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A high-dynamic, low noise CMOS transconductance mixer using low voltage MOS transistors

IP.com Disclosure Number: IPCOM000018101D
Original Publication Date: 2002-Feb-01
Included in the Prior Art Database: 2003-Jul-23
Document File: 1 page(s) / 169K

Publishing Venue

Siemens

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Dr. Peter Klein: AUTHOR

Abstract

Als Ziel beim Entwurf von CMOS transconductance Mischern gilt es, einen großen Dynamikbereich bzw. hohe Linearität bei gleichzeitig hoher Verstärkung (conversion gain), niedriger Rauschzahl und gerin- gem Stromverbrauch zu erzielen. Das Prinzip der sehr häufig in drahtlosen Kommuni- kationssystemen verwendeten aktiven CMOS Tran- sistor-Mischer ist in Abbildung 1 dargestellt.

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Bauelemente

Die Transistoren T1 und T2 wandeln eine differen-zielle� HF-Eingangsspannung� (V RF+� � -V RF- )� in� einStromsignal durch T1 und T2 um. Der Strom durchT1 bzw. T2 wird durch die Schalttransistoren T3, T4,T5 und T6 wechselweise (mit der LO-Frequenz) anden Ausgang V ZF+� und V ZF- . geschaltet. Durch dieWiderstände R1 und� R2� entsteht� die� differenzielleSpannung (V ZF+� - V ZF- ) am Mischerausgang.

Die Verstärkung A V� (conv. gain) ergibt sich in ersterNäherung aus A v =gm(T1(2)*R1(2). Mitgm=IDc(M1)/V GS- V TH ) und R1≈(V DD -(V GS -V TH ))/(2*IDc(R1))� ergibt� sich� eine� Verstärkung vonA v =1/2(V DD /(V GS -V TH )-1(IDC(M1)/IDC(R1)). Mit V GS -V TH >300mV� (aus� Linearitätsgründen), I1, I2=0A(=>IDC(M1(2))=IDC(R1(2)) und V DD =l.5V ergibt sichAv=2 (oder 6dB). Für V DD =2.5V beträgt die Verstär-kung Av etwa 12dB ist also um 6dB höher als beiV DD =l.5V. Wählt man I1=I2� >� 0A� kann� man� dieVerstärkung� weiter� erhöhen,� dies� führt� jedoch� zueinem� Verlust� an� Dynamik/Linearität (geringerer1dB compression point!).

Eine hohe Verstärkung ist wichtig, um die Gesamt-rauschzahl von Receivern klein zu halten und somiteine hohe Empfindlichkeit� zu� erzielen.� Man� wirdalso in der Regel hohe V DD -Spannungen verwendenwollen. Sogenannte Digitaltransistoren in modernenCMOS - Prozessen mit Gatelängen von beispielswei-se� 0.12� m� m halten Spannungen� von� lediglich� 1.5V

aus. Das� bedeutet,� dass� bei� V DD =2.5V� diese� nichtverwendet werden können und daher Analogtransis-toren mit Gatelängen von� � ‡� 0.4� m� m mit einem erlaub-ten Spannungsbereich bis 2.5V benutzt werden müs-sen. Da der Signal/ Rausch-Abstand am Mischeraus-gang mit der Transitfrequenz ft der Transistoren T1-T6 steigt, die Transitfrequenz von MOS -Transistoren� jedoch� proportional 1/L� a� � (mit� 1<� a� <2)ist, wirkt sich die Verwendung von Transistoren mitgroßen Kanallängen L ungünstig für die� noise figureNF von Mischern aus. Zusätzlich steigt der Strom-verbrauch durch die erhöhten MOS-Kapazitäten.

Erwünscht wäre also eine Ko...