CN115833756A

CN115833756A - 一种集成有源巴伦的宽带小型化混频器

Info

Publication number: CN115833756A
Application number: CN202211625911.4A
Authority: CN
Inventors: 胡三明; 万嘉鹏; 沈一竹
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2022-12-14
Filing date: 2022-12-14
Publication date: 2023-03-21

Abstract

本发明公开了一种集成有源巴伦的宽带小型化混频器，包括有源巴伦电路、中频放大电路、射频与本振匹配电路以及基于增益倍增技术的混频电路。其中，有源巴伦电路使输入的单端中频信号转变为差分中频信号，中频放大电路的漏极输出直接与混频电路相连，基于增益倍增技术的混频电路将变压器单转双馈入的本振信号与中频放大电路馈入的中频信号进行双平衡混频，射频匹配电路将射频信号转化为单端信号输出。区别于传统吉尔伯特混频器，本发明中频采用有源巴伦技术与基于电流复用的推挽放大器技术，有效提升了混频器的带宽及转换增益，并大幅减少芯片面积及制造成本，同时混频采用增益倍增技术，在低功耗的前提下进一步提高混频器的转换增益。

Description

一种集成有源巴伦的宽带小型化混频器

技术领域

本发明涉及一种集成电路，尤其涉及一种集成有源巴伦的宽带小型化混频器。

背景技术

下一代无线通信正在向具有丰富频率资源的太赫兹频段延伸。太赫兹(Terahertz，THz)波可定义为位于0.1THz-10THz频率之间频段的电磁波。太赫兹通信是以太赫兹频段作为载波实现无线通信的技术。太赫兹频段凭借丰富的频段资源优势，兼备高速率传输能力和高精度定位感知能力。尽管太赫兹频段有着更加丰富的频谱资源，对于数据的传输和通信有着诸多益处，但更高的频率也对无线通信***中的收发机提出了更高的要求。

混频器作为发射机***中不可或缺的一环，为了通信能够实现更高的速率和更复杂的调制方式，能否提供宽带高性能的混频性能成为不可忽视的问题。在无线通信***中，为了降低成本，一般采用超外差直接上变频发射机技术，但超外差直接上变频发射机技术中频放大电路工作频率较低，无源器件会大幅增加芯片面积，也就是说通过牺牲面积来换取混频器的宽带性能。因此，如何在保证带宽、转化增益等基本电路性能的前提下，混频器芯片的小型化成为目前亟需解决的问题之一。

发明内容

技术问题：针对上述传统混频器存在的带宽窄、转化增益低以及无源网络面积大等问题，本发明提出了一种集成有源巴伦的宽带小型化混频器，在提升带宽及转化增益的同时，大幅缩减混频器芯片面积。

技术方案：本发明的一种集成有源巴伦的宽带小型化混频器包括有源巴伦电路、中频放大电路、射频与本振匹配电路以及基于增益倍增技术的混频电路；其中，有源巴伦电路的中频正信号和中频负信号分别与中频放大电路的两个输入端相连接，中频放大电路的差分输出端与基于增益倍增技术的混频电路差分输入端对应连接，混频电路的射频正信号和射频负信号通过第一变压器巴伦转换为单端射频信号输出，单端本振信号通过第二变压器巴伦转换为混频电路的本振正信号和本振负信号输入。

所述有源巴伦电路由一级共栅放大器与一级共源放大器组成，共栅放大器由第一晶体管、第二晶体管、第一电容、第三电容、第一电阻以及第三电阻组成，第一电容的一端与输入中频信号相连，另一端与第一晶体管的漏极和第二晶体管的源极相连，第一晶体管的源极接地，第一晶体管的栅极通过第一电阻接第一偏置电压；第三电阻的一端接电源，另一端与第二晶体管的漏极相连接，第三电容一端连接第二晶体管的漏极和第三电阻，另一端作为有源巴伦电路的中频正信号的输入端；共源放大器由第三晶体管、第四电容、第二电阻以及第四电阻组成，第三晶体管的栅极通过第二电阻接第二偏置电压，第三晶体管的栅极通过第二电容接第一晶体管的漏极，第三晶体管的源极接地，漏极通过第四电阻接电源，第四电容一端连接第三晶体管的漏极和第四电阻，另一端作为有源巴伦电路的中频负信号的输入端；该结构既实现了输入匹配，又实现了单端信号与差分信号的转化。

