，第五电容C5的负极接地；第四NMOS管NM4的栅极接第二NMOS管NM2的源极，第四NMOS管NM4的源极接地；第四PMOS管PM4的源极、第五PMOS管PM5的源极、第六PMOS管PM6的源极和第十PMOS管PM10的源极均连接电源电压，第四PMOS管PM4的栅极、第五PMOS管PM5的栅极、第六PMOS管PM6的栅极和第十PMOS管PM10的栅极均连接第三偏置电压；第四PMOS管PM4的漏极接第四NMOS管NM4的漏极；第三PMOS管PM3的栅极、第五NMOS管NM5的漏极和第五PMOS管PM5的漏极相接，第三PMOS管PM3的漏极为负载自偏置电流倍增型无源混频器的输出信号负极输出端；第五NMOS管NM5的源极接地，第五NMOS管NM5的栅极接第三PMOS管PM3的源极；第六电容C6的正极接第三PMOS管PM3的漏极，第六电容C6的负极接地；第六PMOS管PM6的漏极接第七PMOS管PM7的源极和第八PMOS管PM8的源极；第七PMOS管PM7的栅极接第二PMOS管PM2的栅极，第七PMOS管PM7的漏极、第三电阻R3的正极和第七NMOS管NM7的漏极相接，其连接点接第二PMOS管PM2的漏极；第八PMOS管PM8的栅极接第三PMOS管PM3的栅极，第八PMOS管PM8的漏极、第四电阻R4的正极和第八NMOS管NM8的漏极相接，其连接点接第三PMOS管PM3的漏极；第三电阻R3的负极、第四电阻R4的负极、第七NMOS管NM7的栅极和第八NMOS管NM8的栅极均接第十PMOS管PM10的漏极；第七NMOS管NM7和第八NMOS管NM8的源极均接地。

作为优选，所述负载自偏置电流倍增型无源混频器包括构成自偏置输入跨导级的第一NMOS管NM1、第六NMOS管NM6、第一PMOS管PM1、第九PMOS管PM9、第一电阻R1、第二电阻R2、第五电阻R5、第一电容C1、第三电容C3和第四电容C4；构成无源本振开关的第二NMOS管NM2和第三NMOS管NM3，其中：

所述第一NMOS管NM1的源极接地，第一NMOS管NM1的栅极为负载自偏置电流倍增型无源混频器的输入信号端，第一NMOS管NM1的漏极接第一PMOS管PM1的漏极；第一电阻R1的负极接第一偏置电压，第一电阻R1的正极接第一NMOS管NM1的栅极；第一PMOS管PM1的源极接电源电压，第一PMOS管PM1的栅极接第一电容C1的负极；第一电容C1的正极接第一NMOS管NM1的栅极；第二电阻R2的正极接第一PMOS管PM1的栅极，第二电阻R2的负极接第四电容C4的正极，第四电容C4的负极接电源；第六NMOS管NM6的源极接地，第六NMOS管NM6的栅极接第二偏置电压，第六NMOS管NM6的漏极接第二电阻R2的负极；第五电阻R5的正极接第一NMOS管NM1的漏极，第五电阻R5的负极接第六NMOS管NM6的漏极；第三电容C3的正极接第一PMOS管PM1的漏极，第三电容C3的负极接第九PMOS管PM9的漏极，第九PMOS管PM9的源极接电源电压，第九PMOS管PM9的栅极接第一PMOS管PM1的栅极；

所述第二NMOS管NM2的栅极接本振信号的正极，第二NMOS管NM2的漏极接第九PMOS管PM9的漏极；第三NMOS管NM3的栅极接本振信号的负极，第三NMOS管NM3的漏极接第九PMOS管PM9的漏极；第二NMOS管NM2的源极和第三NMOS管NM3的源极分别连接低电压跨阻放大器的两路信号输入端。

