专利名称：超高频rfid读写器中的高线性度低噪声下混频器的制作方法
技术领域：
本技术涉及一种超高频RFID读写器中的基于Gilbert结构的混频器，特别是一种 具有高线性度和低噪声的混频器，属于模拟集成电路领域。
背景技术：
RFID是Radio Frequency Identification的縮写，即射频识别技术，是自动识别 技术的一种，通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，对目标加以识别并获取相关数 据。 按照工作频率可以将RFID系统分为1)低频系统工作频率一般为30 。 300KHz， 典型的工作频率为125KHz、133KHz ;2)中高频系统工作频率一般为3 。 30MHz，典型的工 作频率为13. 56MHz ;3)超高频和微波系统工作频率一般为300MHz 。 3GHz或大于3GHz， 其典型的工作频率为433. 92MHz、840 。 960MHz、2. 45GHz和5. 8GHz 。 随着对阅读距离、防碰撞性能以及抗邻道干扰等要求的提高，超高频射频识别技 术的发展显得尤为必要，而超高频射频识别读写器作为超高频射频识别系统的一个重要部 分，必然在未来的超高频射频识别领域发挥着至关重要的作用。 超高频射频识别读写器分为发射机和接收机两大部分，图1为超高频RFID读写器 接收机中的前端电路，可以看出，下混频器是超高频RFID读写器中接收机射频前端电路的 重要组成部分，它将接收到的射频信号(Radio frequency)转换成一个较低频率的信号，称 为中步员信号(Intermediate frequency)。
近年来，无线通信技术得到了迅猛发展，在社会生活中扮演越来越重要的角色。无 线通信技术的发展对收发机前端电路不断提出更高要求高的工作频率、低电压、低功耗、 高度集成。在超高频RFID读写器中，发射机与接收机之间存在严重的自干扰，且各读写器 之间也存在邻道干扰，因此设计高线性度、高灵敏度的发射机和接收机可以有效的拟制自 干扰和邻道干扰，而接收机的线性度和灵敏度主要由下混频器决定，因此高线性度、低噪 声、高增益、低电压和低功耗等成为混频器的重要指标，但这些指标之间是相互制约的，如 线性度和增益就是两个矛盾的指标，线性度提高是以增益的下降为代价的，而低电压的工 作条件将很可能引起噪声的升高。 因此设计出一种具有高线性度、低噪声的下混频器，与此同时也要获得相对较高 的增益，并且低电压低功耗一直都是在电路设计中所要追求的指标。
发明内容
有鉴于此，本发明所要解决的问题是实现一种高线性度低噪声的下混频器，该混 频器在原有的Gilbert结构的混频器的基础上进行改进，在保持Gilbert混频器的优点的 同时实现高线性度低噪声的特性。且该混频器的工作电压为1. 2V，功耗低，符合低电压低功 耗的标准，在简化结构、降低功耗、噪声抑制等方面都有很好的指导意义。
为了实现上述目的，本发明提出了一种新型的下混频器在输入端采用二阶交调 电流注入结构，以提高混频器的线性度；在输出端采用动态电流注入法，以降低混频器的噪
声°
图1是超高频RFID读写器接收机中的前端电路。
图2是二阶交调注入结构图。
图3是动态电流注入结构图。 图4是提出的混频器结构图。
具体实施例方式
图2为二阶交调电流注入结构，管子在静态工作点的小信号输出电流可以用泰勒级数
表示为 id = gl (Vg-vs) +g2 (Vg-vs) 2+g3 (Vg-vs) 3+...... (1) 其中&代表管子的i阶跨导系数，Vg和、分别代表管子栅极和源极电压。通过分 析可以知道两个不同角频率但是幅度相同的信号"2输入时，我们再注入一个低频、大 小为2x*C0S ( " 「 " 2) t的二阶交调电流，则有