所述带有增益倍增技术的混频电路由双平衡混频电路与增益倍增技术电路组成，双平衡混频电路，由第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管以及第七晶体管组成，第四晶体管与第五晶体管的源极和源极相连，第六晶体管与第七晶体管的源极和源极相连，第五晶体管与第六晶体管的栅极和栅极相连，第四晶体管的栅极和第七晶体管的栅极直接连接后作为双平衡混频电路的本振正信号的输入端，第五晶体管和第六晶体管的栅极直接连接后作为双平衡混频电路的本振负信号的输入端，第四晶体管与第六晶体管的漏极直接连接后作为混频电路的射频正信号的输出端，第五晶体管与第七晶体管的漏极直接连接后作为混频电路的射频负信号的输出端；增益倍增技术电路由第八晶体管与第九晶体管组成，第八晶体管与第九晶体管的源极接电源，第八晶体管的漏极与第九晶体管的栅极及第四晶体管与第五晶体管的源极相连接，第九晶体管的漏极与第八晶体管的栅极及第六晶体管与第七晶体管的源极相连接。

所述中频放大电路由一级差分推挽放大器组成，中频差分信号正端推挽放大器由第十晶体管、第十一晶体管以及第五电阻组成，第十晶体管与第十一晶体管的栅极和栅极相连，漏极和漏极相连，第十晶体管的源极接地，第十一晶体管的源极接电源，第五电阻一端连接第十晶体管和第十一晶体管的栅极直接连接后作为中频放大电路的中频正信号的输入端，另一端连接第十晶体管和第十一晶体管的漏极作为中频放大电路的正输出端接基于增益倍增技术的混频电路；中频差分信号负端推挽放大器由第十二晶体管、第十三晶体管以及第六电阻组成，第十二晶体管、第十三晶体管的栅极和栅极相连，漏极和漏极相连，第十二晶体管的源极接地，第十三晶体管的源极接电源，第六电阻一端连接第十二晶体管的栅极和第十三晶体管的栅极直接连接后作为中频放大电路的中频负信号的输入端，另一端连接第十二晶体管和第十三晶体管的漏极即作为中频放大电路的负输出端接基于增益倍增技术的混频电路。

所述射频与本振匹配电路由射频输出匹配电路与本振输入匹配电路组成，射频输出匹配电路由第一变压器巴伦、第五电容组成，第五电容并联在第一变压器巴伦的初级线圈两端，第一变压器巴伦的初级线圈一端与射频信号相连接，一端与地相连接，第一变压器巴伦的次级线圈一端与混频电路的射频信号正信号相连接，另一端与混频电路的射频信号负信号相连接，中心抽头与电源相连接。

所述本振输入匹配电路由第二变压器巴伦、第六电容组成，第六电容并联在第二变压器巴伦的初级线圈两端，第二变压器巴伦的初级线圈一端与本振信号相连接，另一端与地相连接；第二变压器巴伦的次级线圈一端与混频电路的本振正信号相连接，另一端与混频电路的本振负信号相连接，中心抽头与地相连接；该结构既实现了宽带输入匹配和单端信号与差分信号的转化的同时，又提供了较好的幅度与相位平衡度。

所述本振输入匹配电路，第二变压器巴伦次级线圈的中心抽头处经由第七电阻连接至第三偏置电压，并通过耦合电感直接为第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管第七晶体管的栅极提供直流偏置，所述第三偏置电压选择在相应输入信号的幅度下混频电路性能达到最优时的直流电压。

所述第一变压器巴伦与第二变压器巴伦均由集成电路工艺的金属线耦合实现，且采用集成电路工艺实现单片集成，所述第一变压器巴伦与第二变压器巴伦均为同一层金属的相互耦合结构或多层金属的相互耦合结构。

