張雷鳴，劉　博，張金燦

（河南科技大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023）

基于電感源極退化技術(shù)的高線性混頻器設(shè)計(jì)*

張雷鳴，劉博，張金燦

（河南科技大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023）

基于電感源極退化技術(shù)設(shè)計(jì)了一款新穎的高線性度正反饋跨導(dǎo)放大器，并且將該跨導(dǎo)放大器應(yīng)用于折疊結(jié)構(gòu)式混頻器當(dāng)中。通過抵消反相器和輔助放大器之間的三階跨導(dǎo)分量，改善了其線性度。電路采用TSMC 0.13 μm CMOS工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真，完成了版圖設(shè)計(jì)與流片。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，該混頻器的輸入三階交調(diào)點(diǎn)IIP3高達(dá)8.6 dBm，噪聲系數(shù)為10.9 dB，增益高達(dá)14 dB，并且取得了更優(yōu)的歸一化FOM指標(biāo)。

線性度；跨導(dǎo)放大器；混頻器；電感源極退化技術(shù)

0　引言

隨著工藝技術(shù)的發(fā)展，CMOS器件的尺寸以及功耗越來越小。為了便于攜帶，要求用于移動(dòng)設(shè)備中的射頻集成電路具有較低的功耗。然而，由于線性度和功耗兩者之間的相互制約，高線性度設(shè)計(jì)逐漸成為目前CMOS射頻集成電路領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)[1-4]。

一般而言，由于混頻器的輸入信號(hào)功率遠(yuǎn)大于低噪聲放大器的輸入信號(hào)功率，因此射頻接收機(jī)的線性度主要受限于混頻器，并使混頻器的線性度成為其較為重要的考量指標(biāo)。目前，關(guān)于改進(jìn)混頻器線性度的技術(shù)已經(jīng)有了較多的研究成果。文獻(xiàn)[5]通過在晶體管本征柵源電容并聯(lián)電容，降低了三階交調(diào)分量IMD3的幅度。雖然該技術(shù)改進(jìn)了三階交調(diào)點(diǎn)IIP3，但是額外的電容限制了電路的工作頻率。文獻(xiàn)[6]通過在開關(guān)級(jí)引入LC濾波電路，并利用濾波器降低了在本振頻率處開關(guān)級(jí)晶體管寄生電容的影響，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)級(jí)線性度的提高，但改善非常有限。

本文采用一種全新的線性度提高技術(shù)，通過在跨導(dǎo)放大器級(jí)處引入電感源極退化方式的正反饋補(bǔ)償技術(shù)，提高整個(gè)混頻器電路的線性度。同時(shí)，通過引入電流注入技術(shù)[7-10]，改善電路的噪聲和增益性能。該混頻器采用TSMC 0.13 μm CMOS工藝設(shè)計(jì)，運(yùn)用ADS2009U軟件對(duì)其進(jìn)行仿真驗(yàn)證，并進(jìn)行了版圖設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明，該混頻器在不影響其他指標(biāo)的前提下，極大地提高了其線性度IIP3指標(biāo)，使其達(dá)到8.6 dBm的高線性度。通過合理優(yōu)化整體參數(shù)，噪聲系數(shù)僅為 10.9 dB，增益高達(dá)14 dB，在同類混頻器設(shè)計(jì)中，性能指標(biāo)較優(yōu)。

1　線性度提高技術(shù)

由于有源混頻器的線性度主要取決于跨導(dǎo)級(jí)的線性度，因此本文在跨導(dǎo)級(jí)引入線性提高技術(shù)。圖1給出了本文所采用的跨導(dǎo)級(jí)電路圖，它由M1和M2組成的CMOS反相器、共柵晶體管M3、電流源M4和退化電感L1～L3組成。共柵晶體管 M3作為輔助放大器，用于抵消作為主放大器的CMOS反相器所產(chǎn)生的三階交調(diào)分量IMD3。源極退化電感 L1和L2用于輸入阻抗的匹配[5]，退化電感L3用于控制正反饋補(bǔ)償中的三階跨導(dǎo)分量。該電路通過主從放大器產(chǎn)生大小相等、相位相反的IMD3分量，并在其相加時(shí)抵消，從而改善了混頻器的線性度。

圖1　電感源極退化技術(shù)的跨導(dǎo)級(jí)

如圖1所示，輸出電流 Iout的大小如下所示：

其中，I1、I2和 I3分別是晶體管 M1、M2和 M3的漏極電流。由于跨導(dǎo)級(jí)是電路非線性特性產(chǎn)生的主要因素，將 I1、I2和I3用泰勒級(jí)數(shù)展開式表達(dá)如下：

