输入信号Vin=Vin1-Vin2，M1、M2管的栅源电压差分别为Vgs1、Vgs2，则M1、M2管的源极电压Vb1=Vin1-Vgs1，Vb2=Vin2-Vgs2。电阻R两端的电压为VR=Vb1-Vb2=Vin-（Vgs1-Vgs2），因此，只要满足Vgs1-Vgs2=0，那么，电阻R两端的电压就能够精确反映输入电压的变化。电路中，M1、M3、M5和M7管构成一个负反馈网络，钳制住M3管的漏电压，即Vb1。这样，通过电阻R的电流IR=VR/R=Vin/R.通过电阻R的电流是M3、M4的电流差，M11和M12管复制了M3和M4的电流，进而，由（1）、（2）式，可得Iout=Iout+-Iout-=（ID1-ID2）sgn（x）=94<（I0+IR）-（I0-IR）>sgn（x）=2IRsgn（x）=2Vinsgn（x）/R由此可见，基带输入Vin与Iout之间呈现较好的线性关系。
跨导放大电路和Gilbert单元均采用了共模反馈（CMFB）电路。其目的有两个：一是为输出节点提供一个稳定的共模电平；二是减小共模增益，提高共模抑制比。为了增加动态输出范围，设计时，尽量减少电源与地之间MOS管的层叠，所以，Gilbert单元去掉了尾电流，以此增加输出摆幅。但是，这样会降低对共模信号的抑制能力，因此，采用共模反馈技术来补偿这一缺陷。
上变频器的设计设计的上变频器LO2输入为4GHz，将正交调制器输出信号上变频至5GHz.根据级联电路的线性度（IIP3）计算公式：IIP3=<1IIP31+Av1IIP32>-1可知，当前级电路的增益足够大时，线性度主要取决于后级电路。因此，设计时，在保证正交调制器一定增益的基础上，通过改善上变频器的线性度，来提高整个电路的线性度。
如所示，上变频器仍采用Gilbert单元的双平衡混频器。但是，上变频器位置介于正交调制器和功率放大器之间，因此，比较容易受到正交调制器产生的奇次谐波和功率放大器产生的强信号干扰。
而且，由于上变频器的输出频率为5GHz，电源电压为1.8V，如果使用PMOS或电阻作为负载，那么，在Gilbert单元漏极输出端要求大的电压摆幅势必很难实现，故继续使用正交调制器中的PMOS作负载是不恰当的。因此，在上变频器的Gilbert单元中，采用RLC谐振网络作负载。
由于RLC谐振器负载具有选频特性，不仅可以提高Gilbert单元的输出电压上限，还能提高混频器在5GHz频率上的增益，同时，RLC网络还抑制了其他高频奇次谐波。如所示，谐振网络在5GHz的频率上增益达到最大，同时，通过提高RLC网络的Q值，使得系统对频率的选择性更强。
不过，用LC谐振网络作负载的缺点是面积大，而且电感模型有一定的误差，Q值也比较小。由于工作频率比较高，本振信号很容易通过衬底馈通到输出端，因此，在上变频器设计中，本振泄漏也将是设计中考虑的重点。
芯片验证版图设计本文设计采用TSMC0.18mCMOS混合信号工艺实现，共6层金属，芯片面积0.93mm0.91mm.是电路芯片照片。版图设计时，尽量保持结构对称，由于本振功率较大，要重点考虑衬底串扰噪声，如在电路周围加保护环，有效降低本振泄漏、谐波失真等。
仿真结果电源电压采用1.8V，与文献<4>、<5>相比，仿真结果显示具有很高的线性度，1dB压缩点P1-dB为-2.5dBm，50负载电压增益为1.9dB，静态电流31.83mA，邻近信道功率比小于-12.8dBc；1GHz的本振泄漏，经过上变频器后调制至5GHz，其输出功率小于-50dBm.后仿真时，通过Spectre中的周期性稳态分析PSS，可以看到清晰的调制波形，如所示。
芯片测试与分析芯片测试在Cascade探针台上进行，1GHz本振差分信号由AdvantestD3186产生的时钟信号提供；10MHz基带信号和4GHz信号均由AgilentE4438c矢量信号发生器产生，而4GHz差分信号须经过Balun产生。电源电压采用1.8V，测试得输入输出端口的直流偏置与仿真结果基本一致，静态电流为30mA，输入P1dB压缩点为1dBm.
给出了频谱分析仪HP86100A测得的电路单端输入的输出频谱。从图中可以看出，芯片调制频谱良好。
电路输出频谱Fig.6Theoutputspectrumofthemixer从测试结果可以看出，直流工作点、静态功耗和本振泄漏与仿真结果一致，P1dB为-1.5dBm，略高于仿真值。对电路增益进行测试时，发现最大增益出现在4.4GHz，对应的本振LO2的频率为3.4GHz.其主要原因是由于片上电感的实际值高于仿真值，造成RLC谐振频率下降。在4.4GHz频率上，对电路重新测试，得电压增益为-2.4dB，P1dB为-8dBm，静态电流为31mA，本振泄漏小于-50dBm，测试结果与仿真结果基本一致。
结束语采用全差分结构，完成了正交调制器和上变频器的设计。测试结果表明，芯片实现了良好的调制功能，具有较大的带宽。由于电感的工艺和模型误差，使最后整个电路工作在4.4GHz频率上。在该谐振点上，静态功耗、本振泄漏、增益及P1dB等技术指标均达到设计要求。
本文关键字：变频器 应用案例，变频技术 - 应用案例
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