CN101212202A

CN101212202A - 具有滤波模块来滤除低频成分以降低噪声指数的混频器

Info

Publication number: CN101212202A
Application number: CNA2006101721296A
Authority: CN
Inventors: 苏炯光; 王是琦
Original assignee: Ali Corp
Current assignee: Ali Corp; Richwave Technology Corp
Priority date: 2006-12-27
Filing date: 2006-12-27
Publication date: 2008-07-02
Anticipated expiration: 2026-12-27
Also published as: CN101212202B

Abstract

本发明提供一种用来将一输入信号降频为一输出信号的混频器。该混频器包含有一放大电路与一降频电路，其中该放大电路用来放大该输入信号以产生一放大信号，而该降频电路则包含有一滤波模块、一负载模块与一降频模块。该滤波模块耦接至该放大电路，并用来滤除该放大信号中的低频成分；该负载模块耦接至该放大电路与一预定电压电平，并用来提供一直流偏压到该放大电路；以及该降频模块耦接至该滤波模块与该预定电压电平，并用来依据一本地振荡信号产生该输出信号。

Description

具有滤波模块来滤除低频成分以降低噪声指数的混频器

技术领域

本发明在于提供一种混频器，尤其指一种将一射频输入信号降频为一低中频输出信号(或是零中频输出信号)的混频器。

背景技术

目前对于信号接收端的公知混频器而言，可以利用至少一个吉伯单元(Gilbert cell)来加以实现，请参照图1A，图1A是公知利用单一吉伯单元来实现混频器100的示意图。如图1A所示，混频器100包含有一放大电路105与一降频电路110，其中放大电路105包含有一晶体管Q₁，其角色作为混频器100的转导级并用来放大射频输入信号S_in以产生放大信号S_in’，而降频电路110则包含有多个电阻R₁、R₂与多个晶体管Q₂、Q₃，其中，晶体管Q₂、Q₃构成一开关级，而电阻R₁、R₂则作为一负载级。降频电路110为一差动电路，并依据本地振荡信号S_LO来产生输出信号S_out，此输出信号S_out可以是低中频输出信号或是零中频输出信号，此外，放大电路105亦可作为一低噪声放大器而连接至降频电路110。然而，使用上述混频器100来执行降频运作以得到输出信号S_out却会产生下列几个问题。

首先，一般而言，在天线端的阻抗值通常为50欧姆或是75欧姆，而从晶体管Q₁的栅极所看进去的阻抗值，即混频器100的输入阻抗值，通常远大于往天线端看入的阻抗值，举例来说，一般混频器100的输入阻抗值可以高达1千欧姆以上，因此，利用混频器100来执行降频运作必须在天线端与混频器100之间额外设置一阻抗匹配电路以解决阻抗匹配的问题，而该阻抗匹配电路则将会大大地增加电路面积，即使在其他的实施例中，将放大电路105中的晶体管Q₁接成共栅极类型来降低混频器100的输入阻抗值(相较于原本的共源极类型)，然而其所需要的阻抗匹配电路亦同样会大为增加电路面积。再者，由公知的混频器理论得知输出信号S_out的低频噪声大小与降频电路110中通过晶体管Q₂、Q₃的直流电流有关，而降频电路110除了负责对放大信号S_in’执行降频运作来产生输出信号S_out以外，其另提供一直流电流到放大电路105，因此，将造成混频器100整体的噪声指数(Noise Figure)过大，尤其若以互补式金属氧化物半导体场效应晶体管(CMOSFET)来实作时将因晶体管的闪烁噪声(flicker noise)而更差。

如上所述，混频器亦可以利用一对或多个吉伯单元来加以实现，而前者的混频器被称为双平衡混频器(double balance mixer)，请参照图1B，图1B是公知双平衡混频器115的示意图。如图1B所示，混频器115包含有一放大电路120、一降频电路125以及一开关电路130，其用来依据本地振荡信号S_LO+、S_LO-对射频输入信号S_in执行降频运作以产生差动输出信号S_out+、S_out-，图1B所示的电压电平V_bias、V_bias’则用来作为偏压之用，为了处理噪声指数过大的问题，在混频器115中的放大电路120的输出端增加设置开关电路130来抽取直流电流到放大电路120，进而减少降频电路125中的直流电流，然而，却仍有直流电流通过降频电路125中的晶体管，虽然于混频器115的结构中，流经降频电路125的直流电流相较于上述混频器100已较为降低，但因为仍有直流电流通过，致使混频器115的噪声指数表现仍然相当差。

