CN114070203B - 一种宽带上变频混频器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽带上变频混频器，涉及微电子技术，解决了目前的上变频混频器随着输入信号幅度增加，上变频混频器的线性度将会恶化的技术问题。包括混频模块，用于将输入电压经过无损处理后线性转变为目标电流，对所述目标电流进行缩放匹配处理后，形成基带信号；将所述基带信号调制到射频频段；巴伦模块，用于将调制后的所述基带信号转换成输出电压，同时将双端输出转成单端输出。本发明能有效的提高混频器的信噪比、线性度，同时解决了由直流失调造成的本振泄露的问题；且其工作状态更加稳定，电路功耗更小，工作带宽更宽。

Description

一种宽带上变频混频器
技术领域
本发明涉及微电子技术，更具体地说，它涉及一种宽带上变频混频器。
背景技术
随着无线通信的广泛应用，通信技术向兼容多个通信标准、满足多个频带的趋势发展，射频收发机也朝着多频带、多标准的方向发展，这对射频收发机的工作带宽提出更高的要求。此外，为了满足高数据传输速率的要求，需要更高级的频率调制技术，这都要求射频收发机有很高的线性度。射频前端是射频收发机***中极其重要的部分，而混频器作为射频前端的关键模块，在射频前端中起着至关重要的作用，其性能的好坏直接影响整个发射机前端***的性能，影响信息传递的质量。
在发射机中，信噪比是保证信号传输的关键指标,信噪比要求上变频混频器的输入信号的幅度足够大；其次，在直接上变频发射机中，本振泄露是一个不可忽视的问题，为保证发射信号的质量，需要采取措施抑制本振泄露，而由于上变频混频器输入端的直流失调会在上变频混频器的输出端引起本振泄露，所以需要抑制直流失调的产生。无论是提高信噪比还是抑制直流失调，都要求上变频混频器输入信号幅度足够大。但是，随着输入信号幅度增加，上变频混频器的线性度将会恶化，所以需要找到一种可以抑制直流失调且不会恶化线性度的设计方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种宽带上变频混频器，能有效的提高混频器的信噪比、线性度，同时解决了由直流失调造成的本振泄露的问题。
本发明所述的一种宽带上变频混频器，包括：
混频模块，用于将输入电压经过无损处理后线性转变为目标电流，对所述目标电流进行缩放匹配处理后，形成基带信号；将所述基带信号调制到射频频段；
巴伦模块，用于将调制后的所述基带信号转换成输出电压，同时将双端输出转成单端输出。
作进一步的改进，所述混频模块设有两路，分别为I路混频模块和Q路混频模块；所述I路混频模块和Q路混频模块的结构一致，构成输入匹配网络，以实现多频点最大输出功率阻抗匹配。
进一步的，所述混频模块包括：
改进型电压转电流模块，通过高输入阻抗结构将所述输入电压无畸变地复制到线性转换结构中，并通过线性转换结构将所述输入电压转换为目标电流，所述目标电流通过电流镜结构进行缩放匹配后，形成基带信号；
电流开关模块，用于根据设计的射频频段对所述基带信号进行频率的转换。
更进一步的，所述改进型电压转电流模块包括由两个电路结构一致的高增益运算放大器组成的高输入阻抗结构、由电阻R1和电阻R2组成的线性转换结构、由场效应管Min1和场效应管Mout1组成的第一电流镜结构以及由场效应管Min2和场效应管Mout2组成的第二电流镜结构；
其中，两个所述高增益运算放大器分别记为：第一高增益运算放大器A1和第二高增益运算放大器A2；
