專利名稱：超高頻rfid讀寫(xiě)器中的高線性度低噪聲下混頻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本技術(shù)涉及一種超高頻RFID讀寫(xiě)器中的基于Gilbert結(jié)構(gòu)的混頻器，特別是一種 具有高線性度和低噪聲的混頻器，屬于模擬集成電路領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
RFID是Radio Frequency Identification的縮寫(xiě)，即射頻識(shí)別技術(shù)，是自動(dòng)識(shí)別 技術(shù)的一種，通過(guò)無(wú)線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，對(duì)目標(biāo)加以識(shí)別并獲取相關(guān)數(shù) 據(jù)。 按照工作頻率可以將RFID系統(tǒng)分為1)低頻系統(tǒng)工作頻率一般為30 。 300KHz， 典型的工作頻率為125KHz、133KHz ;2)中高頻系統(tǒng)工作頻率一般為3 。 30MHz，典型的工 作頻率為13. 56MHz ;3)超高頻和微波系統(tǒng)工作頻率一般為300MHz 。 3GHz或大于3GHz， 其典型的工作頻率為433. 92MHz、840 。 960MHz、2. 45GHz和5. 8GHz 。 隨著對(duì)閱讀距離、防碰撞性能以及抗鄰道干擾等要求的提高，超高頻射頻識(shí)別技 術(shù)的發(fā)展顯得尤為必要，而超高頻射頻識(shí)別讀寫(xiě)器作為超高頻射頻識(shí)別系統(tǒng)的一個(gè)重要部 分，必然在未來(lái)的超高頻射頻識(shí)別領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。 超高頻射頻識(shí)別讀寫(xiě)器分為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)兩大部分，圖1為超高頻RFID讀寫(xiě)器 接收機(jī)中的前端電路，可以看出，下混頻器是超高頻RFID讀寫(xiě)器中接收機(jī)射頻前端電路的 重要組成部分，它將接收到的射頻信號(hào)(Radio frequency)轉(zhuǎn)換成一個(gè)較低頻率的信號(hào)，稱 為中步員信號(hào)(Intermediate frequency)。
近年來(lái)，無(wú)線通信技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，在社會(huì)生活中扮演越來(lái)越重要的角色。無(wú) 線通信技術(shù)的發(fā)展對(duì)收發(fā)機(jī)前端電路不斷提出更高要求高的工作頻率、低電壓、低功耗、 高度集成。在超高頻RFID讀寫(xiě)器中，發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間存在嚴(yán)重的自干擾，且各讀寫(xiě)器 之間也存在鄰道干擾，因此設(shè)計(jì)高線性度、高靈敏度的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)可以有效的擬制自 干擾和鄰道干擾，而接收機(jī)的線性度和靈敏度主要由下混頻器決定，因此高線性度、低噪 聲、高增益、低電壓和低功耗等成為混頻器的重要指標(biāo)，但這些指標(biāo)之間是相互制約的，如 線性度和增益就是兩個(gè)矛盾的指標(biāo)，線性度提高是以增益的下降為代價(jià)的，而低電壓的工 作條件將很可能引起噪聲的升高。 因此設(shè)計(jì)出一種具有高線性度、低噪聲的下混頻器，與此同時(shí)也要獲得相對(duì)較高 的增益，并且低電壓低功耗一直都是在電路設(shè)計(jì)中所要追求的指標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明所要解決的問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)一種高線性度低噪聲的下混頻器，該混 頻器在原有的Gilbert結(jié)構(gòu)的混頻器的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，在保持Gilbert混頻器的優(yōu)點(diǎn)的 同時(shí)實(shí)現(xiàn)高線性度低噪聲的特性。