其中，gm1n、gm2n和 gm3n分別是放大器 M1、M2和 M3的n階跨導(dǎo)分量。

當(dāng)直流電壓 VGS和交流信號(hào) Vgs加到 MOSFET的輸入端時(shí)，N型MOSFET的總漏極電流iD為：

其中：

μn是器件的電子遷移率，COX是柵極單位面積電容量，VTHN是N型MOSFET的開啟電壓。式(5)的第一項(xiàng)代表偏置電流，第二項(xiàng)和第三項(xiàng)代表交流信號(hào)電流，第三項(xiàng)產(chǎn)生非線性失真。輸入信號(hào)Vgs越大，MOSFET所產(chǎn)生的非線性失真越明顯。

為了分析每一個(gè)電感源極退化放大器所產(chǎn)生的非線性效應(yīng)，圖2給出了包含有退化電感的CMOS模型的電路圖。其中圖2(a)為共源結(jié)構(gòu)的 NMOS，圖2(b)為共源結(jié)構(gòu)的PMOS，圖2(c)為共柵結(jié)構(gòu)的NMOS。為了簡(jiǎn)化分析，該模型忽略了對(duì)線性度影響較小MOS晶體管二階效應(yīng)，如溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)、體效應(yīng)，以及其他的寄生電容效應(yīng)。由圖2可知，漏電流(I1、I2和 I3)和輸入電壓(VRF)之間的關(guān)系表達(dá)式如下所示：

圖2　包含有退化電感的CMOS器件模型

其中，Vgs1、Vgs2和 Vgs3分別是 MOS器件 M1、M2和 M3的柵源間電壓。

將式(2)～式(4)和式(7)～式(10)代入到式(1)中可得到[11]：

本文所采用的跨導(dǎo)級(jí)的輸出電流包含有基波頻率的二階和三階交調(diào)分量，較高階次的交調(diào)分量已經(jīng)在計(jì)算過程中忽略。相應(yīng)跨導(dǎo)級(jí)的輸入三階交調(diào)點(diǎn)IIP3可被表示為：

其中，一階跨導(dǎo)gm1是跨導(dǎo)級(jí)的基本增益。IMD3主要取決于三階跨導(dǎo)，而三階跨導(dǎo)由退化電感和工藝相關(guān)參數(shù)(k1、k2和 k3)決定。為了便于分析與計(jì)算，僅將式(11)中每個(gè)跨導(dǎo)的前三項(xiàng)代入式(12)中，可得：

式(13)中一階跨導(dǎo) gm1的前兩項(xiàng)和第三項(xiàng)分別代表了主從放大器的基本跨導(dǎo)系數(shù)。式(13)表明：為了使混頻器具有基本增益，必須保證前兩項(xiàng)要大于第三項(xiàng)，而且，需要合理地設(shè)計(jì)退化電感的大小以抵消該跨導(dǎo)級(jí)的三階跨導(dǎo)項(xiàng) gm3，退化電感的取值應(yīng)如下式所示[11]：

上式中電感L1和L2必須采用較小的數(shù)值，主要有三個(gè)方面的原因：(1)由于 k1和 k2是決定跨導(dǎo)級(jí)基本增益的主要因素，因此工藝相關(guān)參數(shù) k1和 k2應(yīng)相對(duì)大于k3；(2)較大的 L1和 L2使得式(13)的分母增加，惡化了跨導(dǎo)級(jí)的IIP3，且較大的L1和L2增加了電路芯片的面積，提高了設(shè)計(jì)成本；(3)L3的電感值基于式(14)進(jìn)行選取，且鑒于 L1、L2和L3也對(duì)電路的輸入阻抗造成影響，因而在取值的過程中也要兼顧電路的輸入阻抗，使其匹配到50 Ω。所以通過合理優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，本文所采用的跨導(dǎo)級(jí)電路可有效減小三階交調(diào)分量，得到較高的 IIP3值。

2　工作原理與性能分析

圖3所示為本文所設(shè)計(jì)的混頻器電路圖，該混頻器基于折疊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其主要由四部分組成：跨導(dǎo)級(jí)(M1～M3)、開關(guān)級(jí)(M4～M5)、負(fù)載級(jí)(RL)和電流注入級(jí)(M6～M7)。通過引入電流注入結(jié)構(gòu)，改善了混頻器的增益和噪聲特性。

圖3　混頻器電路原理圖

此混頻器采用 TSMC 0.13 μm CMOS工藝設(shè)計(jì)，運(yùn)用ADS2009U軟件對(duì)其進(jìn)行仿真，并完成了版圖設(shè)計(jì)。如上所述，在保證輸入阻抗匹配的前提下，盡量選擇較小的L1和L2的電感值，而且L3電感值的選取要滿足式(14)所示的條件，以抵消該跨導(dǎo)級(jí)的三階跨導(dǎo)項(xiàng) gm3，進(jìn)而改善電路的線性度。

