孩旦大婴 硕士学位论文 56M~806M宽频带Double-Conversion混频器设计 院 系：信息科学与工程学院 专 业： 微电子与固体电子学 姓 名： 舒适 指导教师： 闵昊教授 完成时间： 2004.5.30
I 硕 士 学 位 论 文 56M~806M 宽频带 Double-Conversion 混频器设计 院 系 ： 信息科学与工程学院 专 业 ： 微电子与固体电子学 姓 名 ： 舒 适 指导教师 ： 闵昊 教授 完成时间 ： 2004.5.30
目录 ABSTRACT....... 摘要.。 II 月言，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，， 1.1通信系统的概念…… …1 1.2接收端的结构.…… …3 L.2.1超外差结构的接收端(Superheterodyne Receiver）.......3 1.2.2零中频结构的接收端(Homodyne Receiver)... …6 l.2.3镜像抑制接收器(Image-.Reject Receivers).. ........11 1.3设计目的…… .15 1.4论文提纲.……… 16 第二章混频器的基本概念.… 17 2.1混频器的基本原理… 17 2.2混频器的性能参数........ 18 2.2.1转换增益(Conversion Gain). ..18 2.2.2噪声系数(Noise Figure)..…· 18 2.2.3线性度(Linearity）......19 2.2.4隔离度(solation)...... ..25 2.2.5输入输出阻抗匹配(nput&Output matching).......25 第三章混频器的电路结构... 27 3.1混频器的基本工作原理和分类..... 27 3.2 Active混频器.......... ....28 3.2.1基于平方关系(square-.law)的混频器 ...28 3.2.2基于乘法器(Multiplier-.Based)的混频器 30 3.3 Passive混频器............ 。。。。。。。。。。。 32 3.3.1电压混频器(Potentiometric Mixers) 32 3.3.2 Double-balanced Mixer.............. 33 3.3.3 Subsampling Mixer........... 35 第四章Upconversion宽带混频器的设计. 37 4.1VGA电路的设计及仿真..... 38
II 目 录 ABSTRACT ...................................................... I 摘 要.......................................................... II 引言............................................................. 1 1.1 通信系统的概念 ....................................................... 1 1.2 接收端的结构 ......................................................... 3 1.2.1 超外差结构的接收端 (Superheterodyne Receiver) ....................... 3 1.2.2 零中频结构的接收端 (Homodyne Receiver) ............................ 6 1.2.3 镜像抑制接收器 (Image-Reject Receivers)............................ 11 1.3 设计目的 ............................................................ 15 1.4 论文提纲 ............................................................ 16 第二章 混频器的基本概念........................................ 17 2.1 混频器的基本原理 ..................................................... 17 2.2 混频器的性能参数 ..................................................... 18 2.2.1 转换增益(Conversion Gain) ........................................ 18 2.2.2 噪声系数(Noise Figure) ........................................... 18 2.2.3 线性度(Linearity) ................................................ 19 2.2.4 隔离度(Isolation) ................................................. 25 2.2.5 输入输出阻抗匹配(Input & Output matching) ......................... 25 第三章 混频器的电路结构........................................ 27 3.1 混频器的基本工作原理和分类 ........................................... 27 3.2 Active 混频器 ......................................................... 