专利名称：折叠结构的吉尔伯特混频器的制作方法
技术领域：
本发明属于无线通信接收机系统技术领域，特别涉及用于无线通信收发机系统前端的混频器设计。
在无线接收机系统中，混频器是一个非常关键的核心电路模块，它的噪声，线性度，转换增益等性能指标对收发机系统结构的选择具有重要影响，并对整个收发机系统的噪声，线性度，灵敏度，动态范围等性能产生决定性的作用。因此，混频器的设计一直是RFIC设计的关键技术之一。
混频器分为有源混频器和无源混频器两种。有源混频器一般采用Gilbert(吉尔伯特)混频器的拓扑结构，如
图1所示。由MOS管M1和M2，M3和M4，M5和M6以及电阻R1和R2组成的对称结构。其连接关系为射频差分射频信号RF-P、RF-P分别从M1和M2的栅极输入，M1和M2的源极耦合并连接到恒流源Iss上，M1的漏极接到M3和M4的源极上，而M2的漏极则接到M5和M6的源极上，M3和M4，M5和M6分别组成两个源极耦合对并分别接到M1和M2的漏极上，M3的漏极和M5的漏极相耦合接到电阻R1上，M4和M6的漏极相耦合接到电阻R2上，差分本振信号LO-P、LO-M和IF-M分别接到M3～M6的栅极上，电阻R1和R2接到电源VDD上，从而构成一个传统的Gilbert(吉尔伯特)混频器结构。这种混频器的工作原理如下M1和M2组成的跨导器将射频电压信号转换为电流信号，而M3～M6用作开关，开关的打开和关闭由本振信号控制，使得流经电阻R1和R2的电流的频率是射频信号和本振信号的差频与和频，从而完成了频率转换的功能。
这种混频器最大的优点就是它有较高的转换增益，这对于零中频或是低中频的接收机来说是至关重要的。但是，它也有它的一些固有的缺陷，比如噪声比较差，线性度不是很高等等。造成这种固有缺陷的重要原因与这个电路结构本身有着很大关系。由电路分析的原理知道，为了减小电路的输出噪声，必须减小流过本振M3～M6管的静态电流，但是由于传统的Gilbert(吉尔伯特)结构采用的是M1和M2与M3～M6相堆叠的电路结构，减小流过M3～M6的电流，同时也就减小了流过M1和M2的电流，而减小了后者的电流，就会造成电路的转换增益下降和线性度恶化。也就是说，转换增益，线性度和噪声必须以牺牲对方为代价才能换得自身的改进，这就是造成传统Gilbert(吉尔伯特)混频器无法在多项指标上都获得令人满意的性能的原因。
本发明提出的一种折叠结构的吉尔伯特混频器，由MOS管M1和M2，M3和M4，M5和M6以及电阻R1和R2组成对称结构，其特征在于，所说的MOS管M3～M6为PMOS管；其连接关系为射频差分射频信号RF-P、R-FM分别从M1和M2的栅极输入，M1和M2的源极耦合并直接接地，M1的漏极接到M3和M4的源极上，而M2的漏极则接到M5和M6的源极上，M3和M4，M5和M6分别组成两个源极耦合对并分别接到M1和M2的漏极上，M3的漏极和M5的漏极相耦合接到电阻R2上，M4和M6的漏极相耦合接到电阻R1上，差分本振信号LO-P、LO-M分别接到M3～M6的栅极上，电阻R1和R2接到地。
本发明的这种改进的折叠结构的Gilbert(吉尔伯特)混频器的设计方案与传统设计方案相比具有以下几个明显的优点1)增加了功耗作为电路设计和优化的自由度，大大减弱了噪声，线性度和转换增益的相互关联度，使得电路的设计和优化方向更加明确；2)PMOS管比NMOS管的l/f噪声要小，采用PMOS管用作开关管，降低了电路输出的开关噪声；3)采用了源极耦合直接接地的M1～M2用作射频信号的跨导器，比起用恒流源Iss来偏置电流的跨导器，线性度获得了改善。
综上所述，采用折叠结构的Gilbert(吉尔伯特)混频器不但使得混频器的设计和优化更加简便易行，而且在各个性能指标上也获得了很好的改进。