混頻器工作電壓為 1.2 V，射頻輸入頻率 2.45 GHz，功率-30 dBm；本振頻率 2.35 GHz，功率 0 dBm，工作電流為7.2 mA。輸入三階交調(diào)點(diǎn)的IIP3仿真結(jié)果圖如圖4所示。在本振功率為0 dBm時(shí)，其為8.6 dBm，線性度指標(biāo)較優(yōu)。圖5和圖6分別給出了噪聲系數(shù)NF和轉(zhuǎn)換增益隨著本振功率變化的仿真結(jié)果，在本振功率為 0 dBm時(shí)，噪聲系數(shù)為10.9 dB，增益為14 dB。

圖4　輸入三階交調(diào)點(diǎn)IIP3仿真結(jié)果

圖5　噪聲系數(shù)仿真結(jié)果

圖6　轉(zhuǎn)換增益的仿真結(jié)果

圖7為該混頻器電路的版圖，版圖尺寸為0.71 mm× 0.62 mm。表1給出了本文所設(shè)計(jì)的高線性度混頻器與以往文獻(xiàn)所設(shè)計(jì)的混頻器的比較結(jié)果。為了便于比較，給出了采用式(15)所示的歸一化FOM指標(biāo)[12]。由該表可見，本文所設(shè)計(jì)的混頻器的綜合性能指標(biāo)最優(yōu)，F(xiàn)OM達(dá)到16.06 dB。

圖7　混頻器版圖

式中，G為增益，NF為噪聲系數(shù)，P為電路所消耗的功耗。

表1　混頻器性能對(duì)比結(jié)果

3　結(jié)論

本文通過理論分析，為抵消三階跨導(dǎo)分量，得到更高的線性度提供了設(shè)計(jì)方向。該跨導(dǎo)放大器最終應(yīng)用于折疊結(jié)構(gòu)式混頻器當(dāng)中，以改善混頻器的線性度，并且通過引入電流注入技術(shù)改善電路的增益和噪聲。仿真結(jié)果表明，該混頻器達(dá)到IIP3=8.6 dBm的較高線性度，增益高達(dá)14 dB，噪聲系數(shù)僅為10.9 dB。通過與其他相關(guān)研究成果相比較可知，本文所設(shè)計(jì)的混頻器歸一化FOM指標(biāo)最優(yōu)，達(dá)到16.06 dB。

通過采用本文提供基于電感源極退化技術(shù)的高線性跨導(dǎo)放大器設(shè)計(jì)方法，并利用 TSMC 0.13 μm CMOS工藝完成了某型號(hào)UWB射頻通訊芯片中的混頻器單元設(shè)計(jì)與仿真。目前，該混頻器電路芯片已下線，并利用多項(xiàng)目晶圓合作MPW項(xiàng)目進(jìn)行了流片。

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Design of high linearity mixer using inductive source degeneration

Zhang Leiming，Liu Bo，Zhang Jincan
(Electrical Engineering College，Henan University of Science and Technology，Luoyang 471023，China)

This paper presents a novel linearity-improvement feed-forward amplifier whose transconductance stage use the inductive source-degeneration technology.The proposed technique is applied to a CMOS RF mixer based on a folded-type topology.Linearity improvement is achieved by cancelling the third-order transconductance terms between the inverter and auxiliary amplifiers.Simulated results show that the proposed mixer achieves a third-order input intercept point of 8.6 dBm,a noise figure of 10.9 dB,a conversion gain of 14 dB,and has the highest figure-of-merit among other linearity improved mixers that have been previously reported.

linearity；transconductance amplifier；mixer；inductive source-degeneration

TN773

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.02.008

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（611101167）；2014年河南省教育廳基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究項(xiàng)目（14B510004）；河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(15A510001)

（2015-07-23）

張雷鳴（1980-），通信作者，男，碩士，講師，主要研究方向：混合信號(hào)集成電路、器件模型以及制造工藝等，E-mail：zlmdemail@163.com。

張金燦（1985-），男，博士，講師，主要研究方向：混合信號(hào)集成電路設(shè)計(jì)、超高頻大功率化合物半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)。

劉博（1982-），男，博士，講師，主要研究方向：混合信號(hào)集成電路、工藝波動(dòng)相關(guān)特性與成因。

中文引用格式：張雷鳴，劉博，張金燦.基于電感源極退化技術(shù)的高線性混頻器設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(2)：32-35.

英文引用格式：Zhang Leiming，Liu Bo，Zhang Jincan.Design of high linearity mixer using inductive source degeneration[J]. Application of Electronic Technique，2016，42(2)：32-35.