然而，除了上述所提及以有源式混频器(active mixer)的结构来实现外，亦可使用一无源式混频器(passive mixer)来加以实现，请参照图1C，图1C是公知无源式混频器135的示意图。如图1C所示，混频器135用来依据本地振荡信号S_LO+、S_LO-对射频输入信号S_in+、Sin_-执行降频运作以产生输出信号S_out+、S_out-由于没有直流电流流过混频器135中的开关级的晶体管Q₁、Q₂、Q₃与Q₄，亦即，没有大电场施加于晶体管Q₁-Q₄的漏极与源极之间，因此，混频器135与有源式混频器相较可以有较佳的噪声指数，然而，其相较于上述的有源式混频器来说却没有信号放大的功能，另外，由于混频器135的开关级降频以后的输出端通常接到下一级的输入端，而在非常低频的操作下，该下一级的输入端通常为高实部阻抗，此将造成往混频器135的输入端看入亦具有相当高的阻抗，若由混频器135的前一级输出端往混频器135的输入端看进去时，将有极大的阻抗不匹配问题而会造成大量的信号衰减，因此，虽然无源式混频器可以解决上述有源式混频器中噪声指数过大的问题，然而却无法解决阻抗不匹配所造成大量的信号衰减的问题，同时也无法达到天线端与混频器输入端不需要阻抗匹配电路的效果。

发明内容

因此本发明的目的在于提供一种混频器，其利用开关电容式电路来将放大电路所输出的放大信号的直流与低频成分滤除，并只允许放大信号的非低频成分被降频电路所接收而执行降频运作，以期达到高增益与低噪声指数。同时，本发明利用将放大级的输入端晶体管的栅极与衬底相接的方式来实现天线端与混频器输入端之间不需要额外的阻抗匹配电路。

依据本发明，其公开一种用来将一输入信号降频为一输出信号的混频器。该混频器包含有一放大电路与一降频电路，其中该放大电路用来放大该输入信号以产生一放大信号，以及该降频电路包含有一滤波模块、一负载模块与一降频模块。该滤波模块耦接至该放大电路，用来滤除该放大信号中的低频成分，而该负载模块耦接至该放大电路与一预定电压电平，用来提供一直流偏压到该放大电路，以及该降频模块则耦接至该滤波模块与该预定电压电平，用来依据一本地振荡信号产生该输出信号。

依据本发明，其另公开一种用来将一输入信号降频为一输出信号的混频器。该混频器包含有一晶体管与一降频电路，其中该晶体管的控制端耦接至该输入信号，而其第一端耦接至一预定电压电平，其控制端则耦接至该晶体管的衬底。该晶体管用来放大该输入信号以产生一放大信号；以及该降频电路耦接于该晶体管的一第二端与另一预定电压电平，并用来依据一本地振荡信号降频该放大信号以产生该输出信号。

附图说明

图1A为公知利用单一吉伯单元所实现的混频器的示意图。

图1B为公知双平衡混频器的示意图。

图1C为公知无源式混频器的示意图。

图2为本发明混频器的一实施例的示意图。

图3为本发明另一混频器的一实施例的示意图。

主要元件符号说明

100、115、135、200、300	混频器	105、120、205	放大电路
100、115、135、200、300	混频器	105、120、205	放大电路	110、125、210	降频电路	130	开关电路
215	滤波模块	220	负载模块	110、125、210	降频电路	130	开关电路
215	滤波模块	220	负载模块	225	降频模块	230	第一混频单元

