CN201163770Y - 一种基于开环运放的低压低功耗高线性混频器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于开环运放的低压低功耗高线性混频器，它包括混频器件MOSFET、电容器和运算放大器三个部分的混频器，其运算放大器为开环电路结构，使用PMOS管作为运放输入管，采用单级放大结构；混频器件MOSFET M₁、M₂、M₃和M₄，通过外部基准电压源提供电压而被偏置在线性区工作，它将振荡器的输出信号与射频输入信号混频生成中频信号，电容为中频信号提供交流通路并滤除信号中高频成分；基于开环电路结构运算放大器避免了传统闭环结构中因采用输出级而限制了输出信号摆幅，并且开环结构大大降低了运放的功耗以及无法适应低电压工作的缺陷。本实用新型混频器可广泛应用于低中频的ZigBee无线传感网射频接收模块中。

Description

一种基于开环运放的低压低功耗高线性混频器

技术领域

本实用新型属于无线通信器件技术领域，涉及集成器件中的混频器电路，尤其涉及一种新颖结构的基于开环运放的压控MOSFET电位混频器，它应用于ZigBee无线通信***的射频前端接收链路。

背景技术

近年来无线通信市场的快速扩大，尤其是一种新兴的短距离、低速率、低功耗、低成本的ZigBee无线网络技术的兴起令人瞩目，ZigBee无线网络的目标市场主要有PC的鼠标、键盘、游戏操控杆等外设，TV、VCR、CD、VCD、DVD等消费类电子设备的遥控装置，照明、能源计量控制及报警等家庭内智能控制，电子宠物玩具，医院监视器和传感器的智能监护，企事业监视器、传感器和自动控制设备的智能工控等领域，展现出广阔的应用前景。吸引了众多研究者对应用于ZigBee无线网络的通信收发器的研究。众所周知，在低电压无线通信设备领域，人们要求通信设备电池使用时间越来长，对器件降低功耗更苛求。混频器是无线通信收发器中的一个重要的基本模块，其关键性能参数包括线性度、功耗、噪声系数和转换增益。ZigBee无线网络对射频前端接收链路中混频器提出了低电压、低功耗和高线性度的严格要求。

无线射频接收机中，集成器件中常用的混频器都是基于乘法原理来实现混频功能，一般都采用吉尔伯特(Gilbert)型混频器或电位混频器两种电路结构。

吉尔伯特型混频器由两个单平衡的混频器构成，它将输入的射频(RF)信号电压信号变换成电流信号，然后在电流域内执行乘法从而得到频率信号的和差分量。因单平衡混频器的射频信号输入管工作于饱和区，电压转换成电流信号并不是线性关系，所以从原理上决定了这种结构不能获得高的线性度。尽管可以采取源极负反馈的方式，在芯片上使用电感元件来使其线性度得到“最佳”的优化，但其线性度的改善需要付出增加器件和成本的代价。

电位混频器的电路原理图如图1所示(Jan Crols and Michel S.J.Steyaert，“A 1.5GHz highly linear downconversion mixer”，IEEE J.Solid State Circuits，VOL.30，No.7，pp.736～742，July 1995)。从图1可以看到，电位混频器由混频管、滤波电容、反馈电阻和运算放大器(OTA)构成，它的混频管M₀₁、M₀₂、M₀₃和M₀₄都工作于线性区，射频信号RF+和RF-作用于混频管的栅极，在源漏电压一定的情况下，RF信号控制晶体管导通电阻的变化而使其导通电流变化。运算放大器工作于闭环结构中，混频管导通电流流经运放反馈电阻R₀₁和R₀₂，最终输出得到中频信号(IF)。使用反馈电阻直接影响运放-3dB带宽性能，因而要求运放加入缓冲级来降低R₀₁和R₀₂对运放-3dB带宽的影响。此结构用于低中频下变频的混频器电路，需要有较大的导通电流来保证运放-3dB带宽，这种电路结构对于有低功耗应用要求的模块器件而言，是一个严重的缺陷。而且引入缓冲级还会降低运放的输出摆幅，又限制了这种结构的电位混频器在低压供电条件下的使用。

