一种cmos上变频无源混频器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线通信中的混频器技术领域，尤其涉及一种CMOS上变频无源混频 器。
【背景技术】
[0002] 混频器是无线通信系统的核心模块，其性能直接影响整个系统的性能。随着CMOS 技术的不断发展，CMOS混频器逐渐替换了双极型混频器。而CMOS混频器按是否能够提供 增益，分为有源和无源两种。其中，无源混频器结构射频前端的非线性很大程度上是由无源 混频器决定的。无源混频器在时域中将中频信号与本振信号相乘，得到频率上的卷积。理 想的开关模型中，开关打开和闭合是不存在非线性的。但是在实际应用中，作为开关的M0S 管在打开和闭合状态分别工作在关断区和三极管区，其工作状态受到栅极电压，源极电压 的影响。这时，中频信号幅度将会影响开关的占空比，同时带来额外的频率互调产物，导致 线性恶化。在低电源电压工作时，本振信号幅度受限，上述非线性的影响将更加明显。为了 降低开关的非线性，一般的方法是使用互补的CMOS开关，比如传输门。但是这种传输门结 构无疑会增加本振信号的负载，导致本振通路的功耗加大。
[0003]为此，文献1(A45nmLow-powerSAW-lessWCDMATransmitterModulatorUsing DirectQuadratureVoltageModulationISSCC2009)中提出了一种应用WCDMA系统发射 机的开关式CMOS无源混频器，使用NM0S管作为开关，本振信号采用25%占空比，实现了较 高的线性、较低噪声以及低功耗。然而这种技术方案没有对混频器开关管栅极偏置作特别 的设计，而是直接将25%占空比的本振信号直接耦合到开关管的栅极。对于不同幅度的输 入信号，由于开关管的栅源电压不同，使得开关导通电阻也存在差异，这无疑将影响整个系 统线性。
[0004]而在文献2(A127mWSAW-lessLTETransmitterwithLC-loadBootstrapped QuadratureVoltageModulatorin130nmRFCM0S)中提出了一种应用于LTE系统发射 机的自举式无源混频器，文中使用NM0S作为混频器的开关管，开关管栅极的偏置电压是在 中频输入电压的基础上叠加一个可编程的电压，以此改善混频器的线性，减小本振信号馈 通。然而，该种无源混频器的开关管栅极往往被偏置在一个固定电压，而开关管源极电压是 可变的中频信号，其幅度是随时间不断变化的，因此开关管的过驱动电压也是不断变化，其 导通电阻也是随中频信号的幅度变化而变化，从而引起更多的频率互调产物，导致混频器 的线性恶化。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是：提供一种CMOS上变频无源混频器，以通过合理控 制混频器开关管栅极的偏置电压来减少谐波失真、改善开关管的线性。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
[0007] 提供一种CMOS上变频无源混频器，应用于无线通信系统中的射频发射机上，其包 括相互连接开关管栅压自举电路和开关管电路，且开关管栅压自举电路和开关管电路连接 后输出射频频差分信号，开关管电路具有栅极。其中，该自举电路采样中频差分信号，对其 进行处理后经过两个第一电阻为开关管电路的栅极提供偏置电压。
[0008] 与现有技术相比，由于本发明的CMOS上变频无源混频器包括自举电路，其采样中 频差分信号，对其进行一系列处理后经过两个第一电阻给开关管电路的栅极提供电压偏 置，使得开关管电路的栅极电压等于输入的中频差分信号的共模电压加上一个可编程电压 再加上中频信号电压，即使得开关管电路的栅极电压具有自举功能，该栅极电压能够自动 跟随输入的中频差分信号的幅度进行变化。当该开关管电路导通时，因为其过驱动电压几 乎保持恒定，因此导通电阻相应保持恒定，从而减少了谐波失真，提高了开关管的线性。
[0009] 具体地，偏置电压等于中频差分信号的共模电压与一可编程电压之和再加上中频 信号电压。
[0010] 较佳地，可编程的电压电路采用两位控制字实现可编程。
[0011] 较佳地，自举电路包括采样电路、可编程叠加电压电路、全差分放大器及四个第二 电阻，采样电路采样中频差分信号的共模电压并将共模电压输出至可编程叠加电压电路， 可编程叠加电压电路将共模电压叠加可编程电压后得到一输出电压，输出电压输入至差分 放大器，中频差分信号的差分两端分别经过两第二电阻输入至全差分放大器，全差分放大 器的输入端和输出端通过两第二电阻连接。
