专利名称：一种返回式电流复用混频器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种返回式电流复用混频器，该混频器包含跨导/放大级和混频 级。射频信号经跨导级和混频级下变频至中频信号，再次馈送至跨导级进行中频放大；经过 一阶低通滤波后输出。该混频器跨导级同时放大输入射频信号和输出中频信号，为了保证 电路稳定性，使用低通/高通滤波网络对射频/中频信号进行耦合和隔离。该结构具有节 约功耗、节约电路结构、转换增益高的特点，适用于低功耗、低成本的恒包络通信标准。
背景技术：
返回式电路是基于再生式电路基础之上的。再生式电路技术最早出现在早期的电 子管收音机中，由于当时电子管昂贵的价格，使得无线电设计人员开始寻求用最少的电子 管来构建整个收音机。美国人埃德温·阿姆斯特朗发明了再生式电路，使得单管收音机的 实现成为了可能。再生式电路的原理是广播射频信号在电子管的放大及非线性作用下，输 出含有放大的射频信号和解调后的音频信号，使用正反馈技术使得该信号一部分被再次送 至电子管的输入端进行放大，这样在电子管的输入端形成输入信号的振荡现象，“再生”了 输入射频信号。由于振荡将趋于饱和，因此对不同强度的输入信号而言，最终振荡的幅度是 固定的，输出的解调后的音频信号幅度也固定；对不同强度的电台其收听音量几乎相同，省 去了音量调节的过程。需要注意的是，该振荡过程注定不能是无休止的振荡，在电路中，每 隔一个很短的时间会自动“复位”该振荡信号，使得其重新根据输入信号进行起振和维持振 荡，以随时跟踪输入信号并再生该输入信号。总而言之，再生式电路允许其处于间歇式的非 稳定状态，很多情况下只是用一个管子就实现了收音机的功能。再生式电路打破了在一阶 近似系统下增益带宽积恒定的规律，增大了接收电路等效Q值。省去了中频放大管降低了 收音机成本，同时也顺便节省了功耗，尽管如何降低功耗当时并不受人们关注。然而，早期 的再生式电路同时也面临着一系列的问题，如在无输入信号的情况下，该电路会无限放大 噪声，使得扬声器发出滋滋的声音；振荡后的信号会发射出去干扰其他的收音机；再生式 电路的调节需要具备一定的电路功底，频率选择性不佳等。再生式电路诞生在一个疯狂节 约管子数量的时代，虽然性能上差强人意，但是其设计思想给电路设计者开辟了一种独特 的思路。再生式电路的正反馈是导致其种种不足的主要原因，但是其对放大管的充分利用 给了后人启发。在随后的若干年里，有人提出了返回式结构的雏形，即输入高频信号与解调 输出后的中频信号使用同一个放大级。为了避免正反馈的出现，对射频信号和中频信号同 时使用高通和低通滤波网络进行隔离。然而，当时的短波音频广播最大频率只有几兆到几 十兆赫兹，与输出音频相差不过2到3个数量级，射频与输出中频之间的隔离效果差，彼此 之间互相干扰，收听音质不佳。随着晶体管技术的出现和发展，管子的成本大幅度下降，超 外差结构的收音机开始普及，相比之下再生式结构和返回式结构的成本优势已经不再，在 很长的一段时间里被人遗忘了。如今的射频通讯电路，其载波频率高达2-5GHZ，输出中频通常在2_10MHz范围内。简单的一阶无源滤波网络就可以实现对射频信号和中频信号进行有效隔离。随着便携式通 讯工具和无线传感网络的广泛应用，如何显著降低功耗增加电池使用时间成为设计人员不 断追求的目标。而返回式电路的射频/中频增益复用概念正好为降低功耗提供了途径。本 实用新型正是将已被人遗忘的再生返回式电路的相关思想，融合进当今集成电路的设计中 去，构建出一种新的低功耗返回式混频器。
