CN101542896A - 混频器 - Google Patents

Abstract

一种混频器，用于混合分别具有第一和第二频率的第一和第二输入信号。一个电压－到－电流变换器与一个输入连接，用来将第一输入信号转换成一个电流信号。一个乘法电路与电压－到－电流变换器连接，用于将电流信号乘以第二输入信号以在输出上形成一个输出信号。提供一个匹配电路，其将电流信号的一个分量连接回输入。匹配电路可以包括一个反馈电阻，用来反馈一部分电流信号回到输入。在第二输入上接收到第二输入信号，其被连接到第二电压－到－电流变换器，用于将第二输入信号转换成第二电流信号。在混频器的一个实施例里，第二输入是一个本地振荡器，并且电流信号乘以一个本地振荡器信号以在输出上形成一个输出信号。

Description

混频器

技术领域

本发明涉及混频器，通常涉及用来混合一个射频信号和本地振荡器信号以产生一个中频信号的混频器。

发明背景

混频器用于频率转换，并且是现代射频(RF)系统里的一个基本组件。一个混频器的典型RF应用是将一个射频(RF)信号转换成一个低中频(IF)信号。这种降频(frequency reduction)允许更简单的信号处理和/或信号的高增益放大，而不会有不稳定或震荡的风险，这些风险可能在射频的高增益放大上发生。

现有RF混频器存在许多问题。一个问题是为了实现混频器的宽频匹配，普遍使用晶载螺旋电感器(on-chip spiral inductor)。这些螺旋电感器要求一个大的晶圆面积(die area)，并产生较高的生产成本。使用螺旋电感器的一个替代方案是并行使用一连串窄带(narrow band)混频器，以便实现一个具体带宽和宽频匹配。但是，这种解决方法也是用一个大晶圆面积，并产生较高的生产成本。现有混频器的另一个缺点是一些混频器要求准确的预失真(pre-distortion)以消除任何非线性，来实现要求的性能和宽频匹配。由于加工偏差和低生产质量，很难获得准确的预失真，从而这种混频器的制作成本很高昂。

因此，需要一种改善的可以用于RF应用的混频器。

发明概述

在此披露了一种混频器，用于混合分别具有第一和第二频率的第一和第二输入信号。在本混频器里，一个电压-到-电流变换器与一个输入连接，用于将第一输入信号转换成一个电流信号。一个乘法电路(multipliercircuit)与电压-到-电流变换器连接，用来将电流信号乘以第二输入信号以在输出上形成一个输出信号。而且，提供一个匹配电路，其将电流信号的一个分量耦合回输入。匹配电路可以包括一个反馈电阻器，用来反馈一部分电流信号回到输入。在第二输入上接收到第二输入信号，其被耦合到第二电压-到-电流变换器，用来将第二输入信号转换为第二信号。

在一个混频器实施例里，第二输入是一个本地振荡器，并且电流信号乘以一个本地振荡器信号以在输出上形成一个输出信号。

优选地，电压-到-电流变换器包括第一电压驱动晶体管(voltage drivetransistor)，并且乘法电路包括第二电压晶体管，其与第一电压驱动晶体管串联，用于将振荡器信号转换成一个振荡器电流信号，并与输入电流信号混合。

在另一个实施例里，混频器还包括每个所述电压-到-电流变换器、乘法电路和匹配电路中的一个互补对(complimentary pair)。输入信号和一个本地振荡器信号包括具有正和负分量的差分信号，通过所述互补对进行混合。

优选地，乘法电路包括一对由本地振荡器信号驱动的平行晶体管，用于引导电流信号经过一个或两个晶体管，与本地振荡器信号同步。

优选地，混频器还包括一个电流-到-电压变换器，用来将输出信号转换成一个输出电压。

优选地，混频器还包括电流-到-电压变换器，是一个与混频器连接的电阻。

从以下仅通过范例的描述，本发明的其它方面和披露将越发明显。

附图说明

图1是描述依照本发明的一个单端(single-end)信号混频器的示意图；

图2描述依照本发明一个混频器的增益特征，

图3是描述依照本发明的一个单端信号混频器的第二实施例的示意图，和

图4是描述一个用于差分输入信号的信号混频器的示意图。

典型实施例详述

现在将描述本发明的一个典型实施例，其被实施在一个宽频混频器里，通过将RF信号和一个本地振荡器(LO)信号混合，将一个射频(RF)信号转换成一个中频(IF)信号。但是，这不是意在限制本发明的使用范围或功能。技术人员将会理解，本发明的混频器是一个信号倍增器(signalmultiplier)，其拥有两个具有第一和第二频率的信号作为其输入，以及第一和第二频率的和频率和差频作为其输出。这种混频器可以在不同于在RF系统里RF到IF变换的领域里发现其应用。