有益效果：本发明提出的负载自偏置电流倍增型无源混频器，相比现有技术，具有以下效果：其跨导级为CMOS结构，可偏置在较低的电源电压下。跨阻放大器为融入跨导自举技术的共栅放大器，为降低电源电压，跨导自举电路采用了NMOS输入的共源放大器结构；此外跨导级通过混频器的开关管与跨阻级构成电流复用，降低了总体偏置电流。在跨导级，NMOS管和PMOS管一起向开关级注入射频电流，获得了较高的等效跨导。跨阻放大器通过增益自举可获得足够低的输入阻抗，可充分吸收变频后的电流并将其在负载电阻上转换成输出电压。由于对共栅管进行了跨导自举，使得从负载电阻端往上看过去的阻抗更高，因此可以进一步提高负载电阻值而不会带来增益压缩效应。

除此之外，本发明提出的负载自偏置电流倍增型无源混频器实现了更高的转换增益和更精确的偏置电流。本发明的跨阻放大器中引入一个额外的差分对，该差分对的跨导管与共栅管尺寸相同，并偏置在相同的直流电流下，其栅极与共栅管的栅极相连。在跨导增强电路的作用下，共栅管的源极相当于虚地。差分对中的跨导管将复制共栅管的电流并注入到负载。由此将下变频后的电流进行了倍增，从而提高了转换增益。同时，由于短沟道晶体管的输出阻抗较低，如果用设置PMOS跨导管和NMOS跨导管偏置电流差值来为跨阻放大器进行偏置的方法，将会给跨阻放大器的实际偏置电流带来很大的不确定性，对电流复制比例造成影响。本发明通过对PMOS跨导管采取自偏置，以及镜像一部分PMOS跨导电流注入跨阻放大器的方式，即自偏置跨导级结合电容耦合的电流镜的方式，一方面起到了跨导级电流和跨阻放大器的复用效果，另一方面可较为精确地固定跨阻放大器的偏置电流，确保了跨导级晶体管处于饱和区，并保证了跨阻放大器的偏置电流处于合理的范围内，给中频电路提供较为精确的直流偏置。

此外，本发明提出的负载自偏置电流倍增型无源混频器能够进一步提高负载阻抗值同时提高转换增益。本发明使用了负载自偏置技术，为降低输出共模电压，本发明通过注入直流电流的方式，使输出共模电平等于负载管栅极电压下移一个固定偏压，在解决电压裕度的同时也提高了对共模信号的抑制能力。

综上所述，本发明具有低电压低、低功耗、高转换增益的特点。

附图说明

图1为本发明的负载自偏置电流倍增型无源混频器的一个优选实施例的电路图；

图2为本发明的负载自偏置电流倍增型无源混频器的转换增益随输入频率变化的曲线图以及去掉电流倍增效果后的转换增益随输入频率变化的曲线图，分别以实线和虚线表示。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为本发明的一种负载自偏置电流倍增型无源混频器的优选实施例的电路图，包括自偏置输入跨导级、无源本振开关以及低电压跨阻放大器；低电压跨阻放大器为跨导增强结构，通过NMOS共源放大器为PMOS共栅管提升跨导，克服了电压裕度的限制。为了提高转换增益，本发明增加一组差分对并复制共栅管的电流注入到负载，将下变频后的电流进行了倍增。为提高负载阻值以进一步提升转换增益并抑制共模增益，本发明使用了负载自偏置技术。为降低输出共模电压，本发明通过注入直流电流的方式，使输出共模电平等于负载管栅极电压下移一个固定偏压，以适应低电源应用场合。此外为克服40nm晶体管沟道阻抗低对电流复制比例的影响，本发明对跨导级采用了自偏置技术，从PMOS跨导管阵列中分出一部分同时为开关管和负载级电路提供偏置电流。在上述结构特点的作用下，本发明具有低电压低、低功耗，高转换增益的特点。