28 3.2.1 基于平方关系(square-law)的混频器 ................................. 28 3.2.2 基于乘法器(Multiplier-Based)的混频器............................... 30 3.3 Passive 混频器 ........................................................ 32 3.3.1 电压混频器(Potentiometric Mixers) .................................. 32 3.3.2 Double-balanced Mixer............................................. 33 3.3.3 Subsampling Mixer ................................................ 35 第四章 Upconversion 宽带混频器的设计 ............................ 37 4.1 VGA 电路的设计及仿真 .................................................. 38
4.2简单Gi1bert结构混频器的设计.......................41 4.3宽带混频器线性度的提高....... 46 4.4增益，IIP3和噪声系数的简单计算 47 4.5改进的宽带上变频混频器的设计.. 48 4.6电路测试........... 51 第五章总结... 54 5.1论文总结... 54 5.2展望和建议.... 55 致谢.. 56 参考文献.. 57
III 4.2 简单 Gilbert 结构混频器的设计 .......................................... 41 4.3 宽带混频器线性度的提高 ................................................ 46 4.4 增益，IIP3 和噪声系数的简单计算 ....................................... 47 4.5 改进的宽带上变频混频器的设计 .......................................... 48 4.6 电路测试 .............................................................. 51 第五章 总结..................................................... 54 5.1 论文总结 ............................................................. 54 5.2 展望和建议 ........................................................... 55 致 谢.......................................................... 56 参考文献........................................................ 57
ABSTRACT Today,TV tuner takes a very important role in the future development of the Digital Signal Television.From cable to wireless,Digital Signal Television becomes more necessary in our life.In the TV tuner receiver system,cable signal and wireless signal can be received and decode,then transferred to digital signal and sent to backend for further signal processing. An up-conversion wide band mixer used for the TV tuner system is designed in this paper,with the frequency range from 56MHz to 806MHz and output central frequency of 1.1GHz.TV tuner adopts double conversion super-heterodyne architecture.Firstly,it converts the input wide band RF signal to a higher 1.1GHz intermediate frequency,and secondly,down-convert the 1.1GHz frequency to 44MHz intermediate frequency for DSP at backend.From the analysis and comparison of the advantage and disadvantage of the Active and Passive mixer,I decide to use Active Gilbert mixer topology,because the noise figure and conversion gain performance is better than the others,but the loss of the linearity performance must be considered.Series of linearity