第13章混频器.

混频器Mixers张艺蒙西安电子科技大学微电子学院[e-mail]摘要•前言：无线收发机射频前端的系统结构•基本概念：混频器的性能参数•Gilbert（电流换向）混频器的分析和设计•无源混频器的分析•总结超外差接收器的方框图RF放大器本地振荡器LOIF放大器/滤波器解调调整控制混频器基带放大器输出射频信号RF中频IF本地振荡LO固定的带通滤波器概述概述混频原理:1、非线性系统混频原理混频原理：2、线性时变状态镜像信号定义：指与有用射频信号关于本振频率对称的信号，它与有用信号的频率差等于两倍中频频率。混频器的性能参数：噪声系数噪声系数线性度性能参数：隔离度和阻抗匹配隔离度：本端口功率与其窜通到另一端口的功率之比。LO-RF:强本振信号泄露到输入端，使混频器发生过载或饱和。LO-IF:强本振信号泄露到输出端，容易造成后级中频模块发生过载或饱和。RF-LO:出现自混频现象，同时强干扰信号会影响本振的工作。阻抗匹配：RF、LO端匹配到50欧姆，IF端口匹配到后级滤波器的输入端阻抗。主要性能指标典型值二、混频器的类型混频器的电路结构非常多，从系统的角度看，非线性系统和线性时变系统以产生新的频率分量而具有混频的可能；从电路的角度看，混频器可以是有源的也可以是无源的；还有其它如单平衡或双平衡结构、采样保持电路等等二、混频器的类型AfLO-RFRFLOLO+RF混频器的信号图输出信号由LO和RF信号的和与差（LORF）两个信号组成。通常我们仅需要这些信号中的一个信号，另一个信号将被滤掉。由于LO的谐波和RF在混频器中混频，会产生许多更小、更高次的信号，所以这些信号也应滤掉。一般而言，混频器所产生的全部信号有（n×LO±m×RF），其中m，n为整数。混频基本原理混频基本原理混频基本原理混频基本原理混频基本原理混频基本原理混频基本原理混频基本原理混频基本原理混频基本原理•Gilbert（电流换向）混频器的分析和设计电路结构单平衡有源和双平衡有源混频器•驱动级：将输入电压信号转换为电流信号，它的线性度决定了整个混频器的线性度。•混频级：如果本振信号足够大，作为开关管，在本振信号的控制下，周期性的开关。•负载：电阻或者谐振网络。•单平衡混频器由于方波信号仅包含奇次阶谐波，尾电流源与本振信号混频的结果包含射频信号与LO各奇次谐波混频的差频、和频成分，也包含直流偏置与LO的各奇次谐波混频的成分，导致存在LO-IF泄露。假设混频管为理想管，方波信号的基频幅度为4/π，则转换电压增益为()sgncos(cos)outLOBRFRFittIIt2vmLGgR双平衡混频器混频的结果只包含射频信号与LO各奇次谐波混频的差频、和频成分，不包括直流偏置与LO各奇次谐波混频成分，对LO-IF有着很好的抑制作用。假设混频管为理想管，方波信号的基频幅度为4/π，则转换电压增益为()sgncos(cos)sgncos(cos)outLOBRFRFLOBRFRFittIIttIIt2vmLGgR单平衡混频器噪声分析由于开关管的工作点是周期性变化的，信号的处理过程是一个周期性时变过程，因此混频器产生的噪声具有周期性时变特性。一般用时变功率谱密度S(f,t)来描述。噪声来源：驱动级噪声；混频单元的噪声；来自LO输入端噪声；负载的噪声。对于单平衡混频器来说，Nn3包含晶体管M3的热噪声、信号源阻抗RS引入的噪声和晶体管栅级寄生阻抗rg3的热噪声，因此对于双平衡混频器23333(,)4()nSgmmSftkTRrgg25,63532(,)4(2)nSgmmSftkTRrgg1.驱动级的噪声假设驱动级的输出电流is中包含噪声电流成分n3(t)，其噪声功率谱密度为Sn3(f,t)，则它的时变功率谱密度为2.开关对（混频单元）噪声当混频管M1或者M2工作于截止区而另一混频管处于导通状态时，输出电流完全由混频单元的尾电流决定，混频单元不产生噪声。当开关对两管同时导通时，才产生热噪声。可表示为：121212(,)16()8()mmnmmggSftkTkTGtgg3.本振端噪声本振信号是由时变电路产生的，该时变电路会在混频器本振输入端引入周期性稳态噪声。由于混频过程本身也是一个时变过程，所以本振噪声分析十分复杂。于单平衡混频器和双平衡混频器21(,)4(2)nLOLOgSftkTRrG21(,)4(4)nLOgSftkTrG综合以上分析混频器各种噪声，可以最终得到混频器的噪声系数理想情况下，可由下面两个公式估计混频器的噪声系数233331122231()2(2)gmmLOgLSSBmsrggGRrGRFccgR2555511222512()44gmmgLDSBmsrggGrGRFccgR33332231()14gmmLSSBmsrggRFgR555522512()14gmmLDSBmsrggRFgR噪声优化混频器输出端噪声主要由驱动级产生的热噪声、开关对产生的热噪声和本振噪声、负载噪声引起。驱动级是一个共源放大器，因此可以采用与低噪声放大器相同的噪声优化方法，优化驱动级中晶体管的尺寸和偏置，使得驱动级产生的热噪声尽可能低。在开关对的设计上，通过前面的图中可以看出，增加偏置电流会增加开关对的热噪声和本振噪声，但可以减小驱动级热噪声的贡献，而且会降低混频器的转换增益。而增加本振信号幅度会降低开关对的热噪声和本振噪声，但会增加驱动级热噪声的贡献。设计混频器时应根据哪部分是噪声主要来源，折中进行考虑。线性度对于单平衡混频器输出电流归一化结果为式中α=VLO/Vod22351(1)sgn()22432outBBiII改善线性度的方法•驱动级1.采用源简并技术2.分段线性近似•开关对开关对引入的三阶交调积与开关对共源节点的寄生电容有很大关系。采取在共源节点并联一个电感。二极管无源混频器二极管混频器在分离器件中，最常用的是无源二极管混频器，它利用了二极管的非线性，电路结构简单、线性度好、隔离差、噪声较高、本振信号驱动要求高。MOS无源混频器直接将输入电压信号与本振信号在电压域进行混频。特点：不提供增益、线性度较好。总结•1.介绍了混频器的基本性能参数。•2.重点分析了Gilbert混频器（有源混频器），这类混频器具有较好的线性度及噪声性能，并且广泛应用于单片集成电路中。•3.无源对比有源混频器无源混频器虽然具有较好的线性度、功耗，但引入了衰减。有源混频器由于提供一定的转换增益，所以相对无源混频器，可以在一定程度上抑制后续电路噪声对整个收发机系统噪声的影响。作业：P.336第四题谢谢