專利名稱：低壓混頻器電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及混頻器電路，更具體地、但不獨(dú)占地，涉及適用于低壓應(yīng)用的混頻器電路。
背景技術(shù)：
混頻器電路是射頻(RF)裝置中的重要構(gòu)成塊，并合并第一和第二頻率處的輸入信號(hào)，以生成輸出信號(hào)，該輸出信號(hào)具有第一和第二頻率之和處的頻率、以及第一和第二頻率之差處的頻率的分量。
噪聲和線性表示晶體管抽象等級(jí)上的混頻器電路的合成期間的主要設(shè)計(jì)約束條件。影響混頻器電路設(shè)計(jì)的另一因素是要求快速雙極或CMOS工藝的擊穿電壓降低以應(yīng)對(duì)工藝中所期望的轉(zhuǎn)換頻率增長。在一些情況下，電池操作和有限的電量將會(huì)限制可用的供電電壓。
只要CMOS工藝中的閾值電壓繼續(xù)減小，CMOS器件就可以以比等效雙極器件低的供電電壓進(jìn)行操作。另一方面，對(duì)于雙極器件，出于量子力學(xué)原因，不能減小基極-發(fā)射極電壓，在一些現(xiàn)代SiGe工藝中，這些電壓增加了。結(jié)果，RF構(gòu)成塊的線性隨供電電壓的降低而變差，并且許多現(xiàn)有的RF構(gòu)成塊將無法滿意地工作。
此外，用于近來開發(fā)的SiGe工藝的2V擊穿電壓需要供電電壓的顯著降低。
單片雙極RF混頻器電路的最普通形式之一是如圖1所示的雙均衡吉爾伯特混頻器(Gilbert mixer)。混頻器2具有第一差分放大器級(jí)4，該第一差分放大器級(jí)4具有第一和第二晶體管Q1和Q2，第一和第二晶體管Q1和Q2上施加差分本地振蕩信號(hào)來調(diào)整負(fù)載電阻器RL中的電流量；以及輸出端6，在此生成第一輸出電壓。差分本地振蕩信號(hào)也施加于第二差分放大器級(jí)8，該第二差分放大器級(jí)8具有第三和第四晶體管Q3、Q4，負(fù)載電阻器RL和生成第二輸出電壓的輸出端10。第二和第三晶體管Q2、Q3的集電極分別與第二和第一輸出端6、10連接。
晶體管Q1、Q2、Q3和Q4的跨導(dǎo)取決于每個(gè)晶體管的發(fā)射極電流，通過在分別位于第一和第二放大器級(jí)4、8尾部的第五和第六晶體管Q5、Q6之間施加差分射頻(RF)信號(hào)來調(diào)整該發(fā)射極電流。結(jié)果，輸出端6、10上的差分電壓信號(hào)具有與本地振蕩和RF信號(hào)的乘積成正比的分量。作為三角恒等式的結(jié)果，出現(xiàn)于輸出端6、10之間的差分輸出信號(hào)具有頻率在本地振蕩器頻率與RF頻率之和處的頻率、以及在這些頻率之差處的分量。通過采用輸出端6、10之間的差分輸出電壓，從輸出信號(hào)中去除了和頻率與差頻率分量之外的其他項(xiàng)。
盡管圖1中示出的吉爾伯特混頻器可以提供轉(zhuǎn)換增益，需要非常低的功率來驅(qū)動(dòng)本地振蕩器端口，提供了在信號(hào)端口之間的良好絕緣，并且在輸出頻譜中不具有本地振蕩器信號(hào)的分量，但是如果期望以低供電電壓進(jìn)行操作，則具有多個(gè)缺點(diǎn)。具體地，在低供電電壓應(yīng)用中，圖1混頻器中示出的晶體管的堆疊(stacking)不太可能進(jìn)行良好的工作操作。另外，RF輸入端口不匹配，因此對(duì)信號(hào)發(fā)生器表現(xiàn)出高阻抗。此外，將信號(hào)處理能力限制于低于閾值電壓，而不是依據(jù)閾值電流。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例設(shè)法提供混頻器電路，該混頻器電路適于通過雙極組件來實(shí)現(xiàn)，并且在低供電電壓保持線性。