improvement idea are put forward and adopted in this paper to make up for the loss of the linearity performance. With the Chartered 0.35um library file and spectreRF simulation tool,my design is proved that the designed circuit can meet the system'requirement from the simulation result. The up-conversion is taped out in chartered 0.35um CMOS process.For the sake of measurement,the RF and LO bias circuit are added to the up-conversion circuit.At the end of the paper,the core measurement plan is put forward.Because the wide band match problem can not be resolved,the measurement plan is just based on the point frequency input and point frequency output,and both the input impendence and the output impendence are all 502. Keywords:up-conversion,down-conversion,Active mixer,Passive mixer,image signal
I ABSTRACT Today, TV tuner takes a very important role in the future development of the Digital Signal Television. From cable to wireless, Digital Signal Television becomes more necessary in our life. In the TV tuner receiver system, cable signal and wireless signal can be received and decode, then transferred to digital signal and sent to backend for further signal processing. An up-conversion wide band mixer used for the TV tuner system is designed in this paper, with the frequency range from 56MHz to 806MHz and output central frequency of 1.1GHz. TV tuner adopts double conversion super-heterodyne architecture. Firstly, it converts the input wide band RF signal to a higher 1.1GHz intermediate frequency, and secondly, down-convert the 1.1GHz frequency to 44MHz intermediate frequency for DSP at backend. From the analysis and comparison of the advantage and disadvantage of the Active and Passive mixer, I decide to use Active Gilbert mixer topology, because the noise figure and conversion gain performance is better than the others, but the loss of the linearity performance must be considered. Series of linearity improvement idea are put forward and adopted in this paper to make up for the loss of the linearity performance. With the Chartered 0.35um library file and spectreRF simulation tool, my design is proved that the designed circuit can meet the system’ requirement from the simulation result. The up-conversion is taped out in chartered 0.35um CMOS process. For the sake of measurement, the RF and LO bias circuit are added to the up-conversion circuit. At the end of the paper, the core measurement plan is put forward. Because the wide band match problem can not be resolved, the measurement plan is just based on the point frequency input and point frequency output, and both the input impendence and the output impendence are all 50Ω . Keywords：up-conversion, down-conversion, Active mixer, Passive mixer, image signal
