本發(fā)明涉及混頻器技術領域，具體涉及一種負載自偏置電流倍增型無源混頻器。

背景技術：

在射頻接收系統(tǒng)中，混頻器作為射頻前端關鍵模塊，其功耗水平在接收鏈路中占據了可觀的份額。針對混頻器的低功耗設計方法和電路結構一直是業(yè)界的研究熱點，而降低電源電壓和減少偏置電流是降低功耗的主要途徑。而當半導體工藝尺寸到達40nm以下時，短溝道晶體管的有限輸出阻抗給偏置電流的精確設置帶來了挑戰(zhàn)。對于如GPS等衛(wèi)星信號接收機，射頻前端需實現(xiàn)較高的轉換增益以實現(xiàn)對噪聲的抑制。

技術實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了顯著降低混頻器的功耗水平，本發(fā)明提出一種負載自偏置電流倍增型無源混頻器，相比傳統(tǒng)無源混頻器，本發(fā)明同時降低電源電壓和偏置電流，實現(xiàn)了更高的功效，即本發(fā)明增加一組差分對并復制共柵管的電流注入到負載，將下變頻后的電流進行了倍增，提高了轉換增益；并使用了負載自偏置技術，提高了負載阻值以進一步提升轉換增益并抑制共模增益，使輸出共模電平等于負載管柵極電壓下移一個固定偏壓，以適應低電源應用場合；此外為克服40nm晶體管溝道阻抗低對電流復制比例的影響，本發(fā)明對跨導級采用了自偏置技術，從PMOS跨導管陣列中分出一部分同時為開關管和負載級電路提供偏置電流。

技術方案：為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為：

一種負載自偏置電流倍增型無源混頻器，包括自偏置輸入跨導級、無源本振開關和低電壓跨阻放大器，其中：

所述自偏置輸入跨導級包括鏡像PMOS跨導管和自偏置電路，自偏置電路設有自偏置PMOS跨導管，無源本振開關輸入本振信號，自偏置輸入跨導級的鏡像PMOS跨導管與自偏置PMOS跨導管采用電容耦合的方式，通過無源本振開關共同為低電壓跨阻放大器提供偏置電流，且通過形成的PMOS跨導管陣列分出部分電流同時為無源本振開關中的開關管和負載級電路提供偏置電流；

所述低電壓跨阻放大器為跨導增強結構，低電壓跨阻放大器包括NMOS管共源放大器、PMOS管共柵管、差分對和負載自偏置電路，所述差分對包括PMOS管組成的跨導管，通過NMOS管共源放大器為PMOS管共柵管提升跨導，差分對的跨導管與PMOS管共柵管尺寸相同，并偏置在相同的直流電流下，差分對的柵極與PMOS共柵管的柵極相連，在跨導增強結構電路的作用下，PMOS管共柵管的源極相當于虛地，差分對中的跨導管復制PMOS管共柵管的電流并注入到負載，將下變頻后的電流進行了倍增；所述負載自偏置電路包括PMOS管，負載自偏置電路通過注入直流電流的方式，使低電壓跨阻放大器的輸出共模電平等于負載管柵極電壓下移一個固定偏壓。

作為優(yōu)選，所述負載自偏置電流倍增型無源混頻器包括構成無源本振開關的第二NMOS管NM2和第三NMOS管NM3；構成低電壓跨阻放大器的第四NMOS管NM4、第五NMOS管NM5、第二PMOS管PM2、第三PMOS管PM3、第四PMOS管PM4、第五PMOS管PM5、第六PMOS管PM6、第七PMOS管PM7、第八PMOS管PM8、第三電阻R3、第四電阻R4、第二電容C2、第五電容C5、第六電容C6、第七NMOS管NM7、第八NMOS管NM8和第十PMOS管PM10，其中：