235

第二混频单元

具体实施方式

请参照图2，图2是本发明混频器200的一实施例的示意图，如图2所示，混频器200包含有一放大电路205与一降频电路210，其中放大电路205包含有一晶体管Q₁并用来放大输入信号S_in来产生放大信号S_in’，而降频电路210则包含有一滤波模块215、一负载模块220与一降频模块225。滤波模块215包含有一第一电容C₁与一第二电容C₂，其中第一电容C₁用来滤除放大信号S_in’中的低频成分(例如直流成份)以产生一第一滤波信号，而第二电容C₂亦是用来滤除放大信号S_in’中的直流与低频成分以产生一第二滤波信号，亦即，将会只有放大信号S_in’中的非低频成分可以通过滤波模块215。如图所示，负载模块220包含有一电阻R并用来提供一直流偏压到放大电路205，在本实施例中，负载模块220以无源元件的电阻R来加以实现，其原因在于无源元件比有源元件具有较良好的低频闪烁噪声特性，然而，在其他实施例中，负载模块220亦可以利用有源元件来加以实现，均属本发明的范畴。降频模块225则包含有一第一混频单元230与一第二混频单元235，其中第一混频单元230依据第一振荡信号S_LO+来降频上述的第一滤波信号以产生第一输出信号S_out+，而第二混频单元235则依据第二振荡信号S_LO-来降频上述的第二滤波信号以产生第二输出信号S_out-，在此请注意到，第一振荡信号S_LO+与第二振荡信号S_LO-为对应一本地振荡信号的差动信号对，而第一输出信号S_out+与第二输出信号S_out-则构成另一差动信号对，本实施例中，第一混频单元230以一晶体管Q₂来加以实作，以及第二混频单元235亦是以一晶体管Q₃来加以实作，降频模块225利用第一振荡信号S_LO+与第二振荡信号S_LO-来分别控制晶体管Q₂、Q₃的开关以实现降频运作并输出所要的第一输出信号S_out+与第二输出信号_out-，此外，晶体管Q₃、Q₃与电容C₁、C₂则组成一开关电容式(switch-capacitance type)电路。

在本实施例中，晶体管Q₁的栅极与衬底相连接为了降低由输入信号S_in所看入的输入阻抗值，以实际的操作而言，此种接法下的晶体管Q₁的最低噪声指数的最佳阻抗点在操作于几十万至几百万赫兹的射频频率范围内皆可以较公知技术更接近50欧姆的位置，而公知技术指栅极与衬底分开的晶体管接法，另外，图2所示的晶体管Q₁的阈值电压亦小于图1所示的晶体管Q₁的阈值电压，因此，图2所示的晶体管Q₁_将比图1所示的晶体管Q₁较易维持于饱和区内，亦即，图2所示的晶体管Q₁用于作为放大电路_将较为稳定，亦即，不易发生晶体管Q₁在三极体区与饱和区之间变化。因此，依据上述的优点，本发明所公开的混频器200可以直接接上天线端而不需要在天线端与放大电路205之间增加额外的阻抗匹配电路与低噪声放大器，即便在某些设计考量下仍需要设置阻抗匹配电路，但是所增加的电路面积亦远少于公知技术所增加的电路面积。

另一方面，由于滤波模块215中的第一电容C₁与第二电容C₂将只允许放大信号S_in’的非低频成分通过，并且负载模块220(其与第一混频单元230与第二混频单元235并联)将会提供直流偏压到放大电路205，而因为第一、第二输出信号S_out+、S_out-的低频噪声大小与降频模块225中通过晶体管Q₂、Q₃的直流电流相关，因此，在没有任何直流电流通过降频模块225的情形下，混频器200整体的噪声指数会被大大地减小而可解决公知技术所遭遇的问题；此外，由节点N’分别往放大电路205与降频电路210所看入的阻抗值亦较公知的无源式混频器技术来得匹配，其理由为从节点N’往降频电路210所看入的阻抗值将由晶体管Q₂加上电容C₁(或是晶体管Q₃加上电容C₂，其由晶体管Q₂与晶体管Q₃在当下时间点上的状态来决定，其中在同一时间点上只会有一个晶体管导通(晶体管Q₂或是晶体管Q₃))与负载模块220并联所提供，即使负载模块220中电阻R的阻抗值与混频器下一级的输入阻抗值相当大，然而并联后的效果将使得从节点N’往降频电路210所看入的阻抗值较近于节点N’往放大电路205所看到的阻抗值，如此一来，将可以减少混频器200本身内部元件因阻抗不匹配所造成的功率损耗。

在其他实施例中，本发明亦可以适用于非差动电路中，举例来说，可以移除图2所示的第二混频单元235与第二电容C₂而原本针对第一、第二振荡信号S_LO+、S_LO-的差动信号对亦改换成针对一单一本地振荡信号来执行降频运作以输出一单端输出信号，虽然在此实施例中由节点N’看入的阻抗值并不互相匹配而无法有效解决混频器本身内部元件因阻抗不匹配所造成的功率损耗，然而其亦可以经由电容C₁的设置而解决公知混频器的噪声指数过大的问题以及经由将晶体管Q₁的栅极连接于衬底而得以解决公知混频器的输入阻抗与天线端的阻抗不匹配的问题。