如图1所示，本实施例中，所述负载自偏置电流倍增型无源混频器包括构成自偏置输入跨导级的第一NMOS管NM1、第六NMOS管NM6、第一PMOS管PM1、第九PMOS管PM9、第一电阻R1、第二电阻R2、第五电阻R5、第一电容C1、第三电容C3和第四电容C4；构成无源本振开关的第二NMOS管NM2和第三NMOS管NM3；构成低电压跨阻放大器的第四NMOS管NM4、第五NMOS管NM5、第二PMOS管PM2、第三PMOS管PM3、第四PMOS管PM4、第五PMOS管PM5、第六PMOS管PM6、第七PMOS管PM7、第八PMOS管PM8、第三电阻R3、第四电阻R4、第二电容C2、第五电容C5、第六电容C6、第七NMOS管NM7、第八NMOS管NM8和第十PMOS管PM10，其中：

所述第一NMOS管NM1的源极接地，第一NMOS管NM1的栅极为负载自偏置电流倍增型无源混频器的输入信号端，第一NMOS管NM1的漏极接第一PMOS管PM1的漏极；第一电阻R1的负极接第一偏置电压，第一电阻R1的正极接第一NMOS管NM1的栅极；第一PMOS管PM1的源极接电源电压，第一PMOS管PM1的栅极接第一电容C1的负极；第一电容C1的正极接第一NMOS管NM1的栅极；第二电阻R2的正极接第一PMOS管PM1的栅极，第二电阻R2的负极接第四电容C4的正极，第四电容C4的负极接电源；第六NMOS管NM6的源极接地，第六NMOS管NM6的栅极接第二偏置电压，第六NMOS管NM6的漏极接第二电阻R2的负极；第五电阻R5的正极接第一NMOS管NM1的漏极，第五电阻R5的负极接第六NMOS管NM6的漏极；第三电容C3的正极接第一PMOS管PM1的漏极，第三电容C3的负极接第九PMOS管PM9的漏极，第九PMOS管PM9的源极接电源电压，第九PMOS管PM9的栅极接第一PMOS管PM1的栅极；

所述第二NMOS管NM2的栅极接本振信号的正极，第二NMOS管NM2的漏极接第九PMOS管PM9的漏极；第三NMOS管NM3的栅极接本振信号的负极，第三NMOS管NM3的漏极接第九PMOS管PM9的漏极；第二NMOS管NM2的源极接第二PMOS管PM2的源极；

所述第三NMOS管NM3的源极接第三PMOS管PM3的源极；第二电容C2的上极板接第三NMOS管NM3的源极，第二电容C2的下极板接第二NMOS管NM2的源极；第二PMOS管PM2的栅极接第四NMOS管NM4的漏极，第二PMOS管PM2的漏极为负载自偏置电流倍增型无源混频器的输出信号正极输出端；第五电容C5的正极接第二PMOS管PM2的漏极，第五电容C5的负极接地；第四NMOS管NM4的栅极接第二NMOS管NM2的源极，第四NMOS管NM4的源极接地；第四PMOS管PM4的源极、第五PMOS管PM5的源极、第六PMOS管PM6的源极和第十PMOS管PM10的源极均连接电源电压，第四PMOS管PM4的栅极、第五PMOS管PM5的栅极、第六PMOS管PM6的栅极和第十PMOS管PM10的栅极均连接第三偏置电压；第四PMOS管PM4的漏极接第四NMOS管NM4的漏极；第三PMOS管PM3的栅极、第五NMOS管NM5的漏极和第五PMOS管PM5的漏极相接，第三PMOS管PM3的漏极为负载自偏置电流倍增型无源混频器的输出信号负极输出端；第五NMOS管NM5的源极接地，第五NMOS管NM5的栅极接第三PMOS管PM3的源极；第六电容C6的正极接第三PMOS管PM3的漏极，第六电容C6的负极接地；第六PMOS管PM6的漏极接第七PMOS管PM7的源极和第八PMOS管PM8的源极；第七PMOS管PM7的栅极接第二PMOS管PM2的栅极，第七PMOS管PM7的漏极、第三电阻R3的正极和第七NMOS管NM7的漏极相接，其连接点接第二PMOS管PM2的漏极；第八PMOS管PM8的栅极接第三PMOS管PM3的栅极，第八PMOS管PM8的漏极、第四电阻R4的正极和第八NMOS管NM8的漏极相接，其连接点接第三PMOS管PM3的漏极；第三电阻R3的负极、第四电阻R4的负极、第七NMOS管NM7的栅极和第八NMOS管NM8的栅极均接第十PMOS管PM10的漏极；第七NMOS管NM7和第八NMOS管NM8的源极均接地。

