一种多频带高线性度CMOS单边带混频器 - 图文

集成电路设计与应用ＩＣＤｅｓｉｇｎａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３—３５３ｘ．２０１１．０６．０１０一种多频带高线性度ＣＭＯＳ单边带混频器孙敏，张海英，王云峰，李志强，郭瑞（中国科学院微电子研究所，北京１０００２９）摘要：基于ＴＳＭＣ０．１８斗ｍＣＭＯＳ工艺，设计实现了一种多频带高线性度的单边带（ＳＳＢ）混频器。该混频器以经典的电流换向结构为基础，采用电阻负载以满足多频带工作、高线性度和高带内增益平坦度要求，并节省了面积。通过集成有源巴伦将混频器输出差分信号转换成单端信号，提高了发射机的系统集成度且有利于降低功耗。测试结果表明：在２．３—２．４ＧＨｚ及３．４—３．６ＧＨｚ工作频带内，／ＰｌｄＢ大于０ｄＢｍ，带内增益平坦度小于０．５ｄＢ，本振泄漏小于一４７ｄＢｍ，镜像信号抑制大于３６ｄＢ，为ＬＴＥ标准的无线射频前端芯片的进一步研究提供了参考。关键词：多频带；高线性度；有源巴伦；带内平坦度；单边带混频器中图分类号：ＴＮ７７３文献标识码：Ａ文章编号：１００３—３５３Ｘ（２０１１）０６—０４５５—０４Ｍｕｌｔｉ?ＢａｎｄＨｉｇｈＬｉｎｅａｒｉｔｙＣＭＯＳＳＳＢ－ＭｉｘｅｒＳｕｎＭｉｎ，ＺｈａｎｇＨａｉｙｉｎｇ，ＷａｎｇＹｕｎｆｅｎｇ，ＬｉＺｈｉｑｉａｎｇ，ＧｕｏＲｕｉ（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００２９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｍｕｌｔｉ—ｂａｎｄ，ｈｉｇｈｌｉｎｅａｒｉｔｙＳＳＢ－ｍｉｘｅｒＣＭＯＳｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．ＴｈｅｃｉｒｃｕｉｔｍｅｅｔｓａｖｅｕｓｅｓｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂａｓｅｄｏｎｏｎｔｈｅＴＳＭＣ。０．１８¨ｍｃｏｍｍｕｔａｔｅｄｔｙｐｅｔｏｒｅｓｉｓｔｏｒｓ鹊ｔｈｅｌｏａｄｂａｓｅｄｔｈｅｔｙｐｉｃａｌｃｕｒｒｅｎｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｍｕｌｔｉ?ｂａｎｄ，ｈｉｇｈｌｉｎｅａｒｉｔｙａｎｄｇｏｏｄｉｎ—ｂａｎｄｇａｉｎｆｌａｔｎｅｓｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃａｎｄａｌｓｏａｒｅａ．Ｏｎ—ｃｈｉｐａｃｔｉｖｅｂａｌｕｎｓｉｎｇｌｅ?ｅｎｄｅｄ，ＳＯｔｅｓｔａｓｗａｓｔｏａｄｏｐｔｅｄｉｎｔｈｅｐｕｒｐｏｓｅｏｆｔｒａｎｓｆｏｒｍｉｎｇｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｍｉｘｅｒｏｕｔｐｕｔｉｍｐｒｏｖｅｔｈａｔｉｎｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｎｇｌｏｗｅｒｐｏｗｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｒａｎｇｅｓｏｆｔｈｅｗｈｏｌｅｓｉｇｎａｌｓｉｎｔｏｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆ２．