所述第二NMOS管NM2的漏極和第三NMOS管NM3的漏極相接，其連接點連接自偏置輸入跨導級的輸出信號；第二NMOS管NM2的柵極接本振信號的正極，第二NMOS管NM2的源極接第二PMOS管PM2的源極；第三NMOS管NM3的柵極接本振信號的負極，第三NMOS管NM3的源極接第三PMOS管PM3的源極；第二電容C2的上極板接第三NMOS管NM3的源極，第二電容C2的下極板接第二NMOS管NM2的源極；第二PMOS管PM2的柵極接第四NMOS管NM4的漏極，第二PMOS管PM2的漏極為負載自偏置電流倍增型無源混頻器的輸出信號正極輸出端；第五電容C5的正極接第二PMOS管PM2的漏極，第五電容C5的負極接地；第四NMOS管NM4的柵極接第二NMOS管NM2的源極，第四NMOS管NM4的源極接地；第四PMOS管PM4的源極、第五PMOS管PM5的源極、第六PMOS管PM6的源極和第十PMOS管PM10的源極均連接電源電壓，第四PMOS管PM4的柵極、第五PMOS管PM5的柵極、第六PMOS管PM6的柵極和第十PMOS管PM10的柵極均連接第三偏置電壓；第四PMOS管PM4的漏極接第四NMOS管NM4的漏極；第三PMOS管PM3的柵極、第五NMOS管NM5的漏極和第五PMOS管PM5的漏極相接，第三PMOS管PM3的漏極為負載自偏置電流倍增型無源混頻器的輸出信號負極輸出端；第五NMOS管NM5的源極接地，第五NMOS管NM5的柵極接第三PMOS管PM3的源極；第六電容C6的正極接第三PMOS管PM3的漏極，第六電容C6的負極接地；第六PMOS管PM6的漏極接第七PMOS管PM7的源極和第八PMOS管PM8的源極；第七PMOS管PM7的柵極接第二PMOS管PM2的柵極，第七PMOS管PM7的漏極、第三電阻R3的正極和第七NMOS管NM7的漏極相接，其連接點接第二PMOS管PM2的漏極；第八PMOS管PM8的柵極接第三PMOS管PM3的柵極，第八PMOS管PM8的漏極、第四電阻R4的正極和第八NMOS管NM8的漏極相接，其連接點接第三PMOS管PM3的漏極；第三電阻R3的負極、第四電阻R4的負極、第七NMOS管NM7的柵極和第八NMOS管NM8的柵極均接第十PMOS管PM10的漏極；第七NMOS管NM7和第八NMOS管NM8的源極均接地。

作為優(yōu)選，所述負載自偏置電流倍增型無源混頻器包括構成自偏置輸入跨導級的第一NMOS管NM1、第六NMOS管NM6、第一PMOS管PM1、第九PMOS管PM9、第一電阻R1、第二電阻R2、第五電阻R5、第一電容C1、第三電容C3和第四電容C4；構成無源本振開關的第二NMOS管NM2和第三NMOS管NM3，其中：

所述第一NMOS管NM1的源極接地，第一NMOS管NM1的柵極為負載自偏置電流倍增型無源混頻器的輸入信號端，第一NMOS管NM1的漏極接第一PMOS管PM1的漏極；第一電阻R1的負極接第一偏置電壓，第一電阻R1的正極接第一NMOS管NM1的柵極；第一PMOS管PM1的源極接電源電壓，第一PMOS管PM1的柵極接第一電容C1的負極；第一電容C1的正極接第一NMOS管NM1的柵極；第二電阻R2的正極接第一PMOS管PM1的柵極，第二電阻R2的負極接第四電容C4的正極，第四電容C4的負極接電源；第六NMOS管NM6的源極接地，第六NMOS管NM6的柵極接第二偏置電壓，第六NMOS管NM6的漏極接第二電阻R2的負極；第五電阻R5的正極接第一NMOS管NM1的漏極，第五電阻R5的負極接第六NMOS管NM6的漏極；第三電容C3的正極接第一PMOS管PM1的漏極，第三電容C3的負極接第九PMOS管PM9的漏極，第九PMOS管PM9的源極接電源電壓，第九PMOS管PM9的柵極接第一PMOS管PM1的柵極；

所述第二NMOS管NM2的柵極接本振信號的正極，第二NMOS管NM2的漏極接第九PMOS管PM9的漏極；第三NMOS管NM3的柵極接本振信號的負極，第三NMOS管NM3的漏極接第九PMOS管PM9的漏極；第二NMOS管NM2的源極和第三NMOS管NM3的源極分別連接低電壓跨阻放大器的兩路信號輸入端。

有益效果：本發(fā)明提出的負載自偏置電流倍增型無源混頻器，相比現(xiàn)有技術，具有以下效果：其跨導級為CMOS結構，可偏置在較低的電源電壓下?？缱璺糯笃鳛槿谌肟鐚ё耘e技術的共柵放大器，為降低電源電壓，跨導自舉電路采用了NMOS輸入的共源放大器結構；此外跨導級通過混頻器的開關管與跨阻級構成電流復用，降低了總體偏置電流。在跨導級，NMOS管和PMOS管一起向開關級注入射頻電流，獲得了較高的等效跨導?？缱璺糯笃魍ㄟ^增益自舉可獲得足夠低的輸入阻抗，可充分吸收變頻后的電流并將其在負載電阻上轉換成輸出電壓。由于對共柵管進行了跨導自舉，使得從負載電阻端往上看過去的阻抗更高，因此可以進一步提高負載電阻值而不會帶來增益壓縮效應。

