CN101944881A - 具有四分之一占空比开关单元的正交混频器电路 - Google Patents

Abstract

具有四分之一占空比开关单元的正交混频器电路，涉及通信技术领域。现有技术存在功耗大、失配、低频闪烁噪声、二次非线性失真等缺陷，本发明的开关混频电路块包括I路混频子块和Q路混频子块，每个混频子块分别包括正交对称设置的一正极开关单元组和一负极开关单元组，每个开关单元组包括两个共输入端的四分之一占空比开关单元，每个四分之一占空比开关单元包括两个串联的晶体管，每个晶体管都具有一本振信号输入极，同个四分之一占空比开关单元内两个晶体管所输入的本振信号相差π/2个相位。使得RF到IF的路径中在每个时刻内仅有一个通路导通，有效改善了二次非线性失真和低频闪烁噪声，减小失配，增大了电流增益。

Description

具有四分之一占空比开关单元的正交混频器电路

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其是一种针对传统吉尔伯特混频器的电路改进。

背景技术

传统Gilbert结构的正交开关混频器如图1-3所示，I路混频子块11和Q路混频子块21均为电流开关型双平衡结构，并分别连接一个独立作为转换放大电路的跨导级电路，两个跨导级电路分别将射频电压信号转换成电流信号。在I路混频子块中，电流信号分别流入由MOS管M1、M2及M3、M4组成的差分对，两个差分对输出交叉耦合得到混频之后的电流输出信号。Q路混频子块结构完全相同。每个MOS管的栅极加载本振信号(LO)，同个差分对里，两个MOS管的栅极本振信号相差π个相位。本振信号一般由一个压控振荡器(VCO)产生，经过一个二分频电路分别提供给I路和Q路混频子块，两路信号相差π/2个相位。一个带有本振信号的晶体管形成一个具有1/2占空比的开关单元。由于射频电流在正交混频器内分流，这种结构混频器的电流转换增益为1/2*2/π，即-10dB。此外，两个独立的跨导级电路会造成失配，且由于正交混频器的两个子混频电路均为Gilbert型开关混频器，混频器电路固有的缺点没有得到任何改善，如低频闪烁噪声、二次非线性失真等。

一种改进的正交混频器如图4-5所示，利用2倍频及1倍频本振信号的组合串联实现了等效的1/4占空比开关波形，从而使正交混频器的跨导级电路合并。该结构可以将电流转换增益由图1中的1/π改善到√2/π，即增加了3dB。同时由于每个时刻内仅有一个从射频信号到中频信号的支路导通，使得由于开关器件引起的二次非线性失真及低频闪烁噪声均得到改善。图2中的2倍频本地振荡信号一般由VCO直接产生，而正交本振信号通过二分频电路得到。与传统技术相比，该结构中需要一个工作在2倍本振频率的缓冲放大电路3，从而需要额外的功耗损耗。

发明内容

为了解决现有技术中存在的低频闪烁噪声、二次非线性失真或额外功耗的问题，本发明提供一种具有四分之一占空比开关单元的正交混频器电路，通过设置一个由两个晶体管串联形成的四分之一占空比开关单元，达到在不需要额外功耗的前提下改善电路性能的目的。

为此，本发明采用以下技术方案：

具有四分之一占空比开关单元的正交混频器电路，包括：

转换放大电路块，接收射频电压信号并对电压信号进行转换放大，输出射频电流信号；

开关混频电路块，将本振信号和转换放大电路块输出的射频电流信号进行混频；

其特征在于所述的开关混频电路块包括I路混频子块和Q路混频子块，每个混频子块分别包括正交对称设置的一正极开关单元组和一负极开关单元组，每个开关单元组包括两个共输入端的四分之一占空比开关单元，每个四分之一占空比开关单元包括两个串联的晶体管，每个晶体管都具有一本振信号输入极，同个四分之一占空比开关单元内两个晶体管所输入的本振信号相差π/2个相位。相差π/2个相位的本振信号可通过采用经过二分频的VCO信号，即将传统Gilbert结构的正交开关混频器中Q路混频子块的本振信号引入I路，也将I路混频子块的本振信号引入Q路。也可采用其他方法达到产生π/2个相位差本振信号的目的。这样，在同一时刻，本方案的混频器从射频电流输入端到中频信号输出端只有一条支路导通，有效改善了二次非线性失真及低频闪烁噪声。与现有技术二相比，本方案不需要加额外的工作在2倍本振(2*LO)频率的缓冲放大电路，减小了工作电流和功耗。此外，现有技术二中，2倍频LO信号与LO信号的时序发生随机变化，电路的增益将会可能发生改变，此类问题在本方案中并不存在。