两个所述高增益运算放大器的负输入端作为输入电压的连接端；所述第一高增益运算放大器A1的正输入端与电阻R1的一端连接，且所述第一高增益运算放大器A1与电阻R1的连接端与场效应管Min1的漏极连接，所述第一高增益运算放大器A1的输出端分别与场效应管Min1和场效应管Mout1的栅极连接；所述第二高增益运算放大器A2的正输入端与电阻R2的一端连接，且所述第二高增益运算放大器A2与电阻R2的连接端与场效应管Min2的漏极连接，所述第二高增益运算放大器A2的输出端分别与场效应管Min2和场效应管Mout2的栅极连接；所述场效应管Mout1和场效应管Mout2的漏极与电流开关模块的输入端连接；所述场效应管Min1、场效应管Min2、场效应管Mout1和场效应管Mout2的源极均接地；所述电阻R1的另一端与电阻R2的另一端连接，且所述电阻R1和电阻R2的连接端通过电容C1接地。
更进一步的，所述第一高增益运算放大器A1与电阻R1的连接端连接有第一偏置电流源；所述第二高增益运算放大器A2与电阻R2的连接端连接有第二偏置电流源。
更进一步的，所述第一高增益运算放大器A1的输出端与场效应管Mout1的栅极之间以及第二高增益运算放大器A2的输出端与场效应管Mout2的栅极之间均设有低通滤波器模块。
更进一步的，所述电阻R1、电阻R2、第一偏置电流源、第二偏置电流源、场效应管Min1和场效应管Min2均为参数可调的元器件。
所述高增益运算放大器包括：
第一级放大结构，用于将所述输入电压进行放大后作为第二级放大结构的输入电压信号；
第二级放大结构，用于将所述输入电压信号进行放大，并将放大后的输入电压信号作为高增益运算放大器的输出信号；
第三电流镜结构，用于为所述第一级放大结构和第二级放大结构提供偏置电流。
进一步的，所述高增益运算放大器还包括密勒补偿结构；所述密勒补偿结构连接于高增益运算放大器的输出端与第二级放大结构的控制端之间。
更进一步的，所述第三电流镜结构中设有作为高增益运算放大器的有源负载，用于提高所述高增益运算放大器的输出阻抗，以增大其电路增益。
有益效果
本发明的优点在于：
1、混频模块通过对输入电压进行无损处理以及缩放匹配处理获取的基带信号，能有效的提高混频器的信噪比、线性度，同时解决了由直流失调造成的本振泄露的问题。
2、改进型电压转电流模块中减少了基准电压的使用，而且其中的高增益运算放大器正输入端的共模电压由反馈环路提供，并经过RC滤波网络而更加稳定，工作状态更加稳定。
3、通过两路结构一致的混频模块构成的输入匹配网络，能实现多频点最大输出功率阻抗匹配，从而大大的提高了上变混频器的工作带宽。
4、改进型电压转电流模块中的电阻R1和电阻R2、第一偏置电流源和第二偏置电流源、场效应管Min1和场效应管Min2均是可调节的，在输入电压的幅度减小时，通过减小直流偏置电流，能有效的减小电路功耗，使得上变频混频器能应用于基带非恒定幅度的发射机***中。
附图说明
图1为本发明的上变频混频器的结构框图；
图2为本发明的上变频混频器的原理图；
图3为本发明的高增益运算放大器的原理图；
图4为本发明的800MHz频段上变频混频器的输出匹配的仿真结果示意图；
图5为本发明的2.4GHz频段上变频混频器的输出匹配的仿真结果示意图；
图6为本发明的5.5GHz频段上变频混频器的输出匹配的仿真结果示意图；
图7为本发明的上变频混频器的输出功率的仿真结果示意图；
图8为本发明的上变频混频器的转换增益的仿真结果示意图；
图9为本发明的上变频混频器的输出三阶截取点的仿真结果示意图。
其中：1-巴伦模块、2-I路混频模块、3-Q路混频模块、4-改进型电压转电流模块、5-电流开关模块、6-低通滤波器模块。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步的描述，但不构成对本发明的任何限制，任何人在本发明权利要求范围所做的有限次的修改，仍在本发明的权利要求范围内。
参阅图1，本发明的一种宽带上变频混频器，包括：
混频模块，用于将输入电压经过无损处理后线性转变为目标电流，对目标电流进行缩放匹配处理后，形成基带信号。通过对输入电压进行无损处理以及缩放匹配处理获取的基带信号，能有效的提高混频器的信噪比、线性度，同时解决了由直流失调造成的本振泄露的问题。
混频模块获取基带信号后，还将基带信号调制到射频频段。并通过巴伦模块1将调制后的基带信号转换成输出电压，同时将双端输出转成单端输出。
