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摘 要：首先介绍了混频器的各项主要性能指标，然后在这几个性能指标间进行折衷，并根据PCS1900发射器中的上混频器各项指标的具体要求，最后设计了一种高性能上混频器。
关键词：主要性能指标 ；高性能；上混频器
中图分类号：TN773 文献标志码：B文章编号：1671-7953(2009)01-0072-03
The PCS1900 Transmitter's Upper Mixer Design
CHEN Fei-biao
（Hengyang Finance Economics and Polytechnic Vocational Technical CollegeHengyang 421002，China）
Abstract:We first introduce the primary performance indicators of the mixers，and make a tradeoff among the performance indicators. According to the detail performance indicator requirements of the PCS1900 transmitter’s upper mixer，we design a upper mixer with high performance.
Key words: primary performance indicator；high performance；upper mixer
在通信电路中，混频器是收发器中极其重要的电路模块，其研究一直是射频集成电路设计领域的重点之一，混频就是变频，即频率的变换，实现频率搬移的功能。在射频发射器中，它将基带信号或中低频信号 wBB，上变频到射频 wrf，搬移的频率差为本征信号wLO，即wrf=wBB+wLO。混频器通常分为无源混频器和有源混频器，无源混频器通过混频二极管实现频率变换，由于没有放大作用，混频后的信号较原信号有一定的衰减。而有源混频器采用三极管实现混频电路，因为三极管有一定的放大作用，所以有源混频器有一定的增益，本设计采用有源混频器。
1 混频器的主要性能指标
混频器的性能指标主要包括包括功耗、线性度、转换增益、端口隔离度、噪声等。 增益有电压和功率两种表示方式，在上混频器中转换增益定义为正常工作时，混频器输出射频信号与输入基带信号的功率比或者电压比。线性度要求输出信号中不会出现失真、尽量少的谐波成分和其它杂散频率，混频器中这种失真主要是互调失真和端口间的馈通作用。噪声系数是用来衡量混频器电路中的噪声对信号质量的影响，具体表示为输出信号信噪比和输入信号信噪比的比值。混频信号的隔离度是指各频率端口间的相互隔离，包括本征信号与射频信号、本征信号与中频信号及射频信号与中频信号的隔离。隔离度定义为某个端口的信号泄漏到另一个端口的功率与其自身的功率之比。电路设计时通常要在这几个性能指标间进行折衷，以达到电路整体性能最优。
2 混频器电路设计
Gilbert混频器是射频前端电路中最常用的混频器类型之一，由于Gilbert混频器具有良好的性能，设计用于PCS1900发射器中的上混频器时，采用了基于Gilbert双平衡混频器的结构，并作了一定的改进。根据系统指标的划分，对上混频器输入信号幅度、功耗、大信号线性度(PIdB)和小信号线性度（IP3）、增益等作了具体的要求，如表1所示，其中包含了一定的裕度，因此本设计旨在改进电路结构，优化电路参数以达到系统指标的要求。同时，低功耗的射频前端对于移动通信系统非常具有吸引力，因此在满足线性度等指标的前提下，应尽可能降低混频器的功耗。
表1 上混频器指标划分
输入信号(dBm)4
转换增益(dB)0
OIP3(dBm)20
OPIdB (dBm)10
I/Q混频器总电流(mA)6
由表1可以看出，该发射器对上混频器的线性度要求很高，同时混频器的基带输入信号具有较大的范围（0-500mVpeak），传统Gilbert混频器难以胜任，需要在结构上加以改进。基于电流模式的混频器线性度主要由跨导对来决定，理论上有四种跨导线性化的方法：预失真、反馈、前馈和分段线性化，这些技术可以单独或者联合使用。本文基于分段线性化的思想进行设计，即假定一个电路系统地输出在一个足够小的工作范围内与输入信号成线性关系。这一假定对于实际的电路是成立的，从而可以把电路系统在整个输入范围呈现线性的任务拆分成在几个不同的部分上分段呈现线性的任务。这一思想的典型例子就是Gilbert提出的“multi-tanh”的电路［1］，该电路为双极型跨导对线性化的应用，如图1所示。
图1 双极型multi-tanh 单元