３—２．４ＧＨｚａｎｄ３．４—３．６ＧＨｚ，／ＰＩｄＢｉｓａｂｏｖｅ０ｄＢｍ，ｉｎ—ｂａｎｄｇａｉｎｆｌａｔｎｅｓｓｉｓｌｏｗｅｒｔｈａｎ０．５ｄＢ，ＬＯｔｈａｎ一４７ｄＢｍａｎｄｉｍａｇｅｉｓｐｒｏｖｉｄｅｄ．Ｋｅｙｌｅａｋａｇｅｉｓｌｏｗｅｒｒｅｊｅｃｔｉｏｎｉｓａｂｏｖｅ３６ｄＢ．ＴｈｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｆｕｒｔｈｅｒｒｅｓｅａｒｃｈｏｆＬＴＥｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒｗｏｒｄｓ：ｍｕｌｔｉ—ｂａｎｄ；ｈｉｇｈｌｉｎｅａｒｉｔｙ；ａｃｔｉｖｅｂａｌｕｎ；ｉｎ—ｂａｎｄｆｌａｔｎｅｓｓ；ＳＳＢ－ｍｉｘｅｒＥＥＡＣＣ：１２５００引言高性能、低成本的射频收发机芯片是现代无线源混频器结构，实现了较好的本振信号隔离、较高的镜像信号抑制和高的带内增益平坦度，同时创新地将混频后的差分信号通过片上有源巴伦转换成单端信号，提高了发射机的系统集成度。通信系统的核心组成部分，而上变频器作为射频发射前端电路中的模块，其功能是将基带信号的频率调制到载波频率。随着移动通信系统逐步向３Ｇ以及４Ｇ演进的同时，射频收发机芯片也由单模窄带向多模多频以及宽带多模多路可重构发展…。本文针对ＬＴＥ标准开展射频前端芯片研究，设计了适用于发射机部分的ＳＳＢ混频器模块，采用ＩＱ电流换向型有基金项目：国家科技重大专项（２００９ＺＸ０３００７－００２，２０ｌＯＺＸ０３００７?００２）１系统及电路结构设计埋ＪＬＴＥ标准的工作频段是２．３—２．４ＧＨｚ和３．４—ＧＨｚ。本文中的发射机整体模块框图如图１所３．６示，采取直接变频结构，电路结构相对简单，避免多次变频降低发射链路的线性度。本文的主要工作集中在ＳＳＢ混频器和片上有源巴伦的设计实现，如图１中虚线框所示。ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＶｏＬ３６Ｎａ６４５５Ｊｕｎｅ２０１１万方数据孙敏等：一种多频带高线性度ＣＭＯＳ单边带混频器图１发射机系统框图Ｆｉｇ．１Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒｓｙｓｔｅｍ１．１混频器的设计采用无线收发机模拟前端中最常用的结构——电流换向型有源混频器¨１，其电路原理图如图２所示，通过ＩＱ两支路混频并对输出信号相减，以实现单边带变频操作。图２ＳＳＢ混频器电路Ｆｉｇ．２ＣｉｒｃｕｉｔｏｆＳＳＢ－ｍｉｘｅｒ单边带上变频原理：当本振信号足够强，晶体管Ｍ，。一Ｍ。。可以近似为理想开关，则１支路双平衡混频器的差分输出电流，叫为，ｏＩ＝ｓｇｎ［ＣＯＳ（ｔｏＬｏｔ）］ｇ。ｔ）ＩＦＣＯＳ（ｔｏＩＦｔ）（１）式中：∞Ｌ０为本振信号频率；ｇ。为输入管Ｍ。。和Ｍ：。的跨导；ｔ，。，为中频输入信号幅度；ｔｏ。，为频率。将方波信号ｓｇｎ［ＣＯＳ（ｔｏ。。ｔ）］进行傅里叶变换后得ｔｏ。：掣。，主ｋ＝ｌ百ｓｉｎ（ｋ竹／２）｛ＣＯＳ［（如∞Ⅵ，）ｔ］＋Ｃ０８［（ｋｔｏＬＯ—ｔＯＩＦ）ｔ］｝（２）类似分析可得Ｑ支路的差分输出电流，ｏ。为‰－ｇｍ‰塞警｛ｃｏｓ［（‰飞Ｆ）ｔ］．ＣＯＳ［（如Ｌｏ＋∞ｌＦ）ｔ］｝（３）在输出端将ＩＱ支路的输出电流相减，即得总输出电流，ｏ。＝２９。口。，∑ｃｏｓ［（ｋｔｏ。。