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種混頻器電路，包括-電流源；-第一差分放大器，與所述電流源相連，并且所述第一差分放大器具有至少一個(gè)輸入端，用于接收相應(yīng)的第一輸入信號(hào)；至少一個(gè)輸出端，用于提供相應(yīng)的輸出信號(hào)；以及相應(yīng)的第一阻抗，與至少一個(gè)所述輸出端連接，從而在每個(gè)所述第一阻抗中的電流取決于所述第一輸入信號(hào)；-電流調(diào)整部分，與所述第一差分放大器中的至少一部分并聯(lián)連接，并且所述電流調(diào)整部分具有至少一個(gè)第一晶體管，具有用于接收第二輸入信號(hào)的相應(yīng)第二輸入端，從而將相應(yīng)的所述第一輸入信號(hào)施加于所述或每個(gè)所述第一輸入端、以及將相應(yīng)的所述第二輸入信號(hào)施加于所述或每個(gè)所述第二輸入端在所述或每個(gè)所述輸出端處生成了相應(yīng)的輸出信號(hào)，所述輸出信號(hào)包括頻率在第一和第二輸入信號(hào)的頻率之和處、以及在所述第一和第二輸入信號(hào)的頻率之差處的分量；以及-線性化裝置，用于減小與所述或每個(gè)所述第一輸入信號(hào)相對(duì)應(yīng)的相應(yīng)所述輸出信號(hào)的失真。
通過提供與第一差分放大器的至少一部分并聯(lián)連接的電流調(diào)整部分、以及用于減小與所述或每個(gè)所述第一輸入信號(hào)相對(duì)應(yīng)的相應(yīng)輸出信號(hào)的失真的線性化裝置，提供了避免如圖1所示的吉爾伯特混頻器中所必需的晶體管堆疊的優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)果是，混頻器在比現(xiàn)有技術(shù)低的供電電壓時(shí)也進(jìn)行滿意地操作。具體地，通過提供與第一差分放大器并聯(lián)的晶體管，可以在不需要圖1的吉爾伯特單元的大壓降的情況下，通過第二輸入信號(hào)來調(diào)整差分放大器電流。
線性化裝置可以包括至少一個(gè)第二晶體管，所述至少一個(gè)第二晶體管與所述第一差分放大器中的至少一部分并聯(lián)連接，并具有用于接收所述第一輸入信號(hào)的至少一部分的相應(yīng)第三輸入端。
通過提供與第一差分放大器的至少一部分并聯(lián)連接、并具有用于接收所述第一輸入信號(hào)的至少一部分的相應(yīng)第三輸入端的至少一個(gè)第二晶體管，提供了可以以相對(duì)簡單的方式改進(jìn)混頻器的線性、并可以以低供電電壓進(jìn)行操作的優(yōu)點(diǎn)。
第一差分放大器可以包括一對(duì)第三晶體管，每個(gè)第三晶體管包括相應(yīng)的所述第一輸入端。
晶體管可以是雙極結(jié)型晶體管，并且所述線性化裝置可以包括與每個(gè)所述雙極結(jié)型晶體管的發(fā)射極相連的相應(yīng)的第二阻抗。
所述或每個(gè)所述第一輸入端可以通過相應(yīng)的第三阻抗與相應(yīng)的所述第三輸入端連接。
第一差分放大器可以具有一對(duì)所述第一輸入端，橫跨所述一對(duì)第一輸入端可以施加所述第一輸入信號(hào)；并且具有一對(duì)所述輸出端，橫跨所述一對(duì)輸出端可以提供所述輸出信號(hào)。
混頻器還可以包括與所述電流源連接的第二差分放大器，并且所述第二差分放大器具有用于接收相應(yīng)的所述第一輸入信號(hào)的至少一個(gè)輸入端、用于提供相應(yīng)的輸出信號(hào)的至少一個(gè)輸出端、以及與至少一個(gè)所述輸出端連接的相應(yīng)第四阻抗，從而在每個(gè)所述第四阻抗中的電流取決于所述第一輸入信號(hào)。
這提供了提供雙均衡混頻器的優(yōu)點(diǎn)，其中，在第一差分放大器的輸出端與第二差分放大器的輸出端之間采用的輸出信號(hào)具有比單均衡混頻器的情況少的多余分量(即，與在第一和第二輸入信號(hào)的頻率之和和這些頻率之差不同的頻率處的分量)。
