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1、混频器 Mixers,张艺蒙西安电子科技大学微电子学院,摘要,前言：无线收发机射频前端的系统结构基本概念：混频器的性能参数Gilbert（电流换向）混频器的分析和设计无源混频器的分析总结,超外差接收器的方框图,射频信号RF中频 IF本地振荡LO,固定的带通滤波器,概述,概述,混频原理:1、非线性系统,混频原理,混频原理：2、线性时变状态,镜像信号,定义：指与有用射频信号关于本振频率对称的信号，它与有用信号的频率差等于两倍中频频率。,混频器的性能参数：噪声系数,噪声系数,线性度,性能参数：隔离度和阻抗匹配,隔离度：本端口功率与其窜通到另一端口的功率之比。LO-RF:强本振信号泄露到输入端，使混频
2、器发生过载或饱和。LO-IF:强本振信号泄露到输出端，容易造成后级中频模块发生过载或饱和。RF-LO:出现自混频现象，同时强干扰信号会影响本振的工作。阻抗匹配：RF、LO端匹配到50欧姆，IF端口匹配到后级滤波器的输入端阻抗。,主要性能指标典型值,二、混频器的类型,混频器的电路结构非常多，从系统的角度看，非线性系统和线性时变系统以产生新的频率分量而具有混频的可能；从电路的角度看，混频器可以是有源的也可以是无源的；还有其它如单平衡或双平衡结构、采样保持电路等等,二、混频器的类型,A,f,LO-RF,RF,LO,LO+RF,混频器的信号图,输出信号由LO和RF信号的和与差（LORF）两个信号组成。
3、通常我们仅需要这些信号中的一个信号，另一个信号将被滤掉。由于LO的谐波和RF在混频器中混频，会产生许多更小、更高次的信号，所以这些信号也应滤掉。一般而言，混频器所产生的全部信号有（nLOmRF），其中m，n为整数。,混频基本原理,混频基本原理,混频基本原理,混频基本原理,混频基本原理,混频基本原理,混频基本原理,混频基本原理,混频基本原理,混频基本原理,Gilbert（电流换向）混频器的分析和设计,电路结构,单平衡有源和双平衡有源混频器驱动级：将输入电压信号转换为电流信号，它的线性度决定了整个混频器的线性度。混频级：如果本振信号足够大，作为开关管，在本振信号的控制下，周期性的开关。负载：电阻或
4、者谐振网络。,单平衡混频器 由于方波信号仅包含奇次阶谐波，尾电流源与本振信号混频的结果包含射频信号与LO各奇次谐波混频的差频、和频成分，也包含直流偏置与LO的各奇次谐波混频的成分，导致存在LO-IF泄露。假设混频管为理想管，方波信号的基频幅度为4/，则转换电压增益为,双平衡混频器,混频的结果只包含射频信号与LO各奇次谐波混频的差频、和频成分，不包括直流偏置与LO各奇次谐波混频成分，对LO-IF有着很好的抑制作用。假设混频管为理想管，方波信号的基频幅度为4/，则转换电压增益为,单平衡混频器,噪声分析,由于开关管的工作点是周期性变化的，信号的处理过程是一个周期性时变过程，因此混频器产生的噪声具有周
5、期性时变特性。一般用时变功率谱密度S(f,t)来描述。噪声来源：驱动级噪声；混频单元的噪声；来自LO输入端噪声；负载的噪声。,对于单平衡混频器来说，Nn3包含晶体管M3的热噪声、信号源阻抗RS引入的噪声和晶体管栅级寄生阻抗rg3的热噪声，因此 对于双平衡混频器,1.驱动级的噪声,假设驱动级的输出电流is中包含噪声电流成分n3(t)，其噪声功率谱密度为Sn3(f,t)，则它的时变功率谱密度为,2.开关对（混频单元）噪声 当混频管M1或者M2工作于截止区而另一混频管处于导通状态时，输出电流完全由混频单元的尾电流决定，混频单元不产生噪声。当开关对两管同时导通时，才产生热噪声。可表示为：,3.本振端噪
6、声,本振信号是由时变电路产生的，该时变电路会在混频器本振输入端引入周期性稳态噪声。由于混频过程本身也是一个时变过程，所以本振噪声分析十分复杂。于单平衡混频器和双平衡混频器,综合以上分析混频器各种噪声，可以最终得到混频器的噪声系数理想情况下，可由下面两个公式估计混频器的噪声系数,噪声优化,混频器输出端噪声主要由驱动级产生的热噪声、开关对产生的热噪声和本振噪声、负载噪声引起。驱动级是一个共源放大器，因此可以采用与低噪声放大器相同的噪声优化方法，优化驱动级中晶体管的尺寸和偏置，使得驱动级产生的热噪声尽可能低。在开关对的设计上，通过前面的图中可以看出，增加偏置电流会增加开关对的热噪声和本振噪声，但可以
7、减小驱动级热噪声的贡献，而且会降低混频器的转换增益。而增加本振信号幅度会降低开关对的热噪声和本振噪声，但会增加驱动级热噪声的贡献。设计混频器时应根据哪部分是噪声主要来源，折中进行考虑。,线性度,对于单平衡混频器输出电流归一化结果为式中=VLO/Vod,改善线性度的方法,驱动级 1.采用源简并技术,2.分段线性近似,开关对,开关对引入的三阶交调积与开关对共源节点的寄生电容有很大关系。采取在共源节点并联一个电感。,二极管无源混频器,二极管混频器 在分离器件中，最常用的是无源二极管混频器，它利用了二极管的非线性，电路结构简单、线性度好、隔离差、噪声较高、本振信号驱动要求高。,MOS无源混频器,直接将输入电压信号与本振信号在电压域进行混频。特点：不提供增益、线性度较好。,总结,1.介绍了混频器的基本性能参数。2.重点分析了Gilbert混频器（有源混频器），这类混频器具有较好的线性度及噪声性能，并且广泛应用于单片集成电路中。3.无源对比有源混频器 无源混频器虽然具有较好的线性度、功耗，但引入了衰减。有源混频器由于提供一定的转换增益，所以相对无源混频器，可以在一定程度上抑制后续电路噪声对整个收发机系统噪声的影响。,作业：P.336 第四题 谢 谢,
