一種應用于2.4GHz的使用新匹配的混頻器

鄭世程，陳 嵐，呂志強，王海勇，吳玉平

(中國科學院微電子研究所，北京100029)

1 引言

當今世界，隨著移動通信等技術的飛速發展，射頻集成電路(RFIC)也倍受世界范圍通信產業的關注，各種相關技術的開發研究不斷推陳出新。其中，用于無線收發系統的混頻器也是系統開發設計的瓶頸之一，而隨著集成電路特征尺寸的不斷減小，市場需求的不斷增高，對無線產品的要求也越來越嚴苛，既要求低功耗、高性能，又要求小面積和低成本。天線接收的信號(微伏級別)，經過低噪聲混頻器進入混頻器，下變頻混頻器的作用是將低噪放輸出的高頻信號轉化為低頻信號，而混頻器為非線性電路，本身就很復雜，分析起來更是復雜，只能定性或者近似的分析說明。如何使混頻器能在復雜的工作狀態中既滿足指標要求，又擁有良好的線性度性能［1］，還能降低成本是其中的一個重要問題。高成本的電路芯片在市場上難以生存，也決定著企業的核心競爭力。想要降低成本，主要有兩種途徑，其一，從工藝出發，包括找低成本的生產商，選用特征尺寸小的工藝，減小掩膜板層數等;其二，從設計角度出發，優化電路結構，在不影響性能的情況下，盡量使用小尺寸的器件，優化版圖、減小面積等［2］。通常在雙極型晶體管構成的MIXER中，電感是其中占用面積的大頭，因此如何在滿足性能指標的情況下，完成對電感的壓縮對減小面積非常有意義。文章的研究能夠使這一問題得到較好的折中。

對于通常的窄帶HBT MIXER電路設計，電路性能需要滿足功耗、噪聲系數、阻抗匹配、增益線性度、隔離度等約束條件，而這些將對匹配網絡產生很大要求，即使可以到達需要的匹配點，也會造成面積的相應增大［3－5］，因此有必要對現有設計結構進行改進。通過改變匹配網絡的結構，使用三極管構成的射極跟隨器代替電感電容組合，充分考慮各種寄生效應對電路性能的影響，并通過仿真，使MIXER電路能滿足相應的性能指標，并達到良好的線性度，同時可以優化電感值大小，優化窄帶HBT MIXER電路的版圖面積，降低流片成本。

在窄帶HBT MIXER設計中，通常為滿足匹配和線性度的要求，需要使用大電感來作為輸入輸出電路在匹配網絡主體，如果使用小電感則電路在匹配和線性度方面性能不能保證。目前的設計中，一是電感值往往較大，導致面積會比較大，成本較高，二是使用電感匹配會使線性度不好，通過改變匹配電路結構，通過使用射隨器代替電感元件，使得電路中的其他性能不產生大的變化，同時滿足版圖面積減小，降低成本，并且提高線性度。

2 電路設計

通常，廣泛應用的混頻器結構如圖1所示。

圖1 傳統結構的MIXER

其中LO輸入匹配由電感LB、電容C1組成，RF輸入匹配由電感LF、電容C3組成，另外一側與此相似。輸出匹配由電阻R1與電容C1組成，用以濾波。其等效小信號模型如圖2所示。

由小信號模型圖(圖2)可知如下關系式:

圖2 傳統結構的LNA等效信號模型

其中QLF為電感的Q值，RLF為電感的寄生電阻，而ω為角頻率，gm是三極管的本征增益。

可以知道使用這種方式作為匹配網絡，由于使用電感LF、LB等，作為匹配的電路(如圖1所示)對比未加電感情況，其實部較大，而虛部會較小，根據匹配原理可以知道，由于三極管本身虛部較大，所以要用大的電感值才可以達到匹配效果，而大的電感值又意味著大的面積，成本也將大大提高。

圖3為設計的射頻窄帶HBT MIXER。

圖3 新匹配結構的LNA

LO輸入匹配網絡:由三極管Q7、Q8和電容C1及三極管Q9、Q10電容C2結合三極管Q0、Q3的寄生參數實現，其中三極管Q7、Q8和Q9、Q10作為主要匹配器件，其作用是代替傳統結構的LB電感(如圖1)，電容C1、C2作為匹配組件，也起到濾波和隔直的作用。使用射隨器匹配，不用考慮電感匹配的其他因素，使設計更加簡單，能實現更好的匹配。整個電路由以下幾部分組成:

RF輸入匹配網絡:由VRF端引進，經過輸入匹配網絡，由三極管Q11、Q12與電容器C3和三極管Q13、Q14與電容器C4組成。各元件作用與LO端類似，不再贅述，實現RF輸入信號的高增益與完整性。在三極管射隨器前增加的電容C1、C2起到濾除電源和地的干擾功能，使輸出的波形更穩定，更平滑。

主混頻器結構:共集共射結構組成的雙三極管對Q0～Q5，作為主體結構，能夠避免米勒電容的影響，從而使得輸入輸出端得到良好的隔離，保證系統穩定。

輸出負載網絡:由R1、R2和C7、C8組成，其中電阻作用是作為負載，增加增益，電容作用是濾波;

