1、混頻器混頻器 Mixers張藝蒙張藝蒙西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院摘要摘要 前言：無線收發(fā)機射頻前端的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)前言：無線收發(fā)機射頻前端的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 基本概念：混頻器的性能參數(shù)基本概念：混頻器的性能參數(shù) Gilbert（電流換向）混頻器的分析和設(shè)計（電流換向）混頻器的分析和設(shè)計 無源混頻器的分析無源混頻器的分析 總結(jié)總結(jié)超外差接收器的方框圖超外差接收器的方框圖RF放放大器大器本 地 振 蕩 器本 地 振 蕩 器LOIFIF放大器放大器/ /濾波器濾波器解調(diào)解調(diào)調(diào) 整 控調(diào) 整 控制制混頻器基帶基帶放大器放大器輸出輸出射頻信號射頻信號RF中頻中頻 IF本地振蕩本地振蕩LO固定的帶通濾波器固定的帶通濾波

2、器概述概述概述混頻原理混頻原理: 1、非線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng) 混頻原理混頻原理混頻原理混頻原理：2、線性時變狀態(tài)、線性時變狀態(tài)鏡像信號鏡像信號 定義：指與有用射頻信號關(guān)于本振頻率對稱的信號，它與有用信定義：指與有用射頻信號關(guān)于本振頻率對稱的信號，它與有用信號的頻率差等于兩倍中頻頻率。號的頻率差等于兩倍中頻頻率?；祛l器的性能參數(shù)：噪聲系數(shù)混頻器的性能參數(shù)：噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)線性度線性度性能參數(shù)：隔離度和阻抗匹配性能參數(shù)：隔離度和阻抗匹配u隔離度：本端口功率與其竄通到另一端口的功率之比。隔離度：本端口功率與其竄通到另一端口的功率之比。 LO-RF:強本振信號泄露到輸入端，使混頻器發(fā)生過載或強

3、本振信號泄露到輸入端，使混頻器發(fā)生過載或飽和。飽和。 LO-IF:強本振信號泄露到輸出端，容易造成后級中頻模強本振信號泄露到輸出端，容易造成后級中頻模塊發(fā)生過載或飽和。塊發(fā)生過載或飽和。 RF-LO:出現(xiàn)自混頻現(xiàn)象，同時強干擾信號會影響本振的出現(xiàn)自混頻現(xiàn)象，同時強干擾信號會影響本振的工作。工作。u阻抗匹配：阻抗匹配：RF、LO端匹配到端匹配到50歐姆，歐姆，IF端口匹配到后級端口匹配到后級濾波器的輸入端阻抗。濾波器的輸入端阻抗。主要性能指標典型值主要性能指標典型值二、混頻器的類型二、混頻器的類型 混頻器的電路結(jié)構(gòu)非常多， 從系統(tǒng)的角度看，非線性系統(tǒng)和線性時變系統(tǒng)以產(chǎn)生新的頻率分量而具有混頻的可

4、能； 從電路的角度看，混頻器可以是有源的也可以是無源的； 還有其它如單平衡或雙平衡結(jié)構(gòu)、采樣保持電路等等二、混頻器的類型二、混頻器的類型混頻器的信號圖混頻器的信號圖 輸出信號由輸出信號由LO和和RF信號的和與差（信號的和與差（LO RF）兩個信號組成。通常我們僅）兩個信號組成。通常我們僅需要這些信號中的一個信號，另一個信號將被濾掉。由于需要這些信號中的一個信號，另一個信號將被濾掉。由于LO的諧波和的諧波和RF在混在混頻器中混頻，會產(chǎn)生許多更小、更高次的信號，所以這些信號也應(yīng)濾掉。一般頻器中混頻，會產(chǎn)生許多更小、更高次的信號，所以這些信號也應(yīng)濾掉。一般而言，混頻器所產(chǎn)生的全部信號有（而言，混頻器

5、所產(chǎn)生的全部信號有（nLOmRF），其中），其中m，n為整數(shù)。為整數(shù)。 混頻基本原理混頻基本原理混頻基本原理混頻基本原理混頻基本原理混頻基本原理混頻基本原理混頻基本原理混頻基本原理混頻基本原理 Gilbert（電流換向）混頻器的分（電流換向）混頻器的分析和設(shè)計析和設(shè)計電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)單平衡有源和雙平衡有源混頻器單平衡有源和雙平衡有源混頻器驅(qū)動級：將輸入電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號，它的線性度決定了整個混驅(qū)動級：將輸入電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號，它的線性度決定了整個混頻器的線性度。頻器的線性度?；祛l級：如果本振信號足夠大，作為開關(guān)管，在本振信號的控制下，混頻級：如果本振信號足夠大，作為開關(guān)管，在本振信號的