且該混頻器的工作電壓為1. 2V，功耗低，符合低電壓低功 耗的標(biāo)準(zhǔn)，在簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低功耗、噪聲抑制等方面都有很好的指導(dǎo)意義。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種新型的下混頻器在輸入端采用二階交調(diào) 電流注入結(jié)構(gòu)，以提高混頻器的線性度；在輸出端采用動(dòng)態(tài)電流注入法，以降低混頻器的噪
聲°


圖1是超高頻RFID讀寫(xiě)器接收機(jī)中的前端電路。
圖2是二階交調(diào)注入結(jié)構(gòu)圖。
圖3是動(dòng)態(tài)電流注入結(jié)構(gòu)圖。 圖4是提出的混頻器結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
圖2為二階交調(diào)電流注入結(jié)構(gòu)，管子在靜態(tài)工作點(diǎn)的小信號(hào)輸出電流可以用泰勒級(jí)數(shù)
表示為 id = gl (Vg-vs) +g2 (Vg-vs) 2+g3 (Vg-vs) 3+...... (1) 其中&代表管子的i階跨導(dǎo)系數(shù)，Vg和、分別代表管子?xùn)艠O和源極電壓。通過(guò)分 析可以知道兩個(gè)不同角頻率但是幅度相同的信號(hào)"2輸入時(shí)，我們?cè)僮⑷胍粋€(gè)低頻、大 小為2x*C0S ( " 「 " 2) t的二階交調(diào)電流，則有
ip+in = 2x*cos (co 「 co 2) t (2) 聯(lián)立(1)式和(2)式可得在共源節(jié)點(diǎn)處頻率為("「"2)時(shí)的小信號(hào)源級(jí)電壓、 為 為
化
必！ —02
-cos(^,i2)f
Vs在其它三個(gè)二階頻率處(g^+"2，2g^，2"2)的幅度為(1，1/2,1/2)
聯(lián)立(3)式和(1)式，輸出端頻率為(2"「"2)或(2"2
(3)
-4
2g, 4
》時(shí)的三階交調(diào)電流 (4)
因此，為消除三階交調(diào)電流，只要令(4)式為零，得到 3U
x=(-
4g2 2
因此，注入電流為
'.冊(cè)=2
3脇+ 3 A
—4g2 2gJ，
由上面的推導(dǎo)可以看出，采用二階交調(diào)電流注入結(jié)構(gòu)，可以有效消除三階交調(diào)電 流(IM3)，從而提高混頻器的線性度。 圖3為動(dòng)態(tài)電流注入結(jié)構(gòu)，它是基于吉爾伯特結(jié)構(gòu)的混頻器，這是由于該結(jié)構(gòu)具 有較高的變頻增益，并提供了高度的L0-IF和RF-IF的端口隔離度的優(yōu)點(diǎn)。在設(shè)計(jì)混頻器
4時(shí)線性度和噪聲是兩個(gè)很重要的參數(shù)，線性度主要受輸入級(jí)跨導(dǎo)影響，噪聲主要受開(kāi)關(guān)管 的影響。 這種結(jié)構(gòu)主要由跨導(dǎo)晶體管(M4、 M5)和開(kāi)關(guān)管(M6、 M7、 M8、 M9)組成。其中M4、 M5管必須處于非飽和工作狀態(tài)(工作于線性區(qū))，以此提高整個(gè)混頻器的線性度。此混頻 器結(jié)構(gòu)中同樣引入了 LNA中的提高線性度的技術(shù)，這里不再贅述。 跨導(dǎo)晶體管放大從其柵極輸入的射頻信號(hào)，本振信號(hào)從開(kāi)關(guān)管的柵極引入，控制 開(kāi)關(guān)管使得差分對(duì)管就像電流導(dǎo)弓I開(kāi)關(guān)一樣。兩個(gè)單平衡混頻器對(duì)于本振信號(hào)端以反平行 的方式連接在一起，而在射頻信號(hào)端是以平行方式連接，因此在輸出端本振項(xiàng)的和為零，而 變頻后的射頻信號(hào)在輸出端加倍.因此這種結(jié)構(gòu)能夠有效地抑制本振分量對(duì)輸出的影響。