＋ＯＪＩＦ）ｔ］（４）由于采用线性负载，因此输出仅包含∞。。及其４５６半导体技术第３６卷第６期万方数据奇次谐波与输人中频信号的和频成分。电阻负载和输出节点的寄生电容构成Ｒ－Ｃ低通滤波特性，能有效抑制比有用信号频率（∞Ｌ０＋∞球）更高的干扰信号，同时后级的放大电路因其窄带选通特性，能对干扰信号进一步抑制，从而使天线输出信号满足通信标准的频谱要求。与大多数混频器采用电感作负载不同，本文针对ＬＴＥ标准宽频带、较高线性度和频带内较高平坦度的特殊要求，采用电阻作负载，并侧重线性度指标来优化输入跨导管和开关管尺寸。用电阻代替电感作负载除了大大减小版图面积外，另一重要优点是极大提升了频带内增益平坦度。因为￡一Ｃ作负载时形成谐振峰，只有通过降低Ｑ值才能提高平坦度，但同时增益也大大降低，而通常为了获得一定的增益，带内平坦度都会比较差，如大于２ｄＢ；采用电阻负载实质上是Ｒ．Ｃ低通滤波，其中Ｃ是输出寄生电容，通过减小Ｃ很容易增大带宽从而实现好的增益平坦度，本电路通过合理设计Ｒ－Ｃ的值，其带内平坦度在２．３—２．４ＧＨｚ频段小于０．３ｄＢ，在３．４—３．６ＧＨｚＡ、于０．５ｄＢ。１．２电平转换电路及有源巴伦的设计由于ＬＴＥ标准的中频信号最低有效频率（１８０ｋＨｚ）较低，为避免使用大容值的隔直电容，混频器与发射机前级模块ＶＧＡ采取直流耦合方式连接，但ＶＧＡ输出直流点（０．６５Ｖ）和混频器输入的直流点（１．２Ｖ）并不相符。因此需要额外的直流电平转换电路，其电路结构如图３（ａ）所示，其实质是二级管连接的ＰＭＯＳ管作负载的共源放大电路，通过负载管的Ｋ。来钳制输出直流电平。同时该电路还能减小ＶＧＡ输出直流失调引起的混频器输入直流失调，从而有效减小因直流失调因素引起的本振泄漏。Ｖ＝－（Ｉ）电平转换电路（ｂ）有源巴伦电路图３电平转换及有源巴伦电路Ｆｉｇ．３Ｃｉｒｃｕｉｔｓｏｆｌｅｖｅｌ?ｓｈｉｆｔａｎｄａｃｔｉｖｅｂＭｕｎ２０１１年６月与传统的混频器差丹箱…■同本进汁ｎ：混频器后加＾丁有∞Ｅ伦电路４如嘲３（ｂ）所Ⅲ：ｒ．．作为输＾时．Ｍ：为∞＆随器．输出信０与ｒ．．硎向．ｔ。作为输＾时Ｍ．却共∞放大器．输出ｆｉ口与ｒ．反向，从ｍ反相辅＾信号ｎ：辅ｍ端同相相加实现差分信号到单端的转换％翱器甲端输出有利ｆ后缎ＰＡ驱动器的设计提高Ｔ发射机系统的集成度并降低丁功耗。除此之外目为３，１，和Ｍ＝将％频器输ｍ与负载电窖隔离．能减缓大负拽电容引起的混频器带宽Ｔ降，从而进一步提高频带内的增益平坦度。２芯片版图和测试结果幸设计作为射频收发机整体芯片的一部分．与奉振信号提供电路ＶＣＯ、鳙级电路ＶＧＡ以厦后级电路ＰＡ驱动器均直接连接，“完成对发射机链路的整体测试。同时基ｆ奉模块芯片单独测试考虑，版图中目出独立的电源、地“厦其他测试端口。茁片的版圈如图４所示，整十电路的自积为０４５ｍｍＸｆｔ２５…９５ｍｍ（不含ＰＡＤ）．其中包括基准电源带隙的０ｎ２５ｍｍ，在电源电压为ｌ８ｖ温度为２７℃时，测得整个电路直流电流为１ｌ７ｍＡ，与后仿结果吻台。『】曙訇囹三二＝型．．憎焉葶剥阐目４ＺＨｍ日Ｆ１目４Ｌａｙ，，ｕｌｏｆｉｈｅｃｈｉｐ在频段２３～２４Ｇｎｚ“显３４—３６ｃＨｚ内对增益、带内平坦度、线性匿、本振泄漏“厦镜像信｝抑制等指标进行测试。测试所需ＩＯ口路本振信号自收发机芯片中的ＶＣＯ模块提供，呻口蹄，｝－顺情号由Ａ＃ｉｌｅｎｔＦＡ４３８Ｃ产生输ｍ射频信口（测盘缓冲器有ｌｏ曲的衰减）瑚Ａｌ‘ｉｌｅ．１ＰＳＡＥ４４４０ＡⅧ憾。