发明内容

为了克服吉尔伯特型混频器线性度不高和电位混频器结构中运算放大器因缓冲级的引入导致的输出摆幅的降低以及不能满足低功耗应用要求的缺陷，本实用新型提供一种基于开环运放的低压低功耗高线性混频器，它是压控MOSFET电位混频器的新颖改进型结构，该结构混频器能同时实现高线性度混频、输出大摆幅以及满足极低功耗的应用要求。

本实用新型解决技术问题所采用的技术方案是：新颖改进型混频器中的运算放大器为开环结构，工作于开环模式的运放去除反馈电阻和反馈电容，可得到大的信号输出摆幅，运放又可不引入缓冲级，并把负载效应预先计算在内，可显著降低混频器功耗。

一种基于开环运放的低压低功耗高线性混频器，它由混频器件场效应管MOSFET、电容器对和运算放大器OTA组成，其在于所述运算放大器为开环结构；混频器由混频器件包括耗尽型N沟道绝缘栅场效应管M₁、M₂、M₃和M₄，电容器对包括C₁和C₂，以及运算放大器OTA，还有外部基准电压源VB₁和VB₂组成；混频器组成器件的电连接如下：混频器件场效应管M₁和M₄的栅极与混频器的射频差分正相输入信号RF+并和外部基准电压源VB₁相连，混频器件场效应管M2和M3的栅极与混频器的射频差分反相输入信号RF-并和外部基准电压源VB₂相连，混频器件场效应管M₁的漏极和M₂的源极与本振正相输入信号LO+相连，混频器件场效应管M₃的源极和M₄的漏极与本振反相输入信号LO-相连，混频器件场效应管M₁的源极和M₃的漏极与运算放大器OTA正输入端相连，混频器件场效应管M₂的漏极和M4的源极与运算放大器OTA负输入端相连，运算放大器OTA正输入端并接电容C₁到地，运算放大器OTA负输入端并接电容C₂到地，运算放大器OTA正输出端的输出信号即为反相中频输出信号IF-，运算放大器OTA负输出端的输出信号即为正相中频输出信号IF+。

运算放大器OTA是基于开环工作模式设计，使用PMOS管作为运放输入管，采用单级放大结构。运算放大器模块采用TSMC 0.18微米工艺仿真实现，工艺成熟，运算放大器性能稳定。区别于传统的闭环运放工作模式，去除了电连接于运放输入端和输出端的反馈电阻，以及与此反馈电阻并联的反馈电容所构成的滤波网络。

所述混频器件场效应管M₁和M₄的栅极接外部基准电压源VB₁和射频差分输入信号RF+，M₂、M₃的栅极接VB₂和射频差分输入信号RF-，外部基准电压源提供的偏置电压使MOSFET M₁、M₂、M₃和M₄置于线性工作区，受射频差分输入信号RF+和RF-的控制，它们的导通电阻为线性变化而引起晶体管的电流变化呈线性，此电流再受压控本振VCO的差分信号LO+和LO-的调制，因而，混频器件的混频性能具有良好的线性。

混频器件M₁的源极和M₃的源极并在一起，并与电容器C₁的一端并联接到运放OTA的+输入端；混频器件M₂的漏极和M₄的漏极并在一起，并与电容器C₂的一端并联接到运放OTA的-输入端。场效应管M₁的栅极连接射频正相输入信号RF+，其漏极接本振正相输入信号LO+，场效应管M₃的栅极连接射频反相输入信号RF-，其漏极接本振反相输入信号LO-，经混频后M₁和M₃源极的输出信号相位相同，两路输出连接在一起；场效应管M₂的栅极连接射频反相输入信号RF-，其源极接本振正相输入信号LO+，场效应管M₄的栅极连接射频正相输入信号RF+，M₄的源极接本振反相输入信号LO-，经混频后M₂和M₄漏极的输出信号相位相同，两输出端连接在一起。

电容器C₁和C₂为高频滤波电容器，混频器件的两路混频输出端上的高频信号分别经由并接在输出端上的高频滤波电容器C₁和C₂馈通至地电位，两路混频输出端上的中频信号各自输出加到运放OTA两个中的一个输入端。

该改进型压控MOSFET电位混频器结构中，运算放大器工作于开环模式，去掉了经典电位混频器电路结构中运放的正(反)相输出端与反(正)相输入端之间由反馈电阻和反馈电容组成的滤波网络，省略了运放输出缓冲级，降低了运放输出摆幅的限制，而得到大的信号输出摆幅。

