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混频器实验总结报告.docx

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.31M 资料格式：docx 举报 版权申诉
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    混频器实验总结报告
    1 混频器电路概述
    1.1 传输增益/损耗
    1.2 非线性效应
    1.2.1 1dB增益压缩点
    1.2.2 三阶交调截点(IP3)
    1.3 隔离度
    1.4 噪声
    2 混频器电路功能介绍
    3 混频器电路原理分析
    4 混频器电路性能指标的确定
    5 混频器电路中器件类型和尺寸的确定
    6.实验步骤及实验结果
    6.1 频谱及噪声系数的仿真
    6.2 射频输入功率和本振功率对噪声系数的影响
    6.3 1dB功率压缩点的仿真
    6.4 三阶交调的仿真
    7 基于跨导互补结构的电流注入混频器
    7.1 电路结构
    7.2 仿真结果及分析
    混频器实验总结报告 目录 混频器实验总结报告............................................................................. 1 1 混频器电路概述................................................................................. 2 1.1 传输增益/损耗..........................................................................3 1.2 非线性效应............................................................................... 3 1.2.1 1dB 增益压缩点...............................................................4 1.2.2 三阶交调截点(IP3).......................................................... 5 1.3 隔离度....................................................................................... 5
    1.4 噪声...........................................................................................5 2 混频器电路功能介绍......................................................................... 6 3 混频器电路原理分析......................................................................... 7 4 混频器电路性能指标的确定..............................................................8 5 混频器电路中器件类型和尺寸的确定.............................................. 8 6.实验步骤及实验结果.......................................................................... 9 6.1 频谱及噪声系数的仿真............................................................9 6.2 射频输入功率和本振功率对噪声系数的影响.......................11 6.3 1dB 功率压缩点的仿真............................................................13 6.4 三阶交调的仿真......................................................................14 6.5 实验结果分析......................................................................... 14 7 基于跨导互补结构的电流注入混频器............................................ 15 7.1 电路结构................................................................................. 16 7.2 仿真结果及分析......................................................................16 1 混频器电路概述 混频器是通信系统中的重要模块之一。混频器位于低噪声放大器 (Low Noise Amplifier，LNA)之后，将 LNA 放大后的射频信号与来自 压控振荡器的本振信号实现频率的相减，变换为一个较低频率的中频 信号。混频器是基于时域中两个信号的相乘来实现频率变换的，基本 工作原理如下： 假设本振(LO)信号为： ( ) v t lo  A lo cos w t lo (1)
