CN102104364A - 用于uwb信号发送装置的低电压混合器电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于UWB信号发送装置的低电压混合器电路。低电压混合器电路可被安装到UWB信号发送装置。此电路包含第一与第二NMOS晶体管差动对(M5，M6，M7，M8)，其中，第一对的晶体管(M5，M6)的源极连接到跨导级的第一MOS晶体管反转器布置(M1，M3)的输出，第二对的晶体管(M7，M8)的源极连接到跨导级的第二MOS晶体管反转器布置(M2，M4)的输出。第一对的第一NMOS晶体管(M5)的漏极和第二对的第二NMOS晶体管(M7)的漏极连接到第一电阻器(R0)，用于供给第一输出信号(RF0)。第二对的第一NMOS晶体管(M8)的漏极和第一对的第二晶体管(M6)的漏极连接到第二电阻器(R1)，用于供给第二输出信号(RF1)。第一与第二电阻器连接到供电电压源的高电位端子(VDD)。差动对的第一NMOS晶体管(M5，M8)的栅极接收第一载波频率信号(LOP)，而差动对的第二NMOS晶体管(M6，M7)的栅极接收第二载波频率信号(LON)。第一数据信号(IN0)被供到第一反转器布置(M1，M3)的输入，而第二数据信号(IN1)被供到第二反转器布置(M2，M4)的输入。

Description

用于UWB信号发送装置的低电压混合器电路
技术领域
本发明涉及用于将由天线发送的信号的高频转换的低电压混合器(mixer)电路，特别是用于超宽带(UWB)信号发送装置的低电压混合器电路。
背景技术
在使用超宽带UWB)技术的系统中，数据发送经由UWB数据信号执行，该信号包含使用或不使用载波频率的一系列非常短的脉冲。“数据”应当一般理解为包含具有一个或多于一个的连续符号(symbol)的文本信息、同步信息或其他信息。由于脉冲非常短，例如每个具有2ns或更小的持续时间，这产生了频域内的超宽带波谱。对于UWB技术，所规定的UWB信号的频谱必须在3.1和10.6GHz之间。波谱也可分为几个频段，以便限定包括大约499.2MHz的12个频段的不同发送信道。
对于将由附近的UWB接收器装置识别的UWB发送器装置，被发送数据信号的脉冲序列编码在理论上对于发送器装置个性化。不同类型的编码可用于在UWB信号中发送数据。可使用脉冲位置调制(PPM)、脉冲幅度调制(PAM)、二进制相位或相移键控(BPSK)、脉冲位置调制和相移键控的组合、二进制开关键控(OOK)编码或另一类型的调制。超宽带技术的数据发送通常以低功率发送脉冲在短距离上进行。
数据脉冲在由UWB信号发送装置的数据发生器控制的脉冲发生电路中产生，用于供给至少一个数据脉冲信号。这种用于UWB信号的脉冲信号仍可经由混合器进行频率转换。此脉冲信号因此在混合器中与来自本地振荡器的至少一个载波频率信号混合。由混合器提供的信号一般必须在附加的放大器中放大，因为混合器输出上的发送动态范围通常不足。由放大器放大的信号定义将由发送装置天线发送的UWB信号。这构成了现有技术中这种类型的装置的缺点，因为这意味着部件的数量或是装置的电力消耗能被减小。
UWB信号发送装置中使用的混合器电路的一个实施例在JP专利No.2005-184141中限定。此混合器电路以用于UWB信号发送的高频对数据信号进行转换。混合器电路被制造为使得其能以低电压运行，例如以小于2V的电压。为了实现这一点，其包含两个MOS晶体管差动对，其各自与另一MOS晶体管和电阻器串联连接在供电电压源的端子之间。这使得所述供电电压的等级能被减小。然而，混合器电路没有为输出电压提供充足的动态范围。因此，这需要在混合器电路输出上使用放大器，以便放大输出信号，用于UWB信号发送，这构成了缺点。