ip+in = 2x*cos (co 「 co 2) t (2) 联立(1)式和(2)式可得在共源节点处频率为("「"2)时的小信号源级电压、 为 为
化
必！ —02
-cos(^,i2)f
Vs在其它三个二阶频率处(g^+"2，2g^，2"2)的幅度为(1，1/2,1/2)
联立(3)式和(1)式，输出端频率为(2"「"2)或(2"2
(3)
-4
2g, 4
》时的三阶交调电流 (4)
因此，为消除三阶交调电流，只要令(4)式为零，得到 3U
x=(-
4g2 2
因此，注入电流为
'.冊=2
3脇+ 3 A
—4g2 2gJ，
由上面的推导可以看出，采用二阶交调电流注入结构，可以有效消除三阶交调电 流(IM3)，从而提高混频器的线性度。 图3为动态电流注入结构，它是基于吉尔伯特结构的混频器，这是由于该结构具 有较高的变频增益，并提供了高度的L0-IF和RF-IF的端口隔离度的优点。在设计混频器
4时线性度和噪声是两个很重要的参数，线性度主要受输入级跨导影响，噪声主要受开关管 的影响。 这种结构主要由跨导晶体管(M4、 M5)和开关管(M6、 M7、 M8、 M9)组成。其中M4、 M5管必须处于非饱和工作状态(工作于线性区)，以此提高整个混频器的线性度。此混频 器结构中同样引入了 LNA中的提高线性度的技术，这里不再赘述。 跨导晶体管放大从其栅极输入的射频信号，本振信号从开关管的栅极引入，控制 开关管使得差分对管就像电流导弓I开关一样。两个单平衡混频器对于本振信号端以反平行 的方式连接在一起，而在射频信号端是以平行方式连接，因此在输出端本振项的和为零，而 变频后的射频信号在输出端加倍.因此这种结构能够有效地抑制本振分量对输出的影响。
在超高频RFID读写器的零中频接收机中，混频器噪声的主要来源是1/f闪烁噪 声，它是源于非理想的开关特性，当开关管同时导通时会产生一个21的噪声脉冲，噪声的 优化可以通过减小这个脉冲幅度来达到目的。简单的方法可以通过减小流过开关管的直流 电流来减小21的幅度，但是这也减小了跨导管的电流，影响了线性度和增益。而采用固定 电流注入的方法不仅会增加跨导级看到的开关对源阻抗，增加共源节点寄生电容的影响， 使射频信号衰减，而且会增加额外的白噪声。 动态电流注入法是在共源节点处注入一个电流，但该电流是动态的，仅当开关对 中的晶体管接近同时导通时，该电流才开始注入共源节点，这样就避免了在共源节点注入 固定偏置电流所遇到的问题。 如图3所示，动态电流注入电路是由MP1和MP2完成的，两个PM0S管的栅极与开关 管的源极相连，MP3在这里起到电流源的作用。当开关对中的晶体管接近同时导通时，A(B) 点的电压达到最低值，于是MP1和MP2管导通，向A(B)点注入电流Id。当开关对中的晶体 管没有同时导通时，A(B)点的电压升高，PMOS管截止，不注入电流。这种技术可以极大降低 混频器的闪烁噪声，对白噪声性能却近似没有影响。 控制Ml、 M2管使其处于非饱和工作状态(工作于线性区)，在输入端注入低频二 阶交调电流提高三阶交调点，以及在输出端采用动态电流注入技术这三种方法，使得提出 的混频器完全能够满足高线性度、有一定增益、低噪声的要求，通过此混频器以后，自干扰 信号几乎完全变成了直流，通过后级耦合、滤波以后，基本可以完全消除。
权利要求
一种混频器，包括第一级NMOS管M3与第二级NMOS管M4、M5的源级相连，为其提供偏置电流，第二级NMOS管M4、M5为跨导级，第三级NMOS管M6、M7，M8、M9为开关级，R1和R2为输出端负载。
2. 如要求权利1所描述的混频器，还包括由NM0S管M1、M2组成了二阶交调电流注入 结构，通过电容Q与NMOS管的栅极相连。
3. 如权利要求1所描述的混频器，还包括在输出端采用由PM0S管MP1、MP2和MP3组 成的动态电流注入结构。