当本振信口％率为２３６ＧＨｚ、功牢ｏｄＢｍ、巾顿信号频率为１８６ＭＨｚ、功率一３６ｄＲｍ时所得辅出信号频谱如刚５所ｉ，可见本振泄漏小于万方数据４７ｄＢｍ镜像价号“】制约为３６９ｄⅡ∽２＿。“＊ｉｎ挚ｏ。埘蝌州啼…；ｔ；㈦篙馏；鬻！糯ｍ嘏；黧雪Ｆ１§７Ｃｈａｒ８ｃｔｅ删】＿ｔ……ｒＨ７＃＆Ⅱ镕镕＃ｍ＆Ｅ“ｌ“｛Ｉ’唧Ｈ５ｓｍ『日＂埘芯Ｈ的“他性旋指怀．知增益、噪声小Ｔ。一４７?Ｉ”ｍ＿镜像ｆ二母抑制凡于３６ｄＢ．缓也路适用ｆＩ．ＴＥ拆准的鞋射ｎ％坑系教等均进行ｒｆｆ细测试洋细的测试结果如＾Ｉ所＊丧中：Ｎ为面税．１为电瓣电Ⅸ．，为消耗电漉：ｃ为增益．胪。．为ｌｄＢ／Ｉ一缩点；『，为本叛参考文献：ｆＩ］ｎＢ，女十Ａ｝＊＃＃３ＧＰｐＫｍ■±｛Ｉ，ＴＥ｝＆￥Ｈ＾ｑ＊％ｎ”【ＭＩ－３Ｉ瀚沁；腑为镜像抑制．ｗＦ为噪一系敦（在巾颠信０频帛ｌＯＭＨｚ时的测试结巢）；Ｇｋ＂为增旌平坦度寰１Ｔａｂｎ《：＾Ｋ＃ｍｍ《Ｉ￡２ｗ８：ＳＳＢ混频器的蔼试结果（ｔ＝２７ｔ）１ＴｅｓＩｒ％ｕ¨ｓｏｔＳＳＢｍｉｘｅｔｆｔ＝２７ｔ’【２ｊＩＩＥＩＩＺＭＩＲＲＦ州附ｌ—Ｉｍｎｉ”Ｍ１｝：＋，Ⅷｗ＊．＊＃ｄ＊十＾｝ｍⅨｎＩ，１ＴＩＩＯＭ＾ｓ¨ＬｎｃｔＩ＃ｉｇｎ２蛳１１７一Ｉ：ＩｎｆｃＭｏｓｅｎｄｍＩｔｅｑｕ＿ｎｅｙ…叩‘ｎｄ㈣…‘【Ｍ】＊ｒ＂ｄｄ】Ｉｌ∞ｕ孙ＣｌｍｂｎｄｇｅＬ…ｅｎｌｔｖＰ忡ｓ２槲：２３３－４３７【４］ｎ＾ＥＹＫ．ＳＡＮＣＧＬ．ＪＩＮ¨１．ｕ…ｖＰ……ｒｈｃＩ／／ｈｒ州ｌ…ｐ“ｒＭＨ３钟‰…伽＂§ＢＨｆＩ．Ｉ…ｎＭＩｆ舶…Ｍｌ…¨ｄ”ｉ■ｎ：ｄｌｌｉ删ｅｒｗ‘＂Ｔ廿ｈｍＩ啊＆ｑ‘％，Ｉ．ｈｉＭ，瑚０：啦一４”（№Ｈｎ■：２０ＩＩ一∞一０２）３结论车文基下＇Ｐ３２?１Ｃｎ１８ｌＬｍ＊■¨一）■■＾目Ⅲ＾■ｉ■ＲｃＭ（ＩｓＩ艺研究设计±＊％女自＾％ｍ７＃■女ⅢｍＢ＆”ｒ一种多鞭带、高线性厦和高带内增盐甲Ⅲ度的ｓｓＢ混鞭器．采用＾电赔设Ｉｈ棱００片Ⅲ收仪为０４５…×Ｏ９５ｍｍ渊试结果＾啊．枉２３－２４Ｃ，Ｈｚ“及３４—３６ｃＨ；内．带内增蓝平坦度小ｆＯ５ｄＢ．辖＾１ｄＢ压缩点凡于０ｄＢｍ．本振讹甜成功打造ｌ耐内首个汽车Ｈ王｝芯ＪＩ制造?Ｆ台——Ｌ々ｉ￡：｝：÷！Ｂ‘】４《赶ＩＯ０００；ｊｔ＊先进丰导镕剥连＆＂有ｍ女目（。±洚先《”）是目＾最早ｎ事汽车ｔ干甚＊±产自丰导体制造盘Ⅱ：自２０呻年捉女构建“汽车屯子甚Ｈ“遘产Ⅲｍ平ｅ”‘々ｍ撼．井ｆ日年自＆Ⅻ暑０∞ｌ成８＃制造商＃Ⅱ＃一＊：ｔ｝ｔ｝田＊±产§目“卓．ｉ夸ｌ计ｉ产汽｝电子田Ｈ造６００００Ｂ。。±海先避““２（１１１９｝ｉ夸《４５女ａｔ＆ｗｍ％＾丰ＯＦＭＭ迪ｒ商“Ａ其他＾卓棚过商∞ｖ【】＾６３；ｔ车ｉｎｔ＃审Ｈ．成∞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作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

孙敏， 张海英， 王云峰， 李志强， 郭瑞， Sun Min， Zhang Haiying， Wang Yunfeng， Li Zhiqiang， Guo Rui

中国科学院微电子研究所,北京,100029半导体技术

SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY2011,36(6)

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