吳王震　黃世震

摘 要：低中頻架構(gòu)由于其鏡像抑制能力強(qiáng)，易于集成等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于接收機(jī)的設(shè)計(jì)中?；祛l器作為接收機(jī)的重要模塊之一，它的主要作用是完成頻率轉(zhuǎn)換，其性能對(duì)接收機(jī)有很大的影響。設(shè)計(jì)了一個(gè)工作于GSM 850頻帶的超低中頻CMOS混頻器。為了提高轉(zhuǎn)換增益和降低噪聲，輸入級(jí)加入了分流單元。在輸出級(jí)應(yīng)用共模反饋穩(wěn)定輸出電平?；祛l器工作的頻帶為869~894 MHz，中頻輸出為100kHz。仿真結(jié)果顯示增益為17 dB，三階交調(diào)點(diǎn)為9.6 dB，噪聲系數(shù)為17.5 dB。

關(guān)鍵詞：超低中頻;CMOS;下混頻器;Girlbert

中圖分類號(hào)：TN914文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2009)05-184-03

Design of CMOS Super Low Intermediate-frequency Downmixer

WU Wangzhen,HUANG Shizhen

(Fujian Key Laboratory of Microelectronics & Integrated Circuits,Fuzhou University,Fuzhou,350002,China)

Abstract：Because of good image-reject performance and easy to integrate the configrution of super-low-intermediate frequency is widely used in design of transceiver.As an important part of receiver,mixer is used to change the frequency.Its preformance has great effect on receiver.a super-low-intermediate frequency CMOS mixer applied in GSM is presented.A circuit to decrease the current in the input and a circuit called common-mode feedback to fix the voltage level of ouput.This mixer is applied in GSM of 869~894 MHz and with the output intermidiate frequency at 100 kHz.Its gain is 17 dB,IIP3 is 9.6 dB and noise figure is 17.5 dB.

Keywords：super low intermediate-frequency;CMOS;downmixer;Gilbert

隨著無線通信的迅猛發(fā)展，人們對(duì)無線通信收發(fā)機(jī)提出了越來越高的要求。低中頻架構(gòu)的接收機(jī)由于集成度高，鏡像抑制能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用?；祛l器作為接收機(jī)的重要模塊之一，它的主要功能是完成頻率轉(zhuǎn)換，其性能優(yōu)劣對(duì)接收機(jī)有很大的影響。本文采用TSMC 0.18 μm CMOS工藝實(shí)現(xiàn)了一個(gè)應(yīng)用于GSM頻帶(869~894 MHz)的下混頻器，混頻器采用的結(jié)構(gòu)為Gilbert雙平衡結(jié)構(gòu)，輸出為100 kHz的超低中頻，得到了良好的設(shè)計(jì)結(jié)果。

1 主體電路設(shè)計(jì)

圖1是典型的Gilbert單元。圖中差分管M1和M2為混頻器的跨導(dǎo)級(jí)，M3，M4，M5，M6為混頻器的開關(guān)級(jí)。射頻信號(hào)由M1和M2管的柵極輸入，本振信號(hào)由M3，M4，M5，M6柵級(jí)輸入，中頻信號(hào)由開關(guān)管的漏級(jí)輸出。本振信號(hào)足夠強(qiáng)時(shí)，混頻器輸出的電流為:

I璷ut=g璵×v璕F×2［cos(ω璍O+ω璕F)t+

cos(ω璍O－ω璕F)t］÷π

圖1 典型的Gilbert結(jié)構(gòu)

該電流經(jīng)過輸出負(fù)載以后轉(zhuǎn)化為所需要的電壓信號(hào)?；诤?jiǎn)單的Gilbert結(jié)構(gòu)，為了達(dá)到要求的性能，對(duì)電路進(jìn)行了如下的改進(jìn)。具體的電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

1.1 驅(qū)動(dòng)級(jí)的設(shè)計(jì)

在驅(qū)動(dòng)級(jí)去掉了尾電流源，使用電流鏡結(jié)構(gòu)對(duì)M1和M2管進(jìn)行偏置。這樣做的好處就是可以提高電路的線性度，提高輸出電壓裕度。雖然無尾電流源結(jié)構(gòu)可能使得更多的襯底噪聲進(jìn)入信號(hào)通道，但是通過精心的版圖設(shè)計(jì)可以很好地減少襯底的影響?；祛l器的線性度和驅(qū)動(dòng)級(jí)偏置電流的大小以及過驅(qū)動(dòng)電壓成正比，偏置電流越大，過驅(qū)動(dòng)電壓越大，線性度越好。根據(jù)混頻器的增益公式G=2πg(shù)璵R璍,高增益需要有大的負(fù)載電阻。過大的偏置電流會(huì)使得R璍上的壓降太大，造成開關(guān)對(duì)和驅(qū)動(dòng)管偏離飽和區(qū)，而且會(huì)增加開關(guān)對(duì)的噪聲，并且增加了功耗。所以采用由M9，M10，M13和M14構(gòu)成的電流抽取電路。抽取的電流不能太大，否則會(huì)嚴(yán)重影響混頻器的線性度。M1管的V璯s是由M13管來提供的，根據(jù):

I璬=12μ璶C璷xW/L(V璯s－V璽h)2(1+λV璬s)

在寬長(zhǎng)比一定的條件下調(diào)節(jié)輸入的基準(zhǔn)電流源就可以確定V璯s的值。M1和M3的溝道長(zhǎng)度都為350 nm，調(diào)節(jié)兩個(gè)管子寬度的比值就可以控制M1管偏置電流的大小。設(shè)計(jì)中流過M1的電流為1.2 mA，抽取的電流值為0.5 mA左右。

