高线性度的CMOS上变频混频器设计

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随着我国有线电视开始向数字化过渡,数字电视将拥有一个十分广阔的市场前景。数字电视的调谐器是数字电视接收机的前置级部件,在数字电视技术中占有十分重要的地位。自从超外差接收机的结构被提出以后,混频器作为其中实现频率搬移的关键部件一直都是通信和射频电路研究的热点。本文通过比较一次变频接收机和二次变频接收机这两种不同的调谐器架构,引出了在数字电视调谐器中使用上变频混频器的基本背景和必要性。本文首先介绍了混频器的基本工作原理、分类和几种典型的拓扑结构。然后通过介绍一般的非线性系统,解释了混频器的-1dB增益压缩点和三阶互调点等重要的衡量线性度高低的指标以及增益和噪声系数等指标。基于调谐器系统的整体要求,本文提出了上变频混频器的基本拓扑结构,即由混频器核心、本振缓冲器和中频缓冲器组成。在介绍了目前主要的几种提高混频器线性度的技术后,本文选择了带有源极负反馈的吉尔伯特单元作为混频器的核心电路,并介绍了用源极负反馈提高吉尔伯特混频器线性度的原理和设计方法,还特别关注了线性度和增益、噪声等指标之间的折衷关系。然后介绍了LO缓冲器带宽的设计以及尾电流可调的中频缓冲器等。并在仿真结果的分析中,对带有源极负反馈的Gilbert单元的线性度和增益进行了数学推导和分析,还分析了混频器电路中几个主要的噪声源,同时也提出了改进方法。本文介绍了模拟电路版图设计的要点,并分别给出了上变频混频器中各模块的版图以及整体版图。基于Chartered 0.25μm RFCMOS工艺对上变频混频器的各项主要性能指标,在不同的频率,不同的温度和不同的工艺角条件下进行了模拟,得到了比较全面的仿真数据。最终设计指标如下:增益为4dB,在50~860MHz频率范围内增益波动小于1dB,IIP3为+12dBm,单边带噪声系数为16.5dB,混频器包含两个缓冲器的总功耗约为155mW。我们还对上变频混频器进行了流片试产,并选择了合适的封装形式。同时我们设计了上变频混频器的测试系统,并基于目前的测试条件对其进行了初步的测试。测试结果表明该混频器的实际功能良好。
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