閃爍雜訊之分析

如圖(3.2)所示，一個 CMOS 的主動式混頻器包含輸入轉導級、

LO 的切換電晶體和輸出端的負載，這些部分的低頻雜訊都會進入電 路而對輸出端貢獻雜訊，以下就針對這三大部分來做各自對輸出端低 頻雜訊造成的影響的探討與分析。[2]

(1) 輸出負載

當我們使用電晶體作為主動式混頻器的負載時，它的閃爍雜訊會 對輸出端提供低頻雜訊，其關係為 ² 1

n

ox

V K

C WL f

  ，因此為了減少負

載所造成的閃爍雜訊，我們可選用不會造成閃爍雜訊的電阻來當負 載，不過這樣一來輸出振幅便會因為負載電阻吃掉壓降而減少。

(2) 輸入轉導級 上類似RF-to-IF feedthorugh，但是這個量一般來說很小。

由上面的分析我們可以觀察到，輸入轉導級的閃爍雜訊都被轉換 到較高的LO頻率去了，因此若RF、LO的頻率是大於f_c許多，那麼輸 入轉導級便不會對輸出端貢獻閃爍雜訊。

LO切換開關級的閃爍雜訊對混頻器造成的影響，可分為直接與 間接兩種，以下先討論何謂直接開關雜訊，間接開關雜訊稍後再談。

考慮圖(3.2)的電路，因為LO切換開關級閃爍雜訊的頻率很低，因 此其時間常數大的多，我們將伴隨的閃爍雜訊看成是圖(3.3)中緩慢變 化的V_n，輸入的LO訊號以弦波的方式呈現，假設在LO開關電晶體hard switch的狀況下，輸出端的電流是個頻率為_LO的方波，從圖中可以 看到，雖然輸出波形的振幅不變，但V_n的存在會使zero-crossing點被 誤認，有可能被提前或延後，這個誤差的時間為



tV t S_n

( )

，S 是LO 振幅的斜率，這樣的情況將會在輸出端形成雜訊脈衝，使得輸出端不 僅有我們要的訊號，還出現了雜訊脈衝，見圖(3.4)，由於一個週期內 會有2個zero-crossing點，所以雜訊脈衝出現的頻率為

2

_LO。

Vn

t Slope=S

Voltages at Switch Input

Noise Vn

time LO Voltage

(differential)

A

-A

圖(3.3) 閃爍雜訊造成zero-crossing誤差

t

Currents at Mixer output

time

圖(3.4) 因zero-crossing誤差在輸出端造成雜訊脈衝

接著，我們想估量雜訊脈衝在輸出端所造成的雜訊電流，將每個

間接開關雜訊主要由寄生電容造成，我們將以 LO 的輸入訊號為 完美方波(可完全開關)擺幅在V_H和V_L之間及弦波訊號兩種狀況下來 討論個別在輸出端所貢獻的低頻雜訊。當 LO 切換開關級可完全開關 時，如圖(3.5)所示，V_H是使 M1 或 M2 ON 的那個半週期的 DC 電壓，

Vn則是開關級的閃爍雜訊，為簡化分析將之歸納於 M1 的 gate 端，這 邊將它視為一方波來分析，其大小和頻率遠小於 LO 的方波大小和頻 率。

V

H

Cp I

0 Vn

VS

圖(3.5) 當LO開關級完全切換時半週期下的等效電路

在這樣的情況下，圖(3.5)中電晶體 source 端的寄生電容C_P便會受 到V_n的影響進行充放電的工作，會抽走或注入一小電流

i

_Cp，對應到 輸出端即等同一小電流i_o，因 M1、M2 輪流切換，以

2

_LO的頻率出 現，見圖(3.6)。

io

再來討論 LO 的輸入訊號為弦波的情形，間接開關雜訊如何對輸 出端貢獻低頻雜訊。同之前，在考慮一邊 ON 的時候，如圖(3.7)所示：

V

DC

C

p

I

0 Vn

VS

A

圖(3.7) 當LO輸入訊號為弦波半週期下的等效電路

除了V_n對輸出端造成雜訊電流 _{, ,}

o n Vn

i

外，LO 的弦波輸入訊號在這 邊會類似直接開關雜訊的機制，LO 的 zero-crossing 會因為V_n而位移



t，所以 ON 的時間增加或減少



t，而V t_r

( )

在



t的時間內會對C_P充 放電，tail current 也隨之變動等量的小電流，反應到輸出端即產生雜 訊小電流i_o，以

2

_LO的頻率出現，圖(3.8)可以幫助我們更加了解。

A

t

導出 _{, ,}

在文檔中 CMOS吉伯特混頻器之閃爍雜訊改進與60GHz覆晶封裝反對稱二極體混頻器 (頁 56-65)