发明内容技术问题本实用新型的目的在于提供一种返回式低功耗混频器，该混频器跨导 级使用了电流复用技术，且输入射频和输出中频信号共用同一个跨导放大级，具有节约功 耗、节约电路结构、转换增益高的特点。技术方案本实用新型目的通过以下方法实现如图Ia所示，常规的混频器主要 包含依次连接的跨导级、混频级、低通滤波级三个模块。射频信号通过跨导级转换成射频电 流，该电流通过混频级的调制作用在输出端产生位于中频的下变频信号、位于射频的输入 馈通信号以及上变频信号。上述信号在通过低通滤波网络之后，馈通信号与上变频信号被 滤除掉，在输出端得到纯净的下变频信号。—种返回式电流复用混频器，包括依次连接的跨导/放大级和混频级，跨导放大 级放大输入射频信号，放大后的射频信号经过混频级产生输出中频信号；该中频信号被再 次送到跨导/放大级的输入端，经跨导/放大级放大后，再作为最终的中频信号输出；在跨导/放大级与混频级之间串联高通滤波网络对中频信号进行阻隔；在混频级 输出端与跨导/放大级之间串联低通滤波网络对射频信号进行阻隔；所述跨导/放大级采用电流复用结构，兼做射频的跨导级和中频的放大级。具体来说，所述跨导/放大级包括PM0S管PMO和PM3 ；匪OS管匪0和匪1 ；电容 CO 禾口 Cl ；电容 C2 禾口 C3 ；电阻 R1、R2、R3 禾口 R4 ；ΡΜ0、匪0、PM3和匪1构成电流复用跨导级；匪0和匪1同时作为输出中频信号的 放大管，最终输出信号从ΝΜ0，匪1的漏极输出；所述混频级包括双平衡开关PM4、PM5、PM6和PM7 ；用作偏置管的PMOS管PMl和 PM2 ；PM4 PM7构成混频核心电路，由PMl和PM2提供电流偏置；用作混频负载的NMOS管 NM2 禾口 NM3 ；跨导级的直流偏置电压由匪2和匪3的栅极电压提供；在跨导级和混频级之间连 接射频耦合电容C4和C5作为高通滤波网络，用以耦合射频信号，隔离最终的中频信号输 出；所述低通滤波网络包括C6、R5、C7、C9以及R6、C8、C10，用以耦合自混频级输出的
中频信号至跨导/放大级，并且隔离自混频级输出的射频信号；电容CO、Cl的上极板接正输入信号端，Cl的下极板接PMO的栅极；CO的下极板接 NMO的栅极；电容C2、C3的上极板接正输入信号端，C3的下极板接PM3的栅极；C2的下极板 接匪1的栅极；PMO的源极接电源电压，漏极接NMO的漏极；电阻Rl正端接PMO的栅极，负端接电 阻R2的正端，R2的负端接PMO的漏极；PM3的源极接电源电压，漏极接匪1的漏极；电阻R3 的正端接PM3的栅极，负端接R4的正端，R4的负端接PM3的漏极；Rl的负端与R3的负端同时接到电容C12的上极板，C12的下极板接地；NMO和匪1的漏极接地；PMl和PM2的源端接电源电压，栅极接电流镜栅极电压； PM4、PM5的源极接PMl的漏极，PM6、PM7的源极接PM2的漏极；本振信号正端接PM5和PM6 的栅极，本振信号负端接PM4和PM7的栅极；匪2和匪3的源极接地，栅极接电容Cl 1的上极板，电容Cl 1的下极板接地；匪2的 漏极接PM4、PM6的漏极；匪3的漏极接PM5、PM6的漏极；电容C4的上极板接PMO的漏极，下极板接PMl的漏极；电容C5的上极板接PM3的 漏极，下极板接PM2的漏极；电阻R7的正端接匪2的漏极，负端接匪2的栅极；R8的正端接 匪3的漏极，负端接匪3的栅极；电容C6跨接在R7的正端和R8的正端之间；电容C9的上 极板接NM2的漏极，下极板接地；电容ClO的上极板接NM3的漏极，下极板接地；电阻R5的 正端接匪2的漏极，负端接NMO的栅极和电容C7的上极板，C7的下极板接地；电阻R6的正 端接匪3的漏极，负端接匪1的栅极和电容C8的上极板，C8的下极板接地；R9的正端接输出结点1，R9的负端为中频输出正极，接电容C13的上极板，C13的 下极板接地；RlO的正端接输出结点2，RlO的负端为中频输出负极，接电容C14的上极板， C14的下极板接地；输出结点1是在电阻R2的负端，输出结点2是在电阻R4的负端。