芯片设计 CMOS模拟集成电路设计与仿真实例基于Cadence IC 617 课件 第7章 混频器

第7章

混频器芯片设计——CMOS模拟集成电路设计与仿真实例：基于CadenceIC617第1页/共30页第7章混频器7.1混频器设计概述

7.1.1混频器基本原理7.1.2混频器性能参数7.1.3混频器分类和常见结构7.2实例分析：S波段Gilbert双平衡下变频混频器7.2.1电路搭建7.2.2谐波失真仿真7.2.3噪声系数仿真7.2.4转换增益仿真7.2.5线性度仿真7.3本章小结第2页/共30页芯片设计——CMOS模拟集成电路设计与仿真实例：基于CadenceIC6177.1混频器设计概述

混频器作为射频收发系统的关键模块，主要用于频谱的线性搬移。在接收前端中，下混频器将信号从射频变换到基带或中频；在发射前端中，上混频器将信号从基带或者中频变换到射频。第3页/共30页芯片设计——CMOS模拟集成电路设计与仿真实例：基于CadenceIC617本节主要介绍：混频器的基本工作原理分析用于衡量混频器的性能参数混频器的常用分类和几种常见的混频器结构7.1.1混频器基本原理

混频器是三端口器件，目的是将信号从一个频率转移到另一个频率。最早的混频器伴随着超外差接收机产生，1924年由EdwinArmstrong研制而成。

混频器的核心原理是两个信号在时域上相乘，而频域上进行频谱搬移。将两个正弦信号进行相乘，可以得到一个和频信号和一个差频信号，即：第4页/共30页芯片设计——CMOS模拟集成电路设计与仿真实例：基于CadenceIC6177.1.1混频器基本原理第5页/共30页芯片设计——CMOS模拟集成电路设计与仿真实例：基于CadenceIC617混频器频域示意图对于线性时不变系统来说，在输出信号中不产生在输入中不存在的频率分量，而非线性是产生新频率的必要条件。因此混频电路需要具有非线性的传输函数。

通常利用滤波器或吉尔伯特单元实现7.1.2混频器性能参数第6页/共30页芯片设计——CMOS模拟集成电路设计与仿真实例：基于CadenceIC617衡量混频器的性能参数主要有转换增益、线性度、噪声系数、端口隔离度等。（2）噪声系数（1）转换增益7.1.2混频器性能参数第7页/共30页芯片设计——CMOS模拟集成电路设计与仿真实例：基于CadenceIC617（4）端口隔离度（3）线性度

反映信号由于系统非线性引起的失真程度，用1dB压缩点或者三阶交调点来描述。

端口隔离度表明了混频器射频、中频、本振三个端口之间相互作用的能力。通常希望三个端口互相作用能力减小到最小。混频器三端口间信号泄漏示意图第8页/共30页芯片设计——CMOS模拟集成电路设计与仿真实例：基于CadenceIC617根据不同的电路结构，混频器可分为单平衡结构和双平衡结构7.1.3混频器分类和常见结构(a)单平衡混频器示意图；(b)单平衡混频器实现方式；(c)双平衡混频器实现方式单个MOS开关混频器两个MOS开关混频器第9页/共30页芯片设计——CMOS模拟集成电路设计与仿真实例：基于CadenceIC617根据是否能够提供转换增益，混频器可分为有源混频器和无源混频器。在无源结构中，混频器不提供转换增益。有源结构可提供正的转换增益7.1.3混频器分类和常见结构有源混频器的主要功能双平衡有源混频器电路结构7.2实例分析：S波段下变频混频器

