CN101065894B - 基频的谐波产生系统和方法 - Google Patents

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Abstract

需要一种用于从基频中有效地获得所需谐波的系统和方法。本发明的系统和方法通过采用使用增益级(或限幅器/比较器电路)，结合预定偏置电压(或电流)的技术，来产生这种所需谐波。将增益级的输出信号与正确的相位相加，以产生所需谐波。

Description

基频的谐波产生系统和方法  
技术领域
本发明涉及一种用于产生基频的谐波的系统和方法，用于模拟集成电路。具体地，用于本地振荡器或用于对单芯片射频收发机进行LO牵引(LO-pulling)。
背景技术
例如，现今的无线电收发机将其大部分功能包含在单个芯片中。这可以进行高度集成、使射频(RF)收发机成本效率很高，以用于消费类产品中。然而，当将所有RF功能放置在单芯片中时，这种芯片的设计者需要解决“LO牵引(LO-pulling)”或“VCO牵引(VCO-pulling)”的问题。
在发射信号的小部分耦合回到频率合成器的压控振荡器(VCO)中时产生LO牵引。用要发射的信息对发射信号进行了调制，因此也对VCO进行了调制。由于例如利用混频器，将VCO用于产生发射信号，所以存在严重降低发射信号质量的反馈环。由于VCO的再生性质，即使最小的耦合也会对发射信号的质量产生严重影响。
文献中已经提出多种产生发射混频器的LO信号的可选方案。所有提出的方案的目的都在于减小VCO的牵引，例如参见Zolfaghari，Alireza和Razavi，Behzad：“A Low-Power 2.4GHz Transmitter/ReceiverCMOS IC，IEEE-JSSC，vol.38，no.2，February 2003，pps.176-183”和Darabi，Hooman等：“A 2.4-Ghz CMOS Transceiver for Bluetooth”，IEEE-JSSC，vol.36，no.12，December 2001，pps.2016-2023。这些提出的方案要么采用发射信号的两级上变频，要么采用LO信号的两级产生，以避免发射信号(或其谐波)和VCO频率之间的谐波关系。然而，在任何一种情况下，都出现大量谐波、子谐波和混频产物，并且这些混频产物中的一些仍然会引起VCO牵引。在一些提出的方案中，需要进行大量滤波以抑制不需要的频谱分量。
Darabi所提出的一种方法包括将本地振荡器用于产生具有所需频率(例如2400MHz)的输出信号。本地振荡器包括VCO电路、缓冲器、分频器以及两个混频器，分频器用于产生800MHz的同相LO分量I和正交分量Q信号，这两个信号均为VCO输出的一半。VCO电路产生1600MHz信号，该信号然后经过缓冲器被提供给分频器电路，分频器电路产生同相信号和正交信号，这两个信号频率为800MHz，或者为VCO输出的频率的一半。
在待审美国专利申请No.XX/XXXXXX中描述了一种在完全集成的接收机中产生LO信号以避免VCO的牵引的另一种方法，将其内容合并在此以作参考。该方法基于VCO信号的三次谐波的产生。通过将VCO信号限幅为方波，来产生三次谐波。然后滤波器从该信号中滤出三次谐波。然而，该信号还包含大量的寄生信号，例如基频分量、二次、四次、五次谐波分量等。为了产生具有少量寄生分量的信号，需要带通滤波器。这种带通滤波器包括电感器，而在集成时电感器占据大量(硅)区域。此外，如果滤波需要高Q值电感器和电容器，则需要调谐和/或微调来将滤波中心频率精确地位于3次谐波上。
因此，需要一种从基频中有效地获得所需谐波的解决方案。本发明的系统和方法通过采用使用增益级(或限幅器/比较器电路)，结合预定偏置电压(或电流)，来产生这种所需谐波。将增益级的输出信号与正确的相位相加，以产生所需谐波。例如，使用大量增益级来近似所需的泰勒展开转移函数，从而达到所需的输出信号。当在本地振荡器中使用时，本发明的系统和方法避免了发射信号和VCO频率之间的任何谐波关系，不产生靠近VCO频率的中间信号。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种谐波产生电路，用于产生具有所需频率的发射信号，所述电路包括发射产生电路，发射产生电路包括第一比较器、具有第一预定偏置电压的第二比较器以及用于对第一和第二比较器的第一和第二输出信号求和的加法器，其中所述第一比较器接收具有第一频率的第一正弦信号，并从所述第一正弦信号中产生第二输出信号，并且当正弦信号大于第一预定偏置电压时，所述用于对第一和第二比较器的第一和第二输出信号求和的加法器产生具有所需频率的发射信号。所需谐波优选地是三次谐波。