    输入信号为频率调制的单边带信号： ( ) v t in  A in cos( w c ) t   其中 cw 为载波频率，  为调制信号频率。 二者相乘得： v out ( ) t  1 2 A A LO in [cos(   ) w w t c  LO  cos(   ) ] w w t c  LO (2) (3) 其中设中频(IF)信号为： IF w  w w c  。 LO 理想乘法器进行的频谱变换是一种频谱的线性搬移过程，输出信 号仅包含输入信号与本振信号的差频与和频分量，并无其他频率分量。 混频器在接收机中占有举足轻重的地位，因此有必要明确混频器 的各项性能参数从而可以综合评价混频器的性能。混频器最主要的性 能指标是传输增益/损耗，线性度和噪声其他还有隔离度、质量因数 (FOM)等。 1.1 传输增益/损耗 混频器的频率转换效率由传输增益/损耗来衡量。为了避免混淆， 我们将混频器的传输增益分为电压传输增益和功率传输增益。 电压传输增益定义为输出信号电压有效值与输入信号电压有效 值的比值。功率传输增益定义为输出信号功率与输入信号功率的比值。 若比值为正，则表示混频器有传输增益；若比值为负，则表示混频器 有传输损耗。若混频器的输入阻抗和负载阻抗均与源阻抗相等，则混 频器的电压传输增益与功率传输增益相等。具有传输增益的混频器可 降低下一级电路在传输增益和噪声方面的要求。 1.2 非线性效应 当射频信号通过放大器或混频器时，由于晶体管的非线性特性， 输出端将产生高次谐波和交调信号。这些高次谐波和交调信号会使晶 体管饱和，从而恶化整个电路的线性度。在直接降频混频器中，偶次 谐波信号会恶化电路性能。 在非线性系统中，我们可将Vout表示成Vin的正多项式：
    V out  ( f V in )  a V 1 in  2 a V 2 in  3 a V 3 in  L (4) 假设输入信号X(t)为正弦波: ( ) x t  A cos wt 则输出信号为: 2 ( ) ( ) a x t y t  2 wt a A  3 4 ( ) a x t   1 cos a A  1 2 a A 2 2 a A 1    ( 2 直流偏移 基波分量 3 ( ) K a x t  3 2 2 cos wt a A  3 a A 3 3 )cos wt  3 3  wt K cos 2 a A 2 2 二次谐波 cos 2 wt (5)  3 a A 3 4 cos3 wt K  三次谐波 正弦波的偶次分量会产生直流偏移，容易导致下级电路饱和。正 弦波的奇次分量产生基波量。当幅度A较小时，高次分量可忽略不计。 对于大多数电路，当提高输入电平时，输出电平会出现饱和现象。通 常我们采用1dB压缩点(P1dB)和三阶交调截点(IP3)来衡量电路的非 线性特性。 1.2.1 1dB 增益压缩点 一般而言，我们期望输出信号对输入信号呈正比关系，但这仅局 限在小信号工作状态、不超过电路饱和工作点的情况下；当输入信号 超过一定功率值后，输出功率和输入功率的比值就不再是线性关系， 电路将达到饱和区，输出信号因失真而使得增益下降。 定义当输出功率低于理想线性关系对应的输出功率1dB时，即为 1dB增益压缩点(PldB)。如下图所示： 图1 1dB压缩点
    1.2.2 三阶交调截点(IP3) 当两个信号频率接近且功率相等时，会产生许多交调分量。当相 同功率的相邻信道的干扰噪声输入非线性系统或电路后，其三阶交调 分量将对我们所需要的信号造成很大影响。当干扰信号功率还小时， 其三阶交调分量会小于我们的接收信号，这样尚可正确接收到信号进 行解调；但当干扰信号功率逐渐增大时，三阶交调分量的功率会成倍 增加，最后其功率与所要接受的信号相等，此时干扰信号的输入功率 值称为系统的输入三阶交调截点;而输出端的干扰信号功率称为系统 的输出三阶交调截点。若干扰的输入噪声在持续增大，其三阶交调信 号将大于我们所要接收的信号，严重影响所需信号的接收。 三阶交调截点定义为基波分量与三阶交调分量两条曲线的交点。 图2 三阶交调截点 1.3 隔离度 混频器为三端口电路，分别为输入、输出和本振信号端口。隔离 度是用来衡量各端口相互影响的程度。理想的混频器，输入信号与本 振信号不应出现在输出端口，本振信号不应出现在输入端口。由于电 路本身的寄生效应，或差分电路的不完全对称特性，会导致某个端口 信号耦合到其他端口。 1.4 噪声 噪声是与信号无关的随机信号。噪声会限制一个通信系统的灵敏 度。一般来说，噪声源有两种：电子噪声和环境噪声。环境噪声是电
    路在通过电源、地或衬底时的随机信号波动。晶体管的电子噪声分为 电阻热噪声、MOS管沟道噪声和闪烁噪声。 混频器最普遍的电路拓扑结构是双平衡结构吉尔伯特模拟乘法 器。吉尔伯特单元在多个性能之间做权衡，且电路结构简单，因此被 广泛应用于有源混频器的设计。 2 混频器电路功能介绍 图 3 本设计测试电路图 电路功能：输入2500MHz的射频信号和2250MHz的本振信号，通过 混频器后输出250MHz的中频信号。
    3 混频器电路原理分析 图 4 本设计混频器电路图 上图所示的双平衡GILBERT混频器电路由跨导级，开关级和负载 级组成。通过LO开关电路(M1～M4)对RF互导电路(M5，M6)形成的RF 电流信号进行开关调制，实现混频功能。由于将射频RF电压信号经由 跨导放大器将信号转化为电流信号，电流经过本振LO切换开关晶体管 产生混频效果，混频量的其中一项为中频混频电流信号，将此中频电 流信号乘上负载阻抗，既可获得中频电压信号，这样等效于射频RF 信号乘上本振LO频率的方波。混频器的闪烁噪声可以看成是由跨导级， 开关级和负载级分别产生的。由于负载级是由多晶硅电阻构成的，因 此，通常认为负载级对闪烁噪声没有贡献。跨导级在输出中频信号带 宽内不贡献一阶闪烁噪声分量，事实上，跨导级的闪烁噪声被上变频 到本振频率上。所以混频器的闪烁噪声主要由开关对决定。 M7，M8和M9分别构成两对电流源，以提供电流偏置。
    4 混频器电路性能指标的确定 主要技术参数如下： 本振输入频率：2250MHz RF输入频率：2500MHz 本振输入功率：5dBm RF输入功率：-30dBm 中频输出频率：250MHz 转换增益：>8 噪声系数：<10 工作电压：2.5V 1dB功率压缩点:>1dBm 三阶交调截取点：>11dBm 混频器是接收机的主要模块之一，位于低噪声放大器之后，其噪 声系数对系统灵敏度性能的影响显著。降低混频器噪声系数，可以降 低系统噪声系数，同时减轻低噪声放大器的设计压力，因此混频器的 噪声系数越小越好。当本振输入功率太小，或者RF输入功率太大时， 将会严重影响中频输出噪声系数。如下图所示： 图 5 本振功率和射频功率对噪声系数的影响 本振输入功率一般选5dBm到10dBm，本设计中选5dBm；RF输入功 率一般选-10dBm一下，本设计中选-30dBm。 5 混频器电路中器件类型和尺寸的确定 设 10 ,    R s L 0.3 , um V t  0.67 V ，下面以 7.5dB 的电压增益为例来确
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