CN100550605C - 具有减少的泄漏的正交开关混频器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于将接收的RF信号与本机振荡器信号混频的同时抑制与RF信号相关的镜像信号的正交开关混频器。正交的输入信号分量，即由接收的RF信号导出的I和Q输入分量分别通过第一和第二输入路径耦合到开关配置中的相应换向开关。每个开关用于将RF信号和本机振荡器信号的相应正交分量相乘，从而提供正交输出信号分量。单向器件、如包括在信号分路器中的缓冲放大器设在各个输入路径中，用以防止输出信号分量的任何部分通过输入路径之一反向泄漏到其它输入路径中，由此泄漏到其它输出信号分量中。

Description

具有减少的泄漏的正交开关混频器
相关申请的交叉引用
本专利申请要求享有2002年4月4日提交的共同未决的美国临时专利申请No.60/370322的优先权，并将其全部公开内容通过引用结合于本文中。
发明背景
发明的技术领域
这里所公开并申请的发明总体上涉及一种针对与正交开关混频器有关的应用的装置，该混频器配置成可抑制与接收的RF信号相关的镜像信号。更具体地说，本发明涉及上述类型的装置，其大大减少了混频器的同相(I)与正交(Q)输出支路之间的泄漏，由此提高了混频器的转换增益，避免了混频器输出信号的恶化。
相关技术的历史
在无线电装置中，空中传播的信号占用一个频带，而处理过的信号占用低得多的频带。因此，利用混频器将射频信号转换或变频为中频(IF)。混频过程或外差作用是乘法的，即输入信号与本机振荡器信号相乘(在时域中)。然而，乘法的结果是，混频器的输出可能包含来自所需信号以及非所需的镜像信号的作用。无线电接收技术领域中的那些普通技术人员知道，镜像信号是一种其频率能够通过混频过程变换为与所需信号相同的IF的信号。
目前，已开发出镜像抑制混频器，它采用相消原理来减小混频器输出上的镜像信号的作用。在一种常用的镜像抑制混频器中，将所需输入信号(RF)分成两个信号分量：同相(I)分量(RFI)和正交(Q)分量(RFQ)。正交(Q)信号相对于同相(I)信号延迟90度，即：RFQ(ωt)＝RFI(ωt-π/2)。本机振荡器信号也被分成相对于同相振荡器信号LOI延迟90度的正交信号LOQ。利用数学上的复数表示法，镜像抑制混频器起着将输入信号RFI+jRFQ与本机振荡器信号LOI+jLOQ相乘的作用。
如下文中更详细描述的，通常由换向开关实现乘法。每个换向开关具有一对互补开关SW和SW。当SW开关闭合时，换向开关的输出信号与输入信号的极性相同，而当SW开关闭合时，换向开关的输出信号与输入信号的极性不同。然后提供求和点以抵消表示非所需镜像信号的分量。这类镜像抑制混频器称为正交开关混频器。
上述这类正交开关混频器的元件可采用诸如CMOS、BJT之类的任何合适的半导体技术来制造。当混频器用于小型便携式电子装置、例如移动电话和用于UMTS(通用移动电信系统)、蓝牙以及其它无线通信系统的类似装置中的无线接收器时，这提供了某些重要的优点。然而，基于CMOS的正交开关混频器存在严重的缺陷，即，混频器的分别为OUTI和OUTQ的I和Q输出信号分量容易短路在一起。也就是说，正交支路输出之一的一部分会通过混频器中的开关之一反向流动，而进入另一支路的输入。因为所造成的变频损耗大，所以，此泄漏可能导致上述传统的正交镜像抑制混频器在实际中失去一部分作用。而且，两个输出OUTI和OUTQ之间的泄漏将使累积的混频器输出信号恶化，导致较差的镜像抑制比。
目前所用的减少正交开关混频器的I和Q输出信号之间泄漏的一种方法是增加与开关串联的电阻，从而使I和Q支路互相有效隔离。但是，为了使任何信号损失降到最低，开关应当在其闭合时具有低电阻。而添加隔离电阻会引入附加损耗。虽然这种附加损耗通常要比I和Q支路输出信号之间泄漏所导致的损耗小，但它仍是值得关注的。所增加的电阻还会产生不希望的电压降，在信号为电流模式时，尤其如此，这意味着混频器的输入阻抗应保持较低。因此，不希望在正交开关混频器中增加任何其它电阻。