图2为本发明的折叠结构的Gilbert(吉尔伯特)混频器拓扑结构示意图。
图3为本发明的折叠结构的Gilbert(吉尔伯特)混频器实施例结构示意图。
具体实施例方式
本发明提出的折叠结构的Gilbert(吉尔伯特)混频器结合附图及实施例详细说明如下本发明提出的折叠结构的Gilbert(吉尔伯特)混频器如图2所示，由MOS管M1和M2，M3和M4，M5和M6以及电阻R1和R2组成对称结构。各部分的具体电路结构和连接关系详细说明如下射频差分射频信号RF-P、R-FM分别从M1和M2的栅极输入，M1和M2的源极耦合并直接接地，M1的漏极接到M3和M4的源极上，而M2的漏极则接到M5和M6的源极上，M3和M4，M5和M6分别组成两个源极耦合对并分别接到M1和M2的漏极上，M3的漏极和M5的漏极相耦合接到电阻R2上，M4和M6的漏极相耦合接到电阻R1上，差分本振信号LO-P、LO-M分别接到M3～M6的栅极上，电阻R1和R2接到地，从而构成折叠结构的Gilbert(吉尔伯特)混频器结构。
本发明的折叠结构的核心是把M3～M6从NMOS管替换为PMOS管。它的工作原理和传统的Gilbert(吉尔伯特)混频器的工作原理基本一致，但是，如前所述，一旦采用了这种折叠式的结构，把原来相互关联的性能指标的优化方向变得更加简单明确，更容易设计了。另一方面，采用直接接地的源极耦合对跨导器设计比采用恒流源的跨导器设计的线性度改善了，而噪声性能因为改用了PMOS管而得到了较大的改进。
本发明设计的一种折叠结构的Gilbert(吉尔伯特)混频器实施例如图3所示，其基本结构与图2相同，其中，各MOS管采用了PMOS管，在图3中的X，Y两个点的寄生电容比较大，而这两个点的射频泄漏对于电路的噪声性能有着重要影响，因此，为了减小这两个点由于寄生电容造成的射频泄漏，本实施例可采用了两个电感L3和L4来与该点的寄生电容产生谐振，从而消除射频泄漏，进一步改善噪声性能。另一方面，为了进一步改进电路的线性度，本实施例在M1和M2的源极与地之间可分别添加了电感L1和L2，使得M1和M2的输入阻抗在频率和输入信号幅度发生变化的情况下保持稳定，从而进一步地改进电路地线性度指标。本实施例的元器件参数如表1所示表1
权利要求
1.一种折叠结构的吉尔伯特混频器，由MOS管M1和M2，M3和M4，M5和M6以及电阻R1和R2组成对称结构，其特征在于，所说的MOS管M3～M6为PMOS管；其连接关系为射频差分射频信号RF-P、R-FM分别从M1和M2的栅极输入，M1和M2的源极耦合并直接接地，M1的漏极接到M3和M4的源极上，而M2的漏极则接到M5和M6的源极上，M3和M4，M5和M6分别组成两个源极耦合对并分别接到M1和M2的漏极上，M3的漏极和M5的漏极相耦合接到电阻R2上，M4和M6的漏极相耦合接到电阻R1上，差分本振信号LO-P、LO-M分别接到M3～M6的栅极上，电阻R1和R2接到地。
2.如权利要求1所述的折叠结构的吉尔伯特混频器，其特征在于，在所说的M1和M2的源极与地之间分别连有电感L1和L2，在所说的M1和M2的漏极上分别连有电感L3和L4。
全文摘要
本发明属于无线通信接收机系统技术领域，涉及折叠结构的吉尔伯特混频器，由MOS管M1和M2，M3和M4，M5和M6以及电阻R1和R2组成对称结构，其特征在于，所说的MOS管M3～M6为PMOS管；本发明在电路的设计中增加了一个功耗的自由度，减弱了噪声，线性度和转换增益的相互关联度，可以分别对这三个指标进行优化，而对它们优化的直接代价是功耗，而不再是其它指标的恶化。
文档编号H04B1/16GK1395372SQ02123630
公开日2003年2月5日 申请日期2002年7月5日 优先权日2002年7月5日
发明者李永明, 陈弘毅, 林敏 申请人:清华大学