有益效果：本发明的优点在于本发明公开了一种集成有源巴伦的宽带小型化混频器，由有源巴伦电路、中频放大电路、射频与本振匹配电路以及带有增益倍增技术的混频电路组成。本发明在双平衡混频器结构的基础上将传统的吉尔伯特混频单元的中频共源放大器电路替换为推挽放大器电路，同时引入有源巴伦技术与增益倍增技术，不仅拓展了工作带宽，提高了混频器的转换增益，而且大幅缩减芯片面积，降低制造成本。

附图说明

图1为本发明中集成有源巴伦的宽带小型化混频器示意图；

图2为本发明中集成有源巴伦的宽带小型化混频器的中频输入端口的反射系数；

图3为本发明中集成有源巴伦的宽带小型化混频器本振输入以及射频输出端口的反射系数；

图4为本发明中集成有源巴伦的宽带小型化混频器的转化增益；

图5为本发明中集成有源巴伦的宽带小型化混频器的输出1dB压缩点。

图中有：第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5、第六晶体管M6、第七晶体管M7、第八晶体管M8、第九晶体管M9、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第一变压器巴伦XMFR1、第二变压器巴伦XMFR2、第一偏置电压VB1、第二偏置电压VB2、第三偏置电压VB3、电源VCC、中频正信号IF+、中频负信号IF-、射频正信号RF+、射频负信号RF-、第一变压器巴伦XMFR1、射频信号RF、本振信号LO、本振正信号LO+、本振负信号LO-。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做更进一步的解释，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

本实施例提供一种集成有源巴伦的宽带小型化混频器，如图1所示，由有源巴伦电路、中频放大电路、射频与本振匹配电路以及带有增益倍增技术的混频电路组成。

所述有源巴伦电路由一级共栅放大器与一级共源放大器组成，共栅放大器由第一晶体管M1、第二晶体管M2、第一电容C1、第三电容C3、第一电阻R1以及第三电阻R3组成，第一电容C1一端与输入中频信号IF相连，一端与第一晶体管M1的漏极和第二晶体管M2的源极相连，第一晶体管M1的源极接地，第一晶体管M1的栅极与提供第一偏置电压VB1的第一电阻R3相连，第三电阻R3一端接电源VDD，一端与第二晶体管M2的漏极相连接，第三电容C3一端连接第二晶体管M2的漏极和第三电阻R3，另一端作为有源巴伦电路的中频正信号IF+；共源放大器由第三晶体管M3、第四电容C4、第二电阻R2以及第四电阻R4组成，第三晶体管M3的栅极与提供第一偏置电压VB1的第一电阻R3和第二电容C2相连，第三晶体管M3的源极接地，第四电阻R4一端接电源VCC，一端与第三晶体管M3的漏极相连接，第四电容C4一端连接第三晶体管M3的漏极和第四电阻R4，另一端作为有源巴伦电路的中频负信号IF-。采用该结构既实现了输入匹配，又实现了单端信号与差分信号的转化；

所述带有增益倍增技术的混频电路由双平衡混频电路与增益倍增技术电路组成，双平衡混频电路，由第四晶体管M4、第五晶体管M5、第六晶体管M6以及第七晶体管M7组成，第四晶体管M4与第五晶体管M5的源极和源极相连，第六晶体管M6与第七晶体管M7的源极和源极相连，第五晶体管M5与第六晶体管M6的栅极和栅极相连，第四晶体管M4的栅极构成混频电路的本振正信号LO+，第七晶体管M7的栅极构成混频电路的本振负信号LO-，第四晶体管M4与第六晶体管M6的漏极和漏极相连构成混频电路的射频信号正输出端RF+，第五晶体管M5与第七晶体管M7的漏极和漏极相连构成混频电路的射频负信号RF-；增益倍增技术电路由第八晶体管M8与第九晶体管M9组成，第八晶体管M8与第九晶体管M9的源极接电源VCC，第八晶体管M8的漏极一端与第九晶体管M9的栅极相连接，一端与双平衡混频电路中第四晶体管M4与第五晶体管M5的源极相连接，同理，第九晶体管M9的漏极一端与第八晶体管M8的栅极相连接，一端与双平衡混频电路中第六晶体管M6与第七晶体管M7的源极相连接；

