第13章混频器

1、混频器混频器 Mixers张艺蒙张艺蒙西安电子科技大学微电子学院摘要摘要 前言：无线收发机射频前端的系统结构前言：无线收发机射频前端的系统结构 基本概念：混频器的性能参数基本概念：混频器的性能参数 Gilbert（电流换向）混频器的分析和设计（电流换向）混频器的分析和设计 无源混频器的分析无源混频器的分析 总结总结超外差接收器的方框图超外差接收器的方框图RF放放大器大器本 地 振 荡 器本 地 振 荡 器LOIFIF放大器放大器/ /滤波器滤波器解调解调调 整 控调 整 控制制混频器基带基带放大器放大器输出输出射频信号射频信号RF中频中频 IF本地振荡本地振荡LO固定的带通滤波器固定的带通滤波

2、器概述概述概述混频原理混频原理: 1、非线性系统、非线性系统 混频原理混频原理混频原理混频原理：2、线性时变状态、线性时变状态镜像信号镜像信号 定义：指与有用射频信号关于本振频率对称的信号，它与有用信定义：指与有用射频信号关于本振频率对称的信号，它与有用信号的频率差等于两倍中频频率。号的频率差等于两倍中频频率。混频器的性能参数：噪声系数混频器的性能参数：噪声系数噪声系数噪声系数线性度线性度性能参数：隔离度和阻抗匹配性能参数：隔离度和阻抗匹配u隔离度：本端口功率与其窜通到另一端口的功率之比。隔离度：本端口功率与其窜通到另一端口的功率之比。 LO-RF:强本振信号泄露到输入端，使混频器发生过载或强

3、本振信号泄露到输入端，使混频器发生过载或饱和。饱和。 LO-IF:强本振信号泄露到输出端，容易造成后级中频模强本振信号泄露到输出端，容易造成后级中频模块发生过载或饱和。块发生过载或饱和。 RF-LO:出现自混频现象，同时强干扰信号会影响本振的出现自混频现象，同时强干扰信号会影响本振的工作。工作。u阻抗匹配：阻抗匹配：RF、LO端匹配到端匹配到50欧姆，欧姆，IF端口匹配到后级端口匹配到后级滤波器的输入端阻抗。滤波器的输入端阻抗。主要性能指标典型值主要性能指标典型值二、混频器的类型二、混频器的类型 混频器的电路结构非常多， 从系统的角度看，非线性系统和线性时变系统以产生新的频率分量而具有混频的可

4、能； 从电路的角度看，混频器可以是有源的也可以是无源的； 还有其它如单平衡或双平衡结构、采样保持电路等等二、混频器的类型二、混频器的类型混频器的信号图混频器的信号图 输出信号由输出信号由LO和和RF信号的和与差（信号的和与差（LO RF）两个信号组成。通常我们仅）两个信号组成。通常我们仅需要这些信号中的一个信号，另一个信号将被滤掉。由于需要这些信号中的一个信号，另一个信号将被滤掉。由于LO的谐波和的谐波和RF在混在混频器中混频，会产生许多更小、更高次的信号，所以这些信号也应滤掉。一般频器中混频，会产生许多更小、更高次的信号，所以这些信号也应滤掉。一般而言，混频器所产生的全部信号有（而言，混频器

5、所产生的全部信号有（nLOmRF），其中），其中m，n为整数。为整数。 混频基本原理混频基本原理混频基本原理混频基本原理混频基本原理混频基本原理混频基本原理混频基本原理混频基本原理混频基本原理 Gilbert（电流换向）混频器的分（电流换向）混频器的分析和设计析和设计电路结构电路结构单平衡有源和双平衡有源混频器单平衡有源和双平衡有源混频器驱动级：将输入电压信号转换为电流信号，它的线性度决定了整个混驱动级：将输入电压信号转换为电流信号，它的线性度决定了整个混频器的线性度。频器的线性度。混频级：如果本振信号足够大，作为开关管，在本振信号的控制下，混频级：如果本振信号足够大，作为开关管，在本振信号的

6、控制下，周期性的开关。周期性的开关。负载：电阻或者谐振网络负载：电阻或者谐振网络。 单平衡混频器单平衡混频器 由于方波信号仅包含奇次阶谐波，尾电流源与本振信号混频的由于方波信号仅包含奇次阶谐波，尾电流源与本振信号混频的结果包含射频信号与结果包含射频信号与LO各奇次谐波混频的差频、和频成分，也包含直各奇次谐波混频的差频、和频成分，也包含直流偏置与流偏置与LO的各奇次谐波混频的成分，导致存在的各奇次谐波混频的成分，导致存在LO-IF泄露。泄露。 假设混频管为理想管，方波信号的基频幅度为假设混频管为理想管，方波信号的基频幅度为4/，则转换电压，则转换电压增益为增益为 ( )sgn cos(cos)o

7、utLOBRFRFittIIt2vmLGg Rl双平衡混频器双平衡混频器 混频的结果只包含射频信号与混频的结果只包含射频信号与LO各奇次谐波混频的差频、和频各奇次谐波混频的差频、和频成分，不包括直流偏置与成分，不包括直流偏置与LO各奇次谐波混频成分，对各奇次谐波混频成分，对LO-IF有着很有着很好的抑制作用。好的抑制作用。 假设混频管为理想管，方波信号的基频幅度为假设混频管为理想管，方波信号的基频幅度为4/，则转换电压，则转换电压增益为增益为( )sgn cos(cos)sgn cos(cos)outLOBRFRFLOBRFRFittIIttIIt2vmLGg R单平衡混频器单平衡混频器l噪声