摘要 TV tuner是未来数字电视发展的重要环节，从有线到无线，数字电视在我们生活中将 会越来越重要。通过TV tuner的接收系统可以将cable信号和无线信号接收并解调，转换 成数字信号，送到内部做数字信号处理。 本文主要设计了用于TV tuner系统中的上变频宽带混频器，它的工作频率为 56~806MHz,输出中频为1.1GHz。TV tuner采用两级变频的super-heterodyne结构，前 一级就是通过宽带的上变频混频器将输入的RF信号上变频到一个1.1GHz的点频附近， 然后再通过一个下变频的混频器将这个1.1GHz的点频下变频到44MHz的低频附近输出 到后面的滤波器进行进一步处理。通过对Active和Passive混频器各种电路结构优缺点的 分析和比较，最终决定混频器采用Active的Gilbert混频器结构，因为这样电路的Noise Figure和增益性能会比较好，但线性度的性能会有所损失.本文中提到并采用了一系列的 提高混频器线性度的方法，以弥补这一损失。本设计用charteredo.35um的库用spectreRF 进行仿真，仿真结果说明，这种结构完全可以满足系统的要求。 设计的上变频电路在chartered0.35 um CMOS的工艺中进行流片，为了方便测试，在 电路中加入了偏置电路为RF和LO输入端提供直流电压。在论文的最后介绍了芯片测试 的方案，由于没能解决好宽带输入阻抗匹配的问题，所以整个芯片是计划在点频输入和点 频输出的情况下进行测试，输入输出阻抗都是502。 关键字：上变频，下变频，有源混频器，无源混频器，镜像信号
II 摘 要 TV tuner 是未来数字电视发展的重要环节，从有线到无线，数字电视在我们生活中将 会越来越重要。通过 TV tuner 的接收系统可以将 cable 信号和无线信号接收并解调，转换 成数字信号，送到内部做数字信号处理。 本文主要设计了用于 TV tuner 系统中的上变频宽带混频器，它的工作频率为 56~806MHz，输出中频为 1.1GHz。TV tuner 采用两级变频的 super-heterodyne 结构，前 一级就是通过宽带的上变频混频器将输入的 RF 信号上变频到一个 1.1GHz 的点频附近， 然后再通过一个下变频的混频器将这个 1.1GHz 的点频下变频到 44MHz 的低频附近输出 到后面的滤波器进行进一步处理。通过对 Active 和 Passive 混频器各种电路结构优缺点的 分析和比较，最终决定混频器采用 Active 的 Gilbert 混频器结构，因为这样电路的 Noise Figure 和增益性能会比较好，但线性度的性能会有所损失. 本文中提到并采用了一系列的 提高混频器线性度的方法，以弥补这一损失。本设计用 chartered0.35um 的库用 spectreRF 进行仿真，仿真结果说明，这种结构完全可以满足系统的要求。 设计的上变频电路在 chartered0.35um CMOS 的工艺中进行流片，为了方便测试，在 电路中加入了偏置电路为 RF 和 LO 输入端提供直流电压。在论文的最后介绍了芯片测试 的方案，由于没能解决好宽带输入阻抗匹配的问题，所以整个芯片是计划在点频输入和点 频输出的情况下进行测试，输入输出阻抗都是 50Ω 。 关键字：上变频，下变频，有源混频器，无源混频器，镜像信号
引言 1.1通信系统的概念 在我们的日常生活中接触最多的通信产品无疑就是手机，在手机移动通信领域里采用 多路技术(multiple access techniques)，这种技术是区别于只有一个发射端和一个接受 端的单路技术。在多路技术的情况下，通讯系统就显得异常的复杂，这时候我们就需要有 一个标准来规范和定义它的一些特性参数。通常，这些特性参数包括有带宽，时序和数据 编码方式。多路技术按照实现方法的不同，分为频分多路技术(frequency-division multiple access,FDMA)，时域多路技术(time-division multiple access,TDMA),和代码多路技 术(code-division multiple access,CDMA)。 自从有了RF(Radio Frequency)电路便有了手机的诞生，而手机的出现使得电话的 通信系统变得异常的复杂。当你用手机给家人打了一个电话，你可能不会知道，为了实现 这一个看似简单的事情，已经有成百的科学家和工程师为之付出了近一个世纪的努力。更 不可能想到的是，这一瞬间手机芯片的计算能力甚至比早期的个人电脑的计算能力还要强 大。 无线通讯技术产生于1901年，那一年Guglielmo和Marconi将射频信号发送出去， 并在大西洋的彼岸成功的接收到了射频信号。这个试验有力的证明了，不仅仅电话线可以 传送信息，地球上的任何物质包括大气层都可以传送信息。然而，在最初双向无线传输由 于其实现的难度很大，所以只能运用在军事上，而民用方面只能实现单向传输，比如说无 线广播，或者是无线电视台。这种情况持续了几十年的时间，直到晶体管的出现。 通讯系统中的基本结构是要有接收端和发送端，而现今的通讯要求远比这个要高，每 个终端不仅要能够同时具备接收和发送的功能，而且还要满足高性能，多频段，宽带，低 成本，低功耗的要求，这几个条件都是相互制约的。任何一个信号channel都是在一定的 窄带内的，如图1.1所示。一个信号通道通过transmitter调制，带通滤波器放大，天线发 送，然后receiver通过天线接收，解调，通过带通滤波器发大。Transmitter的带通滤波器 要放大发送的信号，还要防止信号能量损失。Receiver的带通滤波器既要能够对有效信号
