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【摘 要】本论文采用了开关传导型结构，设计了一个低功耗高线型度上混频器。采用SMIC018 CMOS工艺对电路的一些性能参数进行了仿真。结果显示该混频器的输入1dB压缩点大约为1dBm，转换损耗为1dB,平均消耗电流为632μA，瞬时最大电流和最小电流分别为1.2mA和0.3mA。
【关键词】开关传导型混频器；高线型度；低功耗
0.引文
在无线通信系统中，混频器经常被用来对输入信号频率转换或频谱搬移，通常是和本地信号相乘来实现。相比于正弦波信号，采用方波信号可以获得更高的转换增益。不同于传统的Gilbert单元结构，本文采用开关传导型（switched transconductor）结构来实现输入信号与方波信号相乘。本文第一部分介绍这种结构的工作原理；关于被设计得混频器的一些性能以图表的形式在第二部分作具体描述；最后，对本次设计做一些简单的结论。
1.电路结构与工作原理
图1是本论文采用的混频器结构。它主要由4个跨导管（M1、M2、M3、M4）和4个开关管（M5、M6、M7、M8）组成。本地振荡信号VLO控制左右一对开关管（M5和M6、M7和M8）是否导通，从而决定左右一对跨导管（M1和M2、M3和M4）是否工作。负载ZL应根据不同的应用选用不同的电路，论文中采用L、C并联电路来选择2.4GHz附近的信号。
首先假设开关管具有很低的导通电阻，在本振信号的前半周期 内M1和M2 能正常工作，而M3和M4不导通，此时的电路就是一个普通的差分电路，
输出交流电流Io为：
I■=-■g■*v■ (1)
在后半周期内，M3和M4正常工作，M1和M2不導通，此时输出交流电流Io为：
I■=■g■*v■*pul(ω■) (2)
综合（1）、（2），输出电流可统一表示为：
I■=■g■*v■*■sin(ω■)*R (3)
图1 开关传导型结构
其中pul为方波函数，具有与本振信号相同的频率。对方波进行傅立叶级数展开可知，它只有基波分量和奇次谐波分量。由于LC谐振在基波2.4GHz附近，所以输出电压为：
图2 输出电压时域波形 图3 输出电压频谱分布
本论文中ωlo取2.4GHz，vrf取20MHz的正弦波信号。从式（4）可以看出，输出电压应该是幅度被低频（相对于2.4GHz）输入信号vrf调制过的本地振荡信号，即调制信号，从图2中可以清楚地看到调制信号的包络的频率为20MHz。图3清楚地显示了输出电压中主要含有2.4GHz附近的信号分量。
2.Mixer的性能仿真结果
电路中，本振信号采用2.4GHz的正弦波信号，LC谐振在2.4GHz附近。采用SMIC018 CMOS工艺，在Cadence环境中对设计的电路进行了Spectre仿真。从第一部分中式（4）可知，通过提高跨导管M1~M4的跨导gm和LC在2.4GHz附近的阻抗R可以提高电路的转换增益。但是提高gm会导致功耗增大，这对于一些应用是不允许的，像无线传感器网络中的收发机。另外，在调试电路时发现，要想较大提高R，必须选用圈数越多、内径更大的电感，很明显，这必然会带来更大的芯片面积。所以，应根据具体的应用作一些权衡。
3.结论
与传统的Gilbert单元结构不同，论文采用开关传导型结构设计了上混频器，并在一些性能参数上进行了仿真，结果显示它具有很低的功耗和较高的线性度。
【参考文献】
［１］Eric A. M. Klumperink, Simon M. Louwsma, Gerard J. M. Wienk, Bram Nauta. "A CMOS Switched Transconductor Mixer", IEEE Journal of solid-state circuits, VOL. 39, NO. 8,August,2004.
［２］E. A. M. Klumperink, S. M. Louwsma, G. J. M. Wienk, and B. Nauta, “A 1 Volt switched transconductor mixer in 0.18 μmCMOS,” in Proc. 2003 Symp. VLSI Circuits, Kyoto, Japan, June 2003, paper 17-3, JSAP ISBN 4-89114-035-6.
［３］Liming Jin, Zhangwen Tang and Hao Min, "A Low Noise High Linearity CMOS Up-conversion Mixer", 2007 IEEE.
［４］曹志刚,钱亚生.现在通行原理.北京:清华大学出版社.2001:177—181.
［５］王志功.光纤通信集成电路设计.北京:高等教育出版社.2003:253—258
［６］徐阳,冯军.0.18·m CMOS 10 Gbit/s分接器设计.电子工程师.2004,33(3):5-6
［７］凌云.高速复接器设计.南京:东南大学.2006.3.
［８］缪瑜.0.18·m CMOS 10Gb/s 4:1复接器设计.南京:东南大学.2006.3.
［９］管忻.低功耗 0.35μm工艺 3.125Gb/s CMOS 4:1复接器设计.南京:东南大学.2007.3.
［１０］Qiu Xiaohai,Chen Hongyi Discussion on the Low-power CMOS Latches and Flip-flops. IEEE Solid-State and IC Technology.1998. 5th International Conference on 21-23 Oct. 477-480
［１１］Kouichi Kanda. 10Gb/s 4:1 MUX/1:4DEMUX in 90nm standard CMOS.IEEE International Solid-State Circuits Conference. 2007.