对前面提到的文档的混合器电路的一种改进在美国专利No.2009/0174460中公开。此文档的混合器电路也包含两个NMOS晶体管差动对，其各自与另一NMOS晶体管和电阻器串联连接在供电电压源的端子之间。连接到对应的NMOS晶体管差动对的各个NMOS晶体管适用于移除三阶跨导，以便获得更为线性的混合器电路。即使混合器电路可被布置为以低电压运行，仍有必要在混合器电路输出上使用放大器，以便对输出信号进行放大，用于UWB信号发送，这构成了缺点。
美国专利No.2006/0135109也公开了一种具有与日本专利No.2005-184141和美国专利No.2009/0174460相同结构的混合器电路，但在跨导级具有两个反转器布置。然而，这种混合器电路使用有源负载，用于供给两个输出信号，这构成了缺点，因为这意味着不能在混合器电路输出上保证好的动态范围。
因此，本发明的目的在于，通过提供特别用于UWB信号发送装置的低电压混合器电路——其保证低电压混合器电路输出上的最大动态范围，克服前面提到的缺点。
发明内容
因此，本发明涉及一种前面提到的低电压混合器电路，其包含独立权利要求1中限定的特征。
混合器电路的特定实施例在从属权利要求2-9中限定。
低电压混合器电路的一个优点在于，混合器电路输出信号的电压幅度由于具有低供电电压的跨导级而增大。这在混合器电路输出上提供了最大的动态范围，甚至以小于1V的供电电压。为了实现这一点，仅两个晶体管串联连接在供电电压源的两个端子之间，用于跨导级，并用于跨导级和晶体管差动对之间的布置。
因此，本发明还涉及具有低电压混合器电路的UWB信号发送装置，其具有权利要求10所限定的特征。
UWB发送装置的特定实施例在从属权利要求11中限定。
附图说明
由下面对附图所示至少一个非限制性实施例的介绍，将会明了UWB信号发送装置中的低电压混合器电路的目的、优点和特征，在附图中：
图1以简化的方式示出了UWB信号发送装置，其包含根据本发明的低电压混合器电路；
图2示出了根据本发明用于UWB信号发送装置的低电压混合器电路的实施例；以及
图3示出了根据本发明的低电压混合器电路的跨导级的特定实施例。
具体实施方式
在下面的说明中，低电压混合器电路的特定元件均被定义。然而，本领域技术人员公知的制造所述混合器电路的各个元件的方法仅仅以简化的方式介绍。所述低电压混合器电路可优选为用于UWB信号发送装置，但是，其也可用于例如任何其他射频信号发送或接收装置。
UWB信号发送装置1——其包含根据本发明的低电压混合器电路3——以简化的方式在图1中示出。这种发送装置可由数据发生器2、脉冲发生器电路10、与脉冲发生器电路组合的BPM/BPSK调制电路6、本地振荡器4、根据本发明的混合器电路3以及用于发送UWB信号的天线5构成。
UWB载波频率信号——其由天线发送——可由同步报头以及报头后面的一系列数据符号构成。对于每个被发送的数据符号，UWB信号包含小于2ns的脉冲或位置调制和相移脉冲的突发，其限定了两个比特，且在3.1GHz和10.6GHz之间的载波频率上受到频率转换。对于数据发送，UWB信号的载波频率可被确定，例如从UWB波谱的3.1GHz和10.6GHz带宽的十二个499.2MHz频带中。例如，7.9872GHz的载波频率可被选择。
在UWB信号发送阶段中，数据发生器2将数字数据信号供给包含位置调制(BPM)和二进制相移键控(BPSK)单元6以及脉冲发生器电路10的布置。这允许脉冲发生器电路对于混合器电路3供给至少一个脉冲输出信号IN0。来自本地振荡器4的至少一个载波频率信号LOP在混合器电路3中与脉冲发生器输出信号混合。这允许输出信号被频率转换到载波频率上。混合器电路3因此向发送天线5直接供给作为脉冲数据UWB信号的至少一个输出信号RF0，以便发送到至少一个附近的接收器装置。
