[发明专利]一种基于衬底偏置的超低耗电流复用混频器

说明书

技术领域

本发明属于深亚微米RF CMOS集成电路领域，具体涉及一种基于衬底偏置的超低耗电流复用混频器。

背景技术

射频前端将天线接收到的信号进行放大，混频，和模数转换，完成射频信号到基带信号的转换。混频器是其中的重要组成部分，完成系统的频率转换功能，线性度、转换增益、噪声和功耗等是混频器的关键性能参数，直接影响着整个接收机的性能。这些性能参数之间互相影响互相制约，如何寻求一个折衷方案成为近年来设计的难点。

目前，无线通信设备正朝着重量轻，体积小，功耗低，成本低的方向迅速发展，对于导航接收机等便携式电子设备，也需要低电压低功耗电路来延长电池的使用寿命，并减小系统散热带来的压力，以保证系统长时间的稳定工作。随着深亚微米集成电路的迅猛发展，CMOS晶体管特征尺寸和栅氧厚度不断减小，过驱动电压也不断降低，使得低电压低功耗的设计成为可能。

附图1所示的双平衡Gilbert混频器目前应用最为广泛，它由跨导级(第一晶体管M1，第二晶体管M2)、开关级(第三晶体管M3，第四晶体管M4，第五晶体管M5，第六晶体管M6)和负载电阻RL堆叠于电源(Vdd)和地(GND)之间。跨导级将射频输入电压信号转化成电流，开关级通过交替打开、关闭MOS管实现频率转换。射频差分信号的两路信号分别为RF+和RF-，本振差分信号两路分别为LO+和LO-，中频差分信号分别两路IF+和IF-。

在传统的Gilbert混频器中，所有的直流电流都流过跨导级、开关级和负载级。跨导级和开关级的晶体管分别需要一定的开启电压，而负载电阻也将消耗一定的直流压降，因而往往需要较高的电源电压。如果采用低电源电压，这种结构不能保证所有的管子都工作在饱和区。

此外，传统Gilbert混频器的转换增益和线性度的改善通常通过增大输入跨导级的电流来实现。但是如此，开关级电流增大，会增大开关级的噪声贡献；负载级的电流增大，会消耗电压裕度，也会增加电阻的噪声贡献。

可见，传统的混频器在转换增益、线性度、噪声和电压裕度的设计上存在着矛盾，且很难实现低电压低功耗设计。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提出一种基于衬底偏置的超低耗电流复用混频器，可应用于数字电视、无线通信和导航接收机。

本发明采用电流复用技术，通过电流注入，增大跨导级的电流，而不增加开关级和负载电阻的偏置电流，使得在提高转换增益和线性度的同时不带来噪声性能的恶化和消耗更多的电压裕度；

本发明电路设计中采用折叠结构，减少电源和地之间堆叠的管子数目，同时对跨导级采用自偏置结构，可大大降低电源电压；

本发明对电路中所有MOS管采用衬底偏置技术，减小了MOS管的阈值电压，实现了超低电压超低功耗的设计。

本发明的一种基于衬底偏置的超低耗电流复用混频器，包括自偏置的互补跨导级、与跨导级构成折叠结构的开关级和电阻构成的负载级。

所述的跨导级包括第一NMOS管、第二NMOS管、第一PMOS管、第二PMOS管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一电容和第二电容；

射频差分信号的一路RF+输入到第一PMOS管的栅极，并且RF+还通过第一电容输入到第一NMOS管的栅极；第一NMOS管的源级接地，漏极接第一PMOS管的漏极；第一PMOS管的源级接电源Vdd，漏极通过第一电阻与栅极相连；

射频差分信号的另一路RF-输入到第二PMOS管的栅极，并且RF-还通过第二电容输入到第二NMOS管的栅极；第二NMOS管的源级接地，漏极接第二PMOS管的漏极；第二PMOS管的源级接电源Vdd，漏极通过第二电阻与栅极相连；

偏置电压vrf分别通过第三电阻和第四电阻接第一NMOS管的栅极和第二NMOS管的栅极。

所述的开关级包括第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第六NMOS管、第五电阻和第六电阻；

第三NMOS管的栅极和第六NMOS管的栅极相连，形成共栅极A，第四NMOS管的栅极和第五NMOS管的栅极相连形成共栅极B，本振差分信号分别为两路LO+和LO-，LO+、LO-分别输入到共栅极A、共栅极B；第三NMOS管的源级和第四NMOS管的源级相连，并连接第一NMOS管的漏极；第五NMOS管的源级和第六NMOS管的源级相连，并连接第二NMOS管的漏极；第三NMOS管的漏极和第五NMOS管的漏极相连，形成共漏极C，第四NMOS管的漏极和第六NMOS管的漏极相连，形成共漏极D，中频差分信号分别为两路IF+和IF-，IF+、IF-分别从共漏极C、共漏极D输出；