在超高頻RFID讀寫(xiě)器的零中頻接收機(jī)中，混頻器噪聲的主要來(lái)源是1/f閃爍噪 聲，它是源于非理想的開(kāi)關(guān)特性，當(dāng)開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)21的噪聲脈沖，噪聲的 優(yōu)化可以通過(guò)減小這個(gè)脈沖幅度來(lái)達(dá)到目的。簡(jiǎn)單的方法可以通過(guò)減小流過(guò)開(kāi)關(guān)管的直流 電流來(lái)減小21的幅度，但是這也減小了跨導(dǎo)管的電流，影響了線性度和增益。而采用固定 電流注入的方法不僅會(huì)增加跨導(dǎo)級(jí)看到的開(kāi)關(guān)對(duì)源阻抗，增加共源節(jié)點(diǎn)寄生電容的影響， 使射頻信號(hào)衰減，而且會(huì)增加額外的白噪聲。 動(dòng)態(tài)電流注入法是在共源節(jié)點(diǎn)處注入一個(gè)電流，但該電流是動(dòng)態(tài)的，僅當(dāng)開(kāi)關(guān)對(duì) 中的晶體管接近同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，該電流才開(kāi)始注入共源節(jié)點(diǎn)，這樣就避免了在共源節(jié)點(diǎn)注入 固定偏置電流所遇到的問(wèn)題。 如圖3所示，動(dòng)態(tài)電流注入電路是由MP1和MP2完成的，兩個(gè)PM0S管的柵極與開(kāi)關(guān) 管的源極相連，MP3在這里起到電流源的作用。當(dāng)開(kāi)關(guān)對(duì)中的晶體管接近同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，A(B) 點(diǎn)的電壓達(dá)到最低值，于是MP1和MP2管導(dǎo)通，向A(B)點(diǎn)注入電流Id。當(dāng)開(kāi)關(guān)對(duì)中的晶體 管沒(méi)有同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，A(B)點(diǎn)的電壓升高，PMOS管截止，不注入電流。這種技術(shù)可以極大降低 混頻器的閃爍噪聲，對(duì)白噪聲性能卻近似沒(méi)有影響。 控制Ml、 M2管使其處于非飽和工作狀態(tài)(工作于線性區(qū))，在輸入端注入低頻二 階交調(diào)電流提高三階交調(diào)點(diǎn)，以及在輸出端采用動(dòng)態(tài)電流注入技術(shù)這三種方法，使得提出 的混頻器完全能夠滿足高線性度、有一定增益、低噪聲的要求，通過(guò)此混頻器以后，自干擾 信號(hào)幾乎完全變成了直流，通過(guò)后級(jí)耦合、濾波以后，基本可以完全消除。
權(quán)利要求
一種混頻器，包括第一級(jí)NMOS管M3與第二級(jí)NMOS管M4、M5的源級(jí)相連，為其提供偏置電流，第二級(jí)NMOS管M4、M5為跨導(dǎo)級(jí)，第三級(jí)NMOS管M6、M7，M8、M9為開(kāi)關(guān)級(jí)，R1和R2為輸出端負(fù)載。
2. 如要求權(quán)利1所描述的混頻器，還包括由NM0S管M1、M2組成了二階交調(diào)電流注入 結(jié)構(gòu)，通過(guò)電容Q與NMOS管的柵極相連。
3. 如權(quán)利要求1所描述的混頻器，還包括在輸出端采用由PM0S管MP1、MP2和MP3組 成的動(dòng)態(tài)電流注入結(jié)構(gòu)。
4. 由權(quán)利要求1所描述的混頻器，其特征是第一級(jí)NM0S管M3的柵極于電容Q的一 端相連，M3的源級(jí)接地，M3的漏極與M4、 M5的源級(jí)相連；第二級(jí)NM0S管M4、 M5組成跨導(dǎo) 級(jí)，其中M4的源級(jí)與M5的源級(jí)相連，并與M3的漏極相連，M4、M5的柵極分別接射頻輸入的 正向信號(hào)和反向信號(hào)；第三級(jí)NM0S管M6、M7、M8、M9為開(kāi)關(guān)級(jí)，其中M6的源級(jí)與M7的源級(jí) 相連，并與M4的漏極連在一起，M8的源級(jí)與M9的源級(jí)連接在一起，并與M5的漏極相連，M6 與M9的漏極分別與輸出端負(fù)載電阻R" R2的一端相連，M7與M8的漏極分別與M9和M6的 漏極相連；M6與M9的柵極接本振輸入的正向信號(hào)，M7的柵極與M8的柵極相連，且接本振輸 入的反向信號(hào)。