因此，希望能够减少正交开关混频器的I和Q输出信号之间的泄漏，并且在能够实现这个目的的同时不象采用隔离电阻那样给混频器引入附加损耗。
发明概述
本发明提供一种有效并且相对简单的技术，此技术大大减少了正交开关混频器的I和Q支路输出之间的泄漏。根据本发明，将单向器件、如作为信号分路器的一部分的元件插入混频器的各个开关的输入路径中。每个单向器件用于防止支路之一的输出信号通过输入路径反向泄漏到其它支路输出中。这样，正交开关混频器输出的I和Q信号的恶化将明显减少。因此，可得到高度线性且具有低噪声混合能力的无源正交开关混频器，并可将其有效地用于镜像抑制混频。
在一个实施例中，本发明针对用于将RF信号与本机振荡器信号混频的开关混频器装置。此装置包括开关器件的配置，每个开关器件配置成可将RF和LO信号各自的同相(I)和正交(Q)分量相乘，从而提供I和Q输出信号分量。此装置还包括用以将RF信号的I分量耦合到开关器件中至少一个的第一RF输入路径、用以将RF信号的Q分量耦合到至少一个其它开关器件的第二RF输入路径、以及设置在至少一条输入路径中用以防止输出信号分量通过输入路径之一反向传递到其它输入路径的单向信号处理器件。
在上述实施例中，每个单向器件有效地包括信号分路器的缓冲放大器或其它元件。有效的是，利用CMOS或者便携式电子装置、如无线电话终端中所采用的其它合适的技术实现混频器装置的相应元件。
本发明的另一个实施例针对一种用于将RF信号和本机振荡器信号混频以提供已经从中抑制了镜像频率信号的IF信号的方法。此方法包括以下步骤：处理RF信号以提供对应的I和Q输入信号分量；将I和Q输入分量分别通过第一和第二输入路径耦合到开关器件配置中的第一和第二组开关器件。此方法还包括对每个开关器件进行操作，将其接收的I或Q RF输入分量与本机振荡器信号的I或Q分量有选择地相乘，从而生成I和Q混频器输出信号分量。在每个开关器件输入路径中设置单向器件，用于防止与输入路径之一相关的输出信号分量反向传递到其它输入路径中。
应当强调的是，本说明书中所用的术语“包括”用于指定存在所述特征、整数、步骤或元件，但不排除一个或者多个其它特征、整数、步骤、元件或其组合的存在或附加。
附图简介
通过参考以下结合附图所作的详细说明，可以更详尽地理解本发明的方法和系统，其中：
图1是说明用于镜像信号抑制的现有技术的正交开关混频器的原理图；
图2是说明本发明的一个实施例的原理图；
图3是说明用于提供接收器中IF级的本发明的一个实施例的框图；以及
图4是进一步详细说明图3的实施例的元件的原理图。
本发明的详细说明
以下是参照附图对本发明进行的详细说明，其中相同或相似的元件采用相同的参考标号。
如前文所述，本发明提供一种有效且相对简单的技术，用于大大减少正交开关混频器的I和Q支路的输出之间的泄漏。现在参照图1，其中示出传统设计的正交开关混频器10，其中混频器10能够抑制镜像信号，具有正交输入端子12a和12b。端子12a适合于接收同相输入RF信号分量RFI，而端子12b适合于接收正交输入RF信号分量RFQ，这里，RFQ(ωt)＝RFI(ωt-π/2)。混频器10还具有I输出端子14a和Q输出端子14b，它们分别提供I和Q混频器输出信号分量OUTI和OUTQ。