注意，如下面参照图2和3所阐释的，混合器电路3可优选为被配置为，从脉冲发生器电路10接收两个脉冲数据输出信号IN0和IN1。第一输出信号IN0的脉冲相对于第二输入信号IN1的脉冲反转。在混合器电路3中，第一脉冲输出信号IN0与来自本地振荡器4的第一载波频率信号LOP混合，而来自脉冲发生器电路的第二脉冲输出信号IN1与第二载波频率信号LON混合。来自本地振荡器4的此第二载波频率信号相对于第一载波频率信号相移180°。因此，这加强了将由天线5发送的脉冲UWB数据信号，如果两个差分输出被组合的话。为了实现这一点，可在混合器输出上提供用于混合器电路输出信号的加法器。
现在参照图2详细介绍本发明的低电压混合器电路的一个实施例。此低电压混合器电路优选为用于构成如上所阐释的UWB信号发送装置的一部分。其由低电压电源供电，低电压电源可低于1V，例如大约0.9V。相对于现有技术中的，这显著减小了混合器电路的功耗。此混合器电路可以以集成的形式制造，例如以0.18μm技术在P掺杂硅衬底中制造。其可以与数据发生器、BPM/BPSK调制单元、脉冲发生器电路以及发送装置的本地振荡器的大部分在同一集成电路中制造。
此低电压混合器电路包含：两个阻抗，其为电阻器R0、R1；两个NMOS晶体管差动对M5、M6、M7、M8(第一导电类型)，其为相同的尺寸并匹配；跨导级，其由匹配的NMOS晶体管M1、M2以及匹配的PMOS晶体管M3、M4(第二导电类型)的两个支路构成。跨导级的第一支路包含第一NMOS晶体管M1，其以反转器的形式与第一PMOS晶体管M3串联连接在供电电压源VDD(未示出)的两个端子之间。跨导级的第二支路包含第二NMOS晶体管M2，其以反转器的形式与第二PMOS晶体管M4串联连接在供电电压源的两个端子之间。各个MOS晶体管包含限定了源极的第一电流端子、限定了漏极的第二电流端子、限定了栅极的控制端子以及限定了阱或衬底接触的端子。
两个NMOS晶体管M1和M2的源极连接到地端子，而两个PMOS晶体管M3、M4的源极连接到供电电压源的高电位端子VDD。第一NMOS晶体管M1的漏极连接到第一支路中的第一PMOS晶体管M3的漏极，以便限定第一连接节点。第二NMOS晶体管M2的漏极连接到第二支路中的第二PMOS晶体管M4的漏极，以便限定第二连接节点。第一NMOS晶体管M1的栅极以反转器布置连接到第一PMOS晶体管M3的栅极，以便从脉冲发生器电路接收第一脉冲输出信号IN0。最后，第二NMOS晶体管M2的栅极以反转器布置连接到第二PMOS晶体管M4的栅极，以便从脉冲发生器电路接收第二脉冲输出信号IN1。
第一差动对的各个NMOS晶体管M5、M6的源极连接到跨导级的第一分支的PMOS晶体管M3和第一NMOS晶体管M1的第一连接节点。第二差动对的各个NMOS晶体管M7、M8的源极连接到跨导级的第二支路的PMOS晶体管M4和第二NMOS晶体管M2的第二连接节点。第一差动对的第一NMOS晶体管M5的漏极连接到第一电阻器R0，其也被连接到供电电压源(未示出)的高电位端子VDD。第一差动对的第二NMOS晶体管M6的漏极连接到第二电阻器R1，其也被连接到供电电压源(未示出)的高电位端子VDD。第二差动对的第一NMOS晶体管M8的漏极连接到第二电阻器R1。第二差动对的第二NMOS晶体管M7的漏极连接到第一电阻器R0。
两个差动对的第一NMOS晶体管M5和M8的栅极被连接用于从本地振荡器接收第一载波频率信号LOP。两个差动对的第二NMOS晶体管M6和M7的栅极被连接为从本地振荡器接收第二载波频率信号LON。第二正弦载波频率信号LON相对于第一正弦载波频率信号LOP相移180°。因此，当第一载波频率信号LOP处于高于第二载波频率信号LON的高电压等级时，使得第一NMOS晶体管M5和M8导通，而使第二NMOS晶体管M6和M7不导通。相反，当第二载波频率信号LON处于高于第一载波频率信号LOP的高电压等级时，使得第二NMOS晶体管M6和M7导通，而使第一NMOS晶体管M5和M8不导通。由于载波频率信号是正弦的，当然存在差动对的第一与第二NMOS晶体管之间的非突变导通转换。