所述中频放大电路由一级差分推挽放大器组成，中频差分信号正端推挽放大器由第十晶体管M10、第十一晶体管M11以及第五电阻R5组成，第十晶体管M10与第十一晶体管M11的栅极和栅极相连，漏极和漏极相连，第十晶体管M10的源极接地，第十一晶体管M11的源极接电源VCC，第五电阻R5一端连接第十晶体管M10和第十一晶体管M11的栅极即中频正信号IF+，另一端连接第十晶体管M10和第十一晶体管M11的漏极作为中频放大电路的正输出端；中频差分信号负端推挽放大器由第十二晶体管M12、第十三晶体管M13以及第六电阻R6组成，第十二晶体管M12、第十三晶体管M13的栅极和栅极相连，漏极和漏极相连，第十二晶体管M12的源极接地，第十三晶体管M13的源极接电源VCC，第六电阻R6一端连接第十二晶体管M12和第十三晶体管M13的栅极即中频负信号IF-，另一端连接第十二晶体管M12和第十三晶体管M13的漏极即作为中频放大电路的负输出端；

所述射频与本振匹配电路由射频输出匹配电路与本振输入匹配电路组成，射频输出匹配电路由第一变压器XMFR1、第五电容C5组成，第五电容C5并联在第一变压器XMFR1的初级线圈两端，第一变压器XMFR1的初级线圈一端与射频信号RF相连接，一端与地相连接，第一变压器XMFR1的次级线圈一端与混频电路的射频正信号RF+相连接，一端与混频电0路的射频负信号RF-相连接，中心抽头与电源VCC相连接；本振输入匹配电路由第二变压器XMFR2、第六电容C6组成，第六电容C6并联在第一变压器XMFR1的初级线圈两端，第二变压器XMFR2的初级线圈一端与本振信号LO相连接，一端与地相连接，第二变压器XMFR2的次级线圈一端与混频电路的本振正信号LO+相连接，一端与混频电路的本振负信号LO-相连接，中心抽头与地相连接。采用该结构既实现了宽带输入匹配与单端信号与差分信号的转化的同时，又提供了较好幅度与相位平衡度。

从工作原理上讲，本发明了提供一种集成有源巴伦的宽带小型化混频器电路，本发明在双平衡混频器结构的基础上将传统的吉尔伯特混频单元的中频共源放大器电路替换为推挽放大器电路，同时引入有源巴伦技术与增益倍增技术，不仅拓展了工作带宽，提高了混频器的转换增益，而且大幅缩减芯片面积，降低制造成本。

更为具体的讲：

发明中频部分采用有源巴伦技术与基于电流复用的推挽放大器技术，有效提升了混频器的带宽及转换增益，并大幅减少芯片面积及制造成本，同时混频部分采用增益倍增技术，在低功耗的前提下进一步提高混频器的转换增益。

本发明在双平衡混频器结构的基础上，中频采用基于电流复用的推挽放大器技术。基于电流复用的推挽放大器技术既大幅度提高了混频器的中频放大能力、转化增益以及线性度，又省去了共源放大器的输入匹配电路，大大节省了芯片面积，拓展了该电路的输入匹配带宽。

本发明在中频部分引入有源巴伦电路，超外差直接上变频发射机中中频频率较低，无源巴伦需要较大的感值，从而导致芯片面积大、成本高，同时无源巴伦的插损还会对后级电路造成一定的影响且无源巴伦难以满足宽带需求。中频部分引入有源巴伦电路，将巴伦功能与后续混频器电路相结合，避免了无源巴伦带来的插损，并节省了芯片面积和成本。

基于上述工作原理，本实施例基于CMOS工艺，对上述电路进行了设计与仿真，验证了本发明的实用性。

图2给出了设计的混频器电路的中频输入端口的反射系数，其中中频输入端口的反射系数在2.7～27GHz频率范围内均小于-10dB。图3给出了设计的混频器电路的本振输入以及射频输出端口的反射系数，其中本振输入端口的反射系数在127～171GHz频率范围内均小于-10dB，射频输出端口的反射系数在129～174GHz频率范围内均小于-10dB。