参照图1，其是本发明的最简化典型实施例。混频器电路包括一个负载电阻(load resistor)和一对串联的电压驱动的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)M1和M2。这两个MOSFETs串联，MOSFET M2的漏极与MOSFET M1的源极(source)相连。负载电阻被连接在一个电压源Vdd和MOSFET M2的源极之间，并且MOSFETs M1的漏极接地以完整电路。

在MOSFETs M1和M2的栅极(gate)上分别提供两个电路输入。在RF混频器应用里，在M1的栅极上输入一个LO信号，在M2的栅极上输入一个RF信号。本领域技术人员将会理解，在一个RF系统里本地振荡器可能是部分混频器电路。为避免过度复杂，在附图里未显示一个完整的本地振荡器。根据在其栅极上各个RF和LO信号的电压，每个MOSFETs M1和M2的源极到漏极的导电性发生变化。从而MOSFETs将输入RF和LO电压信号转换成MOSFETs里的源极-漏极电流信号。两个MOSFETs M1和M2的串联安排增加各自的电流信号。从MOSFET M2的源极获得输出或中频(IF)。本领域技术人员将会理解，IF信号包括输入RF和LO信号的和频率和差频。用于RF系统而获得中频，输出IF信号被传递经过一个低通滤波(LPF)，其未在图中显示，以删除和频率而仅留下差频。

负载电阻将电流信号转换回一个电压输出电压信号，避免需要现有技术设备的电感器，其节省了晶圆面积，并提供电路稳定性，同时允许使用一个低供给电压Vdd。

从MOSFET M2的源极到M2的栅极提供一个反馈电阻。反馈电阻执行阻抗匹配功能，并用于进行宽频匹配。如要求的输入RF信号阻抗匹配，选择反馈电阻的数值以提供一个合适的输入电阻给M2。本领域技术人员将会理解，此构造里的电阻器作为一个电流到电压的变换器，例如经过电阻器的电压与经过电阻器的电流成正比，以反馈一部分MOSFET通道电流回到MOSFET输入。

RF输入MOSFET M2的Miller等式输入阻抗可以表示为Rin＝Rf/(1-Av)，其中Rf是反馈电阻值，而Av是混频器的开路(open-loop)电压增益。

在高频应用里，设备的质量因子，或Q因子是一个重要特征。MOSFETM1的Q因子由以下公式提供：

$Q=\frac{1}{[R1+\frac{1}{\mathrm{Rin}}]\×\mathrm{\ω}\×\mathrm{Cgs}}$

其中ω是额定运行频率，而Cgs是M1的栅-源极电容。

对一个MOSFET而言，带宽和Q因子之间的关系可以表示为：带宽＝ω/Q。

代入Q和Rin，可以观察到混频器的带宽可以通过调整反馈电阻Rf进行选择。本领域技术人员将会明白，通过使用模拟或数字可变电阻器网络替换Rf，可以制作一个可调和/或可编程带宽的混频器。

依照本发明，图2显示一个宽频混频器的增益。可以看到，混频器在频率输入范围3.1-4.8GHz内有一个稳定的2dB增益。在测试电路里，反馈电阻(Rf)值大约是300Ohm，并且晶体管是几百微米(um)。电路使用0.18um工艺并在1.8供给电压上运行。

参照图3，显示图1电路的第二典型实施例。在此电路里，提供一个额外反馈电容器C1，其与MOSFET M2的源极和栅极之间的反馈电阻Rf串联。电容器C1防止任何MOSFET源极电流的DC成分被反馈到栅极。

以上讨论了本发明的典型实施例是用于单端(single-end)信号。但是，技术人员将会理解，大多数现代系统使用差分信号(differential signaling)，其中信号值是两个正和负分量信号之间的差值。正和负分量信号在各个导体上，其信号值是每个导体上的单体电压之间的差值。技术人员将明白，对差分信号而言，要求一对端子用于每个输入信号和输出信号。图4描述了本发明使用差分信号的一个典型实施例。图4的实施例包括图2所示电路的一个互补对，外加额外的电流-导引(current-steering)MOSFETs以提供单个输入信号和电流源之间的跨接(cross over)，从而提供一个最小漏极电流给MOSFETs。

