被動混頻器的顫動雜訊

主動混頻器出現在輸出的顫動雜訊和LO切換級的偏壓電流成正 比[8]，這或許暗示了沒有偏壓電流的被動混頻器，其輸出端就沒有 顫動雜訊。因此有人會誤以為被動混頻器不具有顫動雜訊。然而事實 卻不然，不需要任何偏壓電流流過 LO切換級，顫動雜訊仍然會出現 在訊號的頻率附近[9]。 

在探討顫動雜訊之前，先比較主動混頻器和被動混頻器運作上的 差異。見圖(2.12)，主動式吉伯特混頻器用差動對切換訊號電流，然 而被動混頻器可以說是切換訊號電壓。其實被動混頻器可以依據其輸 入輸出阻抗的不同，分成電壓模式(voltage mode)和電流模式(current

mode)，在此討論操作在電壓模式的被動混頻器[10]。 

圖(2.12) 比較切換電流的雙平衡式主動混頻器和切換電壓的被動

FET 混頻器

對於主動混頻器而言，會將電晶體皆偏壓在飽和區(saturation

region)，藉由外加的LO訊號使切換級的差動對切換RF轉導級輸出

之電流，達到混頻的運作。但是對被動混頻器而言，不管將電晶體偏 壓在關閉區(off region)、飽和區(saturation region)或是三極管區(triode

region)，打入適當振幅大小的LO訊號皆可達到混頻的運作。因此，

被動混頻器的運作，可以依據電晶體偏壓操作區域的不同，分成關閉 重疊(OFF overlap)，零重疊(zero overlap)，和開啟重疊(ON overlap)， 見圖(2.13)。

  圖(2.13)   描述電壓切換模式的被動混頻器之關閉重疊(OFF

overlap)和開啟重疊(ON overlap)模式 

重 疊(overlap)是 指 一 個 在 LO 零 交 會 點 附 近 的 時 間 窗 口

(window)，在此時兩個具有相同輸出點的 FETs 會處於同一個狀態；

它們不是兩者都開啟(ON)，就是兩者都關閉(OFF)。在剩下的 LO 週 期，一個 FET 是開啟，另一個是關閉。由以上描述可知，傳統的主 動混頻器是操作在開啟重疊(ON overlap)，因為設計上會把全部的電 晶體偏壓在飽和區，使得在電流轉換區(transition region)，差動對的 兩個FETs都開啟(ON)。 

重疊的型態會由源極偏壓(或是差動對零交會點的電壓)和閘極 偏壓的相對值決定。見圖(2.12)，對NMOS 來說，若V_B + >V_t V_G，此 混頻器會操作在關閉重疊(OFF overlap)。這是假設 LO電壓的振幅大 於 V_B + −V_t V_G 。 若V_B + <V_t V_G， 此 混 頻 器 會 操 作 在 開 啟 重 疊(ON overlap)。若V_B + =V_t V_G，此混頻器會操作在零重疊(zero overlap)。不

同的重疊型態，混頻器輸出的雜訊頻譜密度(spectral density)會有很大 的不同。

以下分成開啟重疊(ON overlap)和關閉重疊(OFF overlap)來討論。

(1) 開啟重疊(ON overlap)：

見圖(2.12)，電晶體 M1 和 M2 偏壓在開啟重疊的時候，其導通

狀態和LO輸入波形的關係如圖(2.14)(a)。將圖(2.14)(a)的兩個圖形重 疊後畫在一起，可以得到圖(2.14)(b)最上方的圖形。

(a) (c)

(b) (d)

圖(2.14) 一連串脈衝之雜訊所造成的切換時間擾動模型。在開啟

重疊(ON overlap)，這個脈衝串具有2fLO的週期，然而在關閉 重疊(OFF overlap)，它的週期是 fLO

接下來使用和主動混頻器相同的分析方式[8]：理想上來說，當

顫動雜訊會和 IF 訊號會相撞。此外，如果一個很大且不想要的訊號 出現在 f_LO + f_in或3f_LO − f_in，它會堆積顫動雜訊(flicker noise)至IF訊 號的附近頻帶。而且混頻器的輸出雜訊正比於輸入訊號。若有很大且 不想要的訊號堆積顫動雜訊(flicker noise)到想要訊號的附近頻帶，那 麼訊號對雜訊比(SNR)會因為不想要的訊號之相對強度而變差。這對

性電路中，我們習慣藉由傳送訊號之大小來對抗固定的雜訊，如此訊 號對雜訊比(SNR)會隨著提高訊號的大小而改善。然而在此混頻器，

輸出的顫動雜訊(flicker noise)會隨著訊號的增加而上升，這意味著輸 出的訊號對雜訊比(SNR)和輸入訊號無關。這個訊號對雜訊比(SNR) overlap)模式下，顫動雜訊(flicker noise)出現的頻率會遠離訊號頻率。

然而，在混頻器的輸出端，若不想要的輸入訊號很大，在某些頻率會 堆積顫動雜訊(flicker noise)到想要的訊號。在關閉重疊(OFF overlap) 模式下，混頻器的輸出端，顫動雜訊(flicker noise)會和想要的訊號相 撞。當雜訊和訊號成正比，輸出的訊號對雜訊比(SNR)會由於顫動雜 訊(flicker noise)而變成常數，只能藉由更像方波的 LO訊號來改善，

也就是需要更大的LO power，增加訊號產生器的功率消耗。