ＰＣＳ１９００發(fā)射器高性能上混頻器的設計

摘 要：首先介紹了混頻器的各項主要性能指標，然后在這幾個性能指標間進行折衷，并根據PCS1900發(fā)射器中的上混頻器各項指標的具體要求，最后設計了一種高性能上混頻器。

關鍵詞：主要性能指標 ；高性能；上混頻器

中圖分類號：TN773 文獻標志碼：B文章編號：1671-7953(2009)01-0072-03

The PCS1900 Transmitter's Upper Mixer Design

CHEN Fei-biao

（Hengyang Finance Economics and Polytechnic Vocational Technical CollegeHengyang 421002，China）

Abstract:We first introduce the primary performance indicators of the mixers，and make a tradeoff among the performance indicators. According to the detail performance indicator requirements of the PCS1900 transmitter’s upper mixer，we design a upper mixer with high performance.

Key words: primary performance indicator；high performance；upper mixer

在通信電路中，混頻器是收發(fā)器中極其重要的電路模塊，其研究一直是射頻集成電路設計領域的重點之一，混頻就是變頻，即頻率的變換，實現頻率搬移的功能。在射頻發(fā)射器中，它將基帶信號或中低頻信號 wBB，上變頻到射頻 wrf，搬移的頻率差為本征信號wLO，即wrf=wBB+wLO。混頻器通常分為無源混頻器和有源混頻器，無源混頻器通過混頻二極管實現頻率變換，由于沒有放大作用，混頻后的信號較原信號有一定的衰減。而有源混頻器采用三極管實現混頻電路，因為三極管有一定的放大作用，所以有源混頻器有一定的增益，本設計采用有源混頻器。

1 混頻器的主要性能指標

混頻器的性能指標主要包括包括功耗、線性度、轉換增益、端口隔離度、噪聲等。 增益有電壓和功率兩種表示方式，在上混頻器中轉換增益定義為正常工作時，混頻器輸出射頻信號與輸入基帶信號的功率比或者電壓比。線性度要求輸出信號中不會出現失真、盡量少的諧波成分和其它雜散頻率，混頻器中這種失真主要是互調失真和端口間的饋通作用。噪聲系數是用來衡量混頻器電路中的噪聲對信號質量的影響，具體表示為輸出信號信噪比和輸入信號信噪比的比值。混頻信號的隔離度是指各頻率端口間的相互隔離，包括本征信號與射頻信號、本征信號與中頻信號及射頻信號與中頻信號的隔離。隔離度定義為某個端口的信號泄漏到另一個端口的功率與其自身的功率之比。電路設計時通常要在這幾個性能指標間進行折衷，以達到電路整體性能最優(yōu)。

2 混頻器電路設計

Gilbert混頻器是射頻前端電路中最常用的混頻器類型之一，由于Gilbert混頻器具有良好的性能，設計用于PCS1900發(fā)射器中的上混頻器時，采用了基于Gilbert雙平衡混頻器的結構，并作了一定的改進。根據系統(tǒng)指標的劃分，對上混頻器輸入信號幅度、功耗、大信號線性度(PIdB)和小信號線性度（IP3）、增益等作了具體的要求，如表1所示，其中包含了一定的裕度，因此本設計旨在改進電路結構，優(yōu)化電路參數以達到系統(tǒng)指標的要求。同時，低功耗的射頻前端對于移動通信系統(tǒng)非常具有吸引力，因此在滿足線性度等指標的前提下，應盡可能降低混頻器的功耗。

表1 上混頻器指標劃分

輸入信號(dBm)4

轉換增益(dB)0

OIP3(dBm)20

OPIdB (dBm)10

I/Q混頻器總電流(mA)6

由表1可以看出，該發(fā)射器對上混頻器的線性度要求很高，同時混頻器的基帶輸入信號具有較大的范圍（0-500mVpeak），傳統(tǒng)Gilbert混頻器難以勝任，需要在結構上加以改進。基于電流模式的混頻器線性度主要由跨導對來決定，理論上有四種跨導線性化的方法：預失真、反饋、前饋和分段線性化，這些技術可以單獨或者聯(lián)合使用。本文基于分段線性化的思想進行設計，即假定一個電路系統(tǒng)地輸出在一個足夠小的工作范圍內與輸入信號成線性關系。這一假定對于實際的電路是成立的，從而可以把電路系統(tǒng)在整個輸入范圍呈現線性的任務拆分成在幾個不同的部分上分段呈現線性的任務。這一思想的典型例子就是Gilbert提出的“multi-tanh”的電路［1］，該電路為雙極型跨導對線性化的應用，如圖1所示。 

圖1 雙極型multi-tanh 單元

圖2 CMOS multi-tanh 單元

雖然各組三極管的“跨導”在輸入范圍內具有較大的起伏，但multi-tanh單元在輸入范圍內的中跨導基本恒定，使輸入線性的映射到輸出。這一原理對應的MOS管的應用如圖2所示［2-3］。雖然對于較大幅度的輸入信號，各跨導對的跨導相對較差，但整體看來，跨導對的總跨導在相當大的范圍內基本上保持恒定，因此此結構適用于具有較大輸入信號的上混頻器電路。

