CN102170266B - 倍频器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种倍频器，用于对一正相振荡信号与一反相振荡信号进行处理，以于输出端产生更高频的信号。该倍频器包括一第一、一第二晶体管与一第一、一第二电感。第一与第二晶体管的第一端处于共电位。上述正相与反相振荡信号分别由第一与第二晶体管的控制端输入该倍频器。上述第一与第二电感分别将第一与第二晶体管的第二端耦接至该倍频器的输出端。第一与第二电感可用各自独立的电感元件实现，也可由具有互感效应的一对称型电感实现。

Description

倍频器

技术领域

本发明为有关于一种倍频器(frequency doubler)。

背景技术

无线通讯技术日益发达，使用的频率范围已经来到十亿赫兹(GigaHertz)。图1列举数种目前常见的无线通讯应用，其中，标号102～116分别为地面中继无线通讯系统(TETRA)、全球行动通讯系统900(GSM900)、GSM 1800、第三代行动通讯技术(3G)、无线局域网络802.11b/g(WLAN 802.11b/g)、WLAN 802.11a、超频宽(UWB)、以及无线高画质通讯(wireless HD)。可发现目前无线通讯的使用频率甚至上达60GHz。

如此高的通讯频率会使得无线信号的接收器与发送器必须以相当高阶的工艺技术实现，成本高昂。此外，除了上述高频需求，频宽是否足够也是一项重要课题。兼顾高频且宽频的振荡器设计是相当昂贵且困难的。

发明内容

本发明公开一种倍频器，可用于对一振荡器所提供的一正相振荡信号与一反相振荡信号进行处理，以于输出端产生高频的信号。

在一种实施方式中，所公开的倍频器包括一第一晶体管、一第二晶体管、一第一电感以及一第二电感。以下详述该些元件的结构。上述第一晶体管具有一第一端、一第二端以及一控制端。上述第二晶体管同样具有一第一端、一第二端以及一控制端。上述第一与第二晶体管的上述第一端处于共电位。上述正相振荡信号与反相振荡信号分别由上述第一与第二晶体管的上述控制端输入该倍频器。一对称型电感，该对称型电感的一第一侧的一第一连结端与一第二连结端分别耦接该第一晶体管的上述第二端与该第二晶体管的上述第二端，且该对称型电感的一第二侧的连结端耦接该倍频器的一输出端；以及一滤波器，耦接在该倍频器的該输出端且包括：一电感，耦接该倍频器所使用的一电源至该倍频器上述输出端；以及一电容，耦接该倍频器上述输出端至一接地点。

以下列举多个实施方式与相关图示以帮助了解本发明。

附图说明

图1图解数种目前常见的无线通讯技术的使用频率；

图2图解本发明倍频器的一种实施方式；

图3a、3b、3c列举本发明倍频器其它几种实施方式；

图4显示对称型电感元件的一示意图；以及

图5以图2的实施方式为例，说明其输出端信号Out与其输入端信号In与Inb的关系，并显示第一与第二晶体管M1与M2的动作。

【主要元件符号说明】

102～地面中继无线通讯系统；

104～全球行动通讯系统900；

106～GSM 1800；

108第三代行动通讯技术；

110～无线局域网络802.11b/g；

112～WLAN 802.11a；

114～超频宽；

116无线高画质通讯(wireless HD)；

200～倍频器；

202～滤波器；

302～阻抗单元；

304～电流源；

400～对称型电感；

402、404～对称型电感400第一侧的第一、第二连结端；

406～对称型电感400第二侧的连结端；

502、504、506～各种实施方式的倍频输出波形；

C～电容；

In～正相振荡信号；

Inb～反相振荡信号；

L1、L2、L3～第一、第二、第三电感；

M1、M2～第一、第二晶体管；以及

Out～倍频输出。

具体实施方式

以下内容包括本发明多种实施方式，其内容并非用来限定本发明范围。本发明实际的范围仍应当以申请专利范围的叙述为主。

图2图解本发明倍频器的一种实施方式。倍频器200包括两个输入端以及一输出端，其两个输入端可用于接收一振荡器(未显示在图中)所提供的一正相振荡信号In与一反相振荡信号Inb，上述正相与反相振荡信号In与Inb彼此拥有180度相位差。倍频器200在上述正相与反相振荡信号In与Inb操作下会在输出端产生更高频的振荡信号Out。