构成UWB信号的第一输出信号RF0被提供到第一电阻器R0与第一差动对的第一NMOS晶体管M5以及第二差动对的第二NMOS晶体管M7的连接节点。构成UWB信号的第二输出信号RF1被提供到第二电阻器R1和第二差动对的第一NMOS晶体管M8以及第一差动对的第二NMOS晶体管M6的连接节点。
当第一脉冲输出信号IN0处于高电压等级时，例如接近VDD时，在此反转器配置中，使得第一NMOS晶体管M1导通，而使第一PMOS晶体管M3不导通。在这种情况下，第二脉冲输出信号IN1处于低电压等级，例如接近于地。因此，在此反转器布置中，使得第二NMOS晶体管M2不导通，而使第二PMOS晶体管M4导通。电流I0流经第一NMOS晶体管M1和第一差动对的NMOS晶体管M5、M6中的一个。此电流I0也流经第一电阻器R0或第二电阻器R1，第二电阻器R1具有与第一电阻相同的电阻值。此电流I0的值依赖于各个电阻器R0、R1的值，电阻器R0、R1可能在50欧姆左右，以便适应于天线阻抗。然而，没有电流I1在第二NMOS晶体管差动对M7、M8中流动。
相反，当第二输出信号IN1处于高电压等级时，例如接近于VDD时，使得第二NMOS晶体管M2导通，而使第二PMOS晶体管M4不导通。在这种情况下，第一脉冲输出信号IN0处于低电压水平，例如接近于地，这意味着使得第一NMOS晶体管M1不导通，而使第一PMOS晶体管M3导通。因此，电流I1流经第二NMOS晶体管M2，并流经第二差动对的NMOS晶体管M7和M8中的一个。此电流I1也流经第一电阻器R0或第二电阻器R1。电流I1的值依赖于各个电阻器R0、R1的值。然而，没有电流I0在第一NMOS晶体管差动对M5、M6中流动。
由脉冲发生器电路供给的脉冲输出信号IN0和IN1可用三进制数据编码调制。在这种情况下，当脉冲输出信号中的一个处于高状态时，定义“1”的状态，而当其处于低状态——接近于地——时，定义“-1”的状态。当脉冲输出信号的电压等级为VDD/2时，定义“0”状态。在后一种情况下，如果各个MOS晶体管的栅极电压小于导通阈值，跨导级中没有一个MOS晶体管导通。因此，混合器电路输出信号RFO和RF1接近供电电压源的高电位VDD。
在图2所示的混合器电路的第一实施例中，跨导级的PMOS晶体管M3和M4的阱或衬底电位被设置在供电电压源的高电位VDD。跨导级的NMOS晶体管M1和M2的衬底或阱电位被设置在供电电压源的地电位。对于图2所示的差动对的NMOS晶体管M5、M6、M7、M8的衬底或阱电位同样成立。由于混合器的集成电路可在P硅衬底中制造，因此，PMOS晶体管的阱电位被设置在高电位，而NMOS晶体管的衬底电位被设置在低电位。
在跨导级的两个支路中，NMOS和PMOS晶体管的反转器配置确保了混合器电路输出信号RF0和RF1的好的放大。因此，这确保了具有低供电电压的大的发送动态范围。在这种条件下，没有必要为了经由发送装置天线发送UWB信号而在混合器电路输出上布置另一放大器。
通过作用于图3所示跨导级的MOS晶体管的衬底和阱电位，混合器电路放大也可经由跨导级来改变。注意，图3中的晶体管与图2中的相同，使用同样的参考标号。因此，为简化起见，不再重复对晶体管及其对用于电流I0和I1的差动对的连接进行介绍。
通过改变PMOS晶体管M3和M4的衬底或阱电位Vp和/或NMOS晶体管M1和M2的衬底或阱电位Vn，可以改变混合器电路输出信号RF0、RF1的放大。输出信号RF0、RF1上的此附加放大增益避免了对在混合器电路输出上布置信号放大器以提供将被发送的UWB信号的需要。为了显示跨导级MOS晶体管的电位Vp和/或Vn的影响，某些电压值在下面的表中示出。混合器电路供给电压VDD被设置为小于1V，例如0.9V。作为NMOS晶体管的衬底或阱电位Vn以及PMOS晶体管的衬底或阱电位Vp的函数，此表示出了输出电压Vout(RF0，RF1)的最大变化幅度。
Figure BSA00000391631700081