1 引言 1.1 通信系统的概念 在我们的日常生活中接触最多的通信产品无疑就是手机，在手机移动通信领域里采用 多路技术（multiple access techniques）, 这种技术是区别于只有一个发射端和一个接受 端的单路技术。在多路技术的情况下，通讯系统就显得异常的复杂，这时候我们就需要有 一个标准来规范和定义它的一些特性参数。通常，这些特性参数包括有带宽，时序和数据 编码方式。多路技术按照实现方法的不同，分为频分多路技术（frequency-division multiple access , FDMA）, 时域多路技术（time-division multiple access , TDMA）,和代码多路技 术（code-division multiple access , CDMA）。 自从有了 RF（Radio Frequency）电路便有了手机的诞生，而手机的出现使得电话的 通信系统变得异常的复杂。当你用手机给家人打了一个电话，你可能不会知道，为了实现 这一个看似简单的事情，已经有成百的科学家和工程师为之付出了近一个世纪的努力。更 不可能想到的是，这一瞬间手机芯片的计算能力甚至比早期的个人电脑的计算能力还要强 大。 无线通讯技术产生于 1901 年，那一年 Guglielmo 和 Marconi 将射频信号发送出去， 并在大西洋的彼岸成功的接收到了射频信号。这个试验有力的证明了，不仅仅电话线可以 传送信息，地球上的任何物质包括大气层都可以传送信息。然而，在最初双向无线传输由 于其实现的难度很大，所以只能运用在军事上，而民用方面只能实现单向传输，比如说无 线广播，或者是无线电视台。这种情况持续了几十年的时间，直到晶体管的出现。 通讯系统中的基本结构是要有接收端和发送端，而现今的通讯要求远比这个要高，每 个终端不仅要能够同时具备接收和发送的功能，而且还要满足高性能，多频段，宽带，低 成本，低功耗的要求，这几个条件都是相互制约的。任何一个信号 channel 都是在一定的 窄带内的，如图 1.1 所示。一个信号通道通过 transmitter 调制，带通滤波器放大，天线发 送，然后 receiver 通过天线接收，解调，通过带通滤波器发大。Transmitter 的带通滤波器 要放大发送的信号，还要防止信号能量损失。Receiver 的带通滤波器既要能够对有效信号
进行放大，又要对有效带宽以外的干扰信号进行抑制。由于本论文的重点在于接收端中 Mixer的设计和运用，所以下面将对接收端的不同结构做一个介绍。 Transmitted Channel Power Amplifier BPF Adjacent Channels (a) Low Noise Amplifier BPF Interferers ↑ Desired Channel (b) 图1.1通信系统中的(a)发送端(Transmitter)(b)接收端(Receiver)结构原理图 2
2 进行放大，又要对有效带宽以外的干扰信号进行抑制。由于本论文的重点在于接收端中 Mixer 的设计和运用，所以下面将对接收端的不同结构做一个介绍。 BPF Power Amplifier Adjacent Channels Transmitted Channel ω ( a ) BPF Low Noise Amplifier ω Interferers Desired Channel ( b ) 图 1.1 通信系统中的(a)发送端(Transmitter) (b) 接收端( Receiver) 结构原理图
1.2接收端的结构 通讯系统结构有很多种，通常被采用的也就两三种。下面我就比较常用的三种结构进 行简单的介绍。这三种结构分别是超外差结构(Superheterodyne),零中频结构(Homodyne) 和镜像抑制接收结构(Image-Reject Receiver) l.2.1超外差结构的接收端(Superheterodyne Receiver) 右上面的分析我们可以看到，在接收端的带通滤波器必须在很高的频率下将所需要的 通道信号放大解调出来，周围信号的干扰也影响着滤波器的性能。在超外差结构中，我们 先把天线接收下来的信号通过混频器下变频到一个比较低的中频，然后用低通滤波器来将 信号放大，这样我们就可以降低对滤波器Q值的要求。如图1.2所示 LPF (a LPF (b) 图1.2(a)超外差结构的原理图(b)LNA降低噪声的示意图 信号o1先与A0C0Sωot在混频器中混频，这里的ω0=ω1一⊙2，混频的结果就是产生 一个频谱①2和另外一个频谱2①1一①2。这样低通滤波器就可以把后者滤掉，我们把这个 过程叫做下变频。由于噪声会影响系统的性能，所以在信号送到混频器进行混频之前先要 通过一个低噪声发大器(LNA),如图1.2(b)所示。输入信号我们称作RF信号oF。oo的 正弦信号由振荡器产生，一般用oLo表示。混频器的输出信号o2叫做中频(intermediate
3 1.2 接收端的结构 通讯系统结构有很多种，通常被采用的也就两三种。下面我就比较常用的三种结构进 行简单的介绍。这三种结构分别是超外差结构(Superheterodyne)，零中频结构(Homodyne) 和镜像抑制接收结构(Image-Reject Receiver) [1] 1.2.1 超外差结构的接收端 (Superheterodyne Receiver) 右上面的分析我们可以看到，在接收端的带通滤波器必须在很高的频率下将所需要的 通道信号放大解调出来，周围信号的干扰也影响着滤波器的性能。在超外差结构中，我们 先把天线接收下来的信号通过混频器下变频到一个比较低的中频，然后用低通滤波器来将 信号放大，这样我们就可以降低对滤波器 Q 值的要求。如图 1.2 所示 LPF A0cosω0t ω0 ω ω1 ω2 (a) A0cosω0t LPF LNA (b) 图 1.2 (a) 超外差结构的原理图 (b) LNA 降低噪声的示意图 信号ω1先与 A0cosω0t 在混频器中混频，这里的ω0＝ω1－ω2，混频的结果就是产生 一个频谱ω2和另外一个频谱 2ω1－ω2。这样低通滤波器就可以把后者滤掉，我们把这个 过程叫做下变频。由于噪声会影响系统的性能，所以在信号送到混频器进行混频之前先要 通过一个低噪声发大器(LNA)，如图 1.2(b)所示。输入信号我们称作 RF 信号ωRF。ω0 的 正弦信号由振荡器产生，一般用ωLO 表示。混频器的输出信号ω2 叫做中频(intermediate