如图2所示，实线为包含本发明的混频器的射频前端转换增益随输入频率的曲线图，虚线为去掉电流倍增效果后的转换增益随输入频率的曲线图。从图中可以看出，本发明对下变频电流的倍增效果明显，在未改变带宽的前提下将转化增益提升了5.8dB。

综上所述，本发明从下面两方面进行改进以提升转换增益：1、在低电压跨阻放大器中增加一组差分对复制流过共栅管的下变频电流并注入到负载级，由于共栅管的偏置电流远低于射频跨导级，本发明仅增加了稍许功耗实现了等效跨导的倍增；2、通过使用自偏置负载结构，负载电阻为跨接方式，其阻值得以大幅提高。同时，本发明通过注入直流电流的方式，使输出共模电平等于负载管栅极电压下移一个固定偏压，以适应低电源应用场合。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种负载自偏置电流倍增型无源混频器，其特征在于：包括自偏置输入跨导级、无源本振开关和低电压跨阻放大器，其中，

所述自偏置输入跨导级包括镜像PMOS跨导管和自偏置电路，自偏置电路设有自偏置NMOS跨导管，无源本振开关输入本振信号，自偏置输入跨导级的镜像PMOS跨导管与自偏置NMOS跨导管采用电容耦合的方式，通过无源本振开关共同为低电压跨阻放大器提供偏置电流，且通过形成的PMOS跨导管阵列分出部分电流同时为无源本振开关中的开关管和负载级电路提供偏置电流；

所述低电压跨阻放大器为跨导增强结构，低电压跨阻放大器包括NMOS管共源放大器、PMOS管共栅管、差分对和负载自偏置电路，所述差分对包括PMOS管组成的跨导管，通过NMOS管共源放大器为PMOS管共栅管提升跨导，差分对的跨导管与PMOS管共栅管尺寸相同，并偏置在相同的直流电流下，差分对的栅极与PMOS共栅管的漏极相连，在跨导增强结构电路的作用下，PMOS管共栅管的源极相当于虚地，差分对中的跨导管复制PMOS管共栅管的电流并注入到负载，将下变频后的电流进行了倍增；所述负载自偏置电路包括PMOS管，负载自偏置电路通过注入直流电流的方式，使低电压跨阻放大器的输出共模电平等于负载管栅极电压下移一个固定偏压。

2.根据权利要求1所述的负载自偏置电流倍增型无源混频器，其特征在于：所述负载自偏置电流倍增型无源混频器包括构成无源本振开关的第二NMOS管NM2和第三NMOS管NM3；构成低电压跨阻放大器的第四NMOS管NM4、第五NMOS管NM5、第二PMOS管PM2、第三PMOS管PM3、第四PMOS管PM4、第五PMOS管PM5、第六PMOS管PM6、第七PMOS管PM7、第八PMOS管PM8、第三电阻R3、第四电阻R4、第二电容C2、第五电容C5、第六电容C6、第七NMOS管NM7、第八NMOS管NM8和第十PMOS管PM10，其中：