图4给出了设计的混频器电路的转化增益，在140GHz频率处最大转化增益达到2.5dB。

图5给出了设计的混频器电路的输出1dB压缩点，为-9dBm。

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

1.一种集成有源巴伦的宽带小型化混频器，其特征在于，包括有源巴伦电路、中频放大电路、射频与本振匹配电路以及基于增益倍增技术的混频电路；其中，有源巴伦电路的中频正信号(IF+)和中频负信号(IF-)分别与中频放大电路的两个输入端相连接，中频放大电路的差分输出端与基于增益倍增技术的混频电路差分输入端对应连接，混频电路的射频正信号(RF+)和射频负信号(RF-)通过第一变压器巴伦(XMFR1)转换为单端射频信号(RF)输出，单端本振信号(LO)通过第二变压器巴伦(XMFR1)转换为混频电路的本振正信号(LO+)和本振负信号(LO-)输入。

2.根据权利要求1所述的集成有源巴伦的宽带小型化混频器，其特征在于，所述有源巴伦电路由一级共栅放大器与一级共源放大器组成，共栅放大器由第一晶体管(M1)、第二晶体管(M2)、第一电容(C1)、第三电容(C3)、第一电阻(R1)以及第三电阻(R3)组成，第一电容(C1)的一端与输入中频信号(IF)相连，另一端与第一晶体管(M1)的漏极和第二晶体管(M2)的源极相连，第一晶体管(M1)的源极接地，第一晶体管(M1)的栅极通过第一电阻(R1)接第一偏置电压(VB1)；第三电阻(R3)的一端接电源(VCC)，另一端与第二晶体管(M2)的漏极相连接，第三电容(C3)一端连接第二晶体管(M2)的漏极和第三电阻(R3)，另一端作为有源巴伦电路的中频正信号(IF+)的输入端；共源放大器由第三晶体管(M3)、第四电容(C4)、第二电阻(R2)以及第四电阻(R4)组成，第三晶体管(M3)的栅极通过第二电阻(R2)接第二偏置电压(VB2)，第三晶体管(M3)的栅极通过第二电容(C2)接第一晶体管(M1)的漏极，第三晶体管(M3)的源极接地，漏极通过第四电阻(R4)接电源(VCC)，第四电容(C4)一端连接第三晶体管(M3)的漏极和第四电阻(R4)，另一端作为有源巴伦电路的中频负信号(IF-)的输入端；该结构既实现了输入匹配，又实现了单端信号与差分信号的转化。

3.根据权利要求1所述的集成有源巴伦的宽带小型化混频器，其特征在于，所述带有增益倍增技术的混频电路由双平衡混频电路与增益倍增技术电路组成，双平衡混频电路，由第四晶体管(M4)、第五晶体管(M5)、第六晶体管(M6)以及第七晶体管(M7)组成，第四晶体管(M4)与第五晶体管(M5)的源极和源极相连，第六晶体管(M6)与第七晶体管(M7)的源极和源极相连，第五晶体管(M5)与第六晶体管(M6)的栅极和栅极相连，第四晶体管(M4)的栅极和第七晶体管(M7)的栅极直接连接后作为双平衡混频电路的本振正信号(LO+)的输入端，第五晶体管(M5)和第六晶体管(M6)的栅极直接连接后作为双平衡混频电路的本振负信号(LO-)的输入端，第四晶体管(M4)与第六晶体管(M6)的漏极直接连接后作为混频电路的射频正信号(RF+)的输出端，第五晶体管(M5)与第七晶体管(M7)的漏极直接连接后作为混频电路的射频负信号(RF-)的输出端；增益倍增技术电路由第八晶体管(M8)与第九晶体管(M9)组成，第八晶体管(M8)与第九晶体管(M9)的源极接电源(VCC)，第八晶体管(M8)的漏极与第九晶体管(M9)的栅极及第四晶体管(M4)与第五晶体管(M5)的源极相连接，第九晶体管(M9)的漏极与第八晶体管(M8)的栅极及第六晶体管(M6)与第七晶体管(M7)的源极相连接。