混頻器還可以包括另一電流調(diào)整部分，所述電流調(diào)整部分與所述第二差分放大器的至少一部分并聯(lián)連接，并包括至少一個(gè)第四晶體管，所述第四晶體管具有用于接收第二輸入信號(hào)的第二輸入端，從而在使用種施加第二輸入信號(hào)橫跨所述第一和第四晶體管的第二輸入端。


參照附圖，僅通過示例并不具有任何限制意義，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行描述，其中圖1是現(xiàn)有技術(shù)混頻器電路的電路圖；圖2是本發(fā)明第一實(shí)施例的電路圖；圖3是本發(fā)明第二實(shí)施例的電路圖；圖4是本發(fā)明第三實(shí)施例的電路圖；圖5是本發(fā)明第四實(shí)施例的電路圖；圖6是本發(fā)明第五實(shí)施例的電路圖；以及圖7是本發(fā)明第六實(shí)施例的電路圖。
具體實(shí)施例方式
首先參照?qǐng)D2，本發(fā)明第一實(shí)施例的單均衡射頻(RF)混頻器102包括具有雙極晶體管Q1、Q2的差分放大器，向晶體管Q1、Q2的基極差動(dòng)地施加RF信號(hào)RF+、RF-。晶體管Q1、Q2的集電極經(jīng)由相應(yīng)的輸出端IF-、IF+與相應(yīng)的輸出電阻器RL連接，以及晶體管Q1、Q2的發(fā)射極具有衰退(degeneration)電阻器R1來提高混頻器的線性。
電流源Io與差分放大器連接，由于提供通過發(fā)射極電阻R1和集電極電阻RL的電流，并且還通過提供與差分放大器并聯(lián)的晶體管Q4來進(jìn)一步提高混頻器的線性，從而電流源Io使晶體管Q1、Q2和Q4偏置在寬帶操作和低失真所必需的電流處。為此，晶體管Q4的發(fā)射極面積因子n應(yīng)當(dāng)大于2。通過將非線性項(xiàng)和dc電流Io的一部分傳遞至電源的晶體管Q4，來實(shí)現(xiàn)差分晶體管對(duì)Q1、Q2的跨導(dǎo)的線性化。
在RF端口處的輸入阻抗和線性幾乎是分離的，因而可以單獨(dú)地進(jìn)行優(yōu)化。晶體管Q1、Q2的基極經(jīng)由相應(yīng)的輸入電阻器R2與晶體管Q4的基極連接。電阻器R2創(chuàng)建了與提供RF信號(hào)的平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器(BALUN)或者低噪放大器(LNA)(未示出)的輸出阻抗相匹配的2R2的差分輸入阻抗，。這確保了LNA或BALUN與混頻器之間的最佳功率轉(zhuǎn)移。
晶體管Q3與差分放大器并聯(lián)，從而將上至300mV的峰峰幅值的本地振蕩信號(hào)LO施加至晶體管Q3的基極，來調(diào)整晶體管Q1、Q2的發(fā)射極中的電流。由于晶體管Q1、Q2的跨導(dǎo)取決于相應(yīng)的發(fā)射極電流，所以輸出端IF-、IF+中的每個(gè)處的電壓信號(hào)具有取決于RF和具有增益縮放因子的本地振蕩信號(hào)的乘積的分量。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解，作為三角恒等式的結(jié)果，在輸出端IF-、IF+處的信號(hào)具有頻率在RF信號(hào)的頻率處、本地振蕩器信號(hào)的頻率處、以及這些信號(hào)的頻率之和和之差的頻率處的分量。通過將跨接輸出信號(hào)的信號(hào)施加于差分放大器(未示出)，去除了本地振蕩器頻率處的信號(hào)分量，其結(jié)果是，差分輸出信號(hào)具有RF頻率、本地振蕩器和RF頻率之和、以及本地振蕩器和RF頻率之差處的分量。
為了提高混頻器的線性行為，另一晶體管Q4的基極通過相應(yīng)的輸入電阻器R2、R2與晶體管Q1、Q2的基極連接。為了正確的操作，晶體管Q4的發(fā)射極面積因子至少是2，并通過將非線性項(xiàng)傳遞至電源、并使DC電流的一部分轉(zhuǎn)至正電源VCC的晶體管Q4來提高混頻器102的線性化。
