基于CMOS模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)平衡混頻器

 1 引言

近年來，無線通信技術(shù)得到了迅猛地發(fā)展。它對(duì)收發(fā)信機(jī)前端電路提出的新要求是：高線性，低電壓，低功耗，高度集成?；祛l器作為無線通信系統(tǒng)射頻前端的核心部分之一，其性能的好壞將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。從頻域角度看，混頻器是頻譜的線性搬移。實(shí)現(xiàn)頻譜搬移的基本方法是將兩個(gè)信號(hào)相乘。混頻器利用器件的非線性特性來實(shí)現(xiàn)信號(hào)載波頻率的變化， 產(chǎn)生輸入頻率的和頻和差頻分量。文章基于Gilbert 乘法器平衡混頻器的工作原理，提出了一個(gè)新型混頻器的結(jié)構(gòu)，采用COMS 開關(guān)實(shí)現(xiàn)了一種平衡混頻器，根據(jù)實(shí)測(cè)其性能完全滿足工程需要且有低成本、高線性度、大動(dòng)態(tài)等優(yōu)點(diǎn)。

2 單平衡混頻器的工作原理

常用有源單平衡混頻器為Gilbert 單平衡混頻器， 其實(shí)質(zhì)為一可變互導(dǎo)乘法器，見圖1 所示。它由三部分組成，一是由本振信號(hào)VLO(t)激勵(lì)的差分對(duì)管Q2、Q3; 二是輸出電流受射頻信號(hào)VRF(t)控制的晶體管Q1;三是中頻負(fù)載RL。如圖1 所示。Q1 是射頻小信號(hào)線性放大器(也稱輸入跨導(dǎo)級(jí));差分對(duì)Q2、Q3 在本振大信號(hào)作用下可看作輪流導(dǎo)通的雙向開關(guān)

;當(dāng)雙端輸出時(shí)，輸出電流i 是兩電流i2和i3 的差。

圖1 單平衡混頻器原理圖

為保證Q1 工作于放大區(qū)，必須加上偏置電路給它設(shè)置合適的工作點(diǎn)。設(shè)其直流工作點(diǎn)電流是ICQ1在信號(hào)VRF(t)作用下，Q1 的集電極電流為(設(shè)Re短路)

由以上分析， 有源單平衡混頻器是通過本振開關(guān)電路(Q2、Q3) 對(duì)跨導(dǎo)級(jí)電路(Q1) 形成的射頻電流信號(hào)進(jìn)行開關(guān)調(diào)制, 實(shí)現(xiàn)混頻功能。負(fù)載級(jí)電路把混頻產(chǎn)生的中頻電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。

3 CMOS 模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)平衡混頻器

吉爾伯特單平衡混頻器的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示，組成單元為放大器、開關(guān)和負(fù)載?；祛l器的最終輸出等于輸入信號(hào)與一個(gè)開關(guān)函數(shù)相乘，此開關(guān)函數(shù)與本振信號(hào)頻率相同。

圖2 單平衡混頻器等效電路

綜上所述，得到一混頻器設(shè)計(jì)思路一一尋找一個(gè)放大器，然后在輸出之前，尋找一合適位置，設(shè)一開關(guān)級(jí)，使用平衡結(jié)構(gòu)，再通過選擇合適的負(fù)載輸出信號(hào)。

3.1 CMOS 模擬開關(guān)的特性

CMOS 模擬開關(guān)雖然具有開關(guān)性但是和機(jī)械開關(guān)有所不同，本身具有半導(dǎo)體特性。模擬開關(guān)的簡單示意圖如圖3 所示， 由圖中可以看出模擬開關(guān)實(shí)際是由兩個(gè)對(duì)偶的N 溝道MOSFET 與P 溝道MOSFET 構(gòu)成。如果將不同VIN 值所對(duì)應(yīng)的P 溝道與N 溝道的導(dǎo)通電阻并聯(lián)， 可得到結(jié)構(gòu)下的RON 隨輸入電壓VIN 的變化關(guān)系。導(dǎo)通電阻RON 隨輸入信號(hào)VIN 變化，如果不考慮溫度、電源的影響RON 隨輸入信號(hào)Vin 呈線性關(guān)系。

圖3 典型CMOS 模擬開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

低導(dǎo)通電阻RON 帶來一負(fù)面效應(yīng)，每次開關(guān)導(dǎo)通或斷開瞬間都有一定數(shù)量的電荷被注入或吸出模擬通道。開關(guān)本身根據(jù)負(fù)載大小提供十幾毫安的電流,假設(shè)開關(guān)能夠?yàn)楣潭ㄘ?fù)載提供的電流為Iout,導(dǎo)通電阻隨輸入信號(hào)VIN 變化導(dǎo)致的電流變化為gmlVRF，則開關(guān)輸出的呈現(xiàn)變化的電流為：