[0012] 具体地，采样电路由两个阻值相同的第三电阻组成。
[0013] 较佳地，全差分放大器为带共模反馈的全差分运算放大器。
[0014] 具体地，四个第二电阻阻值相同。
[0015] 具体地，该可编程叠加电压电路包括M0S管丽1、丽2、丽3、MN4、丽5、MN6、丽7、MN8、 MP1、MP2及开关SwO、Swl，共模电压输入M0S管MN1的栅极，M0S管MN1的漏极连接M0S管 MP1的源极和M0S管MP2的栅极，M0S管丽1的源极连接M0S管丽2的源极和M0S管丽5的 漏极，M0S管MN2的漏极连接M0S管MP2的源极、M0S管MN3的栅极及输出电压，M0S管MN2 的栅极连接M0S管MN3的源极、M0S管MN6的漏极、M0S管MN7的漏极及M0S管MN8的漏极， M0S管MN3的漏极连接M0S管MP1的漏极、M0S管MP2的漏极、M0S管MN4的漏极及M0S管 MN6的栅极，M0S管MN4的栅极和漏极连接，且M0S管MN4的源极连接M0S管丽5、MN6、丽7、 MN8的源极后接地，所述M0S管MN6的漏极连接所述M0S管丽2的栅极、M0S管丽3的源极、 M0S管MN7的漏极和M0S管MN8的漏极，开关SwO的一端连接M0S管MN6的栅极和开关Swl 的一端，开关SwO的另一端和开关Sw2的一端、M0S管MN8的源极连接后接地，开关SwO的 控制端接入控制信号ictrlO,开关Swl的控制端接入控制信号ictrll。
[0016] 具体地，开关管电路包括四个M0S管Ml、M2、M3、M4,M0S管Ml的漏极连接M0S管 M2的漏极后输出射频差分信号的正端；M0S管M3的漏极连接M0S管M4的漏极后输出射频 差分信号的负端，M0S管M3的源极连接自举电路及M0S管Ml的源极，M0S管M4的源极连接 自举电路及M0S管M2的源极，M0S管M3的栅极连接M0S管M2的栅极，M0S管M4的栅极连 接M0S管Ml的栅极。
[0017] 通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明 的实施例。
【附图说明】
[0018] 图1为本发明CMOS上变频无源混频器的电路图。
[0019] 图2为本发明自举电路的具体实现电路图。
[0020] 图3为本发明可编程叠加电压电路的具体实现电路图。
【具体实施方式】
[0021] 现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。
[0022] 为了更好地理解本发明，先对其原理进行如下说明。M0S器件用作开关有着优良的 电特性，然而，M0S器件本身并不是一个理想的开关，在导通时存在导通电阻，其阻值与开关 器件的几何尺寸、栅源电压及阈值电压等有关。同时，M0S晶体管的金属氧化层、栅源和栅 漏等存在寄生电容，实际的M0S开关在导通时可等效为一个由寄生电容和电阻组成的RC网 络。本发明基于如下基本原理：当NM0S开关的源漏电压较小时，开关的导通电阻R的表达 式如下：
[0024] 其中Vgs为NM0S的阈值电压，Vth为NM0S的阈值电压，C。邊单位面积栅氧化层电 容；μ"是电子迀移率；W，L分别是NM0S的沟道宽度和沟道长度。从上面的公式可知，NM0S 开关的导通电阻跟NM0S的过驱动电压成反比。
[0025] 基于上述原理，本发明提供了一种CMOS上变频无源混频器，应用于无线通信系统 中的射频发射机上。如图1所示，该无源混频器其包括相互连接基本电路和开关管电路，且 基本电路和开关管电路连接后输出中频差分信号，开关管电路具有栅极。其中，该无源混频 器还包括自举电路，该自举电路采样中频差分信号，对其进行处理后经过两个第一电阻为 开关管电路的栅极提供偏置电压。需要说明的是，该自举电路在本实施例中称之为开关管 栅极自举电路。
[0026] 具体地，开关管电路包括四个M0S管Ml、M2、M3、M4。Ml的漏极连接M2的漏极后 输出一射频差分信号的正端RFP，Ml的源极连接M3的源极后连接中频差分信号IFN，该中 频差分信号IFN输入自举电路的输入端Inp。Ml的栅极连接M4的栅极，M2的栅极连接M3 的栅极；M3、M4的漏极连接后输出射频差分信号的负端RFN。M2的源极和M4的源极连接后 连接中频差分信号IFP，该中频差分信号IFP输入自举电路的输入端Inm。自举电路的一输 出端Outp通过第一电阻R1连接Ml、M4的栅极以为Ml和M4的栅极