基于以上論述，本設計電路結構如圖3所示，混頻器負載級沒有采用傳統(tǒng)結構中電阻或者有源負載，而是使用了LC諧振回路，以減少直流電壓的消耗，從而靜態(tài)工作點有較好的電壓裕度，同時LC諧振回路具有選頻的功能，有利于抑制高次諧波，提高電路的線性度。由于發(fā)射器工作頻率范圍為1.85-1.91GHz，因此適當選擇工廠提供的器件尺寸使該LC回路諧振在頻段中央，即1.88GHz。由于電感的Q值有限（一般為5-6），因此可以估計回路的-3dB帶寬約為：

Δf=fQ=1.88GHz5=376MHz

由于基帶信號為200KHz，因此混頻后的射頻信號與LO信號頻率接近，其IM3信號也落在這個頻段內，LC諧振回路對于濾除IM3信號效果較差。此外為了使LC回路的諧振頻率比較準確，實際應用中需配合可調電容陣列來校準頻率。混頻器的開關對MOS管設計在飽和區(qū)，其本振信號來自于分頻器對VCO的正交二分頻。由于LO信號的相位誤差對于整個上混頻器的邊帶抑制效果影響較大，因此對其上游分頻器的對稱性要求較高，同時LO信號傳輸路徑及開關管要盡可能對稱。開關管工作頻率很高，采用SMIC0.35um工藝的射頻管PDK進行設計，雖然在管子尺寸上受到一定的限制，但模型相對準確，有利于保證芯片設計成功。由于開關對對上混頻器的線性度有一定的影響，并且當本振信號幅度在一定幅度內時，混頻器的線性度最佳，本振信號過大會帶來LO信號饋通到輸出端的問題，因此應選擇適當的LO的幅度。本設計中幅度三級可調，以得到最優(yōu)的混頻器性能。

混頻器的跨導對設計是最重要的部分，直接影響其整體的線性度。本設計中采用了multi-tanh的線性化方法［3］。

圖3 multi-tanh混頻器

如圖3所示，混頻器的輸入級采用5組并行的跨導對來得到較大輸入范圍的恒定跨導。跨導管采用共源極偽差分對管結構，其偏置電壓采用電阻分壓來提供，其中節(jié)點BBp、BBn處直流電平設定為1.6V，約為電源電壓的一半，有利于上游電路的設計。為了設計上的方便及對版圖方面的考慮，分壓電阻取相同的值R，因此各跨導對的直流偏置依次相差ΔV=I．R，即為各跨導對的過驅動電壓之差，設計中取ΔV=200mV.管子尺寸如表2所示，根據MOS管平方律關系：

Id=12μ0CaxWL（Vgs-Vt）2

可以計算得到雙平衡混頻器各路跨導對直流電流之和為2.9mA，上混頻器總電流可以控制在6mA以內。該結構的等效跨導Gm=∑gmt其中gmt為第i個跨導對的跨導，由于增益正比于總跨導，因此multi-tanh結構有助于得到較高的增益。各跨導管取相同的尺寸，結合仿真優(yōu)化其跨導曲線，最終確定混頻器輸入級的尺寸及電流。

雙平衡混頻器的輸出信號包含兩個邊帶，在頻域上位于本頻率的兩側，如圖4所示，兩個邊帶頻率很接近，因此LC諧振回路對非信號邊帶無法抑制，通常采用I/Q混頻器來移除非信號邊帶，電路結構如圖5所示。分別將正交的基帶信號和本振信號輸入I/Q混頻器，從原理上即可移除非信號邊帶，為了得到較好的抑制性能，要求混頻器的對稱性較高。

表4.2 混頻器設計參數

模塊參數

開關對12*10um/0.35um

跨導對2*6um/1um

偏置電路200uA

偏置電阻2um，11.5um(RPPOSAB)

3 總結

本文簡單介紹了混頻器的各項主要性能指標，并根據PCS1900發(fā)射器中的上混頻器各項指標的具體要求，設計了一種高性能上混頻器。

參考文獻

［1］BARRIEA GILBERT.The multi-tanh Principle:A Tutorial Overview［J］.IEEE JSSC，1998，33（1）：2-17.

［2］LEE T. H. The Design of CMOS Radio-Frequency Integrated Circuit［M］. Cambridge university press，1998.

［3］BEHZAD，A.R.；ZHONG MING SHI；ANAND，S.B.et al. A 5-GHz Direct-Conversion CMOS Transceiver Utilizing Automatic Frequency Control for the IEEE802.11a Wireless LAN Standard［J］.IEEE JSSC，2003，38（12）：2209-2220.

［4］席占國，GSM高性能混頻器的研究與設計［D］.復旦大學，2006.