电位混频器的功耗几乎为运算放大器所消耗，在混频器后级为电容负载条件下，开环运算放大器不使用反馈电阻，并且压控MOSFET管工作在线性区，既大大降低了混频器的功耗，又满足了-3dB带宽的要求，它与同样大小尺寸的电位混频管相比，具有良好的低功耗、大带宽特性，并能保持优良的线性度。

同现有的其它混频器相比，本实用新型的有益效果是：

1、可以得到良好的线性度和较大的输出摆幅。

2、同时具有极佳的低功耗性能。

3、完全适用于低工作电压、低功耗和高线性度的射频前端接收和发射链路。

附图说明

图1是已有技术电位混频器的典型电路结构。

图2是本实用新型一种基于开环运放的低压低功耗高线性混频器电路结构原理图。

图3是本实用新型实施例的压控MOSFET电位混频器的结构框图。

图1和图2中M₀₁，M₀₂，M₀₃，M₀₄为混频管；C₀₁，C₀₂，C₀₃和C₀₄为滤波电容；R₀₁和R₀₂为反馈电阻；OTA为运算放大器。

图2中M₁，M₂，M₃，M₄为混频管；C₁和C₂为滤波电容；OTA为运算放大器；VB1和VB2为基准电压源。

图3中MIXER₁代表本实用新型的混频器，其具体电路如图2；LNA为预置的低噪声放大器；VCO为压控振荡器；IF AMP为混频器后续负载的中频放大器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型电路结构作进一步说明。附图给出本实用新型的电路结构和一种具体实施实例，下面结合附图对本实用新型做进一步的说明。

改进型压控MOSFET电位混频器的基本电路结构如图2所示。本实用新型的一个实施例是应用于2.4GHz的ZigBee射频前端接收器***中。ZigBee无线网络传输技术的突出特点是应用简单、电池低压长寿命、有组网能力、可靠性高、体积小以及成本低，因此要求各个组成模块在满足功能的同时具有良好的低功耗性能。

本实施例ZigBee射频前端接收器应用***的中频信号为2MHz。基于开环运放的压控MOSFET电位混频器电路原理结构如图2所示，其电连接是：射频正相输入信号RF+接至混频管M₁和M₄的栅极，射频反相输入信号RF-接至混频管M₂和M₃的栅极；本振正相输入信号LO+与M₁的漏极和M₂的源极相接，本振反相输入信号LO-与M₃的漏极和M₄的源极相接。M₁的源极和M₂的漏极接至运放的反相输入端，M₃的源极和M₄的漏极接至运放的正相输入端。混频管M₁，M₂，M₃和M₄为MOSFET管，它的尺寸根据获得最小的噪声系数和工艺器件尺寸来确定。运放的两个输入端分别连接一个电容器C₁和C₂，为混频后高频信号提供过滤到地电位的通路。运放的两个输出端即分别为混频器的两个输出端IF-和IF+。基准电压源V_B1和V_B2分别接在混频管M₁，M₂，M₃和M₄的栅极上以使这些器件工作于线性区。

本实施例混频器的工作过程是：混频器采用低压供电，外部基准电压源VB₁和VB₂为混频管M₁、M₂、M₃和M₄提供偏置电压，使各混频管工作于线性区，差分射频信号RF+和RF-分别输入至M₁和M₄、M₂和M₃的栅极，本振输出LO+输入至M₁漏极和M₂源极，本振输出LO-输入至M₃源极和M₄漏极，射频信号的变化引起混频管导通电阻随之线性变化，各混频管上的射频信号将本振信号进行调制，混频具有良好的线性度，各混频管轮流导通，流过M₁和M₃源极连接点的导通电流以及流过混频管M₂和M₄漏极连接点的导通电流较小，但该电流包含了射频信号与本振信号混频后生成的和频分量以及差频分量，和频分量为高频信号，导通电流的和频分量由高频滤波电容器C1和C2滤除。差频分量为中频信号，导通电流的差频分量被保留，而在C1和C2上产生中频信号电压。该中频信号电压输入到开环工作的运放OTA的正输入端和负输入端，经过运放放大形成最终的中频输出信号。由于运放OTA工作在开环状态，输出端省去了缓冲级，并把本混频器的后续负载放大模块的负载效应预先计算在内，不仅获得大的信号输出摆幅，而且混频器低功耗工作。

