一种能跟随MOS晶体管阈值电压的无源混频器偏置电路

摘要

本发明一般涉及一种无源混频器偏置电路，更确切的说，本发明涉及一种用于稳定无源混频器特性的能跟随MOS晶体管阈值电压的无源混频器偏置电路。本发明涉及的无源混频器的偏置电路，在不同的工作环境下，可以稳定无源混频器的转换增益，线性度，噪声等性能，偏置电路主要包括阈值电压自偏置参考电路产生电流源，以及串联电阻形成的MOS阈值电压跟随装置。无源混频器的特性(转换增益，线性度，噪声等)可以通过偏置电路在不同的工艺CORNER、电压、温度条件下，跟随MOS晶体管的阈值电压来达到很好的稳定。

说明书

技术领域

本发明一般涉及一种无源混频器偏置电路，更确切的说，本发明涉及一 种用于稳定无源混频器特性的能跟随MOS晶体管阈值电压的无源混频器偏 置电路。

背景技术

无源混频器具有功耗低、线性度高的特点，在RF射频收发器系统中得 到广泛应用。至关重要的是，在实际应用中，无源混频器的转换增益、线性 度、噪声等性能指标需要维持稳定。对于无源混频器件而言，由于受到工艺、 电压、温度等外在因素、环境的影响，毫无疑虑的是，无源混频器为了保持 稳定的性能，必须要求其偏置电压能很好的跟随MOS管的阈值电压变化。

在现有技术中，无源混频器的偏置电路很难在具有实际应用意义的同时 能顾及无源混频器的转换增益、线性度、噪声等性能，故而，导致在不同环 境下，无源混频器件性能变化幅度较大，进一步则导致RF射频及类似功能 的接收机的灵敏度、交调等特性不稳定，以至于功能失效。基于解决上述性 能稳定性问题，本发明在下文中提供一种无源混频器偏置电路。

发明内容

鉴于此，为了解决上述局限和难题，本发明的一个方面就在于提出了一 种无源混频器偏置电路，具有的偏置电路用于产生偏置电压，并进一步通过 偏置电阻提供给无源混频器。

本发明的一种能跟随MOS晶体管阈值电压的无源混频器偏置电路，通 过产生第一偏置电压V_g和第二偏置电压V_o分别给无源混频单元的本地振荡 输入端和射频输入端提供偏置，包括：

一阈值电压自偏置参考电路，用于产生参考电流I₀，阈值电压自偏置参 考电路具有构成电流镜的第三晶体管M₂、第四晶体管M₃，并进一步包含第 一晶体管M₀、第二晶体管M₁及第一电阻R₀；以及

一阈值电压跟随单元，参考电流I₀通过第三晶体管M₂和第四晶体管M₃构成的电流镜输入给阈值电压跟随单元，用于控制阈值电压跟随单元产生第 一偏置电压V_g和第二偏置电压V_o并提供给无源混频单元；

其中，阈值电压跟随单元包括第五晶体管M₄和第二电阻R₁、第三电阻 R₂，第三电阻R₂连接到第五晶体管M₄的漏极，第三电阻R₂的另一端与第 二电阻R₁连接，第二电阻R₁的另一端接地。

上述的能跟随MOS晶体管阈值电压的无源混频器偏置电路，在阈值电 压自偏置参考电路中：

第一晶体管M₀的栅极耦合到第二晶体管M₁的源极，第一晶体管M₀的 源极接地，第一电阻R₀的一端连接在第一晶体管M₀的栅极和第二晶体管 M₁的源极上，第一电阻R₀的另一端接地；

第二晶体管M₁的栅极耦合到第一晶体管M₀的漏极，并且第三晶体管 M₂的漏极耦合到第一晶体管M₀的漏极，第四晶体管M₃的漏极耦合到第二 晶体管M₁的漏极。

上述的能跟随MOS晶体管阈值电压的无源混频器偏置电路，本地振荡 输入端包括：

第一本振输入端LOP和第二本振输入端LOM，本振信号通过第一本振 输入端LOP和第二本振输入端LOM差分输入给无源混频单元；

其中，第一本振输入端LOP通过一第四偏置电阻R₆连接在第五晶体管 M₄的漏极与第三电阻R₂之间的结点上；

第二本振输入端LOM通过一第三偏置电阻R₅连接在第五晶体管M₄的 漏极与第三电阻R₂之间的结点上。

上述的能跟随MOS晶体管阈值电压的无源混频器偏置电路，射频输入 端包括：

第一射频输入端RFP和第二射频输入端RFM，射频信号通过第一射频 输入端RFP和第二射频输入端RFM差分输入给无源混频单元；

其中，第一射频输入端RFP通过一第二偏置电阻R₄连接在第三电阻R₂与第二电阻R₁之间的结点上；

第二射频输入端RFM通过一第一偏置电阻R₃连接在第二电阻R₁与第 三电阻R₂之间的结点上。

上述的能跟随MOS晶体管阈值电压的无源混频器偏置电路，第一偏置 电压V_g通过第四偏置电阻R₆为为第一本振输入端LOP提供偏置，第一偏置 电压V_g通过第三偏置电阻R₅为第二本振输入端LOM提供偏置；