4. 由权利要求1所描述的混频器，其特征是第一级NM0S管M3的栅极于电容Q的一 端相连，M3的源级接地，M3的漏极与M4、 M5的源级相连；第二级NM0S管M4、 M5组成跨导 级，其中M4的源级与M5的源级相连，并与M3的漏极相连，M4、M5的栅极分别接射频输入的 正向信号和反向信号；第三级NM0S管M6、M7、M8、M9为开关级，其中M6的源级与M7的源级 相连，并与M4的漏极连在一起，M8的源级与M9的源级连接在一起，并与M5的漏极相连，M6 与M9的漏极分别与输出端负载电阻R" R2的一端相连，M7与M8的漏极分别与M9和M6的 漏极相连；M6与M9的栅极接本振输入的正向信号，M7的栅极与M8的栅极相连，且接本振输 入的反向信号。
5. 由权利要求2所描述的混频器，其特征是二阶交调电流注入结构由NM0S管M1、M2 组成，Ml、 M2的栅极分别为输入信号的差分输入；M1、 M2的漏极连接于直流电压源；M1、 M2 的源级相连，并与M3管的栅级通过隔直电容相连。
6. 由权利要求2所描述的混频器，其特征是NM0S管Ml和M2的漏极相连且连接于直 流电压源VCC，M1和M2的源级相连，且与电阻&的一端相连，电阻&的另一端接地，电容Q 的一端与Ml、 M2的源级相连，另一端与M3的栅极相连。
7. 由权利要求3所描述的混频器，其特征是PM0S管MP1、 MP2和MP3组成了动态电流 注入结构，其中，MP1的漏极与MP2的源级相连，并与MP3的漏极相连，MP1的栅极与MP2的 漏极相连组成交叉结构，并与NM0S管M5的漏极相连，MP2的栅极与MP1的漏极相连也组成 交叉结构，并与NM0S管M4的漏极相连；MP3的栅极接直流电压源Vb， MP3的源级接直流电 压源VCC。
8. 由权利要求1所描述的混频器，其特征是NM0S管M6和M9的漏极分别与负载电阻 &、&的一端相连，&、&的的另一端与PM0S管MP3的源级相连，并与直流电压源VCC相连。
9. 由权利要求1所描述的混频器，其特征是NM0S管M8的漏极与M6的漏极相连，并引 出输出信号作为混频器的中频输出的正向信号，NM0S管M7的漏极与M9的漏极相连，并引 出输出信号作为中频输出的反向信号。
10. 由权利要求1所描述的混频器，其特征是NM0S管M3的栅极与电阻R4的一端相连 接，其另一端与直流电压源Vb相连，以提供M3的栅极偏置电压。
11. 由权利要求1所描述的混频器，其特征是NM0S管M4的漏极与M6、M7的源级、PM0S 管MP1的漏极以及MP2的栅极相连于A点，NM0S管M5的漏极与M8，M9的源级、PM0S管MP2 的漏极以及MP1的栅极相连于B点。
12. 如权利要求2所描述的混频器，其特征是NM0S管Ml和M2的源级相连，并与电阻 R3的一端相连，R3的另一端接地。
全文摘要
本发明提出了一种面向超高频RFID读写器的下混频器，该混频器涉及一种基于Gilbert结构的具有高线性度混频器。通过在输入端采用二阶交调电流注入结构，以提高线性度；在输出端采用动态电流注入结构，从而降低噪声。二阶交调电流注入结构是通过对MOS管的非线性特性进行分析，然后得出使三阶交调电流值为0时的注入电流值；在输出端，采用动态电流注入结构，通过对各MOS管导通特性的分析，实现电流的动态注入特性，从而大大降低混频器的闪烁噪声。本发明提出的混频器的工作电压为1.2V，功耗低，符合低电压低功耗的要求，简化电路结构、降低功耗以及扩展中心工作频率点等方面有很大的指导意义。
文档编号H03D7/14GK101783651SQ200910227019
公开日2010年7月21日 申请日期2009年11月25日 优先权日2009年11月25日
发明者何海珍, 张秋晶, 易波, 汪飞, 王春华, 袁超, 许静, 郭小蓉, 郭胜强 申请人:湖南大学