晶體管Q1、Q2的基極處的輸入阻抗和混頻器102的線性幾乎是分離的，因而可以單獨(dú)地被優(yōu)化。串聯(lián)輸入電阻器R2、R2創(chuàng)建了與混頻器102與之進(jìn)行操作的BALUN或低噪放大器(未示出)的輸出阻抗相匹配的2R2的差分輸入阻抗。這確保了低噪放大器與混頻器102之間的最佳功率轉(zhuǎn)移。
現(xiàn)在參照?qǐng)D3(其中與圖2的實(shí)施例公共的部分由類似的參考數(shù)字表示，但是增加了100)，示出了圖2混頻器的MOS變體202。不再為線性而需要源極衰減電阻(與圖2的發(fā)射極衰減電阻R1相對(duì)應(yīng))。
圖2和3的混頻器不是以電壓空間(voltage room)為代價(jià)來實(shí)現(xiàn)線性，所以這兩種設(shè)置可以以低供電電壓進(jìn)行操作。
為了在沒有本地振蕩器或RF饋通(feedthrough)的情況下實(shí)現(xiàn)比圖2的混頻器大的轉(zhuǎn)換增益，如圖4所示，使用雙均衡混頻器302。圖4的混頻器302包括具有晶體管Q1、Q2的第一差分放大器304，以及具有晶體管Q3、Q4的第二差分放大器306。晶體管Q2、Q3的基極連接在一起，并分別經(jīng)由輸入電阻R2與晶體管Q1、Q4的基極連接。RF信號(hào)分別差動(dòng)地施加于晶體管Q1、Q4的基極，并且本地振蕩器信號(hào)差動(dòng)地施加于在正電軌VCC和相應(yīng)線性化晶體管312、314的基極之間連接的晶體管308、310的基極，其中線性化晶體管312、314與相應(yīng)的差分放大器304、306并聯(lián)連接。
晶體管Q2、Q3的集電極分別與晶體管Q4、Q1的集電極連接，并且跨接輸出端IF-、IF+來提供均衡輸出信號(hào)。差分輸出信號(hào)不具有RF和本地振蕩器頻率處的分量，并且圖4的雙均衡混頻器302的轉(zhuǎn)換增益比圖2的對(duì)應(yīng)單均衡混頻器的轉(zhuǎn)換增益大因子2。
類似地，參照?qǐng)D5，示出了雙均衡混頻器的MOS形式402，其中與圖4的實(shí)施例公共的部分由類似的參考數(shù)字表示，但是增加了100。再次，不再需要與圖4的電阻R1相對(duì)應(yīng)的源極衰減電阻。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)理解，僅通過示例而不具有任何意義的限制來描述以上的實(shí)施例，并且在不偏離由所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明范圍的情況下，可以有不同的改變和修改。例如，盡管將會(huì)實(shí)現(xiàn)較小的線性，但是可以應(yīng)用圖2中示出的線性增益級(jí)的各種可選項(xiàng)。例如，圖6示出了本發(fā)明的另一實(shí)施例，其中，通過引起發(fā)射極衰減的電阻R1來實(shí)現(xiàn)線性化；以及圖7使用“1至n”級(jí)作為RF線性級(jí)。本領(lǐng)域技術(shù)人員還會(huì)理解，還可以提供圖6和7的實(shí)施例的雙均衡形式。
權(quán)利要求
1.一種混頻器電路，包括-電流源(Io)；-第一差分放大器，與所述電流源相連，并且所述第一差分放大器具有至少一個(gè)輸入端(RF+、RF-)，用于接收相應(yīng)的第一輸入信號(hào)；至少一個(gè)輸出端(IF+、IF-)，用于提供相應(yīng)的輸出信號(hào)；以及相應(yīng)的第一阻抗(RL)，與至少一個(gè)所述輸出端連接，從而在每個(gè)所述第一阻抗中的電流取決于所述第一輸入信號(hào)；-電流調(diào)整部分(Q3)，與所述第一差分放大器中的至少一部分并聯(lián)連接，并且所述電流調(diào)整部分具有至少一個(gè)第一晶