图2 CMOS multi-tanh 单元
虽然各组三极管的“跨导”在输入范围内具有较大的起伏，但multi-tanh单元在输入范围内的中跨导基本恒定，使输入线性的映射到输出。这一原理对应的MOS管的应用如图2所示［2-3］。虽然对于较大幅度的输入信号，各跨导对的跨导相对较差，但整体看来，跨导对的总跨导在相当大的范围内基本上保持恒定，因此此结构适用于具有较大输入信号的上混频器电路。
基于以上论述，本设计电路结构如图3所示，混频器负载级没有采用传统结构中电阻或者有源负载，而是使用了LC谐振回路，以减少直流电压的消耗，从而静态工作点有较好的电压裕度，同时LC谐振回路具有选频的功能，有利于抑制高次谐波，提高电路的线性度。由于发射器工作频率范围为1.85-1.91GHz，因此适当选择工厂提供的器件尺寸使该LC回路谐振在频段中央，即1.88GHz。由于电感的Q值有限（一般为5-6），因此可以估计回路的-3dB带宽约为：
Δf=fQ=1.88GHz5=376MHz
由于基带信号为200KHz，因此混频后的射频信号与LO信号频率接近，其IM3信号也落在这个频段内，LC谐振回路对于滤除IM3信号效果较差。此外为了使LC回路的谐振频率比较准确，实际应用中需配合可调电容阵列来校准频率。混频器的开关对MOS管设计在饱和区，其本振信号来自于分频器对VCO的正交二分频。由于LO信号的相位误差对于整个上混频器的边带抑制效果影响较大，因此对其上游分频器的对称性要求较高，同时LO信号传输路径及开关管要尽可能对称。开关管工作频率很高，采用SMIC0.35um工艺的射频管PDK进行设计，虽然在管子尺寸上受到一定的限制，但模型相对准确，有利于保证芯片设计成功。由于开关对对上混频器的线性度有一定的影响，并且当本振信号幅度在一定幅度内时，混频器的线性度最佳，本振信号过大会带来LO信号馈通到输出端的问题，因此应选择适当的LO的幅度。本设计中幅度三级可调，以得到最优的混频器性能。
混频器的跨导对设计是最重要的部分，直接影响其整体的线性度。本设计中采用了multi-tanh的线性化方法［3］。
图3 multi-tanh混频器
如图3所示，混频器的输入级采用5组并行的跨导对来得到较大输入范围的恒定跨导。跨导管采用共源极伪差分对管结构，其偏置电压采用电阻分压来提供，其中节点BBp、BBn处直流电平设定为1.6V，约为电源电压的一半，有利于上游电路的设计。为了设计上的方便及对版图方面的考虑，分压电阻取相同的值R，因此各跨导对的直流偏置依次相差ΔV=I．R，即为各跨导对的过驱动电压之差，设计中取ΔV=200mV.管子尺寸如表2所示，根据MOS管平方律关系：
Id=12μ0CaxWL（Vgs-Vt）2
可以计算得到双平衡混频器各路跨导对直流电流之和为2.9mA，上混频器总电流可以控制在6mA以内。该结构的等效跨导Gm=∑gmt其中gmt为第i个跨导对的跨导，由于增益正比于总跨导，因此multi-tanh结构有助于得到较高的增益。各跨导管取相同的尺寸，结合仿真优化其跨导曲线，最终确定混频器输入级的尺寸及电流。
双平衡混频器的输出信号包含两个边带，在频域上位于本频率的两侧，如图4所示，两个边带频率很接近，因此LC谐振回路对非信号边带无法抑制，通常采用I/Q混频器来移除非信号边带，电路结构如图5所示。分别将正交的基带信号和本振信号输入I/Q混频器，从原理上即可移除非信号边带，为了得到较好的抑制性能，要求混频器的对称性较高。
表4.2 混频器设计参数
模块参数
开关对12*10um/0.35um
跨导对2*6um/1um
偏置电路200uA
偏置电阻2um，11.5um(RPPOSAB)
3 总结
本文简单介绍了混频器的各项主要性能指标，并根据PCS1900发射器中的上混频器各项指标的具体要求，设计了一种高性能上混频器。
参考文献
［1］BARRIEA GILBERT.The multi-tanh Principle:A Tutorial Overview［J］.IEEE JSSC，1998，33（1）：2-17.
［2］LEE T. H. The Design of CMOS Radio-Frequency Integrated Circuit［M］. Cambridge university press，1998.
［3］BEHZAD，A.R.；ZHONG MING SHI；ANAND，S.B.et al. A 5-GHz Direct-Conversion CMOS Transceiver Utilizing Automatic Frequency Control for the IEEE802.11a Wireless LAN Standard［J］.IEEE JSSC，2003，38（12）：2209-2220.