举例而言，NMOS晶体管的衬底电位Vn可被设置在供电电压源的低电位，即0V。在这种情况下，相比于0.9V的PMOS晶体管阱电位，混合器电路输出信号RF的幅度可以为0.5V的PMOS晶体管阱电位的1.5倍。0.9V电位为供电电压源的高电位VDD。当然，同样的阱电位必须被施加到PMOS晶体管M3和M4。同样的情况对于NMOS晶体管M1、M2的衬底电位成立。
还应注意，上面介绍的混合器电路具有清楚的线性结构。因此，其在宽广的频率范围上有用，这也是为什么其优选用于UWB信号发送装置。另外，由于仅仅二MOS晶体管的组串联连接在供电电压源的两个端子之间，混合器电路可以以非常低的电压供电，低于1V，例如为0.9V。
当然，可以想到，以相反的方式连接图2所示的所有部件。然而，图2中的所有NMOS晶体管必须用PMOS晶体管替换，图2中的所有PMOS晶体管必须用NMOS晶体管替换。然而，电阻器连接到供电电压源的低电位端子。
还可想到使用电阻器以外的阻抗。第一电感可替换第一电阻器，第二电感可替换第二电阻器。也可想到电阻器与电感的并联或串联组合。
由已经给出的介绍，在不脱离权利要求书所限定的本发明的范围的情况下，本领域技术人员可想到低电压混合器电路的几种变型，特别是在UWB信号发送装置中。双极型晶体管可代替MOS晶体管使用。在这些条件下，第一导通类型或第二导通类型的各个PMOS晶体管用PNP晶体管替换，第二导通类型或第一导通类型的各个NMOS晶体管用NPN晶体管替换。第一电流端子为这些双极型晶体管的发射极，第二电流端子为集电极，控制端子为这些双极型晶体管的基极。如果来自脉冲发生器电路的一个脉冲信号与来自振荡器的一个载波频率信号混合，提供一个反转器，其被连接到由载波频率信号控制的一个MOS晶体管。也可设置与MOS晶体管和反转器串联的一个电阻器，以便供给一个混合器电路输出信号。混合器电路的结构也可用于无线电频率或UWB信号接收器装置。

Claims (11)

1.一种低电压混合器电路(3)，特别用于UWB信号发送装置(1)，该混合器电路包含：
-跨导级，其包含反转晶体管布置(M1，M3)，反转晶体管布置(M1，M3)具有和PMOS晶体管(M3)串联连接在供电电压源(VDD)的两个端子之间的NMOS晶体管(M1)，NMOS晶体管的漏极连接到PMOS晶体管的漏极，从而限定跨导级的输出连接节点，NMOS晶体管的栅极连接到PMOS晶体管的栅极，用于接收数据信号(IN0)；
-至少一个晶体管(M5)，其中，第一电流端子连接到跨导级的连接节点，第二电流极连接到阻抗(R0)，用于供给输出信号(RF0)，晶体管(M5)控制端子被布置为用于接收来自振荡器(4)的信号(LOP)，
-连接到跨导级的连接节点的晶体管，串联连接在供电电压源(VDD)的两个端子之间的阻抗，
其特征在于集成在硅衬底中，跨导级的NMOS晶体管(M1)的衬底或阱电位被设置在适应在供电电压源的低电位和高电位之间的第一电位，跨导级的PMOS晶体管(M3)的衬底或阱电位被设置在适应在供电电压源的低电位和高电位之间的第二电位。
2.根据权利要求1的低电压混合器电路(3)，混合器电路包含：
-跨导级，具有两个MOS晶体管反转器布置(M1，M2，M3，M4)，第一反转器布置(M1，M3)的输入被布置为接收第一数据信号(IN0)，第一反转器布置的输出为跨导级的第一输出连接节点，第二反转器布置(M2，M4)的输入被布置为接收第二输出信号(IN1)，第二反转器布置的输出为跨导级的第二输出连接节点，
-第一导通类型的第一MOS晶体管差动对(M5，M6)，其中，晶体管源极连接到跨导级的第一连接节点，第一差动对的第一晶体管(M5)的漏极连接到第一阻抗(R0)，用于供给第一输出信号(RF0)，其中，第一差动对的第二晶体管(M6)的漏极连接到第二阻抗(R1)，用于供给第二输出信号(RF1)，