6、控制下，周期性的開關(guān)。周期性的開關(guān)。負載：電阻或者諧振網(wǎng)絡(luò)負載：電阻或者諧振網(wǎng)絡(luò)。 單平衡混頻器單平衡混頻器 由于方波信號僅包含奇次階諧波，尾電流源與本振信號混頻的由于方波信號僅包含奇次階諧波，尾電流源與本振信號混頻的結(jié)果包含射頻信號與結(jié)果包含射頻信號與LO各奇次諧波混頻的差頻、和頻成分，也包含直各奇次諧波混頻的差頻、和頻成分，也包含直流偏置與流偏置與LO的各奇次諧波混頻的成分，導(dǎo)致存在的各奇次諧波混頻的成分，導(dǎo)致存在LO-IF泄露。泄露。 假設(shè)混頻管為理想管，方波信號的基頻幅度為假設(shè)混頻管為理想管，方波信號的基頻幅度為4/，則轉(zhuǎn)換電壓，則轉(zhuǎn)換電壓增益為增益為 ( )sgn cos(cos)o

7、utLOBRFRFittIIt2vmLGg Rl雙平衡混頻器雙平衡混頻器 混頻的結(jié)果只包含射頻信號與混頻的結(jié)果只包含射頻信號與LO各奇次諧波混頻的差頻、和頻各奇次諧波混頻的差頻、和頻成分，不包括直流偏置與成分，不包括直流偏置與LO各奇次諧波混頻成分，對各奇次諧波混頻成分，對LO-IF有著很有著很好的抑制作用。好的抑制作用。 假設(shè)混頻管為理想管，方波信號的基頻幅度為假設(shè)混頻管為理想管，方波信號的基頻幅度為4/，則轉(zhuǎn)換電壓，則轉(zhuǎn)換電壓增益為增益為( )sgn cos(cos)sgn cos(cos)outLOBRFRFLOBRFRFittIIttIIt2vmLGg R單平衡混頻器單平衡混頻器l噪聲

8、分析噪聲分析 由于開關(guān)管的工作點是周期性變化的，信由于開關(guān)管的工作點是周期性變化的，信號的處理過程是一個周期性時變過程，因此混號的處理過程是一個周期性時變過程，因此混頻器產(chǎn)生的噪聲具有周期性時變特性。一般用頻器產(chǎn)生的噪聲具有周期性時變特性。一般用時變功率譜密度時變功率譜密度S(f,t)來描述。來描述。 噪聲來源：驅(qū)動級噪聲；混頻單元的噪聲；噪聲來源：驅(qū)動級噪聲；混頻單元的噪聲；來自來自LO輸入端噪聲；負載的噪聲。輸入端噪聲；負載的噪聲。 對于單平衡混頻器來說，Nn3包含晶體管M3的熱噪聲、信號源阻抗RS引入的噪聲和晶體管柵級寄生阻抗rg3的熱噪聲，因此 對于雙平衡混頻器23333( , )4(

9、)nSgmmSf tkT Rrgg25,63532( , )4(2)nSgmmSf tkT Rrgg 1.驅(qū)動級的噪聲驅(qū)動級的噪聲假設(shè)驅(qū)動級的輸出電流假設(shè)驅(qū)動級的輸出電流is中包含噪聲電流成分中包含噪聲電流成分n3(t)，其噪聲功率譜密度，其噪聲功率譜密度為為Sn3(f,t)，則它的時變功率譜密度為，則它的時變功率譜密度為2.開關(guān)對（混頻單元）噪聲開關(guān)對（混頻單元）噪聲 當混頻管M1或者M2工作于截止區(qū)而另一混頻管處于導(dǎo)通狀態(tài)時，輸出電流完全由混頻單元的尾電流決定，混頻單元不產(chǎn)生噪聲。 當開關(guān)對兩管同時導(dǎo)通時，才產(chǎn)生熱噪聲?？杀硎緸椋?121212( , )16()8( )mmnmmggSf

10、tkTkT G tgg3.本振端噪聲本振端噪聲 本振信號是由時變電路產(chǎn)生的，該時變電路會在混頻器本振輸入端引入周期性穩(wěn)態(tài)噪聲。由于混頻過程本身也是一個時變過程，所以本振噪聲分析十分復(fù)雜。于單平衡混頻器和雙平衡混頻器 21( , )4(2)nLOLOgSf tkT RrG21( , )4(4)nLOgSf tkTrG綜合以上分析混頻器各種噪聲，可以最終得到混頻器的噪聲系數(shù)理想情況下，可由下面兩個公式估計混頻器的噪聲系數(shù)理想情況下，可由下面兩個公式估計混頻器的噪聲系數(shù)233331122231()2(2)gmmLOgLSSBmsr ggGRrGRFcc gR2555511222512()44gmmg