［4］席占国，GSM高性能混频器的研究与设计［D］.复旦大学，2006.
关键词：主要性能指标 ；高性能；上混频器
中图分类号：TN773 文献标志码：B文章编号：1671-7953(2009)01-0072-03
The PCS1900 Transmitter's Upper Mixer Design
CHEN Fei-biao
（Hengyang Finance Economics and Polytechnic Vocational Technical CollegeHengyang 421002，China）
Abstract:We first introduce the primary performance indicators of the mixers，and make a tradeoff among the performance indicators. According to the detail performance indicator requirements of the PCS1900 transmitter’s upper mixer，we design a upper mixer with high performance.
Key words: primary performance indicator；high performance；upper mixer
在通信电路中，混频器是收发器中极其重要的电路模块，其研究一直是射频集成电路设计领域的重点之一，混频就是变频，即频率的变换，实现频率搬移的功能。在射频发射器中，它将基带信号或中低频信号 wBB，上变频到射频 wrf，搬移的频率差为本征信号wLO，即wrf=wBB+wLO。混频器通常分为无源混频器和有源混频器，无源混频器通过混频二极管实现频率变换，由于没有放大作用，混频后的信号较原信号有一定的衰减。而有源混频器采用三极管实现混频电路，因为三极管有一定的放大作用，所以有源混频器有一定的增益，本设计采用有源混频器。
1 混频器的主要性能指标
混频器的性能指标主要包括包括功耗、线性度、转换增益、端口隔离度、噪声等。 增益有电压和功率两种表示方式，在上混频器中转换增益定义为正常工作时，混频器输出射频信号与输入基带信号的功率比或者电压比。线性度要求输出信号中不会出现失真、尽量少的谐波成分和其它杂散频率，混频器中这种失真主要是互调失真和端口间的馈通作用。噪声系数是用来衡量混频器电路中的噪声对信号质量的影响，具体表示为输出信号信噪比和输入信号信噪比的比值。混频信号的隔离度是指各频率端口间的相互隔离，包括本征信号与射频信号、本征信号与中频信号及射频信号与中频信号的隔离。隔离度定义为某个端口的信号泄漏到另一个端口的功率与其自身的功率之比。电路设计时通常要在这几个性能指标间进行折衷，以达到电路整体性能最优。
2 混频器电路设计
Gilbert混频器是射频前端电路中最常用的混频器类型之一，由于Gilbert混频器具有良好的性能，设计用于PCS1900发射器中的上混频器时，采用了基于Gilbert双平衡混频器的结构，并作了一定的改进。根据系统指标的划分，对上混频器输入信号幅度、功耗、大信号线性度(PIdB)和小信号线性度（IP3）、增益等作了具体的要求，如表1所示，其中包含了一定的裕度，因此本设计旨在改进电路结构，优化电路参数以达到系统指标的要求。同时，低功耗的射频前端对于移动通信系统非常具有吸引力，因此在满足线性度等指标的前提下，应尽可能降低混频器的功耗。
表1 上混频器指标划分
输入信号(dBm)4
转换增益(dB)0
OIP3(dBm)20
OPIdB (dBm)10
I/Q混频器总电流(mA)6
由表1可以看出，该发射器对上混频器的线性度要求很高，同时混频器的基带输入信号具有较大的范围（0-500mVpeak），传统Gilbert混频器难以胜任，需要在结构上加以改进。基于电流模式的混频器线性度主要由跨导对来决定，理论上有四种跨导线性化的方法：预失真、反馈、前馈和分段线性化，这些技术可以单独或者联合使用。本文基于分段线性化的思想进行设计，即假定一个电路系统地输出在一个足够小的工作范围内与输入信号成线性关系。这一假定对于实际的电路是成立的，从而可以把电路系统在整个输入范围呈现线性的任务拆分成在几个不同的部分上分段呈现线性的任务。这一思想的典型例子就是Gilbert提出的“multi-tanh”的电路［1］，该电路为双极型跨导对线性化的应用，如图1所示。
图1 双极型multi-tanh 单元
图2 CMOS multi-tanh 单元
