专利名称：一种上变频混频器和双平衡式上变频混频器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及混频器，具体涉及射频集成电路的一种高线性上变频混频器电路。
背景技术：
射频收发机模拟前端在本质上主要完成频率转换的功能，接收机模拟前端将接收 到的射频信号转换成低频信号，而发射机模拟前端将要发射的低频信号转换成射频信号， 频率转换的功能就是由混频器完成的。混频器核心的工作原理是将两个输入信号在时域上相乘，然后输出已达到频率转 换的目的。假设两个正弦信号输入到乘法器中，在数学上可以表示为{A cos ωχ \Β cos ω2 ) =-[COs(O)1+ cos— + ω2 )t]
2 (1)两者相乘的结果包含频率相加和相减，信号幅度为与IF信号和LO信号成正比的 关系。因此，如果LO的信号幅度为常数，那么输出信号的幅度就会与IF输入信号成正比关系。但实际上混频器不能做到理想的乘法器，由于混频器是一个非线性器件，所以会 有串绕效应(cross-modulation)。如式(2)所示ω IF = m ω EF+n ω L0(2)其中m和η为自然数。如果两个信号相加减就会产生很多除了正常的ωιρ信号 外其它不需要的输出信号，而且其中会有一个分量在2ωω-ωκρ附近，这个信号我们很容易 联想到镜像干扰信号，也就是说如果正常的ωιρ信号和2ωω-ωκρ信号如果同时存在于两 级变频结构前一级混频器的输出端的话，对于后一级的混频器输入来说会产生很严重的影 响。在现代通信系统中，输入信号的动态范围是一个很重要的性能，它决定着系统性 能的好坏，通常输入信号的动态范围在SOdB到IOOdB的范围内。线性度就是决定输入信 号幅值不能大于多少才不至于失真，线性度越好那么系统的输入动态范围也就可以越大， 系统的性能就越好。图1为典型的吉尔伯特(Gilbert)单元混频器，如果本振信号足够强，晶体管 M1-M4可以近似为理想开关，则Gilbert单元混频器的输出电流为I。= I。「I。2= (IrI2)-(I4-I3)= sgn [cos ω LOt] (IB+is) —sgn [cos ω LOt] (IB_is)= 2sgn[coscoL。t]is(3)其中，sgn[cos LOt]是一个幅度为1、频率为的方波信号
rη -1 cos<y￡Oi<0sg4cosiyi0iJ = {(4)
1 cos coLOt > 0将方波信号sgntcosco^]进行傅立叶变换，可得
3[0017] 方波信号是本振信号的各奇次谐波组成的。图1中M5、M6和电阻Rl构成跨导器，对于跨导器来说，它的输出为2is = gmvKFcoscoRFt(6)gm 为差分对 M5、M6 的跨导，gm = gm5 = gm6。因此Gilbert单元混频器的输出电流为 由(7)式可知，Μ5、Μ6两个MOS管线性度的好坏决定了整个混频器线性度的好坏， 如果输入IF信号的动态范围超过了 Μ5和Μ6的饱和区范围，Μ5和Μ6将工作在线性区，输 出的电流也不再与输入电压保持正比关系。图2为由吉尔伯特(Gilbert)单元组成的双平衡式混频器，其线性度的好坏同样 受到MOS管线性度的好坏的影响。因此迫切的需要一种新型的上变频混频器，其线性度的好坏不再受MOS管线性度 好坏的影响。
实用新型内容本实用新型旨在提供一种高线性度的上变频混频器，以解决现有技术存在的混频 器线性度较低的问题。为解决上述技术问题，一方面，本实用新型提供一种上变频混频器，包括晶体管Ml 和M2，和电阻R2、R3，电阻R2、R3分别与晶体管Ml、M2的漏极相连，还包括电流源Il和 12，一端分别与M1、M2的源极相连，另一端接地；电阻Rl和运算放大器OPl和0P2，其中，运 算放大器OPl的输出端与晶体管Ml的栅极连接，运算放大器0P2的输出端与晶体管M2的 栅极连接，运算放大器OPl的反相输入端与晶体管Ml的源端连接，运算放大器0P2的反相 输入端与晶体管M2的源端连接，运算放大器OPl和0P2的同相输入端分别与输入信号的两 端连接，电阻Rl两端分别与运算放大器OPl和OPl的反相输入端相连，电阻R2与Ml的漏 极相连，电阻R3与M2的漏极相连，电阻R2、R3的另一端分别和直流电压源VDD相连。另一方面，本实用新型还提供一种双平衡式上变频混频器，包括两个上变频混频 器，每个上变频混频器电路分别完成正交IQ信号中I路和Q路的上变频混频。本实用新型通过采用运算放大器和MOS管共同构成射随器电路，从而使得输出信 号随输入信号线性变化，具有电路结构简单，电路面积小，电路线性度高的优点，适用于射 频收发器的发射链路。
图1为典型的吉尔伯特(Gilbert)单元混频器；图2为由吉尔伯特(Gilbert)单元组成的双平衡式混频器(mixer)结构图；图3为本实用新型实施例提供的上变频混频器工作原理示意图；图4为本实用新型实施例提供的双平衡式上变频混频器。[0036]具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本实用新型。本实用新型的上变频混频器(up-mixer)的电路结构如图3所示，包括电流源 Il和12，一端分别与Ml、M2的源极相连，另一端接地；NMOS管Ml和M2 ；电阻Rl、R2、R3，电 阻Rl两端分别与运算放大器OPl和OPl的反相输入端相连，电阻R2与Ml的漏极相连，电 阻R3与M2的漏极相连，电阻R2、R3的另一端和直流电压源VDD相连；运算放大器OPl和 0P2，其中运算放大器OPl的输出端与NMOS管Ml的栅极连接，运算放大器0P2的输出端与 NMOS管M2的栅极连接，运算放大器OPl的反相输入端与NMOS管Ml的源端连接，运算放大 器0P2的反相输入端与NMOS管M2的源端连接，构成射随器电路。运算放大器的同相输入 端分别与差分输入VIF信号的两端连接。NMOS管的组成和结构与现有的吉尔伯特单元的组 成和结构相同，不再赘述。前述NMOS管可以为PMOS管或者三极管。通过选择运算放大器内部MOS管的合适尺寸，以及调整NMOS管Ml、M2的尺寸，使 得节点Cl、C2的电压分别等于VIF+和VIF-，并且跟随VIF+和VIF-变化而变化。这样流 过电阻Rl的电流Δ I就等于AI = ^-(8)