本技术方案的原理如下本实用新型的返回式混频器如图Ib所示，在跨导级与混频级之间串联高通滤波 网络，混频级输出接低通滤波网络后耦合至跨导/放大级。经跨导/放大级放大后输出。该 跨导/放大级对输入射频信号而言是一个电流复用的跨导级，对输出中频信号而言承担了 中频放大器的作用。从物理结构上看，混频级的输出与跨导/放大级的输入接到一起，构成 了环路。然而，由于高通/低通滤波网络的介入，射频信号在混频级的输出端被阻隔，中频 信号在跨导级的输出端被阻隔。实际都没有构成反馈环路。由于射频信号与输出中频信号 相差数千倍，仅用一阶无源高通/低通滤波网络即可实现可靠的隔离效果。图3所示为整 个频域在该物理环路中的环路增益图，可见任何频率上的环路增益值均低于OdB，即该混频 器在任何频率上均不会产生振荡。本实用新型的混频器结构如图2所示，该混频器为输入输出全差分结构。跨导级 差分端分别由PMO、NMO以及PM3、匪1构成。输入射频信号通过电容同时耦合至PMOS管的 栅极与NMOS管的栅极。跨导级产生的射频电流通过小电容C4、C5耦合至本振级。该电容 对射频信号可以全部馈通，对于中频信号近似为开路，将中频信号阻隔在混频级之前。混 频级与跨导级分开偏置，便于对混频级使用更低的偏置电流从而改善混频器的噪声系数。 变频后的信号从匪2和匪3管的漏极输出，经过一阶低通滤波滤除射频信号后加到NMO和 匪1的栅极。在NMO和匪1的漏极形成最终中频输出。图4所示为混频级输出端的转换增 益(下)与跨导放大级处输出端的转换增益(上)随输入频率变化曲线；其中本振频率为 2. 45GHz ；从图中可以清楚看出由于返回式结构的加入，在同样的功耗与有源器件条件下， 转换增益被提高了 20多dB.有益效果该混频器包含跨导放大级和混频级以及高通及低通滤波网络；跨导放 大级为电流复用CMOS结构，将输入射频信号转化为射频电流，经过高通滤波网络去除低频 成分后注入到混频级，经过混频级的调制作用生成输出中频信号。该中频信号经过低通滤 波网络去除高频成分后被再次送到输入跨导放大级，经跨导放大级放大后输出，该混频器跨导级使用了电流复用技术，且输入射频和输出中频信号共用同一个跨导放大级，具有节 约功耗、节约电路结构、转换增益高的特点。
图Ia为常规混频器模块框图；图Ib为本实用新型的返回式电流复用混频器模块框图；图2为本实用新型的返回式电流复用混频器电路原理图；图3为本实用新型的返回式电流复用混频器在整个频谱范围内的内部环路增益 曲线；图4为混频级输出端的转换增益(下)与跨导放大级处输出端的转换增益(上) 随输入频率变化曲线；其中本振频率为2. 45GHz ；图5为输入射频信号波形(浅色曲线)、混频级输出端波形(较小幅度低频正弦 波)与跨导/放大级输出端的中频信号波形(较大幅度低频正弦波)。
具体实施方式