图1还示出配备换向或转换开关16-22的正交开关混频器10，这些开关分别包括互补开关对16a-b、18a-b、20a-b和22a-b。输入信号分量RFI通过输入路径24a和24b耦合到开关16(即16a和16b)和18(即18a和18b)。类似地，输入信号分量RFQ通过输入路径26a和26b耦合到开关20(即20a和20b)和22(即22a和22b)。本机振荡器信号的I分量LOI也耦合到换向开关16和18，而本机振荡器信号的分量LOQ耦合到换向开关20和22。该正交信号分量LOQ相对于同相振荡器信号分量LOI延迟了90度。如上所述，各换向开关可用来将它所接收的RF输入信号分量与它所接收的本机振荡器信号分量相乘。通过为各开关提供互补开关SWI和SWI或SWQ和SWQ，在非求补开关闭合时，该开关的输出信号等于此开关的输入信号，而在求补开关闭合时，信号的极性改变(即OUT(t)＝sgn{LO(t)}RF(t))。
仍然参照图1，其中示出与求和点28a(∑I)耦合的开关16和18的输出以及与求和点28b(∑Q)耦合的开关20和22的输出，从而分别提供OUTI和OUTQ。
根据混频器10的镜像抑制特征，从不希望有的镜像信号中导出的开关的各个输出分量在求和点相消。
在图1所示的现有技术装置中，在输出信号分量OUTI和OUTQ之间经由RF输入可能会出现泄漏，使得输出端子14a和14b有效地短接在一起。例如，图1示出OUTI的分量L1，它可通过开关16a反向泄漏到RFI输入，然后通过RFQ输入和开关20a向前泄漏。分量L1随后可通过开关20a向前耦合到输出端子14b。同样，OUTQ的分量L2可通过开关22a反向泄漏，随后通过RF输入移动到开关18a，成为输出OUTI的一部分。
参照图2，其中示出根据本发明的一个实施例构造的正交开关混频器30。该混频器30能够克服上述现有技术装置的输出泄漏问题，同时完成如上文结合图1所说明的镜像信号抑制。混频器30包括开关16-22、端子12a-b和14a-b以及输入路径24a-b和26a-b，这与图1所示的具有相同编号的相应元件相同或极其类似。
进一步参照图2，其中示出分别配备了单向缓冲放大器32-38的混频器30。这些单向缓冲放大器32-38共同形成信号分路器40，后面将进一步详细说明。根据本发明的实施例，缓冲器32和34插入到输入路径24a和24b中，由此接收I输入信号分量RFI。RFI通过相应的缓冲器32和34耦合到开关16和18，缓冲器32和34用BI+和BI-标明。同样，用BQ+和BQ-标明的缓冲器36和38插入到输入路径26a和26b中。正交输入信号分量RFQ则通过缓冲器36和38耦合到开关20和22。
由于信号分路器40的缓冲器是单向器件，它们有效地防止开关混频器30的I和Q支路之间的泄漏。也就是说，输出信号分量OUTI和OUTQ的各部分无法反向连接到另一支路的输入。这降低了混频器30提供的输出信号的恶化，并提高了它的转换增益。因此，正交开关混频器30可容易地用来利用高度线性和低噪声混合特性，同时提供高效的镜像信号抑制混频。
参照图3，其中示出配置成充当无线电接收器中的中频(IF)级的开关混频器30和信号分路器40。这种无线电接收器可见于无线装置中，例如移动电话和采用UMTS、蓝牙及其它无线通信系统的类似装置。RF输入信号施加于低噪声放大器(LNA)42，并通过它耦合到信号分路器40。该信号分路器40将在下文中进一步详细说明，它用于提供分别耦合到混频器30的RF输入分量RFI和RFQ。
继续参照图3，其中还示出生成本机振荡器信号LO的振荡器44，它耦合到移相器46。为了改善线性和噪声性能，可能需要本机振荡器44的方波驱动。然而，在RF上难以获得方波驱动；而是，本机振荡器信号可能是具有大幅度以使波形斜度更陡的正弦信号。移相器46提供同相本机振荡器分量LOI和正交本机振荡器分量LOQ。有用的是，移相器46包括用于产生得到正交信号LOQ所需的90度相位差的RC-CR网络。
在图3中，混频器30的元件30a表示换向开关16和18以及求和点∑I，它们共同产生同相混频器输出信号OUTI。同样，混频器30的元件30b表示开关20和22以及求和点∑Q，它们共同产生正交输出信号OUTQ。相应地，RFI和LOI耦合到元件30a，而RFQ和LOQ耦合到元件30b。图3进一步表示了分别耦合到缓冲放大器元件48a和48b的混频器输出OUTI和OUTQ。