5. 由權(quán)利要求2所描述的混頻器，其特征是二階交調(diào)電流注入結(jié)構(gòu)由NM0S管M1、M2 組成，Ml、 M2的柵極分別為輸入信號(hào)的差分輸入；M1、 M2的漏極連接于直流電壓源；M1、 M2 的源級(jí)相連，并與M3管的柵級(jí)通過(guò)隔直電容相連。
6. 由權(quán)利要求2所描述的混頻器，其特征是NM0S管Ml和M2的漏極相連且連接于直 流電壓源VCC，M1和M2的源級(jí)相連，且與電阻&的一端相連，電阻&的另一端接地，電容Q 的一端與Ml、 M2的源級(jí)相連，另一端與M3的柵極相連。
7. 由權(quán)利要求3所描述的混頻器，其特征是PM0S管MP1、 MP2和MP3組成了動(dòng)態(tài)電流 注入結(jié)構(gòu)，其中，MP1的漏極與MP2的源級(jí)相連，并與MP3的漏極相連，MP1的柵極與MP2的 漏極相連組成交叉結(jié)構(gòu)，并與NM0S管M5的漏極相連，MP2的柵極與MP1的漏極相連也組成 交叉結(jié)構(gòu)，并與NM0S管M4的漏極相連；MP3的柵極接直流電壓源Vb， MP3的源級(jí)接直流電 壓源VCC。
8. 由權(quán)利要求1所描述的混頻器，其特征是NM0S管M6和M9的漏極分別與負(fù)載電阻 &、&的一端相連，&、&的的另一端與PM0S管MP3的源級(jí)相連，并與直流電壓源VCC相連。
9. 由權(quán)利要求1所描述的混頻器，其特征是NM0S管M8的漏極與M6的漏極相連，并引 出輸出信號(hào)作為混頻器的中頻輸出的正向信號(hào)，NM0S管M7的漏極與M9的漏極相連，并引 出輸出信號(hào)作為中頻輸出的反向信號(hào)。
10. 由權(quán)利要求1所描述的混頻器，其特征是NM0S管M3的柵極與電阻R4的一端相連 接，其另一端與直流電壓源Vb相連，以提供M3的柵極偏置電壓。
11. 由權(quán)利要求1所描述的混頻器，其特征是NM0S管M4的漏極與M6、M7的源級(jí)、PM0S 管MP1的漏極以及MP2的柵極相連于A點(diǎn)，NM0S管M5的漏極與M8，M9的源級(jí)、PM0S管MP2 的漏極以及MP1的柵極相連于B點(diǎn)。
12. 如權(quán)利要求2所描述的混頻器，其特征是NM0S管Ml和M2的源級(jí)相連，并與電阻 R3的一端相連，R3的另一端接地。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種面向超高頻RFID讀寫(xiě)器的下混頻器，該混頻器涉及一種基于Gilbert結(jié)構(gòu)的具有高線性度混頻器。通過(guò)在輸入端采用二階交調(diào)電流注入結(jié)構(gòu)，以提高線性度；在輸出端采用動(dòng)態(tài)電流注入結(jié)構(gòu)，從而降低噪聲。二階交調(diào)電流注入結(jié)構(gòu)是通過(guò)對(duì)MOS管的非線性特性進(jìn)行分析，然后得出使三階交調(diào)電流值為0時(shí)的注入電流值；在輸出端，采用動(dòng)態(tài)電流注入結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)各MOS管導(dǎo)通特性的分析，實(shí)現(xiàn)電流的動(dòng)態(tài)注入特性，從而大大降低混頻器的閃爍噪聲。本發(fā)明提出的混頻器的工作電壓為1.2V，功耗低，符合低電壓低功耗的要求，簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)、降低功耗以及擴(kuò)展中心工作頻率點(diǎn)等方面有很大的指導(dǎo)意義。
文檔編號(hào)H03D7/14GK101783651SQ200910227019
公開(kāi)日2010年7月21日 申請(qǐng)日期2009年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月25日
發(fā)明者何海珍, 張秋晶, 易波, 汪飛, 王春華, 袁超, 許靜, 郭小蓉, 郭勝?gòu)?qiáng) 申請(qǐng)人:湖南大學(xué)