Rl同时，由于流经电流源的电流都为10，则支路1，2的电流分别为Il= Ι0+ΑΙ = Ι0+^-(9)
00 RlU^I0-AI = I0-^-(10)
οο m由上两式可知，输出电流随输入电压线性变化，与MOS管的跨导gm无关，此电路具 有很好的线性度。本实用新型的双平衡式上变频混频器(up-mixer)的电路结构如图4所示，包括两 个相同的上变频混频器，分别完成正交IQ信号中I路和Q路的上变频混频功能。具体包括 4个电流源11-14，一端分别与M13、M14、M15和M16的源极相连，另一端接地；16个NMOS管 M1-M16，M1-M8的漏极分别与电阻R3、R4、R3、R4、R5、R6、R5和R6相连，M1-M8的栅极分别 与输入的正交信号(I+、I-、I-、I+、Q+、Q-> Q-和Q+)连接，Ml和M2的源极通过M9的漏极 与M13的漏极相连，M3和M4的源极通过MlO的漏极与M14的漏极相连，M5和M6的源极通 过Ml的漏极与M15的漏极相连，M7和M8的源极通过M2的漏极与M16的漏极相连；6个电 阻R1-R6 ；4个运算放大器0P1-0P4，其中，运算放大器(0P1-0P4)的输出端分别与NMOS管 (M13-M16)的栅极连接，运算放大器(0P1-0P4)的反相输入端分别与NMOS管(M13-M16)的 源极连接，运算放大器(0P1-0P4)的同相输入端分别与输入的正交信号(I+、I-、Q+和Q-) 连接，构成射随器电路。电阻Rl、R2的两端分别与NMOS管(M13和M14，M15和M16)的源极 连接。电流源(II、12、13和14)的输入极分别与NMOS管的源极连接，电流源(II、12、13 和14)的输出极与地(GND)连接。其中NMOS管M19-M12可以省略。双平衡式上变频混频 器输出电流随输入电压线性变化，与MOS管的跨导gm无关，此电路具有很好的线性度。前述NMOS管可以为PMOS管或者三极管，当然也可以部分为PMOS管，部分为NMOS 管或者三极管。采用射随器结构的上变频混频器和双平衡式上变频混频器，具有电路结构简单，
5电路面积小，线性度高的优点，尤其适用于射频收发器的发射链路。 以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本 领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则 之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求一种上变频混频器，包括晶体管M1和M2，和电阻R2、R3，电阻R2、R3分别与晶体管M1、M2的漏极相连，其特征在于，还包括电流源I1和I2，一端分别与M1、M2的源极相连，另一端接地；电阻R1和运算放大器OP1和OP2，其中，运算放大器OP1的输出端与晶体管M1的栅极连接，运算放大器OP2的输出端与晶体管M2的栅极连接，运算放大器OP1的反相输入端与晶体管M1的源端连接，运算放大器OP2的反相输入端与晶体管M2的源端连接，运算放大器OP1和OP2的同相输入端分别与输入信号的两端连接，电阻R1两端分别与运算放大器OP1和OP1的反相输入端相连，电阻R2与M1的漏极相连，电阻R3与M2的漏极相连，电阻R2、R3的另一端分别和直流电压源VDD相连。
2.根据权利要求1所述的上变频混频器，其特征在于，所述晶体管为NMOS管，PMOS管 或三极管。
3.根据权利要求1或2所述的上变频混频器，其特征在于，所述输入信号为差分输入信 号，所述电阻Rl两端的节点Cl、C2的电压分别等于差分输入信号的电压VIF+和VIF-。
4.根据权利要求2所述的上变频混频器，其特征在于，电阻Rl的电流ΔΙ为，ΔΙ= AVIF/R1。
5.根据权利要求4所述的上变频混频器，其特征在于，当电流源的电流为IO时，则电阻 R2和电阻R3所在的支路的电流分别为10+ Δ I和IO- Δ I。
6.一种双平衡式上变频混频器，其特征在于，包括两个权利要求1的上变频混频器，每 个上变频混频器电路分别完成正交IQ信号中I路和Q路的上变频混频。
专利摘要本实用新型公开了一种上变频混频器，包括晶体管M1和M2，和2个电阻R2、R3，电阻分别与晶体管的漏极相连，其特征在于，还包括电流源，电阻R1和2个运算放大器OP1和OP2，其中OP1输出端与M1栅极连接，OP2输出端与M2栅极连接，OP1反相输入端与M1的源端连接，OP2的反相输入端与M2的源端连接，运算放大器的同相输入端分别与输入信号VIF的两端连接，R1两端分别与运算放大器的反相输入端相连。本实用新型同时公开了一种双平衡式上变频混频器。本实用新型能够使得输出信号随输入信号线性变化，具有电路结构简单，电路面积小，电路线性度高的优点。
文档编号H03D7/14GK201663582SQ200920261060
公开日2010年12月1日 申请日期2009年12月4日 优先权日2009年12月4日
发明者汪纪 申请人:中兴通讯股份有限公司