引言

近年來，無線通訊系統如無繩電話、手機、無線局域網等，已經成為生活中不可缺少的 一部分。在這些射頻收發機中，作為射頻核心之一的混頻器的性能直接影響整個收發機的性 能。隨著無線通訊設備不斷向高性能、低電壓、低功耗和小體積的方向發展，低電壓、低功 耗、高線性度混頻器已成為當前的研究熱點。 目前通信系統中的混頻器主要是基于CMOS 工藝的有源Gilbert 電流開關型混頻器，它 能提供增益以減小前級低噪聲放大器的增益要求和后級電路的噪聲影響。然而，這種通用的 Gilbert 混頻器由三級MOS 管堆疊而成，很難工作在低電壓條件下。同時，低電壓也限制了 混頻器線性度。因此，需要針對這種混頻器進行低電壓和高線性度方面的改進。目前低電壓 混頻器設計技術的核心思想是減少電源到地之間的堆疊管數。線性度方面，一種常用的 方法為源極電感負反饋[7]，但它影響混頻器增益。2002 年，Salem R F 等提出了一種不帶尾 電流的射頻輸入技術，該技術大大提高了混頻器的線性度，然而該結構不利于抑制共模信 號。使用AB 類跨導級，該方法大大改善了混頻器的線性度，但在改善線性度同時增 加了混頻器的功耗。]采用了一種并聯一個輔助MOS 管來改善線性度，該方法在 基本上不影響其他參數如噪聲、增益、功耗的情況下大大改善低噪聲放大器和混頻器的線性 度，然而采用單端輸入不利于抑制偶次諧波。

本文提出了一種新折疊式Gilbert 混頻器，采用差分式LC 折疊結構來降低直流工作電 壓和抑制偶次諧波及共模信號，通過使用并聯一工作在弱反應區的輔助MOS 管方法改善其 線性度。與折疊式Gilbert 混頻器相比較，仿真表明該混頻器在基本不影響混頻器其它參數 如增益、功耗、噪聲的條件下IIP3 提高了6dB。

2 折疊式低電壓Gilbert 混頻器結構

典型的電流開關型 CMOS Gilbert 混頻器結構如圖1（a）所示：

然而，這種通用的 Gilbert 混頻器由三級MOS 管堆疊而成，很難工作在低電壓條件下。 如果將圖1（a）中跨導級的尾電流（M7 管）用LC 諧振腔代替可以降低電源電壓，其中LC 諧振腔諧振于射頻輸入信號頻率，如圖1（b）所示。設圖1（b）中M5、M6 的過驅動電壓

3 線性度分析

忽略開關級的非理想特性影響，混頻器的線性度主要由跨導決定。對于簡單共源管，其 漏極電流可由泰勒公式表示為：

4 混頻器的電路設計和仿真結果

通過上面的低電壓和線性度分析，采用TSMC0.18μ mRFCMOS 工藝，本文設計了一低 電壓高線性度混頻器。通過采用折疊式Gilbert 結構來減少工作電壓，通過采用并聯一工作 在弱反應區的MOS 管來改善線性度。圖3 為其電路圖，其中N1、N4 為主跨導管，N2、N3 為工作在弱反應區的輔跨導管，通過優化輔助管的柵寬和偏置電壓來消除3 g 提高混頻器的 IIP3，Vshift 為0.18V，P1—P4 為開關管，L1、L2 用來做輸入匹配，R1、R2 為負載同時為 N5、N6 提供共模負反饋。采用ADS 對電路進行仿真，設定RF 輸入頻率為2.4GHz，LO 輸 入頻率為2.39G。仿真表明，改進后混頻器在1V 工作電壓下，功耗為4.1mW，噪聲為10.3dB， IIP3 達到10dBm，與改進前4dBm 的IIP3，3.8 mW 功耗，以及9.2dB 噪聲相比較，在基本 不影響功耗和噪聲下IIP3 提高了6dB。圖4 為IIP3 隨vgs 變化曲線，圖5 為混頻器的IIP3。

5 結論

本文提出了一個用 TSMC0.18μ mRFCMOS 工藝的折疊式混頻器。利用LC 諧振腔來代 替Gilbert 混頻器的尾電流，同時采用LC 折疊式結構降低了直流工作電壓。通過并聯一工 作在弱反應區的輔助MOS 管方法改善混頻器線性度。弱反應區的輔助MOS 管的使用，在 基本不影響其它參數如增益、功耗、噪聲的條件下，將混頻器IIP3 從改進前的4dBm 提高 到了10dBm，提高了6 dBm。