在另一实施例中，可以组合本发明放大电路205与图1所示的公知降频电路110来构成本发明如图3所示的另一混频器300。虽然此一混频器300有噪声指数过大的问题，然而却能够经由将晶体管Q₁的栅极连接于衬底而得以解决输入阻抗与天线端的阻抗不匹配的问题，此一混频器结构亦属于本发明的范畴。

在此请注意到，为了简略说明，本发明所述的实施例利用单一吉伯单元来作为例子以方便说明，然而亦可以将上述本发明所公开的一个或多个技术特征应用于由多个吉伯单元构成的混频器结构(例如由一对吉伯单元构成的双平衡混频器)中，同样可以解决公知技术所遭遇的问题；此外，本发明的实施例所提及的混频器设置于一直接降频接收器或是一低中频降频接收器中，然而，对于任何使用本发明混频器的降频接收器亦符合本发明的精神而属于本发明的范畴。

以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所进行的等效变化与修改，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种用来将一输入信号降频为一输出信号的混频器，其包含有：

一放大电路，用来放大该输入信号以产生一放大信号；以及

一降频电路，包含有：

一滤波模块，耦接至该放大电路，用来滤除该放大信号中的低频成分；

一负载模块，耦接至该放大电路与一预定电压电平，用来提供一直流偏压到该放大电路；以及

一降频模块，耦接至该滤波模块与该预定电压电平，用来依据一本地振荡信号产生该输出信号。

2.如权利要求1所述的混频器，其中该本地振荡信号包含一第一振荡信号与一第二振荡信号，该输出信号包含有一第一输出信号与一第二输出信号，以及该滤波模块包含有：

一第一电容，耦接至该放大电路与该降频模块，用来滤除该放大信号中的低频成分以产生一第一滤波信号；

一第二电容，耦接至该放大电路与该降频模块，用来滤除该放大信号中的低频成分以产生一第二滤波信号；以及

该降频模块包含有：

一第一混频单元，耦接于该预定电压电平与该第一电容，用来依据该第一振荡信号降频该第一滤波信号以产生该第一输出信号；以及

一第二混频单元，耦接于该预定电压电平与该第二电容，用来依据该第二振荡信号降频该第二滤波信号以产生该第二输出信号。

3.如权利要求2所述的混频器，其中该第一、第二振荡信号为一差动信号对，以及该第一、第二输出信号为另一差动信号对。

4.如权利要求2所述的混频器，其中该第一混频单元包含有：

一第一晶体管，其控制端耦接于该第一振荡信号，其第一端耦接于该预定电压电平，而其第二端则耦接于该第一电容；以及

该第二混频单元包含有：

一第二晶体管，其控制端耦接于该第二振荡信号，其第一端耦接于该预定电压电平，而其第二端则耦接于该第二电容。

5.如权利要求4所述的混频器，其中该放大电路包含有：

一第三晶体管，其控制端耦接至该输入信号，其第一端耦接至该负载模块，其第二端耦接至另一预定电压电平，而其控制端另耦接至该晶体管的衬底。

6.如权利要求1所述的混频器，其中该负载模块由至少一无源元件所组成。

7.如权利要求1所述的混频器，其中该负载模块由至少一有源元件构成。

8.如权利要求1所述的混频器，其中该放大电路包含有：

一晶体管，其控制端耦接至该输入信号，其第一端耦接至该负载模块，其第二端耦接至另一预定电压电平，而其控制端另耦接至该晶体管的衬底。

9.如权利要求1所述的混频器，其设置于一直接降频接收器。

10.如权利要求1所述的混频器，其设置于一低中频或零中频降频接收器。

11.一种用来将一输入信号降频为一输出信号的混频器，其包含有：

一晶体管，其控制端耦接至该输入信号，其第一端耦接至一预定电压电平，而其控制端另耦接至该晶体管的衬底，该晶体管用来放大该输入信号以产生一放大信号；以及

一降频电路，耦接于该晶体管的一第二端与另一预定电压电平，用来依据一本地振荡信号降频该放大信号以产生该输出信号。

12.如权利要求11所述的混频器，其设置于一直接降频接收器。

13.如权利要求11所述的混频器，其设置于一低中频降频接收器。