本实施例的混频模块包括：改进型电压转电流模块4和电流开关模块5。
其中，改进型电压转电流模块4，通过高输入阻抗结构将输入电压无畸变地复制到线性转换结构中，并通过线性转换结构将输入电压转换为目标电流，目标电流通过电流镜结构进行缩放匹配后，形成基带信号。
进一步的，改进型电压转电流模块4包括由两个电路结构一致的高增益运算放大器组成的高输入阻抗结构、由电阻R1和电阻R2组成的线性转换结构、由场效应管Min1和场效应管Mout1组成的第一电流镜结构以及由场效应管Min2和场效应管Mout2组成的第二电流镜结构。
其中，两个高增益运算放大器分别记为：第一高增益运算放大器A1和第二高增益运算放大器A2。
两个高增益运算放大器的负输入端作为输入电压的连接端；第一高增益运算放大器A1的正输入端与电阻R1的一端连接，且第一高增益运算放大器A1与电阻R1的连接端与场效应管Min1的漏极连接，第一高增益运算放大器A1的输出端分别与场效应管Min1和场效应管Mout1的栅极连接。第二高增益运算放大器A2的正输入端与电阻R2的一端连接，且第二高增益运算放大器A2与电阻R2的连接端与场效应管Min2的漏极连接，第二高增益运算放大器A2的输出端分别与场效应管Min2和场效应管Mout2的栅极连接；场效应管Mout1和场效应管Mout2的漏极与电流开关模块5的输入端连接。场效应管Min1、场效应管Min2、场效应管Mout1和场效应管Mout2的源极均接地；电阻R1的另一端与电阻R2的另一端连接，且电阻R1和电阻R2的连接端通过电容C1接地。
本实施例的上变频混频器的改进型电压转电流模块4采用了含有高增益的高增益运算放大器和电流镜结构，该结构提供了很大的输入阻抗，使得上变频混频器容易被驱动，提高了发射机的信噪比。
此外，改进型电压转电流模块采用的镜像电流结构使得上变频混频器的电流跟高增益运算放大器的环路增益和电阻R1有关。当环路增益足够大时，使得电流仅跟电阻R1有关，进而提高了上变频混频器的线性度。而且，改进型电压转电流模块的虚地点由差分电路中信号的正负性提供，没有增加额外的元件。电路中减少了基准电压的使用，而且高增益运算放大器正输入端的共模电压由反馈环路提供，并经过电阻R1、电阻R2和电容C1组成的滤波网络而更加稳定，工作状态更加稳定。电流镜结构还能有效的增加上变频混频器各路电流的匹配性，减小直流失调，避免由于电流不匹配而导致的本振泄漏。
优选的，第一高增益运算放大器A1的输出端与场效应管Mout1的栅极之间以及第二高增益运算放大器A2的输出端与场效应管Mout2的栅极之间均设有低通滤波器模块6。具体的，低通滤波器模块6由电阻R3和电容C2构成，且电阻R3和电容C2均为参数可调的元器件。即电阻R3为可变电阻，电容C2为可变电容。
在第一电流镜结构、第二电流镜结构中***RC低通滤波器，滤除改进型电压转电流模块4中产生的三阶谐波，进一步提高了上变频混频器的线性度。本实施例的上变频混频器的输出功率的仿真结果如图7所示，转换增益的仿真结果如图8所示，输出三阶截取点OIP3的仿真结果如图9所示。
优选的，第一高增益运算放大器A1与电阻R1的连接端连接有第一偏置电流源；第二高增益运算放大器A2与电阻R2的连接端连接有第二偏置电流源。
在本实施例中，电阻R1、电阻R2、第一偏置电流源、第二偏置电流源、场效应管Min1和场效应管Min2均为参数可调的元器件。在输入电压的幅度减小时，可通过减小偏置电流源的直流偏置电流，起到减小电路功耗的作用。其可应用于基带信号非恒定幅度的发射机***中。
电流开关模块5，用于根据设计的射频频段对基带信号进行频率的转换。