第二偏置电压V_o通过第二偏置电阻R₄为第一射频输入端RFP提供偏 置，第二偏置电压V_o通过第一偏置电阻R₃为第二射频输入端RFM提供偏 置。

上述的能跟随MOS晶体管阈值电压的无源混频器偏置电路，通过构成 电流镜的第三晶体管M₂和第四晶体管M₃，控制流过第一晶体管M₀的电流 与流过第二晶体管M₁的电流相同。

上述的能跟随MOS晶体管阈值电压的无源混频器偏置电路，第三晶体 管M₂和第四晶体管M₃均为MOS晶体管。

上述的能跟随MOS晶体管阈值电压的无源混频器偏置电路，无源混频 单元包含组成核心电路的四个MOS晶体管及用于输出中频信号的两个中频 输出端IFP、IFM。

上述的能跟随MOS晶体管阈值电压的无源混频器偏置电路，进一步包 括：一个电压提供端V_cc端；其中，电压提供端V_cc端连接在第三晶体管 M₂的源极、第四晶体管M₃的源极、第五晶体管M₄的源极上；以及

第五晶体管M₄的基极耦合到第三晶体管M₂的基极与第四晶体管M₃的 基极。

在一个优选实施例中，上述的能跟随MOS晶体管阈值电压的无源混频 器偏置电路，阈值电压自偏置参考电路包含利用深亚微米CMOS技术制造的 CMOS晶体管。

本领域的技术人员阅读以下较佳实施例的详细说明，并参照附图之后， 本发明的这些和其他方面的优势无疑将显而易见。

附图说明

参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅 用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。

图1是本发明的一个优选实施例的电路结构示意图。

具体实施方式

根据本发明的权利要求和发明内容所公开的内容，本发明的技术方案具 体如下所述：

参见图1所示，在能跟随MOS晶体管阈值电压的无源混频器偏置电路 中，展示于图中的偏置电路100包含一阈值电压自偏置参考电路110，用于 产生参考电流I₀，阈值电压自偏置参考电路110具有构成电流镜的第三晶体 管M₂、第四晶体管M₃，并进一步包含第一晶体管M₀、第二晶体管M₁及第 一电阻R₀，其中，流过第四晶体管M₃的参考电流I₀将作用于下文涉及的阈 值电压跟随单元120。阈值电压自偏置参考电路110涉及的晶体管包含利用 深亚微米CMOS技术制造的CMOS晶体管。

参见图1所示，阈值电压自偏置参考电路110的一个优选实施方式具体 是，第一晶体管M₀的栅极耦合到第二晶体管M₁的源极，第一晶体管M₀的 源极接地(GND)，第一电阻R₀的一端连接在第一晶体管M₀的栅极和第二 晶体管M₁的源极上，第一电阻R₀的另一端接地(GND)。

第二晶体管M₁的栅极耦合到第一晶体管M₀的漏极，并且第三晶体管 M₂的漏极耦合到第一晶体管M₀的漏极，第四晶体管M₃的漏极耦合到第二 晶体管M₁的漏极。

参见图1所示，展示于图中的偏置电路100包含一阈值电压跟随单元 120，其中，阈值电压跟随单元120包括第五晶体管M₄和第二电阻R₁、第 三电阻R₂，并由它们构成电路，在一个实施例中，第三电阻R₂连接到第五 晶体管M₄的漏极，第三电阻R₂的另一端与第二电阻R₁连接，第二电阻R₁的另一端接地(GND)。

阈值电压自偏置参考电路110还包括一个电压提供端的V_cc端，其中， V_cc端连接在第三晶体管M₂的源极、第四晶体管M₃的源极、第五晶体管 M₄的源极上；第五晶体管M₄的基极耦合到第三晶体管M₂的基极与第四晶 体管M₃的基极，第三晶体管M₂的基极与第四晶体管M₃的基极均耦合到M₃的漏极。

参见图1所示，展示于图中的偏置电路100还包含无源混频单元130， 无源混频单元130包含组成无源混频核心电路的四个MOS晶体管及用于输 出中频信号的两个中频输出端IFP、IFM。

无源混频单元130设有本地振荡输入端和射频输入端，本地振荡输入端 包括第一本振输入端LOP和第二本振输入端LOM，本振信号通过所述第一 本振输入端LOP和第二本振输入端LOM差分输入给无源混频单元130。