4.根据权利要求1所述的集成有源巴伦的宽带小型化混频器，其特征在于，所述中频放大电路由一级差分推挽放大器组成，中频差分信号正端推挽放大器由第十晶体管(M10)、第十一晶体管(M11)以及第五电阻(R5)组成，第十晶体管(M10)与第十一晶体管(M11)的栅极和栅极相连，漏极和漏极相连，第十晶体管(M10)的源极接地，第十一晶体管(M11)的源极接电源(VCC)，第五电阻(R5)一端连接第十晶体管(M10)和第十一晶体管(M11)的栅极直接连接后作为中频放大电路的中频正信号(IF+)的输入端，另一端连接第十晶体管(M10)和第十一晶体管(M11)的漏极作为中频放大电路的正输出端接基于增益倍增技术的混频电路；中频差分信号负端推挽放大器由第十二晶体管(M12)、第十三晶体管(M13)以及第六电阻(R6)组成，第十二晶体管(M12)、第十三晶体管(M13)的栅极和栅极相连，漏极和漏极相连，第十二晶体管(M12)的源极接地，第十三晶体管(M13)的源极接电源(VCC)，第六电阻(R6)一端连接第十二晶体管(M12)的栅极和第十三晶体管(M13)的栅极直接连接后作为中频放大电路的中频负信号(IF-)的输入端，另一端连接第十二晶体管(M12)和第十三晶体管(M13)的漏极即作为中频放大电路的负输出端接基于增益倍增技术的混频电路。

5.根据权利要求1所述的集成有源巴伦的宽带小型化混频器，其特征在于，所述射频与本振匹配电路由射频输出匹配电路与本振输入匹配电路组成，射频输出匹配电路由第一变压器巴伦(XMFR1)、第五电容(C5)组成，第五电容(C5)并联在第一变压器巴伦(XMFR1)的初级线圈两端，第一变压器巴伦(XMFR1)的初级线圈一端与射频信号(RF)相连接，一端与地相连接，第一变压器巴伦(XMFR1)的次级线圈一端与混频电路的射频信号正信号(RF+)相连接，另一端与混频电路的射频信号负信号(RF-)相连接，中心抽头与电源(VCC)相连接。

6.根据权利要求5所述的集成有源巴伦的宽带小型化混频器，其特征在于，所述本振输入匹配电路由第二变压器巴伦(XMFR2)、第六电容(C6)组成，第六电容(C6)并联在第二变压器巴伦(XMFR2)的初级线圈两端，第二变压器巴伦(XMFR2)的初级线圈一端与本振信号(LO)相连接，另一端与地相连接；第二变压器巴伦(XMFR2)的次级线圈一端与混频电路的本振正信号(LO+)相连接，另一端与混频电路的本振负信号(LO-)相连接，中心抽头与地相连接；该结构既实现了宽带输入匹配和单端信号与差分信号的转化的同时，又提供了较好的幅度与相位平衡度。

7.根据权利要求6所述的集成有源巴伦的宽带小型化混频器，其特征在于，所述本振输入匹配电路，第二变压器巴伦(XMFR2)次级线圈的中心抽头处经由第七电阻(R7)连接至第三偏置电压(VB3)，并通过耦合电感直接为第四晶体管(M4)、第五晶体管(M5)、第六晶体管(M6)、第七晶体管(M7)的栅极提供直流偏置，所述第三偏置电压(VB3)选择在相应输入信号的幅度下混频电路性能达到最优时的直流电压。

8.根据权利要求5或6所述的集成有源巴伦的宽带小型化混频器，其特征在于，所述第一变压器巴伦(XFMR1)与第二变压器巴伦(XFMR2)均由集成电路工艺的金属线耦合实现，且采用集成电路工艺实现单片集成，所述第一变压器巴伦(XFMR1)与第二变压器巴伦(XFMR2)均为同一层金属的相互耦合结构或多层金属的相互耦合结构。