本实施例的电流开关模块5主要由场效应管M9、场效应管M10、场效应管M11和场效应管M12组成。其中，场效应管M9的栅极和场效应管M12的栅极均输入第一控制信号LOIP；场效应管M10的栅极和场效应管M11的栅极连接，并输入第二控制信号LOIN。场效应管M9和场效应管M10的源极相连，并与场效应管Mout1的漏极相连。场效应管M11和场效应管M12的源极相连，并与场效应管Mout2的漏极相连。场效应管M9和场效应管M11的漏极相连，并与巴伦模块1的一输入端连接；场效应管M10和场效应管M12的漏极相连，并与巴伦模块1的另一输入端连接。
当电流开关模块5接收到基带信号后，通过控制信号对场效应管的快速切换，实现了对基带信号频率的转换，从而将基带信号调制到射频频段。
参阅图2，本实施例的混频模块设有两路，分别为I路混频模块2和Q路混频模块3。I路混频模块2和Q路混频模块3的结构一致，构成输入匹配网络，以实现多频点最大输出功率阻抗匹配，从而大大的提高了上变混频器的工作带宽。在本实施例中，上变频混频器的工作带宽为70M-6GHz。其中，上变频混频器工作在频段800M、2.4GHz和5.5GHz的输出匹配仿真结果分如图4-6所示。
以下将以其中一路的混频模块为例，对上述方案进行进一步的说明。
改进型电压转电流模块4的输入电压与输出电流的关系为：
Figure 12860DEST_PATH_IMAGE001
；
Figure 461158DEST_PATH_IMAGE002
。
通过上述两式解得：
Figure 565862DEST_PATH_IMAGE003
。
式中，Vin为改进型电压转电流模块的输入电压；VX为高增益运算放大器正输入端的电压；A为高增益运算放大器的增益；gm为镜像场效应管管Min1的跨导；Iin为流经场效应管Min1的电流；Iout为流经场效应管Mout1的电流；M为改进型电压转电流模块中电流镜结构的镜像比。
当
Figure 492230DEST_PATH_IMAGE004
时，
Figure 837760DEST_PATH_IMAGE005
，即上变频混频器的电流仅跟电阻R1有关。
上变频混频器整体结构采用I/Q正交边带抑制混频器结构，在发射端则不需要额外的滤波器从而减小***面积，简化设计，提高电路集成度。
参阅图3，本实施例的高增益运算放大器包括：
第一级放大结构，用于将输入电压进行放大后作为第二级放大结构的输入电压信号。其中，第一级放大结构是以有源电流镜为负载的差分共源放大电路。该结构的输入对管为场效应管M1和场效应管M2，其栅极接入输入电压，用于将输入电压转换为电流。有源电流镜对管为场效应管M6和场效应管M7，用于将输入电流转换为电压，并作为第二级放大器的输入电压。
第二级放大结构，用于将输入电压信号进行放大，并将放大后的输入电压信号作为高增益运算放大器的输出信号。其中，第二级放大结构为单边共源放大器。其输入管为场效应管M8，负载管为场效应管M5。
第三电流镜结构，用于为第一级放大结构和第二级放大结构提供偏置电流。其中，第三电流镜结构主要由场效应管M4、场效应管M5和场效应管M3构成。
此外，第三电流镜结构中设有作为高增益运算放大器的有源负载，用于提高高增益运算放大器的输出阻抗，以增大其电路增益。具体的，作为高增益运算放大器的有源负载的器件为场效应管M5。即场效应管M5同时兼作高增益运算放大器的有源负载。
优选的，高增益运算放大器还包括密勒补偿结构和第三偏置电流源。密勒补偿结构连接于高增益运算放大器的输出端与第二级放大结构的控制端之间。第三偏置电流源为电流可调的偏置结构，用于调节高增益运算放大器的带宽。
具体的，密勒补偿结构由可调电阻R0和电容C0组成，用于将两级放大结构间的极点向原点移动，使输出极点向离开原点的方向移动，提高电路的相位裕度。第三偏置电流源连接于电源端与场效应管M3的漏极之间。电阻R0采用可调结构，能改变由密勒补偿引进的零点位置，提高电路的稳定性。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

Claims (8)

1.一种宽带上变频混频器，其特征在于，包括：