frequency,IF)信号，中频信号会受到几个因素的影响，要提高混频器的性能必须注意这几 个因素。 首先是镜像的问题。什么是镜像问题？由于在混频器中输入信号是没有极性的，所以 对于两个输入信号X1()=C0sωt和x2()=C0s⊙2t来说，混频后在低通滤波器输出的信号中， c0s(o1一o2)与c0$(o2一o)是没有区别。因此，在超外差结构中，在频谱上关于LO信 号对称的两个频带都会被下变频到相同的中频信号上。假如所需要的信号频谱的中心频率 为o1=oLo一o,那么中心频率在ω1M=oLo十oF的镜像信号也会被下变频到相同的中 频上，如图1.3所示。 Image Desired Band 0 图1.3镜像干扰问题的示意图 镜像干扰问题的存在严重影响通信系统的性能，尤其是混频器的性能，它会导致最后 输出的有效信号完全被镜像干扰信号给“湮没”掉。通常用来解决镜像问题的方法是在混 频加抑制镜像信号的滤波器，如图1.4所示。这种滤波器要求对镜像信号进行有效的抑制， 而且有效信号的能量损耗要小，如果这两个要求要同时满足的话就必须要求。F足够的大。 Image Reject Filter cos@Lot 图1.4通过滤波器抑制镜像噪声
4 frequency, IF )信号，中频信号会受到几个因素的影响，要提高混频器的性能必须注意这几 个因素。 首先是镜像的问题。什么是镜像问题？由于在混频器中输入信号是没有极性的，所以 对于两个输入信号 x1(t)=cosω1t 和 x2(t)=cosω2t 来说，混频后在低通滤波器输出的信号中， cos(ω1－ω2)与 cos(ω2－ω1)是没有区别。因此，在超外差结构中，在频谱上关于 LO 信 号对称的两个频带都会被下变频到相同的中频信号上。假如所需要的信号频谱的中心频率 为ω1＝ωLO－ωIF，那么中心频率在ωIM＝ωLO＋ωIF的镜像信号也会被下变频到相同的中 频上，如图 1.3 所示。 ω1 ωIm ωIF ωIF ωLO ω ω Desired Band Image cosω0t LPF ωIF ω 图 1.3 镜像干扰问题的示意图 镜像干扰问题的存在严重影响通信系统的性能，尤其是混频器的性能，它会导致最后 输出的有效信号完全被镜像干扰信号给“湮没”掉。通常用来解决镜像问题的方法是在混 频加抑制镜像信号的滤波器，如图 1.4 所示。这种滤波器要求对镜像信号进行有效的抑制， 而且有效信号的能量损耗要小，如果这两个要求要同时满足的话就必须要求ωIF 足够的大。 cosω LOt Image Reject Filter LNA ω 1 ω I m ω Im age R eject F ilter 2 ω I F 图 1.4 通过滤波器抑制镜像噪声
那么是不是就说O越大越好呢？我们回想一下，超外差结构的特点是将RF信号下 变频到一个比较低的中频，这样对中频滤波器的Q值就可以大大提高，而如果我们要有效 的抑制镜像问题，那么就要提高⊙，所以这两个条件是相互制约的，满足一个条件，另 一个条件就不能很好的满足。在采用Superheterodyne结构的时候，输出中频的值必须在 这两者之间衡量，我们把这称作在敏感性能和选择性能之间的相互制约。 Superheterodyne结构还有一个比较大的缺点，那就是镜像抑制滤波器通常都是片外 的passive滤波器，这样LNA相当于要驱动一个502的负载（镜像抑制滤波器的输入阻抗）， 使得LNA的noise figure,增益，稳定性，功耗等性能的相互制约条件更加严格。 Band Image Channel Channel Select Reject Select Select Filter LNA Filter Filter Filter BPF, BPF, 101 02 Image Image Desired Desired Channel Channel 00步 1.5 Dual-IF superheterodyne receiver
5 那么是不是就说ωIF 越大越好呢？我们回想一下，超外差结构的特点是将 RF 信号下 变频到一个比较低的中频，这样对中频滤波器的 Q 值就可以大大提高，而如果我们要有效 的抑制镜像问题，那么就要提高ωIF，所以这两个条件是相互制约的，满足一个条件，另 一个条件就不能很好的满足。在采用 Superheterodyne 结构的时候，输出中频的值必须在 这两者之间衡量，我们把这称作在敏感性能和选择性能之间的相互制约。 Superheterodyne 结构还有一个比较大的缺点，那就是镜像抑制滤波器通常都是片外 的 passive 滤波器，这样 LNA 相当于要驱动一个 50Ω的负载(镜像抑制滤波器的输入阻抗)， 使得 LNA 的 noise figure，增益，稳定性，功耗等性能的相互制约条件更加严格。 A B C D EF G H Band Select Filter BPF1 BPF2 LNA Image Reject Filter Channel Select Filter BPF3 BPF4 Channel Select Filter IF Amplifier ωLO1 ωLO2 Desired Channel Image A Desired Channel Image B f f C D f f E F f f G H f f 图 1.5 Dual-IF superheterodyne receiver