作为对上述技术方案的完善和补充，本发明进一步采取如下技术措施或是这些措施的任意组合：

所述I路与Q路混频子块内的两个正极开关单元组的输入端都连接至一转换放大电路块的正极电流输出端，所述I路与Q路混频子块内的两个负极开关单元组的输入端都连接至同一转换放大电路块的负极电流输出端。由于本发明采用了“四分之一占空比开关单元”，使I路与Q路混频子块可以共用一个转换放大电路块而不用担心两路之间的互相串扰，从而将电流转换增益从传统的1/π改善到√2/π，即增加了3dB，且不需要增加额外功耗。

所述的晶体管为场效应管，一个四分之一占空比开关单元内，两个场效应管串联后从源极接收射频电流信号，两个场效应管的栅极分别输入I路和Q路的本振信号。

所述的晶体管为双极结型晶体管，一个四分之一占空比开关单元内，两个双极结型晶体管串联后从发射极接收射频电流信号，两个双极结型晶体管的基极分别输入I路和Q路的本振信号。

晶体管的类型可根据需要来选择。

有益效果：本发明通过通过对1/2占空比的正交本地振荡信号的组合串联使得该正交混频器有效的开关波形占空比变为1/4，从而使得RF到IF的路径中在每个时刻内仅有一个通路导通，有效改善了混频器由于开关器件引起的二次非线性失真和低频闪烁噪声。同时可以使正交混频器电路可以共享同一个跨导级电路，减小由于不同跨导级电路引起的失配，并增大了电流增益。

附图说明

图1为传统的吉尔伯特结构正交混频器原理示意图；

图2为图1的I路混频子块结构示意图；

图3为图1的Q路混频子块结构示意图；

图4为现有的改进型正交混频器原理示意图；

图5为图4的两路混频子块及缓冲放大电路结构示意图；

图6为本发明混频器的原理示意图；

图7为本发明的结构示意图；

图8为本发明工作状态下的逻辑开关波形图；

具体实施方式

如图6-7所示的具有四分之一占空比开关单元的正交混频器电路，VCO产生的本振信号LO经过2分频器分成两路相位差π/2的信号LO_I和LO_Q。开关混频电路块包括I路混频子块12和Q路混频子块22，每个混频子块分别包括正交对称设置的一正极开关单元组和一负极开关单元组(如晶体管M1b、M2b、M1a、M2a形成I路负极开关单元组)，每个开关单元组包括两个共输入端的四分之一占空比开关单元13，每个四分之一占空比开关单元包括两个串联的晶体管(如M1b和M1a)，这两个晶体管分别加载LO_I路和LO_Q路的相差π/2个相位的本振信号。在这两个相差π/2个相位的本振信号控制下，一个四分之一占空比开关单元的导通时间为四分之一周期，具体参见图8，通过对1/2占空比差分正交LO的串联组合，得到了图中的下半部等效开关波形，可以看出每个时刻内RF(IRF)到IF(BB_I、BB_Q)的路径中仅有一个通路导通。

I路混频子块12和Q路混频子块22可共用一个转换放大电路块(跨导级电路)，图中未5，可采用现有结构。

本发明的四分之一占空比开关单元可采用场效应管或者双极结型晶体管串联制成，也可采用其他工艺的器件。

本发明的混频器不限于有源混频器结构，还包括其他基于本专利思想实现的正交混频器电路，包括电流或电压模式的无源混频器等。

应当指出，本实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (4)

1.具有四分之一占空比开关单元的正交混频器电路，包括：

转换放大电路块，接收射频电压信号并对电压信号进行转换放大，输出射频电流信号；

开关混频电路块，将本振信号和转换放大电路块输出的射频电流信号进行混频；

其特征在于所述的开关混频电路块包括I路混频子块和Q路混频子块，每个混频子块分别包括正交对称设置的一正极开关单元组和一负极开关单元组，每个开关单元组包括两个共输入端的四分之一占空比开关单元，每个四分之一占空比开关单元包括两个串联的晶体管，每个晶体管都具有一本振信号输入极，同个四分之一占空比开关单元内两个晶体管所输入的本振信号相差π/个相位。

2.根据权利要求1所述的具有四分之一占空比开关单元的正交混频器电路，其特征在于：所述I路与Q路混频子块内的两个正极开关单元组的输入端都连接至一转换放大电路块的正极电流输出端，所述I路与Q路混频子块内的两个负极开关单元组的输入端都连接至同一转换放大电路块的负极电流输出端。

3.根据权利要求1或2所述的具有四分之一占空比开关单元的正交混频器电路，其特征在于：所述的晶体管为场效应管，一个四分之一占空比开关单元内，两个场效应管串联后从源极接收射频电流信号，两个场效应管的栅极分别输入I路和Q路的本振信号。

4.根据权利要求1或2所述的具有四分之一占空比开关单元的正交混频器电路，其特征在于：所述的晶体管为双极结型晶体管，一个四分之一占空比开关单元内，两个双极结型晶体管串联后从发射极接收射频电流信号，两个双极结型晶体管的基极分别输入I路和Q路的本振信号。

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