单平衡混频器

如前面所述，单平衡混频器可以被视为两个单端混频器的组合。 图1显示了这样一个单平衡混频器核心，它集成了图 2中所示的两个单端混频器，共享一个公共晶体管 (M1)。

图1，单平衡 MOSFET 混频器

图2，单端 MOSFET 混频器

为了简化分析和讨论而不失一般性，如图1所示，我们假设晶体管M2+和M2−是相同的。 对于单端混频器，公共晶体管M1充当RF信号的放大器，以向上部晶体管M2+和M2-提供放大的RF信号，上部晶体管M2+和M2-充当由LO信号调制的开关。 LO 信号，即 LO+ 和 LO−，以相等的幅度但 180° 异相驱动晶体管 M2+ 和 M2−，即向这些晶体管提供差分信号。 差分LO信号可以直接从差分LO源获得或者通过LO巴伦从单端LO获得。

注意，提供给M2+和M2-的总LO功率是到达M2+或M2-的总LO功率的两倍，或者是单端混频器中使用的总LO功率的两倍。 在操作中，RF信号同相到达开关或混合晶体管M2+和M2−，而LO信号异相到达，因此在端口IF+和IF−处产生两个具有相等幅度和180°异相的输出信号 。 这两个输出信号可以通过巴伦以提供单端输出信号或直接用作后续组件的差分输出信号。 由于LO信号LO+和LO-具有相反的相位，因此它们在每个LO周期中交替地导通和截止相应的晶体管M2+和M2-。

当M2+在一个半LO周期内导通时，M2−截止，当M2+在下半个LO周期内截止时，M2−导通。 这样，在任何半个LO周期（即任何时刻），总是会发生混频，这与单端混频器每隔半个周期才进行混频不同。 因此，如果到达每个混频晶体管（M2+或M2−）源极的RF信号与馈送到混频器源极的RF信号相同，则预计输出信号将是图2中的单端混频器的混频晶体管M2的两倍。 单平衡混频器的设计可以直接基于其单端对应物的设计，并可能添加 LO 和 IF 巴伦。

我们假设晶体管M2+和M2−工作在线性区，晶体管M1工作在饱和区，LO信号是完美的方波信号，进入RF端口的RF信号是小信号 描述为 VRF(t) = VRF cos(2πfRFt)。 假设经晶体管M1放大的射频信号被分压并相等地进入晶体管M2+和M2−，则M2+或M2−的输入信号可写为：

其中 gm 是 M2+ 和 M2− 的跨导。 我们可以利用 前面的方程进行数学运算并排除所提供的直流电压 Vdd，在端口 IF+ 和 IF− 处写入输出电压，如下所示：

和

认识到 V− LO(t) = V+ LO(t)exp（jπ ）= −V+ LO(t) 且 V+ LO = V+ LO ≡ VLO。 然后，可以通过从 V+ IF(t) 中减去 V− IF(t) 来获得总输出电压或单端电压，如下所示：

再次值得注意的是，上面的方程中的VLO与单端混频器的VLO相同； 这意味着驱动单平衡混频器的总 LO 电压是单端混频器所需 LO 电压的 1.414 倍，或者说 LO 功率是其两倍。 因此，输出包含 fLO 及其奇次谐波和 (nfLO ± fRF) 处的信号，其中 n = 1, 3, 5, … 所需信号位于 fLO − fRF（对于下变频）或 fLO + fRF（ 用于上转换），而所有其他都是不想要的信号。

值得注意的是，与单端混频器相反，单平衡混频器的输出没有DC和RF分量，考虑到RF和DC信号到达混频晶体管M2+和M2−时同相，因此在减法点（单端输出端口）被抵消的事实，这是符合预期的。 这一优势是通过利用差分端口的独特属性而产生的，差分端口会拒绝任何公共信号（此处为 RF 和 DC），这将在差分放大器知识点中讨论。值得注意的是，分析需要完美对称的端口。 相对于放大级（M1），有两个开关级（M2+和M2−），因此不仅电气设计而且物理布局都需要仔细完成以确保对称性， 否则，将会导致性能下降。 此外，当 M2+ 开启时，开关 M2− 应完全关闭，反之亦然，以获得最佳性能。

fLO − fRF 处的输出电压幅度可以从上面的方程中获得为 gmRLVLOVRF∕π。 因此，单平衡混频器的电压转换增益可以确定为：

它等于单端混频器的转换增益。 这是预料之中的，因为虽然IF输出电压被组合，但构成单平衡混频器的两个单端混频器共享与单端混频器相同的RF信号。 然而，对于上面方程中中给出的单端混频器的变频增益Gse和Gsb，只能用于定性分析和估计变频增益。

如上一节所述，通过对混频和放大级采用更好的拓扑结构，可以实现更好的混频器性能。 这种提高混频器性能的概念已通过使用平衡开关级的单平衡混频器拓扑得到了证明，这表明需要平衡（差分）控制的 LO 信号，而不是单端混频器的不平衡开关级 。