虽然各组三极管的“跨导”在输入范围内具有较大的起伏，但multi-tanh单元在输入范围内的中跨导基本恒定，使输入线性的映射到输出。这一原理对应的MOS管的应用如图2所示［2-3］。虽然对于较大幅度的输入信号，各跨导对的跨导相对较差，但整体看来，跨导对的总跨导在相当大的范围内基本上保持恒定，因此此结构适用于具有较大输入信号的上混频器电路。
基于以上论述，本设计电路结构如图3所示，混频器负载级没有采用传统结构中电阻或者有源负载，而是使用了LC谐振回路，以减少直流电压的消耗，从而静态工作点有较好的电压裕度，同时LC谐振回路具有选频的功能，有利于抑制高次谐波，提高电路的线性度。由于发射器工作频率范围为1.85-1.91GHz，因此适当选择工厂提供的器件尺寸使该LC回路谐振在频段中央，即1.88GHz。由于电感的Q值有限（一般为5-6），因此可以估计回路的-3dB带宽约为：
Δf=fQ=1.88GHz5=376MHz
由于基带信号为200KHz，因此混频后的射频信号与LO信号频率接近，其IM3信号也落在这个频段内，LC谐振回路对于滤除IM3信号效果较差。此外为了使LC回路的谐振频率比较准确，实际应用中需配合可调电容阵列来校准频率。混频器的开关对MOS管设计在饱和区，其本振信号来自于分频器对VCO的正交二分频。由于LO信号的相位误差对于整个上混频器的边带抑制效果影响较大，因此对其上游分频器的对称性要求较高，同时LO信号传输路径及开关管要尽可能对称。开关管工作频率很高，采用SMIC0.35um工艺的射频管PDK进行设计，虽然在管子尺寸上受到一定的限制，但模型相对准确，有利于保证芯片设计成功。由于开关对对上混频器的线性度有一定的影响，并且当本振信号幅度在一定幅度内时，混频器的线性度最佳，本振信号过大会带来LO信号馈通到输出端的问题，因此应选择适当的LO的幅度。本设计中幅度三级可调，以得到最优的混频器性能。
混频器的跨导对设计是最重要的部分，直接影响其整体的线性度。本设计中采用了multi-tanh的线性化方法［3］。
图3 multi-tanh混频器
如图3所示，混频器的输入级采用5组并行的跨导对来得到较大输入范围的恒定跨导。跨导管采用共源极伪差分对管结构，其偏置电压采用电阻分压来提供，其中节点BBp、BBn处直流电平设定为1.6V，约为电源电压的一半，有利于上游电路的设计。为了设计上的方便及对版图方面的考虑，分压电阻取相同的值R，因此各跨导对的直流偏置依次相差ΔV=I．R，即为各跨导对的过驱动电压之差，设计中取ΔV=200mV.管子尺寸如表2所示，根据MOS管平方律关系：
Id=12μ0CaxWL（Vgs-Vt）2
可以计算得到双平衡混频器各路跨导对直流电流之和为2.9mA，上混频器总电流可以控制在6mA以内。该结构的等效跨导Gm=∑gmt其中gmt为第i个跨导对的跨导，由于增益正比于总跨导，因此multi-tanh结构有助于得到较高的增益。各跨导管取相同的尺寸，结合仿真优化其跨导曲线，最终确定混频器输入级的尺寸及电流。
双平衡混频器的输出信号包含两个边带，在频域上位于本频率的两侧，如图4所示，两个边带频率很接近，因此LC谐振回路对非信号边带无法抑制，通常采用I/Q混频器来移除非信号边带，电路结构如图5所示。分别将正交的基带信号和本振信号输入I/Q混频器，从原理上即可移除非信号边带，为了得到较好的抑制性能，要求混频器的对称性较高。
表4.2 混频器设计参数
模块参数
开关对12*10um/0.35um
跨导对2*6um/1um
偏置电路200uA
偏置电阻2um，11.5um(RPPOSAB)
3 总结
本文简单介绍了混频器的各项主要性能指标，并根据PCS1900发射器中的上混频器各项指标的具体要求，设计了一种高性能上混频器。
参考文献
［1］BARRIEA GILBERT.The multi-tanh Principle:A Tutorial Overview［J］.IEEE JSSC，1998，33（1）：2-17.
［2］LEE T. H. The Design of CMOS Radio-Frequency Integrated Circuit［M］. Cambridge university press，1998.
［3］BEHZAD，A.R.；ZHONG MING SHI；ANAND，S.B.et al. A 5-GHz Direct-Conversion CMOS Transceiver Utilizing Automatic Frequency Control for the IEEE802.11a Wireless LAN Standard［J］.IEEE JSSC，2003，38（12）：2209-2220.
［4］席占国，GSM高性能混频器的研究与设计［D］.复旦大学，2006.