附图说明
图1示出了根据本发明的谐波产生电路的第一优选实施例。
图2示出了根据本发明的谐波产生电路的第二优选实施例。
图3示出了图2的谐波产生电路的比较器的输出信号。
图4示出了图2的电路的输出信号谐波-输入信号幅度。
具体实施方式
为了本领域的技术人员理解，提供以下说明，以进行演示而不是限制。技术人员可理解，存在位于本发明的精神和所附权利要求的范围内的多种改变。本说明书省略了已知功能和操作的不必要的细节，以便不会使本发明难以理解。
在第一实施例中，图1示出了谐波产生电路。将正弦输入信号输入第一增益级100。第二增益级200也与具有预定偏置电压的正弦输入信号相连。第三增益级300与具有预定偏置电压的正弦输入信号相连。在加法器400中通过将输出信号与正确相位相加，而产生输出信号。
有利地，可将谐波产生电路应用于模拟集成电路，尤其是用于在避免牵引现象的无线电通信中的本地振荡器信号的产生。此外，谐波产生电路需要少量芯片区域，因此成本更加有效。
在另一个实施例中，图2示出了谐波产生电路。将正弦输入信号输入第一比较器M0和M1(例如使用晶体管实现)，并共同输入到第一增益级。第二比较器M2和M3(例如使用晶体管实现)和共同的第二增益级也与正弦输入信号相连，但是预定偏置电压(例如0.8V)与M3的栅极串联插入。第三比较器M4和M5(例如使用晶体管实现)和共同的第三增益级也与正弦输入信号相连，但是预定偏置电压(例如0.8V)与M4的栅极串联插入。通过将输出信号与正确的相位相加(具体地，从M0-M1的输出信号中减去差分对M2-M3和M4-M5的输出)，产生输出信号。一种产生偏置(未示出)的方式是提供与晶体管的源极串联的电阻来产生偏置电压。与电阻器并联的电容器用于将DC和AC性能解耦。
对于本领域的技术人员而言显而易见的是，在差分对中组合了比较器功能和增益功能。差分对的输出(M0-M5的漏极)可直接与正确的相位(未示出)彼此相连。可选地，可通过两个分离的电路来实现比较器和增益功能，这可以提高特定应用的性能。例如，两个比较器检测开启两个增益功能的电平。
此外，可添加电平检测电路，用于测量输入信号的幅度，并调节偏置电压，以便电路总是工作在最佳条件附近(即抵消了基频的条件)(未示出)。
在操作中，M0-M1差分对的输出信号(M0M1out)是输入信号的放大版本。差分对M2-M3在输入信号大于与M3的栅极串联的偏置电压时开始产生输出信号(M2M3out)。差分对M4-M5在输入信号大于与M4的栅极串联的偏置电压时开始产生输出信号(M4M5out)。将这些信号求和以提供信号输出，该信号输出接近输入信号的三次谐波。
图3示出了时域的输出信号。显而易见的是，M2-M3的输出信号是正弦波的反相上部，而M4-M5的输出信号是正弦波的反相下部。将这些信号与M0-M1的输出信号相加给出了三次谐波。
图4示出了输出信号谐波-输入信号幅度。对于低幅度，在输出信号中有低的谐波含量，而对于例如600mV的输入幅度，抵消了基频的信号分量。本发明将基频处的分量幅度降低到-35dB之下。五次谐波的信号分量是-16dB。七次谐波的信号分量是-35dB，九次谐波的信号分量在-32dB至-33dB之间。然而，九次谐波的频率足够远，所以非常容易利用简单的滤波器来衰减该分量。显而易见的是，在输出频谱中不存在偶数阶分量。以这种方式，本发明在基本抵消其它频率的同时导出了具有所需频率的信号。
本发明认为可近似所需的泰勒多项式。例如，对于泰勒多项式形式的给定的转移函数：
y＝x+c*x3
其中y是输出信号，x是输入信号，c是常数。使用
x＝Asin(ωt)
给出了
y = ( A + 3 * c * A 3 4 ) * sin ( ωt ) - ( c * A 3 4 ) * sin ( 3 ωt )