其中，第一本振输入端LOP通过一第四偏置电阻R₆连接在第五晶体管 M₄的漏极与第三电阻R₂之间的结点上；第二本振输入端LOM通过一第三 偏置电阻R₅连接在第五晶体管M₄的漏极与第三电阻R₂之间的结点上。

参见图1所示，无源混频单元130的射频输入端包括第一射频输入端 RFP和第二射频输入端RFM，射频信号通过第一射频输入端RFP和第二射 频输入端RFM差分输入给无源混频单元。

其中，第一射频输入端RFP通过一第二偏置电阻R₄连接在第三电阻R₂与第二电阻R₁之间的结点上；第二射频输入端RFM通过一第一偏置电阻 R₃连接在第二电阻R₁与第三电阻R₂之间的结点上。

在上述的偏置电路100中，阈值电压跟随单元120通过产生第一偏置电 压V_g和第二偏置电压V_o分别给无源混频单元130的本地振荡输入端和射频 输入端提供偏置。

阈值电压自偏置参考电路110，用于产生参考电流I₀，参考电流I₀通过 第三晶体管M₂和第四晶体管M₃构成的电流镜输入给阈值电压跟随单元 120，用于控制阈值电压跟随单元产生第一偏置电压V_g和第二偏置电压V_o并提供给无源混频单元；具体而言，参考电流I₀产生一个加载在第五晶体管 M₄栅极的信号，控制第五晶体管M₄的导电沟道的宽度从而控制第五晶体管 M₄的导电性，用于控制阈值电压跟随单元120产生位于第五晶体管M₄的漏 极与第三电阻R₂之间的结点上的跟随电压V_g，以及产生位于第二电阻R₁与 第三电阻R₂之间的结点上的跟随电压V_o，跟随电压V_g、V_o即是作用于无源 混频单元130的偏置电压。同时，将第一偏置电压V_g、第二偏置电压V_o提 供给无源混频单元130的本振输入端和射频输入端。

参见图1所示，无源混频单元130中，第一偏置电压V_g分别通过第四 偏置电阻R₆、第三偏置电压R₅为第一本振输入端LOP、第二本振输入端 LOM提供偏置；第二偏置电压V_o分别通过第二偏置电阻R₄、第一偏置电 阻R₃为第一射频输入端RFP、第二射频输入端RFM提供偏置。

通过构成电流镜的MOS(Metal-Oxide Semiconductor)第三晶体管M₂和第四晶体管M₃，控制流过第一晶体管M₀的电流与流过第二晶体管M₁的 电流相同。阈值电压跟随单元120中，产生电流I₁，电流I₁流经第五晶体管 M₄，电流I₁和第三电阻R₂之乘积即为第一晶体管M₀的栅源电压V_GS，并且， 满足下述要求：

$V_{\mathrm{GS}}=V_{\mathrm{th}}+\sqrt{2I/\beta }$

如果如果β比较大，V_GS≈V_th

I₁＝m＊I₀(m由M₃和M₄的沟道宽度与长度的比值W/L确定)

取R₂＝R₀/m，则V_g-V_o＝I₁＊R₂≈V_th

这样，第二偏置电压V_o可以通过改变第二电阻R₁的值来改变，其大小 可通过后面的电路的输入共模电压来确定，同时，还能保持(V_g-V_o)的值不 变。V_g和V_o通过偏置电阻R₃R₄R₅R₆分别送给无源混频器的本振LO输入 端和射频RF输入端。

由此，本实施例在涉及关于射频接收机中无源混频器的偏置电路的设计 中提供了一个优选方案，同时，以及借助深亚微米CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)技术实现的接收机中，为混频器的性能稳定提 供了一种解决方案。本发明不仅适用于低功耗蓝牙收发器接收机，在非标准 2.4GHz收发机等低功耗设备及芯片中同样具有吉尔伯托等有源混频器无法 比拟的优点。

由于采用了以上方案，使得本发明具有以下有益效果：在低中频蓝牙应 用的2.4GHz、0.18um、1P6M的CMOS无源混频器中，其增益、线性度、 噪声得到稳定，有益效果是，整个蓝牙接收机灵敏度、交调在不同工作环境 下，得到很好的稳定。配置此偏置的无源混频器，同样可以应用于射频发射 机中。

通过说明和附图，给出了具体实施方式的特定结构的典型实施例。尽管 上述发明提出了现有的较佳实施例，然，这些内容并不作为局限。本领域的 技术人员应掌握，本发明具有多种其他特殊形式，无需过多实验，就能将本 发明应用于这些实施例。

对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将 显而易见。例如，本发明是以MOS晶体管为例说明，根据同样的发明理念， 本发明也可应用于双极晶体管电路。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖 本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所 有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。