除此之外，本發(fā)明提出的負載自偏置電流倍增型無源混頻器實現(xiàn)了更高的轉換增益和更精確的偏置電流。本發(fā)明的跨阻放大器中引入一個額外的差分對，該差分對的跨導管與共柵管尺寸相同，并偏置在相同的直流電流下，其柵極與共柵管的柵極相連。在跨導增強電路的作用下，共柵管的源極相當于虛地。差分對中的跨導管將復制共柵管的電流并注入到負載。由此將下變頻后的電流進行了倍增，從而提高了轉換增益。同時，由于短溝道晶體管的輸出阻抗較低，如果用設置PMOS跨導管和NMOS跨導管偏置電流差值來為跨阻放大器進行偏置的方法，將會給跨阻放大器的實際偏置電流帶來很大的不確定性，對電流復制比例造成影響。本發(fā)明通過對PMOS跨導管采取自偏置，以及鏡像一部分PMOS跨導電流注入跨阻放大器的方式，即自偏置跨導級結合電容耦合的電流鏡的方式，一方面起到了跨導級電流和跨阻放大器的復用效果，另一方面可較為精確地固定跨阻放大器的偏置電流，確保了跨導級晶體管處于飽和區(qū)，并保證了跨阻放大器的偏置電流處于合理的范圍內，給中頻電路提供較為精確的直流偏置。

此外，本發(fā)明提出的負載自偏置電流倍增型無源混頻器能夠進一步提高負載阻抗值同時提高轉換增益。本發(fā)明使用了負載自偏置技術，為降低輸出共模電壓，本發(fā)明通過注入直流電流的方式，使輸出共模電平等于負載管柵極電壓下移一個固定偏壓，在解決電壓裕度的同時也提高了對共模信號的抑制能力。

綜上所述，本發(fā)明具有低電壓低、低功耗、高轉換增益的特點。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的負載自偏置電流倍增型無源混頻器的一個優(yōu)選實施例的電路圖；

圖2為本發(fā)明的負載自偏置電流倍增型無源混頻器的轉換增益隨輸入頻率變化的曲線圖以及去掉電流倍增效果后的轉換增益隨輸入頻率變化的曲線圖，分別以實線和虛線表示。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。

如圖1所示為本發(fā)明的一種負載自偏置電流倍增型無源混頻器的優(yōu)選實施例的電路圖，包括自偏置輸入跨導級、無源本振開關以及低電壓跨阻放大器；低電壓跨阻放大器為跨導增強結構，通過NMOS共源放大器為PMOS共柵管提升跨導，克服了電壓裕度的限制。為了提高轉換增益，本發(fā)明增加一組差分對并復制共柵管的電流注入到負載，將下變頻后的電流進行了倍增。為提高負載阻值以進一步提升轉換增益并抑制共模增益，本發(fā)明使用了負載自偏置技術。為降低輸出共模電壓，本發(fā)明通過注入直流電流的方式，使輸出共模電平等于負載管柵極電壓下移一個固定偏壓，以適應低電源應用場合。此外為克服40nm晶體管溝道阻抗低對電流復制比例的影響，本發(fā)明對跨導級采用了自偏置技術，從PMOS跨導管陣列中分出一部分同時為開關管和負載級電路提供偏置電流。在上述結構特點的作用下，本發(fā)明具有低電壓低、低功耗，高轉換增益的特點。

如圖1所示，本實施例中，所述負載自偏置電流倍增型無源混頻器包括構成自偏置輸入跨導級的第一NMOS管NM1、第六NMOS管NM6、第一PMOS管PM1、第九PMOS管PM9、第一電阻R1、第二電阻R2、第五電阻R5、第一電容C1、第三電容C3和第四電容C4；構成無源本振開關的第二NMOS管NM2和第三NMOS管NM3；構成低電壓跨阻放大器的第四NMOS管NM4、第五NMOS管NM5、第二PMOS管PM2、第三PMOS管PM3、第四PMOS管PM4、第五PMOS管PM5、第六PMOS管PM6、第七PMOS管PM7、第八PMOS管PM8、第三電阻R3、第四電阻R4、第二電容C2、第五電容C5、第六電容C6、第七NMOS管NM7、第八NMOS管NM8和第十PMOS管PM10，其中：