本实用新型的返回式电流复用混频器主体结构主要由跨导/放大级、混频级、偏 置电路、滤波网络等模块构成。跨导/放大级包括P型金属氧化物场效应管(以下简称PMOS 管)PMO、PM3，N型金属氧化物场效应管(以下简称NMOS管)NM0、NM1构成。ΡΜ0、ΝΜ0以及 PM3、W1构成电流复用跨导级。NMO和匪1同时作为输出中频信号的放大管，最终输出信号 从ΝΜ0，匪1的漏极输出。双平衡开关PM4-PM7作为混频核心电路，由偏置管PMl和PM2提 供电流偏置。跨导级的直流偏置电压由混频负载管匪2和匪3的栅极电压提供。电容C4、 C5在跨导级和混频级之间，用以耦合射频信号，隔离中频输出信号。C6、R5、C7、C9以及R6、 C8、ClO组成低通滤波网络，用以耦合自混频级输出的中频信号至跨导/放大级，并且隔离 自混频级输出的射频信号。电容CO、Cl的上极板接正输入信号端，Cl的下极板接PMO的栅极；CO的下极板接 NMO的栅极；电容C2、C3的上极板接正输入信号端，C3的下极板接PM3的栅极；C2的下极 板接匪1的栅极；PMO的源极接电源电压，漏极接NMO的漏极；电阻Rl正端接PMO的栅，负 端接电阻R2的正端，R2的负端接PMO的漏极。PM3的源极接电源电压，漏极接匪1的漏极。 电阻R3的正端接PM3的栅，负端接R4的正端，R4的负端接PM3的漏极。Rl的负端与R3的 负端同时接到电容C12的上极板，C12的下极板接地。NMO和匪1的漏极接地。PMl和PM2 的源端接电源电压，栅极接电流镜栅极电压。PM4、PM5的源极接PMl的漏极，PM6、PM7的源 极接PM2的漏极；本振信号正端接PM5和PM6的栅极，本振信号负端接PM4和PM7的栅极。 匪2和匪3的源极接地，栅极接电容Cll的上极板，电容Cll的下极板接地。匪2的漏极接 PM4、PM6的漏极；匪3的漏极接PM5、PM6的漏极。射频耦合电容C4的上极板接PMO的漏极， 下极板接PMl的漏极；射频耦合电容C5的上极板接PM3的漏极，下极板接PM2的漏极；电 阻R7的正端接匪2的漏极，负端接匪2的栅极。R8的正端接匪3的漏极，负端接匪3的栅 极。电容C6跨接在R7的正端和R8的正端之间。电容C9的上极板接匪2的漏极，下极板 接地。电容ClO的上极板接匪3的漏极，下极板接地。电阻R5的正端接匪2的漏极，负端 接NMO的栅极和电容C7的上极板，C7的下极板接地。电阻R6的正端接匪3的漏极，负端接NMl的栅极和电容C8的上极板，C8的下极板接地。R9的正端接输出结点1，R9的负端为 中频输出正极，接电容C13的上极板，C13的下极板接地。RlO的正端接输出结点2，RlO的 负端为中频输出负极，接电容C14的上极板，C14的下极板接地。 以上所述仅为本实用新型的较佳实施方式，本实用新型的保护范围并不以上述实 施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本实用新型所揭示内容所作的等效修饰或变 化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
权利要求1.一种返回式电流复用混频器，包括依次连接的跨导/放大级和混频级，其特征是跨 导放大级放大输入射频信号，放大后的射频信号经过混频级产生输出中频信号；该中频信 号被再次送到跨导/放大级的输入端，经跨导/放大级放大后，再作为最终的中频信号输 出；在跨导/放大级与混频级之间串联高通滤波网络对中频信号进行阻隔；在混频级输出 端与跨导/放大级之间串联低通滤波网络对射频信号进行阻隔；所述跨导/放大级采用电流复用结构，兼做射频的跨导级和中频的放大级。