-第一导通类型的第二MOS晶体管差动对(M7，M8)，其中，晶体管源极连接到跨导级的第二连接节点，第二差动对的第一晶体管(M8)的漏极连接到第二阻抗(R1)，用于供给第二输出信号(RF1)，其中，第二差动对的第二晶体管(M7)的漏极连接到第一阻抗(R0)，用于供给第一输出信号(RF0)，
第一与第二差动对的各个第一晶体管(M5，M8)的栅极被布置为从振荡器(4)接收第一信号(LOP)，第一与第二差动对的各个第二晶体管(M6，M7)的栅极被布置为从振荡器(4)接收第二信号(LON)，
晶体管差动对被连接到跨导级连接节点，阻抗被串联连接在供电电压源(VDD)的两个端子之间。
3.根据权利要求2的低电压混合器电路(3)，其特征在于，两个差动对的MOS晶体管为NMOS晶体管。
4.根据权利要求2的低电压混合器电路(3)，其特征在于，第一阻抗为第一电阻器(R0)，第二阻抗为第二电阻器(R1)。
5.根据权利要求2的低电压混合器电路(3)，其特征在于，第一阻抗为第一电感，第二阻抗为第二电感。
6.根据权利要求2的低电压混合器电路(3)，其特征在于，第一反转器布置包含与第一PMOS晶体管(M3)串联连接在供电电压源的两个端子之间的第一NMOS晶体管(M1)，第一NMOS晶体管的漏极连接到第一PMOS晶体管的漏极，以便限定连接到第一晶体管差动对的第一连接节点，而第一NMOS晶体管(M1)的栅极连接到第一PMOS晶体管(M3)的栅极，用于接收第一数据信号(IN0)，第二反转器布置包含与第二PMOS晶体管(M4)串联连接在供电电压源的两个端子之间的第二NMOS晶体管(M2)，第二NMOS晶体管的漏极连接到第二PMOS晶体管的漏极，以便限定连接到第二晶体管差动对的第二连接节点，第二NMOS晶体管(M2)的栅极连接到第二PMOS晶体管(M4)的栅极，用于接收第二数据信号(IN1)。
7.根据权利要求6的低电压混合器电路(3)，其特征在于，跨导级的NMOS晶体管(M1，M2)中二者的衬底或阱电位均被设置在适应在供电电压源的低电位和高电位之间的第一电位，跨导级的PMOS晶体管(M3，M4)中二者的衬底或阱电位均被设置在适应在供电电压源的低电位和高电位之间的第二电位。
8.根据权利要求1的低电压混合器电路(3)，其特征在于集成在P掺杂硅衬底中，NMOS晶体管(M1，M2)的衬底或阱电位或者NMOS晶体管(M1，M2)中二者的衬底或阱电位被设置在供电电压源的低电位，PMOS晶体管(M3，M4)的衬底或阱电位或者PMOS晶体管(M3，M4)中二者的衬底或阱电位处于供电电压源的低电位和高电位之间的中间等级。
9.根据权利要求1的低电压混合器电路(3)，其特征在于使用0.18μmCMOS技术集成在P掺杂硅衬底中。
10.一种UWB信号发送装置(1)，包含：脉冲发生器电路(10)，其与数据脉冲或脉冲突发位置调制和相移键控单元(6)组合；数据发生器(2)，用于向脉冲发生器电路和数据脉冲或脉冲突发位置调制和相移键控单元供给数字控制信号；本地振荡器(4)；根据权利要求1的混合器电路(3)，用于从脉冲发生器电路接收至少一个数据信号(IN0)，以便与来自本地振荡器的至少一个载波频率信号(LOP)混合，从而向天线(5)直接供给至少一个输出信号(RF0)，用于UWB信号发送。
11.根据权利要求10的UWB信号发送装置(1)，其特征在于，本地振荡器(4)供给相对于彼此相移180°的两个载波频率信号(LOP，LON)，以便在混合器电路(3)中将各个信号分别与来自脉冲发生器电路(10)的第一数据信号(IN0)和第二数据信号(IN1)混合，第一数据信号为第一脉冲输出信号(IN0)，其用三进制编码调制，第二数据信号为第二脉冲输出信号(IN1)，其用三进制编码调制，第二脉冲输出信号与第一脉冲输出信号互补。
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