【关键词】开关传导型混频器；高线型度；低功耗
0.引文
在无线通信系统中，混频器经常被用来对输入信号频率转换或频谱搬移，通常是和本地信号相乘来实现。相比于正弦波信号，采用方波信号可以获得更高的转换增益。不同于传统的Gilbert单元结构，本文采用开关传导型（switched transconductor）结构来实现输入信号与方波信号相乘。本文第一部分介绍这种结构的工作原理；关于被设计得混频器的一些性能以图表的形式在第二部分作具体描述；最后，对本次设计做一些简单的结论。
1.电路结构与工作原理
图1是本论文采用的混频器结构。它主要由4个跨导管（M1、M2、M3、M4）和4个开关管（M5、M6、M7、M8）组成。本地振荡信号VLO控制左右一对开关管（M5和M6、M7和M8）是否导通，从而决定左右一对跨导管（M1和M2、M3和M4）是否工作。负载ZL应根据不同的应用选用不同的电路，论文中采用L、C并联电路来选择2.4GHz附近的信号。
首先假设开关管具有很低的导通电阻，在本振信号的前半周期 内M1和M2 能正常工作，而M3和M4不导通，此时的电路就是一个普通的差分电路，
输出交流电流Io为：
I■=-■g■*v■ (1)
在后半周期内，M3和M4正常工作，M1和M2不導通，此时输出交流电流Io为：
I■=■g■*v■*pul(ω■) (2)
综合（1）、（2），输出电流可统一表示为：
I■=■g■*v■*■sin(ω■)*R (3)
图1 开关传导型结构
其中pul为方波函数，具有与本振信号相同的频率。对方波进行傅立叶级数展开可知，它只有基波分量和奇次谐波分量。由于LC谐振在基波2.4GHz附近，所以输出电压为：
图2 输出电压时域波形 图3 输出电压频谱分布
本论文中ωlo取2.4GHz，vrf取20MHz的正弦波信号。从式（4）可以看出，输出电压应该是幅度被低频（相对于2.4GHz）输入信号vrf调制过的本地振荡信号，即调制信号，从图2中可以清楚地看到调制信号的包络的频率为20MHz。图3清楚地显示了输出电压中主要含有2.4GHz附近的信号分量。
2.Mixer的性能仿真结果
电路中，本振信号采用2.4GHz的正弦波信号，LC谐振在2.4GHz附近。采用SMIC018 CMOS工艺，在Cadence环境中对设计的电路进行了Spectre仿真。从第一部分中式（4）可知，通过提高跨导管M1~M4的跨导gm和LC在2.4GHz附近的阻抗R可以提高电路的转换增益。但是提高gm会导致功耗增大，这对于一些应用是不允许的，像无线传感器网络中的收发机。另外，在调试电路时发现，要想较大提高R，必须选用圈数越多、内径更大的电感，很明显，这必然会带来更大的芯片面积。所以，应根据具体的应用作一些权衡。
3.结论
与传统的Gilbert单元结构不同，论文采用开关传导型结构设计了上混频器，并在一些性能参数上进行了仿真，结果显示它具有很低的功耗和较高的线性度。
【参考文献】
［１］Eric A. M. Klumperink, Simon M. Louwsma, Gerard J. M. Wienk, Bram Nauta. "A CMOS Switched Transconductor Mixer", IEEE Journal of solid-state circuits, VOL. 39, NO. 8,August,2004.
［２］E. A. M. Klumperink, S. M. Louwsma, G. J. M. Wienk, and B. Nauta, “A 1 Volt switched transconductor mixer in 0.18 μmCMOS,” in Proc. 2003 Symp. VLSI Circuits, Kyoto, Japan, June 2003, paper 17-3, JSAP ISBN 4-89114-035-6.
［３］Liming Jin, Zhangwen Tang and Hao Min, "A Low Noise High Linearity CMOS Up-conversion Mixer", 2007 IEEE.
［４］曹志刚,钱亚生.现在通行原理.北京:清华大学出版社.2001:177—181.
［５］王志功.光纤通信集成电路设计.北京:高等教育出版社.2003:253—258
［６］徐阳,冯军.0.18·m CMOS 10 Gbit/s分接器设计.电子工程师.2004,33(3):5-6
［７］凌云.高速复接器设计.南京:东南大学.2006.3.
［８］缪瑜.0.18·m CMOS 10Gb/s 4:1复接器设计.南京:东南大学.2006.3.
［９］管忻.低功耗 0.35μm工艺 3.125Gb/s CMOS 4:1复接器设计.南京:东南大学.2007.3.
［１０］Qiu Xiaohai,Chen Hongyi Discussion on the Low-power CMOS Latches and Flip-flops. IEEE Solid-State and IC Technology.1998. 5th International Conference on 21-23 Oct. 477-480
［１１］Kouichi Kanda. 10Gb/s 4:1 MUX/1:4DEMUX in 90nm standard CMOS.IEEE International Solid-State Circuits Conference. 2007.