实施例混频器的模块器件采用台积电(TSMC)0.18微米工艺实现。线性度作为混频器的一个重要指标，通常用输入三阶交调点(IIP3)和输出三阶交调点(OIP3)的大小来衡量。通过使MOSFET混频管M₁，M₂，M₃和M₄工作在线性区，在采用1.5V的供电电压，功耗仅要求0.3毫瓦的情况下，输入三阶交调点(IIP3)和输出三阶交调点(OIP3)分别达到-10dBm和20dBm，运放-3dB带宽达到4M，满足混频器中频信号为2M的低中频结构应用要求。

图3是本实用新型应用于2.4GHz的ZigBee射频前端接收器***中的一个实施例，给出了应用于ZigBee射频前端接收器***中的混频器模块与相应的预置的低噪声放大器LNA、压控振荡器VCO以及作为混频器后续负载的中频放大器IF AMP模块的连接框图。图3中的MIXER₁为本实用新型的改进型压控MOSFET电位混频器，其基本电路结构如图2。

本实施例中混频器预先考虑了负载效应以控制功耗。在射频前端接收器***中，混频器的输入为低噪声放大器LNA的MOS管差分对，其输出端的后续负载为中频放大器IF AMP，则混频器的负载即可将MOS管的寄生电容作为负载考虑，结合工艺，通过设计使其大小在100fF左右，既可有效控制运放的带宽而且只化费不多的电流，功耗很小。

Claims (5)

1、一种基于开环运放的低压低功耗高线性混频器，它由混频器件场效应管MOSFET、电容器对和运算放大器OTA组成，其特征在于所述运算放大器为开环结构；混频器由混频器件耗尽型N沟道绝缘栅场效应管M₁、M₂、M₃和M₄，电容器对包括C₁和C₂，以及运算放大器OTA，还有外部基准电压源VB₁和VB₂组成；混频器件场效应管M₁和M₄的栅极与混频器的射频差分正相输入信号RF+并和外部基准电压源VB₁相连，混频器件场效应管M₂和M₃的栅极与混频器的射频差分反相输入信号RF-并和外部基准电压源VB₂相连，混频器件场效应管M₁的漏极和M₂的源极与本振正相输入信号LO+相连，混频器件场效应管M₃的源极和M₄的漏极与本振反相输入信号LO-相连，混频器件场效应管M₁的源极和M₃的漏极与运算放大器OTA正输入端相连，混频器件场效应管M₂的漏极和M₄的源极与运算放大器OTA负输入端相连，运算放大器OTA正输入端并接电容C₁到地，运算放大器OTA负输入端并接电容C₂到地，运算放大器OTA正输出端的输出信号即为反相中频输出信号IF-，运算放大器OTA负输出端的输出信号即为正相中频输出信号IF+。

2、根据权利要求1所述的一种基于开环运放的低压低功耗高线性混频器，其特征在于所述运算放大器是基于开环工作模式，使用PMOS管作为运放输入管，采用单级放大结构。

3、根据权利要求1所述的一种基于开环运放的低压低功耗高线性混频器，其特征在于混频器件场效应管M₁和M₄的栅极接外部基准电压源VB₁和射频差分输入信号RF+，M₂、M₃的栅极接VB₂和射频差分输入信号RF-，外部基准电压源提供的偏置电压使MOSFET M₁、M₂、M₃和M₄置于线性工作区，受射频差分输入信号RF+和RF-的控制，它们的导通电阻为线性变化而引起晶体管的电流变化呈线性。

4、根据权利要求1所述的一种基于开环工作运放的低压低功耗高线性混频器，其特征在于混频器件M₁的源极和M₃的源极并在一起，并与电容器C₁的一端并联接到运放OTA的+输入端；混频器件M₂的漏极和M₄的漏极并在一起，并与电容器C₂的一端并联接到运放OTA的-输入端。

5、根据权利要求1或4所述的一种基于开环工作运放的低压低功耗高线性混频器，其特征在于电容器C₁和C₂为高频滤波电容器，混频器件的两路输出端上的高频信号分别经由并接在输出端上的高频滤波电容器C₁和C₂馈通至地电位。

Images