参照图4，差分信号混频器包括一对RF信号输入MOSFETs M5和M6，用于将单个正和负RF信号转换成各自电流信号。正RF信号RFp被连接到MOSFET M5的栅极，而负RF信号RFn被连接到MOSFET M6的栅极。本地振荡器输入分别包括两对互补的MOSFETs M1、M2和M3、M4。MOSFETs M1-M4将本地振荡器电压信号LOp和Lon转换成各自电流信号，并作为导引开关以使用分量RF电流信号调制分量LO电流信号。第一对MOSFETs M1、M2的漏极连接在一起，并与RF输入MOSFET M5的源极相连。正的本地振荡器信号LOp被连接到MOSFET M1的栅极，而负的本地振荡器信号LOn被连接到M2的栅极。另一对振荡器MOSFETsM3、M4的漏极连接到负RF信号MOSFET M6的源极。正的本地振荡器信号LOp被连接到MOSFET M4的栅极，而负的本地振荡器信号LOn被连接到MOSFET M3的栅极。为了提供正和负差分信号之间的电流导引，在两对本地振荡器MOSFETs之间有源极跨接。MOSFET M2的源极连接到MOSFET M4的源极，并且MOSFET M3的源极连接到MOSFET M1的源极。有一对负载电阻R1和R2分别在电压源Vdd和MOSFETs M1、M3和M4、M2的各个源端之间。从各个MOSFETs M1，M3和M4，M2的源极端，获得差分的正和负输出中频信号IFp和IFn。RF输入MOSFETs M5和M6的漏极端通过一个电流源Ib连接到地面。电流源Ib保持一个最小漏极电路在MOSFETs内。

和先前的典型实施例一样，在每个RF输入MOSFETs M5和M6的源极和栅极之间提供一个反馈电阻器Rf，以及可选地提供一个电容器C1/C2，用于宽频信号匹配。

依照本发明的宽频混频器有许多优点优于现有技术的混频器，包括不需要螺旋电感器，节省空间和制造成本。本发明使用全CMOS技术和单个反馈电阻器，提供简单的宽频匹配。同样，本发明能够提供稳定的高增益控制，意味着可以使用单个混频器，在RF系统里产生较少能耗。由于宽频混合，混频器直接连接到RF电路的一个低噪声放大器输出。

已经描述了本发明的典型格式，但这不是意在限制本发明的使用范围和功能。应该理解，对本领域技术人员明显的修改和替换没有超出本发明的范围。

Claims (14)

1.一种混频器，用于混合分别具有第一和第二频率的第一和第二输入信号，混频器包括：

一个输入和一个输出，

一个与输入连接的电压-到-电流变换器，用于将第一输入信号转换成一个电流信号，

一个与电压-到-电流变换器连接的乘法电路，用于将电流信号乘以第二输入信号以在输出上形成一个输出信号，和

一个匹配电路，将电流信号的一个分量连接到输入。

2.根据权利要求1所述的混频器，还包括第二输入，用于接收第二输入信号，和第二电压-到-电流变换器，其与第二输入连接，用于将第二输入信号转换成第二信号。

3.根据权利要求1所述的混频器，其中电压-到-电流变换器包括一个电压驱动晶体管，其具有一个与输入连接的基极。

4.根据权利要求1所述的混频器，其中匹配电路包括一个反馈电阻，用于反馈一部分电流信号回到输入。

5.根据权利要求1所述的混频器，还包括每个所述电压-到-电流变换器、乘法电路和匹配电路中的一个互补对，并且其中第一和第二输入信号包括差分信号，每个差分信号有正和负分量，通过所述互补对进行混合。

6.根据权利要求1所述的混频器，还包括一个电流-到-电压变换器，用于将输出信号转换成一个输出电压。

7.根据权利要求6所述的混频器，其中电流-到-电压变换器是一个与混频器连接的电阻。

8.一种混频器，用于混合一个输入信号和一个本地振荡器信号以在输出上提供一个输出信号，混频器包括：

一个输入和一个输出，

一个与输入连接的电压-到-电流变换器，用于将一个输入信号转换成以一个输入电流信号，

一个与电压-到-电流变换器连接的乘法电路，用于将电流信号乘以一个本地振荡器信号以在输出上形成一个输出信号，和

一个匹配电路，连接电流信号的一个分量到输入。

9.根据权利要求8所述的混频器，其中电压-到-电流变换器包括第一电压驱动晶体管，乘法电路包括第二电压晶体管，其与第一电压驱动晶体管串联，用于将振荡器信号转换成一个振荡器电流信号，并将它与输入电流信号混合。

10.根据权利要求8所述的混频器，其中匹配电路包括一个反馈电阻，用于反馈一部分电流信号回到输入。

11.根据权利要求8所述的混频器，还包括每个所述电压-到-电流变换器、乘法电路和匹配电路中的一个互补对，其中输入信号和本地振荡器包括一个差分信号，其具有正和负的分量，通过所述互补对进行混合。

12.根据权利要求11所述的混频器，其中乘法电路包括一对由本地振荡器信号驱动的平行晶体管，用于导引电流信号经过一个或两个晶体管，与本地振荡器信号同步。

13.根据权利要求8所述的混频器，还包括一个电流-到-电压变换器，用于将输出信号转换成一个输出电压。

14.根据权利要求13所述的混频器，其中电流-到-电压变换器是一个与混频器连接的电阻。

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