最后信號在VOUT端輸出。

在這種結構的高頻電路中，由于電感電容并聯結構的匹配網絡，被電容C3，與三極管射極跟隨器結構組成的匹配網絡所取代，這樣在同樣匹配的情況下，電路整體性能保持不變，但電路的版圖卻大大減小。由于集成電路的電感往往都較大，而電容與晶體管則相對要小得多了。

由Q7、Q8組成的射極跟隨器，需要額外分別引入偏置電壓，使得Q7、Q8工作在線性放大區，偏置的引入在管子的基極。Q7、Q8引入電路作為匹配主要替代了傳統的電感、電容組成的匹配網絡結構。因為傳統結構中，電感在版圖中往往比較大，占用太多面積，而且有一定的隔離，是造成面積大的主要原因。而用三極管作為匹配，不僅電路可以不再使用電感，減小這一部分的面積，并且由于沒有太嚴格的隔離間距，可以做到更好的集成，進一步使電路面積減小。

電路的輸入匹配網絡如圖4所示。

此輸入匹配可以由下列公式得出:

其中gm為三極管本征電壓增益，β為三極管本征電流增益，Rb為三極管基極寄生電阻。

從公式中可以看到匹配的結果只與三極管本身的特性有關，這樣就避免了電容與電感，匹配效果隨頻率，電壓，電流等外界參數變化所引起的匹配帶寬較窄等不想要的效應。

圖4 新匹配結構的LNA小信號圖

新的電路結構(如圖3所示)，在原有(如圖1所示)設計基礎上改變了傳統使用電感作為匹配主體的局限，增加額外的三極管組成射極跟隨器，使之參與匹配，代替電感。靈活的匹配設計方案能使設計者更加容易實現電路的匹配設計和其他性能的提升。

由于使用電感電容的匹配網絡(圖1)，其匹配的效果是窄帶的，隨著制造工藝、寄生、版圖、模型等引入的誤差與非線性，極易造成混頻器非線性參數的下降，其中最重要的混頻器線性度參數是IIP3，而由于使用射極跟隨器做匹配網絡，則根據匹配公式可知，匹配的效果會比圖1電路更佳。因為同樣是三極管，其性能特性受頻率，工藝、版圖等影響是相同的，故可以達到較寬的匹配效果，實際仿真驗證了這一結論。使得混頻器非線性參數如IIP3，可以得到提高。

3 結果與分析

為解決電感面積較大的問題，在RF和LO端進行改進，通過使用兩個三極管組成的射隨器代替電感，可以達到減小面積的作用，同樣能達到很好的匹配效果，并實現更好的線性度。

圖5為所設計的MIXER電路版圖。由圖5可以看到版圖內沒有電感元件，因為一個2nH的電感面積就占了上述整體版圖的1/4還多，故而這一電路版圖能夠有較大的減小。

上述方案使用華虹－NEC的HBT 0.18μm工藝，工作頻率為2.4GHz，其結果經過后仿真驗證得出。新型電路結構的版圖面積為710μm×710μm，而傳統結構的面積為1200μm×1000μm。面積不到原來的三分之一，直接經濟效益十分明顯。

傳統結構的MIXER與新設計的MIXER的IIP3后仿真結果由圖6給出。

圖5 新設計的MIXER電路版圖

圖6 新電路結構與傳統結構的IIP3結果

可以看到兩者的結果，都符合設計需求IIP大于－5dBm，達到系統要求。但新電路結構的IIP3比前者要大得多。說明本工作得出的結果，非常具有實用價值。

從上述闡述，可以得出以下有益結果:

提供的針對窄帶HBT MIXER的混頻器設計方案可以讓設計者通過改變匹配電路并進行參數調整，實現更好的匹配效果，實現良好的線性度，并且可以取代使用的電感，從而使設計者能在較低的成本條件下，設計出滿足各個性能指標的窄帶HBT MIXER電路。

4 結束語

工作采用了0.18μm的BiCMOS工藝，實現了一個2.4GHz的帶射極跟隨器的有源雙平衡混頻器，通過調整輸入匹配結構，實現高線性度的性能，同時使得版圖面積大大減小，只有原來的三分之一。新設計的電路達到仿真線性度1.2dB。可以與其他文獻電路相比擬。

［1］I Vassilios，et al.A 65 － nm CMOS multistandard，multiband TV tuner for mobile and multi－media applications［J］.IEEE J.Solid － State Circuits，2008，43(7):1522 －1533.

［2］P.－ I.Mak，R P Martins.A 0.46 mm 4 － dB NF unified receiver front－end for full－band mobile TV in 65nm CMOS［J］.in IEEE ISSCC Dig.Tech.Papers，2011(2):172－173.

［3］S Ayazian，R Gharpurey.Feedforward interference cancellation in radio receiver front － ends［J］.IEEE Trans.Circuits Syst，2007，54(10):902 －906.

［4］H Darabi.A blocker filtering technique for SAW － less wireless re － ceivers［J］.IEEE J.Solid － State Circuits，2007，42(12):2766 －2773.

［5］V Aparin，G.Ballantyne，C Persico，A Cicalini.An integrated LMS adaptive filter of TX leakage for CDMA receiver front－ ends［J］.IEEE J.Solid － State Circuits，2006，41(5):1171 －1182.