體管，具有用于接收第二輸入信號(hào)的相應(yīng)第二輸入端(LO)，從而將相應(yīng)的所述第一輸入信號(hào)施加于所述或每個(gè)所述第一輸入端、以及將相應(yīng)的所述第二輸入信號(hào)施加于所述或每個(gè)所述第二輸入端在所述或每個(gè)所述輸出端處生成了相應(yīng)的輸出信號(hào)，所述輸出信號(hào)包括頻率在所述第一和第二輸入信號(hào)的頻率之和處、以及在所述第一和第二輸入信號(hào)的頻率之差處的分量；以及-線性化裝置(Q4、R1)，用于減小與所述或每個(gè)所述第一輸入信號(hào)相對(duì)應(yīng)的相應(yīng)所述輸出信號(hào)的失真。
2.如權(quán)利要求1所述的電路，其中，所述線性化裝置包括至少一個(gè)第二晶體管(Q4)，所述至少一個(gè)第二晶體管與所述第一差分放大器并聯(lián)連接，并具有用于接收所述第一輸入信號(hào)的至少一部分的相應(yīng)第三輸入端。
3.如權(quán)利要求2所述的電路，其中，所述或每個(gè)所述第一輸入端通過相應(yīng)的第三阻抗(R2)與相應(yīng)的所述第三輸入端連接。
4.如權(quán)利要求1所述的電路，其中，所述第一差分放大器包括一對(duì)第三晶體管(Q1、Q2)，其中每個(gè)晶體管包括相應(yīng)的所述第一輸入端。
5.如權(quán)利要求4所述的電路，其中，所述晶體管是雙極結(jié)型晶體管，以及所述線性化裝置包括分別與每個(gè)所述雙極結(jié)型晶體管的發(fā)射極連接的相應(yīng)第二阻抗(R1)。
6.如權(quán)利要求1所述的電路，其中，所述第一差分放大器具有一對(duì)所述第一輸入端，橫跨所述一對(duì)第一輸入端施加所述第一輸入信號(hào)；并且具有一對(duì)所述輸出端，橫跨所述一對(duì)輸出端提供所述輸出信號(hào)。
7.如權(quán)利要求1所述的電路，還包括與所述電流源連接的第二差分放大器，并且所述第二差分放大器具有至少一個(gè)輸入端(RF-)，用于接收相應(yīng)的所述第一輸入信號(hào)；至少一個(gè)輸出端(IF+)，用于提供相應(yīng)的輸出信號(hào)；以及相應(yīng)的第四阻抗(RL)，與至少一個(gè)所述輸出端連接，從而在每個(gè)所述第四阻抗中的電流取決于所述第一輸入信號(hào)。
8.如權(quán)利要求7所述的電路，還包括另一電流調(diào)整部分，所述電流調(diào)整部分與所述第二差分放大器的至少一部分并聯(lián)連接，并包括至少一個(gè)第四晶體管，所述第四晶體管具有用于接收第二輸入信號(hào)的第二輸入端(LO-)，從而在使用中施加第二輸入信號(hào)橫跨所述第一和第四晶體管的第二輸入端。
全文摘要
公開了用于射頻(RF)裝置中的混頻器電路(102)。混頻器包括電流源(Io)；以及差分放大器(Q1、Q2)，所述差分放大器與電流源連接，并具有用于接收RF輸入信號(hào)的輸入端(RF+、RF－)、以及用于提供中頻信號(hào)的輸出端(IF+、IF－)。本地振蕩器信號(hào)(LO)施加于與差分放大器并聯(lián)連接的晶體管(Q3)，以調(diào)整差分放大器中的電流，從而差分輸出信號(hào)包含頻率在RF和本地振蕩信號(hào)的和頻率與差頻率處的分量。用于將電流的一部分轉(zhuǎn)向電源的發(fā)射極衰減電阻(R1)和晶體管Q4提高了混頻器的線性。
文檔編號(hào)H03D7/14GK101065895SQ200580040411
公開日2007年10月31日 申請(qǐng)日期2005年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月26日
發(fā)明者米哈伊·A·T·森杜拉努, 愛德華·F·斯蒂克福特 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司