2.根据权利要求1所述的返回式电流复用混频器，其特征在于所述跨导/放大级包括PM0S管PMO和PM3 ；匪OS管匪0和匪1 ；电容CO和Cl ；电容 C2 禾口 C3 ；电阻 Rl、R2、R3 禾口 R4 ；ΡΜΟ、ΝΜ0, PM3和匪1构成电流复用跨导级；NMO和匪1同时作为输出中频信号的放大 管，最终输出信号从NMO，Wl的漏极输出；所述混频级包括双平衡开关PM4、PM5、PM6和PM7 ；用作偏置管的PMOS管PMl和PM2 ； PM4 PM7构成混频核心电路，由PMl和PM2提供电流偏置；用作混频负载的NMOS管匪2和 匪3 ；跨导级的直流偏置电压由匪2和匪3的栅极电压提供；在跨导级和混频级之间连接射 频耦合电容C4和C5作为高通滤波网络，用以耦合射频信号，隔离最终的中频信号输出；所述低通滤波网络包括C6、R5、C7、C9以及R6、C8、C10，用以耦合自混频级输出的中频 信号至跨导/放大级，并且隔离自混频级输出的射频信号；电容CO、Cl的上极板接正输入信号端，Cl的下极板接PMO的栅极；CO的下极板接NMO 的栅极；电容C2、C3的上极板接正输入信号端，C3的下极板接PM3的栅极；C2的下极板接 匪1的栅极；PMO的源极接电源电压，漏极接NMO的漏极；电阻Rl正端接PMO的栅极，负端接电阻R2 的正端，R2的负端接PMO的漏极；PM3的源极接电源电压，漏极接匪1的漏极；电阻R3的正 端接PM3的栅极，负端接R4的正端，R4的负端接PM3的漏极；Rl的负端与R3的负端同时接 到电容C12的上极板，C12的下极板接地；NMO和匪1的漏极接地；PMl和PM2的源端接电源电压，栅极接电流镜栅极电压；PM4、 PM5的源极接PMl的漏极，PM6、PM7的源极接PM2的漏极；本振信号正端接PM5和PM6的栅 极，本振信号负端接PM4和PM7的栅极；匪2和匪3的源极接地，栅极接电容Cll的上极板，电容Cll的下极板接地；匪2的漏极 接PM4、PM6的漏极；匪3的漏极接PM5、PM6的漏极；电容C4的上极板接PMO的漏极，下极板接PMl的漏极；电容C5的上极板接PM3的漏极， 下极板接PM2的漏极；电阻R7的正端接匪2的漏极，负端接匪2的栅极；R8的正端接匪3 的漏极，负端接匪3的栅极；电容C6跨接在R7的正端和R8的正端之间；电容C9的上极板 接匪2的漏极，下极板接地；电容ClO的上极板接匪3的漏极，下极板接地；电阻R5的正端 接匪2的漏极，负端接NMO的栅极和电容C7的上极板，C7的下极板接地；电阻R6的正端接 匪3的漏极，负端接匪1的栅极和电容C8的上极板，C8的下极板接地；R9的正端接输出结点1，R9的负端为中频输出正极，接电容C13的上极板，C13的下极 板接地；RlO的正端接输出结点2，R10的负端为中频输出负极，接电容C14的上极板，C14的下极板接地；输出结点1是在电阻R2的负端，输出结点2是在电阻R4的负端。
专利摘要一种返回式电流复用混频器，该混频器包含跨导放大级和混频级以及高通及低通滤波网络；跨导放大级为电流复用CMOS结构，将输入射频信号转化为射频电流，经过高通滤波网络去除低频成分后注入到混频级，经过混频级的调制作用生成输出中频信号。该中频信号经过低通滤波网络去除高频成分后被再次送到输入跨导放大级，经跨导放大级放大后输出，该混频器跨导级使用了电流复用技术，且输入射频和输出中频信号共用同一个跨导放大级，具有节约功耗、节约电路结构、转换增益高的特点。
文档编号H03D7/14GK201918963SQ20112000626
公开日2011年8月3日 申请日期2011年1月11日 优先权日2011年1月11日
发明者叶至易, 吴建辉, 孙杰, 张萌, 时龙兴, 李红, 王子轩, 陈超 申请人:东南大学