此函數(shù)與Gilbert 單平衡混頻器的中頻輸出電流函數(shù)等效?？衫弥蓄l諧振網(wǎng)絡(luò)將中頻信號(hào)濾除，選出需要的頻率。

3.2 開關(guān)混頻器的設(shè)計(jì)

實(shí)際設(shè)計(jì)的開關(guān)混頻器電路如圖4 所示。CMOS 模擬開關(guān)采用FAILCHILD 公司的FSA3157,其為單刀雙擲，導(dǎo)通電阻小于10 歐姆，3 dB 帶寬可達(dá)250 MHz。射頻輸入端采用變壓器， 將射頻信號(hào)由非平衡轉(zhuǎn)換為平衡輸出分別連接至單刀雙擲開關(guān)的兩路輸出端;本振信號(hào)(+5 V，TTL)連接至開關(guān)的控制端，直接驅(qū)動(dòng)開關(guān);中頻輸出端采用低通濾波器濾出中頻頻率;開關(guān)公共端接地。

圖4 開關(guān)混頻器的實(shí)際電路

3.3 混頻器性能測(cè)試

混頻器的性能指標(biāo)主要包括變頻增益、線性度、隔離度等。變頻增益反映了從射頻輸入信號(hào)到輸出信號(hào)衰減或放大的程度，負(fù)的變頻增益常被稱為變頻損耗。實(shí)測(cè)的開關(guān)混頻器的變頻損耗如圖5 所示，在本振頻率為50 MHz,射頻輸入頻率為55 MHz～110 MHz 時(shí)的變頻損耗， 在測(cè)試頻段內(nèi)損耗小于7 dB，波動(dòng)小于1 dB。

圖5 混頻器變頻損耗曲線

LdB 壓縮點(diǎn)是表征線性度的一個(gè)指標(biāo)。混頻器的輸出信號(hào)隨輸入信號(hào)功率的變化曲線圖如圖6 所示?？梢钥吹疆?dāng)輸入信號(hào)比較小時(shí)， 轉(zhuǎn)換增益是一個(gè)常數(shù)， 增強(qiáng)到某一個(gè)值開始，它就偏離了直線。實(shí)測(cè)混頻器的l dB 壓縮點(diǎn)大于13.5 dB?；祛l器隔離度是指各頻率端口間的相互隔離， 實(shí)測(cè)本振與中頻端口的隔離度在10 dB 左右。

圖6 增益壓縮特性曲線圖

3.4 混頻器特性分析

實(shí)測(cè)表明利用CMOS 開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)混頻器， 但CMOS 開關(guān)的參數(shù)影響比較大，應(yīng)用中要注意以下幾點(diǎn)：

① 模擬開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，決定了開關(guān)混頻器的工作頻帶，限制了混頻器的使用;

② 開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)實(shí)際為本振信號(hào)。由于CMOS 模擬開關(guān)的邏輯控制端驅(qū)動(dòng)電流極小，一般低于納安級(jí)，因此它完全可以由數(shù)字I/O 直接驅(qū)動(dòng)，因此可直接采用DDS 或時(shí)鐘芯片直接控制，從而達(dá)到降低功耗、簡化電路的目的;

③ 模擬開關(guān)大多可以使信號(hào)雙向傳輸， 因此開關(guān)混頻器即可以作為上變頻器，也可以作為下變頻器;

④ 開關(guān)混頻器的線性度取決于模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻RON，盡量選擇導(dǎo)通電阻較小的開關(guān);

⑤ 由于開關(guān)的輸入輸出阻抗不是50 歐姆，因此使用過程中要對(duì)輸入輸出口進(jìn)行阻抗匹.配;

⑥ 測(cè)試表明單平衡的本振隔離度交差， 這由電路本身的結(jié)構(gòu)決定，可采用雙平衡方式，提高本振的隔離度;

⑦ 混頻器的奇數(shù)諧波比較豐富， 使用時(shí)需采用濾波網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行濾波。這一特點(diǎn)在實(shí)際使用混頻器時(shí)必須考慮。

4 結(jié)束語

提出了一種基于CMOS 開關(guān)實(shí)現(xiàn)的單平衡混頻器電路，具有成本低、易實(shí)現(xiàn)、高線性度等優(yōu)點(diǎn)。本振采用方波驅(qū)動(dòng)，易于和數(shù)字電路集成， 在實(shí)際應(yīng)用中， 增大了接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍，提高了超外差接收機(jī)的性能。