或者：如果c*A2＝-4/3，则抵消基频分量，而三次谐波仍然存在。因此，增益级的组合的转移函数是泰勒多项式的(逐块线性)近似。
可实现类似电路以产生五次、七次的更高次谐波。当然，在使用双极性晶体管(或任意气其它类型的有源组件)时本发明也适用。对于本领域的技术人员显而易见的是，也可使用多于三级来更精确地形成转移函数。
本发明的设备和方法可用于需要从某个基频中产生三次、五次或更高次谐波的所有模拟集成电路。在避免牵引现象的无线电通信中产生本地振荡器信号中本发明尤其有用，例如无线个人区域网(WPAN)和局域网(WLAN)，其中RF发射机包括配置用于用数据信号对LO的输出信号进行调制的混频器。本发明应用的网络还可包括GSM、蓝牙和DECT设备。实际上，多数WLAN可包括并入了本发明的大量移动收发机。
尽管示出并描述了本发明的优选实施例，本领域的技术人员可理解，上述电路是示意性的，在不偏离本发明的实际范围的情况下，可对其进行多种改变和修改，并且可用等效物替代其元件。此外，在不偏离本发明的中心范围的情况下，可进行多种修改，以使本发明的教导适应特定情况。因此，本发明并不局限于所公开作为执行本发明的最佳模式的特定实施例，而是本发明包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种用于产生具有所需频率的发射信号的电路，所述电路包括发射产生电路，发射产生电路包括第一比较器、具有第一预定偏置电压的第二比较器以及用于对第一和第二比较器的第一和第二输出信号求和的加法器，其中，所述第一比较器接收具有第一频率的第一正弦信号，并从所述第一正弦信号中产生第一输出信号，所述第二比较器接收所述第一正弦信号以及产生第二输出信号，并且当正弦信号大于第一预定偏置电压时，所述用于对第一和第二比较器的第一和第二输出信号求和的加法器产生具有三次、五次或更高次谐波的发射信号。
2.根据权利要求1所述的电路，其中，所述发射产生电路还包括具有第二预定偏置电压的第三比较器，其中，所述第三比较器接收所述第一正弦信号并在所述第一正弦信号大于所述第二预定偏置电压时产生第三输出信号，所述加法器进一步将第三输出信号和所述第一第二输出信号相加。
3.一种用于产生具有所需频率的信号的电路，所述电路包括多个增益级和用于对增益级的输出求和的加法器，每个增益级具有预定偏置电压，其中，每个增益级接收具有第一频率的正弦输入信号并通过近似所需的转移函数来对所述具有第一频率的正弦输入信号进行操作，在抵消其它频率的同时所述加法器对每个增益级的输出信号求和以导出具有三次、五次或更高次谐波的信号。
4.根据权利要求3所述的电路，其中，所需频率是输入信号的谐波。
5.根据权利要求3所述的电路，其中，转移函数是泰勒多项式转移函数。
6.根据权利要求5所述的电路，其中，根据以下方程表示泰勒多项式转移函数：y＝x+c*x3，
其中y是输出信号，x是输入信号，c是常数。
7.一种用于产生具有所需频率的信号的方法，所述方法包括步骤：
接收具有第一频率的正弦输入信号；
在多个增益级中处理输入信号，每个增益级具有预定偏置电压；其中增益级通过近似所需转移函数来对输入信号进行操作；
将增益的输出相加，在抵消其它频率的同时导出具有三次、五次或更高次谐波的信号。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，转移函数是泰勒多项式转移函数。
9.一种用于产生具有所需频率的发射信号的方法，该方法包括步骤：
由第一比较器和第二比较器接收具有第一频率的输入信号；
由所述第一比较器对输入信号进行处理并产生第一输出信号；
由具有第一预定偏置电压的所述第二比较器对输入信号进行处理，其中所述第二比较器在信号大于所述第一预定偏置电压时产生第二输出信号；
将第一和第二比较器的第一和第二输出信号相加，以产生具有三次、五次或更高次谐波的发射信号。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括步骤：由具有第二预定偏置电压的第三比较器接收输入信号并对所述输入信号进行处理，其中，第三比较器在输入信号大于第二预定偏置电压时产生第三输出信号，以及将所述第三输出信号与所述第一第二输出信号相加。
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