圖2 混頻器主體電路

1.2 開關(guān)管的設(shè)計(jì)

開關(guān)管的設(shè)計(jì)考慮主要是管子的閃爍噪聲的影響。GSM的信道帶寬為200 kHz，中頻選為100 kHz可以使得本振信號(hào)的頻率正好位于兩個(gè)信道中心頻率的中間，避免了本振信號(hào)對(duì)信道內(nèi)信號(hào)的干擾。100 kHz的中頻信號(hào)就要求具有極低的閃爍噪聲拐角，設(shè)計(jì)中要求拐角在20 kHz以內(nèi)。根據(jù)閃爍噪聲拐角的公式:

f瑿=KC璷xWLg璵 38kT

要降低拐角頻率只能增大器件面積(WL的值)。對(duì)于CMOS晶體管來說，閃爍噪聲拐角一般落在500 kHz~1 MHz附近，這樣是遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)要求的。所以開關(guān)管用了4個(gè)Bipolar的寄生管來進(jìn)行設(shè)計(jì)，取代了由MOS管構(gòu)成的開關(guān)級(jí)。這樣能使得閃爍噪聲拐角在20 kHz以內(nèi)。

1.3 輸出級(jí)的設(shè)計(jì)

輸出級(jí)采用了PMOS電流鏡做負(fù)載，和M7，M8并連的兩個(gè)MIM電容的作用是濾去高次諧波。M7和M8管子的面積必須盡量大，這樣才能有效地減少閃爍噪聲。設(shè)計(jì)中M7和M8管取值W/L=320 μm/1 μm。由于輸出級(jí)的直流偏置電平不能確定，所以必須增加共模反饋。這個(gè)任務(wù)是由M11，M12，M13，M14構(gòu)成的簡(jiǎn)單運(yùn)放來完成的。V璻ef的值為2.1 V，由電阻取出的共模電平和V璻ef相比較，輸出的電平由M14的漏端反饋回M7和M8的柵級(jí)達(dá)到控制輸出電平的目的。

2 仿真結(jié)果

圖3是電路增益的仿真結(jié)果，在880 MHz時(shí)達(dá)到了18 dB左右。

圖3 混頻器的增益

圖4是噪聲系數(shù)的仿真，閃爍噪聲拐點(diǎn)在20 kHz附近，在100 kHz時(shí)噪聲達(dá)到了17.5 dB。

圖4 混頻器的噪聲系數(shù)

圖5是三階交調(diào)點(diǎn)的測(cè)試，在本振信號(hào)為-5 dB，輸入的射頻信號(hào)為-30 dB時(shí)，三階交調(diào)點(diǎn)的值為9.6 dB。

圖5 混頻器的3階交調(diào)點(diǎn)

3 版圖設(shè)計(jì)

圖6為設(shè)計(jì)的版圖。要注意的是高頻差分信號(hào)的走線應(yīng)盡量對(duì)稱。

圖6 混頻器的版圖設(shè)計(jì)

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)工作在GSM頻段的超低中頻混頻器，采用TSMC 0.18 μm CMOS工藝，輸出中頻為100 kHz，增益為18 dB，噪聲系數(shù)為17.5 dB，三階交調(diào)點(diǎn)為9.6 dB，可以應(yīng)用于GSM接收機(jī)中。

參考文獻(xiàn)

［1］池保勇，余志平，石秉學(xué).COMS射頻集成電路分析與設(shè)計(jì).北京:清華大學(xué)出版社,2006.

［2］Crols J.A 1.5 GHz Highly Linear CMOS Downconversion Mixer.IEEE.Solid-State Circuits,1995,30:760-765.

［3］Barrie Gilbert.The Multi-tanh Principle:A Tutorial Over-view.IEEE.Solid-State Circuits,1998,33:2-17.

［4］Darabi H,Asad A Abidi.Noise in RF CMOS Mixer.IEEE.Solid-State Circuits,2000,35:15-25.

［5］Crols J,Steyeart M.A Single Chip 900 MHz CMOS Rcceivcr with a High Performance Low-IF Topology.IEEE.Solid State Circuits,1995,30:1 483-1 492.

［6］Razavi B.A 1.5 V 900 MHz Down-conversion Mixer.in 1996 IEEE Int.Solid State Circuit Conf.Dig.Tech Papers.1996:48-49.

［7］Sullivan P J,Xavier B A,Ku W H.Low Voltage Perfor-mance of a Microwave CMOS Gilbelt Cell Mixer.IEEE Journal of Solid-State Circuits,1997,32(7):1 151-1 155.

［8］Gilbert B.Design Considerations for Active BJT Mixers.Low-Power HF Microelectronics:A Unifed Approach,London:IEE Circuits and Systems,1996:837-927.

［9］Karanicolas A N.A 2.7 V 900 MHz LNA and Mixer.Proc.IEEE Int.Solid-State Circuits Conf.,1996.

［10］Gilbert B.A Precise Four-quadrant Multiplier with Subnanosecond Response.IEEE.Solid-State Circuits,1968,SC-3(4):365-373.

［11］Meyer R G.Integrated Circuit Mixers.IEEE NEREM Rec.,1970,12:62-63.

［12］David A Johns,Ken Martin.Analog Integrated Circuit Design.First Edition.John Wiley & Sons,1996.

作者簡(jiǎn)介 吳王震 男，1984年出生，福建福州人，碩士研究生。研究方向?yàn)榧呻娐吩O(shè)計(jì)。