364 固体电子学研究与进展 28卷 文中设计了一种上变频混频器电路，采用开关 跨导型结构实现，消除开关对噪声的贡献，降低混频 器的噪声系数。同时采用电感电容谐振网络作为负 RF+ RF- 载，能够有效提高交流负载阻抗值，降低对混频器跨 导的要求，增大跨导管过驱动电压，从而实现高的线 性度。 RR- 2 混频器电路结构 2.1结构比较 图1是传统的吉尔伯特双平衡混频器结构，它 由跨导级Ms和M6管)、开关对M~M4管)和输 图2开关跨导型混频器结构 出负载(Z)构成。输入低频基带信号通过跨导级转 Fig 2 Sw itched transconductor m ixer topo logy 换成电流信号，然后通过开关对的切换实现频率转 换，最后由负载阻抗将电流信号转换成电压信号输 孟m=4kTgm (2) 出。 它们都是小信号跨导gm的函数。因此当M0S管截 止时，产生的噪声电流基本可忽略。对于传统的吉尔 伯特结构，跨导管始终处于导通状态，开关只是切换 电流的流向。而在开关跨导型混频器结构中，在同一 RF+ RF- 时刻仅有半数跨导管处于导通状态，因此跨导管虽 然数目增加了一倍，但是产生的噪声和传统吉尔伯 T民吉民 特结构相同。 在开关跨导型结构中，任一个倒相器所控制的 “对跨导管的工作状态是相同的，因此倒相器产生 的噪声到差分输出两端的贡献是共模噪声，可以实 现差分抵消。所以，此结构中输出噪声仅有跨导级和 负载贡献。 图1吉尔伯特混频器结构 而对于传统吉尔伯特混频器而言，每一个开关 Fig 1 Gilbert m ixer topology MOS管的噪声都会在输出端贡献噪声，而且是独立 不相关的，故总的输出噪声中开关的贡献很大6。虽 图2是开关跨导型混频器结构。与吉尔伯特 然跨导级与开关跨导型结构中的倒相器处在相同的 结构类似，它也由跨导级、开关对和负载阻抗构成， 位置，但是与跨导MOS管串联的开关对中，在同一 但是改变了跨导和开关的相对位置，并且开关对改 时间仅有一个开为MOS管处于导通状态，因此任一 由倒相器实现。在本振信号的正半周，M5和M6管组 个跨易MOS管的噪声并不能同时输出到差分两端， 成的倒相器输出低电平，M7和M8管组成的倒相器 无法像开关跨导型结构中的倒相器那样实现噪声抵 输出高电平，跨导M1和M,管导通，M3和M4管截 消。传统吉尔伯特混频器的单边带噪声系数可表示 止：在本振信号负半周期，工作状态正好相反。由此 为 可见，开关跨导型混频器的频率转换原理和传统的 吉尔伯特混频器类似。 NFs遇=2 2.2噪声系数 2(+resgms)gms+4)G+4ra1G+ MOS管产生的闪烁噪声和热噪声电流可分别 c2g品sRs 表示为 (3) =所好 其中x和c是与本振信号有关的参数，X和gm分 (1) 别表示各MOS管的噪声因子、栅电阻和小信号跨 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net文中设计了一种上变频混频器电路, 采用开关 跨导型结构实现, 消除开关对噪声的贡献, 降低混频 器的噪声系数。同时采用电感电容谐振网络作为负 载, 能够有效提高交流负载阻抗值, 降低对混频器跨 导的要求, 增大跨导管过驱动电压, 从而实现高的线 性度。 2 混频器电路结构 211 结构比较 图 1 是传统的吉尔伯特双平衡混频器结构, 它 由跨导级(M 5 和M 6 管)、开关对(M 1～M 4 管) 和输 出负载(ZL ) 构成。输入低频基带信号通过跨导级转 换成电流信号, 然后通过开关对的切换实现频率转 换, 最后由负载阻抗将电流信号转换成电压信号输 出。 图1 吉尔伯特混频器结构 F ig. 1 Gilbert m ixer topo logy 图2 是开关跨导型混频器结构[ 5 ]。与吉尔伯特 结构类似, 它也由跨导级、开关对和负载阻抗构成, 但是改变了跨导和开关的相对位置, 并且开关对改 由倒相器实现。在本振信号的正半周,M 5 和M 6 管组 成的倒相器输出低电平,M 7 和M 8 管组成的倒相器 输出高电平, 跨导对M 1 和M 2 管导通,M 3 和M 4 管截 止; 在本振信号负半周期, 工作状态正好相反。由此 可见, 开关跨导型混频器的频率转换原理和传统的 吉尔伯特混频器类似。 212 噪声系数 M O S 管产生的闪烁噪声和热噪声电流可分别 表示为[ 1 ] i 2 n, 1öf = K CoxW L 1 f g 2 m (1) 图2 开关跨导型混频器结构 F ig. 2 Sw itched transconducto r m ixer topo logy i 2 n, thm = 4kT Χgm (2) 它们都是小信号跨导gm 的函数。因此当M O S 管截 止时, 产生的噪声电流基本可忽略。对于传统的吉尔 伯特结构, 跨导管始终处于导通状态, 开关只是切换 电流的流向。而在开关跨导型混频器结构中, 在同一 时刻仅有半数跨导管处于导通状态, 因此跨导管虽 然数目增加了一倍, 但是产生的噪声和传统吉尔伯 特结构相同。 在开关跨导型结构中, 任一个倒相器所控制的 一对跨导管的工作状态是相同的, 因此倒相器产生 的噪声到差分输出两端的贡献是共模噪声, 可以实 现差分抵消。所以, 此结构中输出噪声仅有跨导级和 负载贡献。 而对于传统吉尔伯特混频器而言, 每一个开关 M O S 管的噪声都会在输出端贡献噪声, 而且是独立 不相关的, 故总的输出噪声中开关的贡献很大[ 6 ]。虽 然跨导级与开关跨导型结构中的倒相器处在相同的 位置, 但是与跨导M O S 管串联的开关对中, 在同一 时间仅有一个开关M O S 管处于导通状态, 因此任一 个跨导M O S 管的噪声并不能同时输出到差分两端, 无法像开关跨导型结构中的倒相器那样实现噪声抵 消。传统吉尔伯特混频器的单边带噪声系数可表示 为[ 7 ] N F SSB = Α c 2 + 2 (Χ5 + rg5gm 5) gm 5Α+ 4Χ1 G1 + 4rg1 G 2 1 + 1 ZL c 2 g 2 m 5 R s (3) 其中Α和c 是与本振信号有关的参数, Χ、rg 和gm 分 别表示各M O S 管的噪声因子、栅电阻和小信号跨 463 固 体 电 子 学 研 究 与 进 展 28 卷