参照图4，其中示出LNA 42包括在共栅极M6之后的感应退化的共源级M5。所述LNA设计提供在低电流消耗下的约1.6dB的低噪声。有用的是，1.6dB噪声指数对应于800μA的漏电流和112μm/0.1μm(W/L)的纵横比。这种低的漏电流意味着级M5工作于接近弱反相(inversion)的区域，在此区域中，漏极的每单位跨导最大，由此降低了该级的功耗。
进一步参照图4，其中示出信号分路器40，它接收由LNA 42放大的RF输入，提供同相信号分量RFI和正交信号分量RFQ。图4还示出分路器40将RFI和RFQ分量耦合到混频器元件30a和30b。
分路器40中位于如图4所示的电压线Vss之上、整体用标号40a表示的元件共同用于提供正相位输入分量。分路器元件40a充当电流放大器。它包括共源级M3，其连接到包含两个相同晶体管M4a和M4b的第二级，M4a和M4b提供两个相同的输出电流。这些输出电流经由两个相同的电阻网络(R2a，R1a)和(R2b，R1b)反馈到M3级的输入。晶体管M4a的输出提供耦合到混频器元件30a的RFI信号，而晶体管M4b的输出提供耦合到混频器元件30b的RFQ信号。
信号分路器元件40b包括位于如图4所示的电压线Vss以下的元件配置，这非常类似于分路器元件40a的配置。分路器元件40b提供耦合到混频器元件30a和30b的负相位输入分量。
开关混频器30是无源的双平衡的，并基于例如CMOS开关。图4示出这些开关，它们实现为两个互补的MOS晶体管对，M1和M2。因此，开关16a-b到22a-b各包括一对开关M1和M2。与信号-晶体管开关相比，采用这种互补开关的有利之处是减少了导通电阻，这改善了噪声性能。此外，从本机振荡器信号注入到混频器30的输入信号和输出信号的电荷减少。而且，由于没有经过CMOS开关的DC电流，在混频器30输出上的闪烁噪声得到降低。在采用低IF体系结构的实施例中，这种考虑尤其重要，其中低频是要关注的。然而，应当指出，只要不背离本发明，还可采用除CMOS之外的其它技术，例如BJT开关。
进一步参照图4，其中示出缓冲放大器元件48a和48b，它们被耦合成分别接收混频器元件30a和30b的输出。有用的是，缓冲器元件48a和48b是单级跨导倒数放大器的相应元件。
显然，按照以上论述可以对本发明进行许多其它修改和变更。因此，可以理解，在所公开的原理范围内，可以不同于上述特定描述的方式来实施本发明。

Claims (26)

1.用于将射频信号与本机振荡器信号混频的开关混频器装置，所述装置包括：
开关器件装置，所述器件配置成可将所述射频和本机振荡器信号各自的同相和正交分量相乘，从而提供同相和正交输出信号分量；
用于将所述射频信号的同相分量耦合到至少一个所述开关器件的第一射频输入路径和用于将所述射频信号的正交分量耦合到至少一个其它所述开关器件的第二射频输入路径；以及
单向信号处理器件，它设置在所述输入路径中的每一个中，用以防止所述输出信号分量之一的一部分通过所述至少一条输入路径到达所述输入路径中的另一条。
2.如权利要求1所述的混频器装置，其特征在于：每个所述单向信号处理器件是信号分路器的组成部分。
3.如权利要求2所述的混频器装置，其特征在于：所述信号分路器包括放大器器件装置。
4.如权利要求1所述的混频器装置，其特征在于：所述开关器件具有经相应组合以提供所述同相和正交输出信号分量的输出。
5.如权利要求3所述的混频器装置，其特征在于：第一对所述开关器件的输出信号分别耦合到第一求和点，而第二对所述开关器件的输出信号耦合到第二求和点，从而消去表示与所述射频信号相关的镜像信号的信号分量。
6.如权利要求5所述的混频器装置，其特征在于：每个所述开关器件包括换向开关。
7.如权利要求6所述的混频器装置，其特征在于：每个所述换向开关包括一对互补开关。
