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基于CMOS模擬開關實現(xiàn)平衡混頻器

作者: 時間:2016-10-16 來源:網(wǎng)絡 收藏

1 引言

本文引用地址:http://www.2s4d.com/article/201610/307974.htm

近年來,無線通信技術得到了迅猛地發(fā)展。它對收發(fā)信機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系統(tǒng)的性能。從頻域角度看,混頻器是頻譜的線性搬移。實現(xiàn)頻譜搬移的基本方法是將兩個信號相乘。混頻器利用器件的非線性特性來實現(xiàn)信號載波頻率的變化, 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,提出了一個新型混頻器的結(jié)構(gòu),采用COMS 開關實現(xiàn)了一種平衡混頻器,根據(jù)實測其性能完全滿足工程需要且有低成本、高線性度、大動態(tài)等優(yōu)點。

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, 其實質(zhì)為一可變互導乘法器,見圖1 所示。它由三部分組成,一是由本振信號VLO(t)激勵的差分對管Q2、Q3; 二是輸出電流受射頻信號VRF(t)控制的晶體管Q1;三是中頻負載RL。如圖1 所示。Q1 是射頻小信號線性放大器(也稱輸入跨導級);差分對Q2、Q3 在本振大信號作用下可看作輪流導通的雙向開關

;當雙端輸出時,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置合適的工作點。設其直流工作點電流是ICQ1在信號VRF(t)作用下,Q1 的集電極電流為(設Re短路)

由以上分析, 有源單平衡混頻器是通過本振開關電路(Q2、Q3) 對跨導級電路(Q1) 形成的射頻電流信號進行開關調(diào)制, 實現(xiàn)混頻功能。負載級電路把混頻產(chǎn)生的中頻電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。

3模擬開關實現(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、開關和負載?;祛l器的最終輸出等于輸入信號與一個開關函數(shù)相乘,此開關函數(shù)與本振信號頻率相同。

圖2 單平衡混頻器等效電路

綜上所述,得到一混頻器設計思路一一尋找一個放大器,然后在輸出之前,尋找一合適位置,設一開關級,使用平衡結(jié)構(gòu),再通過選擇合適的負載輸出信號。

3.1模擬開關的特性

CMOS 模擬開關雖然具有開關性但是和機械開關有所不同,本身具有半導體特性。模擬開關的簡單示意圖如圖3 所示, 由圖中可以看出模擬開關實際是由兩個對偶的N 溝道MOSFET 與P 溝道MOSFET 構(gòu)成。如果將不同VIN 值所對應的P 溝道與N 溝道的導通電阻并聯(lián), 可得到結(jié)構(gòu)下的RON 隨輸入電壓VIN 的變化關系。導通電阻RON 隨輸入信號VIN 變化,如果不考慮溫度、電源的影響RON 隨輸入信號Vin 呈線性關系。

圖3 典型CMOS 模擬開關內(nèi)部結(jié)構(gòu)

低導通電阻RON 帶來一負面效應,每次開關導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。開關本身根據(jù)負載大小提供十幾毫安的電流,假設開關能夠為固定負載提供的電流為Iout,導通電阻隨輸入信號VIN 變化導致的電流變化為gmlVRF,則開關輸出的呈現(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)絡將中頻信號濾除,選出需要的頻率。

3.2的設計

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

圖4的實際電路

3.3 混頻器性能測試

混頻器的性能指標主要包括變頻增益、線性度、隔離度等。變頻增益反映了從射頻輸入信號到輸出信號衰減或放大的程度,負的變頻增益常被稱為變頻損耗。實測的開關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 時的變頻損耗, 在測試頻段內(nèi)損耗小于7 dB,波動小于1 dB。

圖5 混頻器變頻損耗曲線

LdB 壓縮點是表征線性度的一個指標?;祛l器的輸出信號隨輸入信號功率的變化曲線圖如圖6 所示??梢钥吹疆斴斎胄盘柋容^小時, 轉(zhuǎn)換增益是一個常數(shù), 增強到某一個值開始,它就偏離了直線。實測混頻器的l dB 壓縮點大于13.5 dB?;祛l器隔離度是指各頻率端口間的相互隔離, 實測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

實測表明利用CMOS 開關可以實現(xiàn)開關混頻器, 但CMOS 開關的參數(shù)影響比較大,應用中要注意以下幾點:

① 模擬開關的導通和關斷時間,決定了開關混頻器的工作頻帶,限制了混頻器的使用;

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

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

的線性度取決于模擬開關的導通電阻RON,盡量選擇導通電阻較小的開關;

⑤ 由于開關的輸入輸出阻抗不是50 歐姆,因此使用過程中要對輸入輸出口進行阻抗匹.配;

⑥ 測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, 使用時需采用濾波網(wǎng)絡進行濾波。這一特點在實際使用混頻器時必須考慮。

4 結(jié)束語

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



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