[发明专利]一种基于电流模有源器件的宽带射频混频器

说明书

本发明公开一种基于电流镜与DOCCII(双输出端电流传输器)的宽带射频混频器。提出的宽带混频器由双重NMOS‑PMOS电流镜混频单元与电流输出级构成。双重NMOS‑PMOS电流镜混频单元由嵌入了本振信号v_LO±的四个双重NMOS‑PMOS电流镜组合而成，用于执行混频器的输入级与无源开关核，它相当于传统有源Gilbert混频器的双平衡拓扑结构。同时，由两个DOCCII的同相电流与反相电流输出端交叉耦合连接组成的电流输出级充当传统无源混频器的跨阻放大器；电流输出级具有很低的输入阻抗和很高的输出阻抗，它用于实现前级变频后输出电流信号的放大，并有效驱动下一级电路。提出的宽带混频器无需电感无源元件，却能够同时具备有源Gilbert混频器和无源混频器的各自优势。

技术领域

本发明涉及一种基于电流模有源器件的宽带射频混频器，它由电流镜与双输出端电流传输器来实现，属于射频集成电路领域。

背景技术

当前，微型化射频集成电路设计对实现工作在人体体内的可植入式生物医疗设备(如无线胶囊内窥镜)或新兴的可穿戴式设备具有非常重要的理论与现实意义。

在微型化射频集成电路设计中，宽带混频器主要用来实现频率变换。目前电感无源元件被广泛地用于宽带混频器的阻抗匹配网络、带宽拓展与谐振负载电路中。虽然MOS管元件尺寸随着CMOS技术的发展而不断缩小，然而占大部分芯片面积的电感无源元件并不随CMOS技术的演进而成比例缩小。因此，为了减少电感无源元件的使用以满足微型化混频器设计要求，需要探索新的混频器设计方法和电路拓扑结构。

当前电流模有源器件无需电感无源元件，芯片面积小，如电流镜、电流传输器(CCII)、电流差分跨导放大器(CDTA)等。由电流模有源器件构成的电路，由于电路内部节点的低阻抗特性，电路的主要信号变量是以电流而不是以电压形式来表达，省去了不必要的电压-电流转换，这样不仅简化了电路结构，而且避免了因引入高值电阻对电路工作速度和高频特性的损害。另一方面，基于电流模有源器件实现的电路，无论信号大小，都能比相应的基于电压运算放大器(VOA)的电路提供更大带宽下的更高增益，即更大的增益带宽积。

目前宽带混频器主要分为有源吉尔伯特(Gilbert)混频器和无源混频器两大类。有源Gilbert混频器由输入跨导级、开关级和输出负载级构成，它采用MOS管堆叠结构纵向换流来完成频率变换，有较大的转换增益和好的端口隔离特性；但它不支持工艺代缩减，需要无源电感来完成阻抗变换，同时它在开关级会产生较严重的闪烁(1/f)噪声。无源混频器由输入跨导级、开关级和跨阻放大器构成，如图1所示，采用电容直接耦合结构横向换流来完成频率变换，它可以减少MOS管堆叠层数，其开关级无直流电流，可以降低1/f噪声和改善线性度；但它需要很强的本振驱动功率，同时跨阻放大器大的寄生阻抗限制了频带宽度。

因此，本发明在传统的有源Gilbert混频器和无源混频器基础上，探索基于电流模有源器件的宽带射频混频器设计方法，使提出的混频器无需电感无源元件，且同时满足微型化、转换增益、线性度、1/f噪声、频带宽度等性能要求。

发明内容

在传统的有源Gilbert混频器和无源混频器基础上，本发明专利提出一种基于电流模有源器件的宽带射频混频器，提出的新型混频器模块结构图如图2所示。在图2中，提出的宽带混频器由四个双重NMOS-PMOS电流镜混频单元与电流输出级构成；双重NMOS-PMOS电流镜混频单元用于执行混频器的输入级与无源开关核，电流输出级充当传统无源混频器的跨阻放大器；其中，双重NMOS-PMOS电流镜混频单元中包含NMOS电流镜与PMOS电流镜构成的双重电流镜，PMOS管充当NMOS电流镜混频单元的电流源负载，反过来，NMOS管充当PMOS电流镜混频单元的电流源负载；四个双重NMOS-PMOS电流镜的输出级MOS管衬底极中嵌入了双平衡结构的本振信号v_LO±；同时，电流输出级由两个DOCCII的同相电流与反相电流输出端交叉耦合连接组成。