本节以一个双平衡有源频混频器为例，介绍混频器的基本设计流程和CadenceADE的仿真方法，设计指标具体为：射频输入频率：2.4GHz本振信号频率：2.2GHz中频输出频率：200MHz转换增益：≥10dB；噪声系数：≤10dB输入1dB压缩点：-10dBm根据设计要求，本例选择使用tsmcN90rf工艺来设计混频器。第10页/共30页芯片设计——CMOS模拟集成电路设计与仿真实例：基于CadenceIC617第11页/共30页芯片设计——CMOS模拟集成电路设计与仿真实例：基于CadenceIC6177.2.1电路搭建射频“Port”设置界面在确定设计指标后，首先要进行电路的初步设计与仿真本振“Port”设置界面中频“Port”设置界面第12页/共30页芯片设计——CMOS模拟集成电路设计与仿真实例：基于CadenceIC6177.2.1电路搭建双平衡有源混频器电路图点击[Pin]和[Wire(narrow)]将元件连接起来，得到基于吉尔伯特单元的混频器电路第13页/共30页芯片设计——CMOS模拟集成电路设计与仿真实例：基于CadenceIC6177.2.2谐波失真仿真设置输入激励界面（1）点击[Launch]→[ADEL]命令，打开“AnalogDesignEnvironment”界面，在工具栏中点击[Setup]→[Stimuli]，设置电源电压“vdda”为1.2V，地“gnda”为“0V”，共模电压“”为“0.45V”，偏置电压“”为“0.8V”。第14页/共30页芯片设计——CMOS模拟集成电路设计与仿真实例：基于CadenceIC6177.2.2谐波失真仿真（2）点击[Variables]→[CopyFromCellview]命令，再点击[Variables]→[Edit]，此时弹出界面，在界面中依次设置各变量的值。设置变量值界面第15页/共30页芯片设计——CMOS模拟集成电路设计与仿真实例：基于CadenceIC6177.2.2谐波失真仿真（3）点击[Analyses]→[Choose]命令，弹出界面，选择“pss”进行周期稳定性仿真，在“BeatFrequency”中填入“200M”，并点击“AutoCalculate”。在“Outputharmonics”中输入仿真的谐波数为“30”。在仿真精度“AccuracyDefaults”中选择“moderate”，单击[OK]按钮，完成设置。（4）点击[Simulation]→[NetlistandRun]命令，开始仿真。仿真结束后，选择[Results]→[DirectPlot]→[MainForm]命令，弹出界面，分别点击“pss”、“Voltage”、“Spectrum”、“Peak”、“dB20”第16页/共30页芯片设计——CMOS模拟集成电路设计与仿真实例：基于CadenceIC6177.2.2谐波失真仿真总谐波失真仿真结果（5）在电路图中显示箭头点击中频输出端“pif”的正端连线，得到总谐波失真仿真结果，点击[Marker]→[Place]→[TraceMarker]命令，对输出波形进行标注。第17页/共30页芯片设计——CMOS模拟集成电路设计与仿真实例：基于CadenceIC6177.2.3噪声系数仿真（1）在混频器电路图中，点击射频“Port”“Prf”。在属性界面将源类型“SourceType”中的“sine”改为“dc”。（2）点击[Analyses]→[Choose]命令，弹出界面，选择“PSS”进行周期稳定性仿真，在“BeatFrequency”中填入“2.2G”，选择“AutoCalculate”。在“Outputharmonics”中输入仿真的谐波数为“0”，这样噪声分析只对本振信号产生响应，仿真精度“AccuracyDefaults”中选择“moderate”。第18页/共30页芯片设计——CMOS模拟集成电路设计与仿真实例：基于CadenceIC6177.2.3噪声系数仿真（3）选择[Analyses]→[pnoise]命令第19页/共30页芯片设计——CMOS模拟集成电路设计与仿真实例：基于CadenceIC6177.2.3噪声系数仿真（4）开始仿真。点击“Plot”输出噪声系数波形，对输出波形进行标注，200MHZ中频输出时候噪声系数为9.3dB。噪声系数仿真结果第20页/共30页芯片设计——CMOS模拟集成电路设计与仿真实例：基于CadenceIC6177.2.4转换增益仿真（1）在混频器电路图中，点击射频“Port”“Prf”，在属性界面将源类型“SourceType”设置为“dc”，将“PACmagnitude”设置为“1V”。（2）选择[Analyses]→[Choose]命令，弹出界面，选择“pss”进行周期稳定性仿真，在“BeatFrequency”中填入“2.2G”，并点击“AutoCalculator”。在“Outputharmonics”中输入仿真的谐波数为“0”，这样变频增益分析只对本振信号产生响应。在仿真精度“AccuracyDefaults”中选择“moderate”。第21页/共30页芯片设计——CMOS模拟集成电路设计与仿真实例：基于CadenceIC6177.2.4转换增益仿真（3）选择[Analyses]→[pac]命令，在“InputFrequencySweepRange”中的“Start”输入开始频率“flo+1M”，在“Stop”中输入结束频率“flo+200M”。在“SweepType”中选择“Linear”形式，并选择“NumberofSteps”输入“400”，表示线性扫描400个频率点。在“Sidebands”的“Maximumsideband”中输入边带数为“5”。（4）开始仿真。仿真结束后，选择[Results]→[DirectPlot]→[MainForm]命令，弹出界面，分别点击“pac”、“Voltage”、“sideband”、“dB20”，最后在“OutputSideband”中选择输出频率“1M-200M”。然后用箭头选择射频“Port”输出转换增益波形，可以看出，电路的转换增益在12.8dB左右。第22页/共30页芯片设计——CMOS模拟集成电路设计与仿真实例：基于CadenceIC6177.2.4转换增益仿真转换增益仿真结果“pac”仿真界面第23页/共30页芯片设计——CMOS模拟集成电路设计与仿真实例：基于CadenceIC6177.2.4转换增益仿真“pss”仿真设定界面1dB压缩点仿真（1）在混频器电路图中，点击射频“Port”“Prf”，然后在属性界面，将源类型“SourceType”设置为“sine”。（2）选择[Analyses]→[Choose]命令，弹出界面，选择“pss”进行周期稳定性仿真，“pss”上半部分设置如右图所示。第24页/共30页芯片设计——CMOS模拟集成电路设计与仿真实例：基于CadenceIC6177.2.4转换增益仿真“pss”仿真设定界面1dB压缩点仿真（2）在“pss”设置界面中点击“Sweep”选项，点击“SelectDesignVariable”，从弹出的界面中点击“prf”，作为输入变量。“pss”设置的下半部分如右图所示。选择输入变量为“prf”第25页/共30页芯片设计——CMOS模拟集成电路设计与仿真实例：基于CadenceIC6177.2.4转换增益仿真1dB压缩点仿真结果1dB压缩点仿真（3）开始仿真。仿真结束后，在“GainCompression”中输入“1”，表示要仿真的是1dB压缩点。输出波形从-25dBm开始打印；中频输出“200M”。用箭头选择中频“Port”输出1dB压缩点波形如右图所示，1dB压缩点为-9.3dBm。第26页/共30页芯片设计——CMOS模拟集成电路设计与仿真实例：基于CadenceIC6177.2.4转换增益仿真射频“Port”设置界面三阶互调截点（1）在属性界面，将源类型“SourceType”设置为为“sine”，并点击“Displaysmallsignalparams”，在“PacMagnitude(dBm)”中输入“prf”作为射频输入功率变量。第27页/共30页芯片设计——CMOS模拟集成电路设计与仿真实例：基于CadenceIC6177.2.4转换增益仿真“pss”仿真设定界面三阶互调截点（2）选择[Analyses]→[Choose]命令，弹出界面，选择“pss”进行周期稳定性