8.如权利要求1所述的混频器装置，其特征在于：所述混频器装置的相应元件采用半导体开关来实现。
9.如权利要求1所述的混频器装置，其特征在于：所述混频器装置配置成用于无线通信装置中，所述无线通信装置能够用于无线通信系统，包括蓝牙和通用移动电信系统。
10.如权利要求1所述的混频器装置，其特征在于还包括：在所述第一和第二射频输入路径与所述射频信号之间连接的低噪声放大级。
11.在配置成可接收射频信号和本机振荡器信号的接收器中，一种用以将所述射频信号和所述本机振荡器信号混频的装置包括：
正交开关混频器，它具有第一和第二输入路径，并配置成可提供同相和正交输出信号；以及
单向信号处理器件，设置在每条所述输入路径中，用以防止所述同相或正交输出信号之一的一部分通过所述输入路径之一到达所述输入路径中的另一条。
12.如权利要求11所述的接收器，其特征在于：每个所述单向信号处理器件是信号分路器的组成部分。
13.如权利要求12所述的接收器，其特征在于：所述信号分路器包括放大器器件装置。
14.如权利要求12所述的接收器，其特征在于：所述正交开关混频器包括开关器件装置。
15.如权利要求14所述的接收器，其特征在于：第一对所述开关器件的输出信号分别耦合到第一求和点，而第二对所述开关器件的输出信号分别耦合到第二求和点，从而消去表示与所述射频信号相关的镜像信号的信号分量。
16.如权利要求15所述的接收器，其特征在于：每个所述开关器件包括一对互补开关。
17.如权利要求16所述的接收器，其特征在于：所述正交开关混频器的相应元件采用半导体开关来实现。
18.如权利要求11所述的接收器，其特征在于：所述接收器配置成用于无线通信装置中，所述无线通信装置能够用于无线通信系统，包括蓝牙和通用移动电信系统。
19.如权利要求11所述的接收器，其特征在于还包括：连接在所述第一和第二输入路径与所述射频信号之间的低噪声放大级。
20.一种用以将射频信号和本机振荡器信号混频、同时抑制与所述射频信号相关的镜像信号的方法，所述方法包括以下步骤：
处理所述射频信号以提供相应的同相和正交输入分量；
将所述同相输入分量通过第一输入路径耦合到开关器件装置中的第一组开关器件，以及将所述正交输入分量通过第二输入路径耦合到所述开关器件装置中的第二组开关器件；
对每个所述开关器件进行操作，将其接收的同相或正交输入分量与所述本机振荡器信号的相应的同相或正交分量相乘，从而生成同相和正交输出信号；以及
在每条所述输入路径中设置单向器件，用以防止所述输出信号之一的一部分反向通过所述输入路径之一到达所述输入路径中的另一条。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于：每个所述开关器件包括在信号分路器中包含的放大器器件。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于：所述方法还包括将第一对所述开关器件和第二对所述开关器件的输出信号相加，从而消去表示与所述射频信号相关的所述镜像信号的信号分量。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于：每个所述开关器件包括一对互补开关。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于：每个所述互补开关采用半导体开关来实现。
25.如权利要求20所述的方法，其特征在于：所述方法在无线通信装置中实现，所述无线通信装置能够用于无线通信系统，包括蓝牙和通用移动电信系统。
26.如权利要求20所述的方法，其特征在于还包括：在所述第一和第二输入路径与所述射频信号之间连接低噪声放大级。
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