所述第二NMOS管NM2的漏极和第三NMOS管NM3的漏极相接，其连接点连接自偏置输入跨导级的输出信号；第二NMOS管NM2的栅极接本振信号的正极，第二NMOS管NM2的源极接第二PMOS管PM2的源极；第三NMOS管NM3的栅极接本振信号的负极，第三NMOS管NM3的源极接第三PMOS管PM3的源极；第二电容C2的上极板接第三NMOS管NM3的源极，第二电容C2的下极板接第二NMOS管NM2的源极；第二PMOS管PM2的栅极接第四NMOS管NM4的漏极，第二PMOS管PM2的漏极为负载自偏置电流倍增型无源混频器的输出信号正极输出端；第五电容C5的正极接第二PMOS管PM2的漏极，第五电容C5的负极接地；第四NMOS管NM4的栅极接第二NMOS管NM2的源极，第四NMOS管NM4的源极接地；第四PMOS管PM4的源极、第五PMOS管PM5的源极、第六PMOS管PM6的源极和第十PMOS管PM10的源极均连接电源电压，第四PMOS管PM4的栅极、第五PMOS管PM5的栅极、第六PMOS管PM6的栅极和第十PMOS管PM10的栅极均连接第三偏置电压；第四PMOS管PM4的漏极接第四NMOS管NM4的漏极；第三PMOS管PM3的栅极、第五NMOS管NM5的漏极和第五PMOS管PM5的漏极相接，第三PMOS管PM3的漏极为负载自偏置电流倍增型无源混频器的输出信号负极输出端；第五NMOS管NM5的源极接地，第五NMOS管NM5的栅极接第三PMOS管PM3的源极；第六电容C6的正极接第三PMOS管PM3的漏极，第六电容C6的负极接地；第六PMOS管PM6的漏极接第七PMOS管PM7的源极和第八PMOS管PM8的源极；第七PMOS管PM7的栅极接第二PMOS管PM2的栅极，第七PMOS管PM7的漏极、第三电阻R3的正极和第七NMOS管NM7的漏极相接，其连接点接第二PMOS管PM2的漏极；第八PMOS管PM8的栅极接第三PMOS管PM3的栅极，第八PMOS管PM8的漏极、第四电阻R4的正极和第八NMOS管NM8的漏极相接，其连接点接第三PMOS管PM3的漏极；第三电阻R3的负极、第四电阻R4的负极、第七NMOS管NM7的栅极和第八NMOS管NM8的栅极均接第十PMOS管PM10的漏极；第七NMOS管NM7和第八NMOS管NM8的源极均接地。

3.根据权利要求1所述的负载自偏置电流倍增型无源混频器，其特征在于：所述负载自偏置电流倍增型无源混频器包括构成自偏置输入跨导级的第一NMOS管NM1、第六NMOS管NM6、第一PMOS管PM1、第九PMOS管PM9、第一电阻R1、第二电阻R2、第五电阻R5、第一电容C1、第三电容C3和第四电容C4；构成无源本振开关的第二NMOS管NM2和第三NMOS管NM3，其中：

所述第一NMOS管NM1的源极接地，第一NMOS管NM1的栅极为负载自偏置电流倍增型无源混频器的输入信号端，第一NMOS管NM1的漏极接第一PMOS管PM1的漏极；第一电阻R1的负极接第一偏置电压，第一电阻R1的正极接第一NMOS管NM1的栅极；第一PMOS管PM1的源极接电源电压，第一PMOS管PM1的栅极接第一电容C1的负极；第一电容C1的正极接第一NMOS管NM1的栅极；第二电阻R2的正极接第一PMOS管PM1的栅极，第二电阻R2的负极接第四电容C4的正极，第四电容C4的负极接电源；第六NMOS管NM6的源极接地，第六NMOS管NM6的栅极接第二偏置电压，第六NMOS管NM6的漏极接第二电阻R2的负极；第五电阻R5的正极接第一NMOS管NM1的漏极，第五电阻R5的负极接第六NMOS管NM6的漏极；第三电容C3的正极接第一PMOS管PM1的漏极，第三电容C3的负极接第九PMOS管PM9的漏极，第九PMOS管PM9的源极接电源电压，第九PMOS管PM9的栅极接第一PMOS管PM1的栅极；

所述第二NMOS管NM2的栅极接本振信号的正极，第二NMOS管NM2的漏极接第九PMOS管PM9的漏极；第三NMOS管NM3的栅极接本振信号的负极，第三NMOS管NM3的漏极接第九PMOS管PM9的漏极；第二NMOS管NM2的源极和第三NMOS管NM3的源极分别连接低电压跨阻放大器的两路信号输入端。