混频模块，用于将输入电压经过无损处理后线性转变为目标电流，对所述目标电流进行缩放匹配处理后，形成基带信号；将所述基带信号调制到射频频段；
巴伦模块（1），用于将调制后的所述基带信号转换成输出电压，同时将双端输出转成单端输出；
所述混频模块包括：
改进型电压转电流模块（4），通过高输入阻抗结构将所述输入电压无畸变地复制到线性转换结构中，并通过线性转换结构将所述输入电压转换为目标电流，所述目标电流通过电流镜结构进行缩放匹配后，形成基带信号；
电流开关模块（5），用于根据设计的射频频段对所述基带信号进行频率的转换；
所述改进型电压转电流模块（4）包括由两个电路结构一致的高增益运算放大器组成的高输入阻抗结构、由电阻R1和电阻R2组成的线性转换结构、由场效应管Min1和场效应管Mout1组成的第一电流镜结构以及由场效应管Min2和场效应管Mout2组成的第二电流镜结构；
其中，两个所述高增益运算放大器分别记为：第一高增益运算放大器A1和第二高增益运算放大器A2；
两个所述高增益运算放大器的负输入端作为输入电压的连接端；所述第一高增益运算放大器A1的正输入端与电阻R1的一端连接，且所述第一高增益运算放大器A1与电阻R1的连接端与场效应管Min1的漏极连接，所述第一高增益运算放大器A1的输出端分别与场效应管Min1和场效应管Mout1的栅极连接；
所述第二高增益运算放大器A2的正输入端与电阻R2的一端连接，且所述第二高增益运算放大器A2与电阻R2的连接端与场效应管Min2的漏极连接，所述第二高增益运算放大器A2的输出端分别与场效应管Min2和场效应管Mout2的栅极连接；所述场效应管Mout1和场效应管Mout2的漏极与电流开关模块（5）的输入端连接；所述场效应管Min1、场效应管Min2、场效应管Mout1和场效应管Mout2的源极均接地；所述电阻R1的另一端与电阻R2的另一端连接，且所述电阻R1和电阻R2的连接端通过电容C1接地。
2.根据权利要求1所述的一种宽带上变频混频器，其特征在于，所述混频模块设有两路，分别为I路混频模块（2）和Q路混频模块（3）；所述I路混频模块（2）和Q路混频模块（3）的结构一致，构成输入匹配网络，以实现多频点最大输出功率阻抗匹配。
3.根据权利要求1所述的一种宽带上变频混频器，其特征在于，所述第一高增益运算放大器A1与电阻R1的连接端连接有第一偏置电流源；所述第二高增益运算放大器A2与电阻R2的连接端连接有第二偏置电流源。
4.根据权利要求1所述的一种宽带上变频混频器，其特征在于，所述第一高增益运算放大器A1的输出端与场效应管Mout1的栅极之间以及第二高增益运算放大器A2的输出端与场效应管Mout2的栅极之间均设有低通滤波器模块（6）。
5.根据权利要求3所述的一种宽带上变频混频器，其特征在于，所述电阻R1、电阻R2、第一偏置电流源、第二偏置电流源、场效应管Min1和场效应管Min2均为参数可调的元器件。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种宽带上变频混频器，其特征在于，所述高增益运算放大器包括：
第一级放大结构，用于将所述输入电压进行放大后作为第二级放大结构的
输入电压信号；
第二级放大结构，用于将所述输入电压信号进行放大，并将放大后的输入电压信号作为高增益运算放大器的输出信号；
第三电流镜结构，用于为所述第一级放大结构和第二级放大结构提供偏置电流。
7.根据权利要求6所述的一种宽带上变频混频器，其特征在于，所述高增益运算放大器还包括密勒补偿结构；所述密勒补偿结构连接于高增益运算放大器的输出端与第二级放大结构的控制端之间。
8.根据权利要求7所述的一种宽带上变频混频器，其特征在于，所述第三电流镜结构中设有作为高增益运算放大器的有源负载，用于提高所述高增益运算放大器的输出阻抗，以增大其电路增益。
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