8、分析噪声分析 由于开关管的工作点是周期性变化的，信由于开关管的工作点是周期性变化的，信号的处理过程是一个周期性时变过程，因此混号的处理过程是一个周期性时变过程，因此混频器产生的噪声具有周期性时变特性。一般用频器产生的噪声具有周期性时变特性。一般用时变功率谱密度时变功率谱密度S(f,t)来描述。来描述。 噪声来源：驱动级噪声；混频单元的噪声；噪声来源：驱动级噪声；混频单元的噪声；来自来自LO输入端噪声；负载的噪声。输入端噪声；负载的噪声。 对于单平衡混频器来说，Nn3包含晶体管M3的热噪声、信号源阻抗RS引入的噪声和晶体管栅级寄生阻抗rg3的热噪声，因此 对于双平衡混频器23333( , )4(

9、)nSgmmSf tkT Rrgg25,63532( , )4(2)nSgmmSf tkT Rrgg 1.驱动级的噪声驱动级的噪声假设驱动级的输出电流假设驱动级的输出电流is中包含噪声电流成分中包含噪声电流成分n3(t)，其噪声功率谱密度，其噪声功率谱密度为为Sn3(f,t)，则它的时变功率谱密度为，则它的时变功率谱密度为2.开关对（混频单元）噪声开关对（混频单元）噪声 当混频管M1或者M2工作于截止区而另一混频管处于导通状态时，输出电流完全由混频单元的尾电流决定，混频单元不产生噪声。 当开关对两管同时导通时，才产生热噪声。可表示为： 121212( , )16()8( )mmnmmggSf

10、tkTkT G tgg3.本振端噪声本振端噪声 本振信号是由时变电路产生的，该时变电路会在混频器本振输入端引入周期性稳态噪声。由于混频过程本身也是一个时变过程，所以本振噪声分析十分复杂。于单平衡混频器和双平衡混频器 21( , )4(2)nLOLOgSf tkT RrG21( , )4(4)nLOgSf tkTrG综合以上分析混频器各种噪声，可以最终得到混频器的噪声系数理想情况下，可由下面两个公式估计混频器的噪声系数理想情况下，可由下面两个公式估计混频器的噪声系数233331122231()2(2)gmmLOgLSSBmsr ggGRrGRFcc gR2555511222512()44gmmg

11、LDSBmsr ggGr GRFcc gR33332231()14gmmLSSBmsr ggRFgR555522512()14gmmLDSBmsr ggRFgR噪声优化噪声优化l 混频器输出端噪声主要由驱动级产生的热噪声、开关对产生的热噪混频器输出端噪声主要由驱动级产生的热噪声、开关对产生的热噪声和本振噪声、负载噪声引起。声和本振噪声、负载噪声引起。l 驱动级是一个共源放大器，因此可以采用与低噪声放大器相同的噪驱动级是一个共源放大器，因此可以采用与低噪声放大器相同的噪声优化方法，优化驱动级中晶体管的尺寸和偏置，使得驱动级产生的声优化方法，优化驱动级中晶体管的尺寸和偏置，使得驱动级产生的热噪声尽

12、可能低。热噪声尽可能低。l 在开关对的设计上，通过前面的图中可以看出，增加偏置电流会增在开关对的设计上，通过前面的图中可以看出，增加偏置电流会增加开关对的热噪声和本振噪声，但可以减小驱动级热噪声的贡献，而加开关对的热噪声和本振噪声，但可以减小驱动级热噪声的贡献，而且会降低混频器的转换增益。且会降低混频器的转换增益。l 而增加本振信号幅度会降低开关对的热噪声和本振噪声，但会增加而增加本振信号幅度会降低开关对的热噪声和本振噪声，但会增加驱动级热噪声的贡献。驱动级热噪声的贡献。 设计混频器时应根据哪部分是噪声主要来源，折中进行考虑。设计混频器时应根据哪部分是噪声主要来源，折中进行考虑。线性度线性度对

13、于单平衡混频器对于单平衡混频器输出电流归一化结果为输出电流归一化结果为式中式中=VLO/Vod22351 (1)sgn( )22432outBBiII改善线性度的方法改善线性度的方法 驱动级驱动级 1.采用源简并技术2.分段线性近似分段线性近似开关对开关对开关对引入的三阶交调积与开关对共源节点的寄生电容有很大关系。开关对引入的三阶交调积与开关对共源节点的寄生电容有很大关系。采取在共源节点并联一个电感。采取在共源节点并联一个电感。二极管无源混频器二极管无源混频器二极管混频器 在分离器件中，最常用的是无源二极管混频器，它利用了二极管在分离器件中，最常用的是无源二极管混频器，它利用了二极管的非线性，电路结构简单、线性度好、隔离差、噪声较高、本振信号的非线性，电路结构简单、线性度好、隔离差、噪声较高、本振信号驱动要求高。驱动要求高。MOS无源混频器无源混频器直接将输入电压信号与本振信号在电压域进行混频。直接将输入电压信号与本振信号在电压域进行混频。特点：不提供增益、线性度较好。特点：不提供增益、线性度较好。总结总结 1.介绍了混频器的基本性能参数。介绍了混频器的基本性能参数。 2.重点分析了重点分析了Gilbert混频器（有源混频器），这类混频器混频器（有源混频器），这类混频器具有较好的线性度及噪声性能，并且广泛应用于单片集成具有较好的线性度及噪声性能，并且广泛应用于单片集成电路