所述第一NMOS管NM1的源極接地，第一NMOS管NM1的柵極為負載自偏置電流倍增型無源混頻器的輸入信號端，第一NMOS管NM1的漏極接第一PMOS管PM1的漏極；第一電阻R1的負極接第一偏置電壓，第一電阻R1的正極接第一NMOS管NM1的柵極；第一PMOS管PM1的源極接電源電壓，第一PMOS管PM1的柵極接第一電容C1的負極；第一電容C1的正極接第一NMOS管NM1的柵極；第二電阻R2的正極接第一PMOS管PM1的柵極，第二電阻R2的負極接第四電容C4的正極，第四電容C4的負極接電源；第六NMOS管NM6的源極接地，第六NMOS管NM6的柵極接第二偏置電壓，第六NMOS管NM6的漏極接第二電阻R2的負極；第五電阻R5的正極接第一NMOS管NM1的漏極，第五電阻R5的負極接第六NMOS管NM6的漏極；第三電容C3的正極接第一PMOS管PM1的漏極，第三電容C3的負極接第九PMOS管PM9的漏極，第九PMOS管PM9的源極接電源電壓，第九PMOS管PM9的柵極接第一PMOS管PM1的柵極；

所述第二NMOS管NM2的柵極接本振信號的正極，第二NMOS管NM2的漏極接第九PMOS管PM9的漏極；第三NMOS管NM3的柵極接本振信號的負極，第三NMOS管NM3的漏極接第九PMOS管PM9的漏極；第二NMOS管NM2的源極接第二PMOS管PM2的源極；

所述第三NMOS管NM3的源極接第三PMOS管PM3的源極；第二電容C2的上極板接第三NMOS管NM3的源極，第二電容C2的下極板接第二NMOS管NM2的源極；第二PMOS管PM2的柵極接第四NMOS管NM4的漏極，第二PMOS管PM2的漏極為負載自偏置電流倍增型無源混頻器的輸出信號正極輸出端；第五電容C5的正極接第二PMOS管PM2的漏極，第五電容C5的負極接地；第四NMOS管NM4的柵極接第二NMOS管NM2的源極，第四NMOS管NM4的源極接地；第四PMOS管PM4的源極、第五PMOS管PM5的源極、第六PMOS管PM6的源極和第十PMOS管PM10的源極均連接電源電壓，第四PMOS管PM4的柵極、第五PMOS管PM5的柵極、第六PMOS管PM6的柵極和第十PMOS管PM10的柵極均連接第三偏置電壓；第四PMOS管PM4的漏極接第四NMOS管NM4的漏極；第三PMOS管PM3的柵極、第五NMOS管NM5的漏極和第五PMOS管PM5的漏極相接，第三PMOS管PM3的漏極為負載自偏置電流倍增型無源混頻器的輸出信號負極輸出端；第五NMOS管NM5的源極接地，第五NMOS管NM5的柵極接第三PMOS管PM3的源極；第六電容C6的正極接第三PMOS管PM3的漏極，第六電容C6的負極接地；第六PMOS管PM6的漏極接第七PMOS管PM7的源極和第八PMOS管PM8的源極；第七PMOS管PM7的柵極接第二PMOS管PM2的柵極，第七PMOS管PM7的漏極、第三電阻R3的正極和第七NMOS管NM7的漏極相接，其連接點接第二PMOS管PM2的漏極；第八PMOS管PM8的柵極接第三PMOS管PM3的柵極，第八PMOS管PM8的漏極、第四電阻R4的正極和第八NMOS管NM8的漏極相接，其連接點接第三PMOS管PM3的漏極；第三電阻R3的負極、第四電阻R4的負極、第七NMOS管NM7的柵極和第八NMOS管NM8的柵極均接第十PMOS管PM10的漏極；第七NMOS管NM7和第八NMOS管NM8的源極均接地。

如圖2所示，實線為包含本發(fā)明的混頻器的射頻前端轉換增益隨輸入頻率的曲線圖，虛線為去掉電流倍增效果后的轉換增益隨輸入頻率的曲線圖。從圖中可以看出，本發(fā)明對下變頻電流的倍增效果明顯，在未改變帶寬的前提下將轉化增益提升了5.8dB。

綜上所述，本發(fā)明從下面兩方面進行改進以提升轉換增益：1、在低電壓跨阻放大器中增加一組差分對復制流過共柵管的下變頻電流并注入到負載級，由于共柵管的偏置電流遠低于射頻跨導級，本發(fā)明僅增加了稍許功耗實現(xiàn)了等效跨導的倍增；2、通過使用自偏置負載結構，負載電阻為跨接方式，其阻值得以大幅提高。同時，本發(fā)明通過注入直流電流的方式，使輸出共模電平等于負載管柵極電壓下移一個固定偏壓，以適應低電源應用場合。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。