11、LDSBmsr ggGr GRFcc gR33332231()14gmmLSSBmsr ggRFgR555522512()14gmmLDSBmsr ggRFgR噪聲優(yōu)化噪聲優(yōu)化l 混頻器輸出端噪聲主要由驅(qū)動級產(chǎn)生的熱噪聲、開關(guān)對產(chǎn)生的熱噪混頻器輸出端噪聲主要由驅(qū)動級產(chǎn)生的熱噪聲、開關(guān)對產(chǎn)生的熱噪聲和本振噪聲、負載噪聲引起。聲和本振噪聲、負載噪聲引起。l 驅(qū)動級是一個共源放大器，因此可以采用與低噪聲放大器相同的噪驅(qū)動級是一個共源放大器，因此可以采用與低噪聲放大器相同的噪聲優(yōu)化方法，優(yōu)化驅(qū)動級中晶體管的尺寸和偏置，使得驅(qū)動級產(chǎn)生的聲優(yōu)化方法，優(yōu)化驅(qū)動級中晶體管的尺寸和偏置，使得驅(qū)動級產(chǎn)生的熱噪聲盡

12、可能低。熱噪聲盡可能低。l 在開關(guān)對的設(shè)計上，通過前面的圖中可以看出，增加偏置電流會增在開關(guān)對的設(shè)計上，通過前面的圖中可以看出，增加偏置電流會增加開關(guān)對的熱噪聲和本振噪聲，但可以減小驅(qū)動級熱噪聲的貢獻，而加開關(guān)對的熱噪聲和本振噪聲，但可以減小驅(qū)動級熱噪聲的貢獻，而且會降低混頻器的轉(zhuǎn)換增益。且會降低混頻器的轉(zhuǎn)換增益。l 而增加本振信號幅度會降低開關(guān)對的熱噪聲和本振噪聲，但會增加而增加本振信號幅度會降低開關(guān)對的熱噪聲和本振噪聲，但會增加驅(qū)動級熱噪聲的貢獻。驅(qū)動級熱噪聲的貢獻。 設(shè)計混頻器時應(yīng)根據(jù)哪部分是噪聲主要來源，折中進行考慮。設(shè)計混頻器時應(yīng)根據(jù)哪部分是噪聲主要來源，折中進行考慮。線性度線性度對

13、于單平衡混頻器對于單平衡混頻器輸出電流歸一化結(jié)果為輸出電流歸一化結(jié)果為式中式中=VLO/Vod22351 (1)sgn( )22432outBBiII改善線性度的方法改善線性度的方法 驅(qū)動級驅(qū)動級 1.采用源簡并技術(shù)2.分段線性近似分段線性近似開關(guān)對開關(guān)對開關(guān)對引入的三階交調(diào)積與開關(guān)對共源節(jié)點的寄生電容有很大關(guān)系。開關(guān)對引入的三階交調(diào)積與開關(guān)對共源節(jié)點的寄生電容有很大關(guān)系。采取在共源節(jié)點并聯(lián)一個電感。采取在共源節(jié)點并聯(lián)一個電感。二極管無源混頻器二極管無源混頻器二極管混頻器 在分離器件中，最常用的是無源二極管混頻器，它利用了二極管在分離器件中，最常用的是無源二極管混頻器，它利用了二極管的非線性，電路結(jié)構(gòu)簡單、線性度好、隔離差、噪聲較高、本振信號的非線性，電路結(jié)構(gòu)簡單、線性度好、隔離差、噪聲較高、本振信號驅(qū)動要求高。驅(qū)動要求高。MOS無源混頻器無源混頻器直接將輸入電壓信號與本振信號在電壓域進行混頻。直接將輸入電壓信號與本振信號在電壓域進行混頻。特點：不提供增益、線性度較好。特點：不提供增益、線性度較好?？偨Y(jié)總結(jié) 1.介紹了混頻器的基本性能參數(shù)。介紹了混頻器的基本性能參數(shù)。 2.重點分析了重點分析了Gilbert混頻器（有源混頻器），這類混頻器混頻器（有源混頻器），這類混頻器具有較好的線性度及噪聲性能，并且廣泛應(yīng)用于單片集成具有較好的線性度及噪聲性能，并且廣泛應(yīng)用于單片集成電路