参阅图2的实施方式，倍频器200的基本元件包括一第一晶体管M1、一第二晶体管M2一第一电感L1以及一第二电感L2。以下详述该些元件的结构。上述第一与第二晶体管M1与M2各自具有一第一端、一第二端以及一控制端。例如，此实施方式以两个相同尺寸的N型金氧半晶体管(NMOS)实现上述第一与第二晶体管M1与M2，上述第一、第二端与控制端即NMOS的源极、漏极与栅极。以图中所示实施方式为例，第一与第二晶体管M1与M2的第一端(源极)处于共电位(皆接地)。第一与第二晶体管M1与M2的控制端(栅极)分别接收前级一振荡器(未显示在图中)所提供的正相振荡信号In与反相振荡信号Inb。第一晶体管M1的第二端(漏极)乃经由第一电感L1耦接至倍频器200的输出端(Out)，且第二晶体管M2的第二端(漏极)乃经由第二电感L2耦接至倍频器200的输出端(Out)。

除了上述第一、第二晶体管M1与M2以及第一、第二电感L1与L2，倍频器200还包括一滤波器202供使用者选用。滤波器202包括一第三电感L3以及一电容C，用以滤除信号In与Inb内的噪声。第三电感L3耦接在倍频器200的电源与输出端(Out)之间。电容C耦接于倍频器200的输出端(Out)与接地点之间。

图2倍频器200仅为本发明一种实施方式，其中元件还可以其它类似装置取代。例如，第一与第二晶体管M1与M2除了如图2以金氧半晶体管实现，亦可以改由双载子接面晶体管或其它晶体管元件实现。例如，在第一与第二晶体管M1与M2为双载子接面晶体管的例子中，上述第一、第二端与控制端即双载子接面晶体管的射极、集极与基极。此外，本发明倍频器的输出端也不一定是耦接图2所示的滤波器202，也可能是任何阻抗单元。图3a…3c列举本发明倍频器其它几种实施方式。观察图3a…3c，可发现其中除了具有基本的结构(包含第一、第二晶体管M1与M2以及第一、第二电感L1与L2)外，也可视使用者需求作出各种变形。

参阅图3a，其中显示图2滤波器202也可为任何电子元件所组成的阻抗单元302。参阅图3b，其中还显示第一与第二晶体管M1与M2共电位的第一端(源极)还可耦接一电流源304。参阅图3c，其中还显示第一与第二晶体管M1与M2不限定为NMOS，也可为P型金氧半晶体管PMOS。必须声明的是，图3a…3c仅为其中几种实施方式，并非用来限定本发明范围。任何具有本发明倍频器基本结构(包含第一、第二晶体管M1与M2以及第一、第二电感L1与L2)的倍频电路，皆属本发明所欲保护的范围。

此外，图2所示的第一与第二电感L1与L2也有多种实现方式。例如，第一与第二电感L1与L2可单纯为两个电感元件，各自独力将第一与第二晶体管M1与M2的第二端(漏极)耦接至倍频器200的输出端(Out)。或者，第一与第二电感L1与L2之间可存在互感效应。更甚者，以一对称型电感元件取代第一与第二电感L1与L2。图4显示对称型电感元件的一示意图。对称型电感在结构上具有两圈电感(对应本发明前述的第一与第二电感L1与L2)，彼此具有互感效应。图4所示的对称型电感400具有一第一侧以及一第二侧，第一侧具有一第一连结端402以及一第二连结端404，且第二侧具有单一连结端406。以图2为例，图4对称型电感的第一侧的第一与第二连结端402与404分别耦接第一与第二晶体管M1与M2的第二端(漏极)，且第二侧的连结端406耦接该倍频器200的输出端(Out)。

上述各种实施方式皆可实现倍频器。图5以图2的实施方式为例，说明其输出端信号Out与其输入端信号In与Inb的关系，并显示第一与第二晶体管M1与M2的动作；其中，波形502为第一与第二电感L1与L2为独立两电感且不含互感作用的例子，波形504为第一与第二电感L1与L2以图4对称型电感实现的例子，至于波形506则为图2拿掉第一与第二电感L1与L22的状态下其倍频输出Out的波形，用以突显第一与第二电感L1与L2所提供的信号放大功能。

首先，参考图5下方的表格，讨论输入信号In与Inb对第一与第二晶体管M1与M2的状态控制。在正相与反相振荡信号In与Inb作用下，第一与第二晶体管M1与M2会在三极体区、饱和区、与不导通状态间反复切换，导致流经第一与第二晶体管M1与M2的电流不停变动。第一与第二电感L1与L2的作用有如放大器，将上述电流变动反应在电压值上、且迭加在第一与第二晶体管M1与M2的第二端电位上；而第一与第二电感L1与L2的连结则会提供一混波效果，用以产生倍频振荡信号。如图所示，输出信号Out有倍频效果。比较波形502、504与506，可发现不使用第一与第二电感L1与L2倍频器仅能输出振幅有限的倍频输出(波形506)；加入第一与第二电感L1与L2的倍频器则可提供振幅显著的倍频输出(波形502与504)，其中，又以具有互感效应的倍频器的倍频输出(波形504)放大效果最明显。

上述第一与第二电感L1与L2除了上述信号放大作用外，若配合图2所示的滤波器202会还有提高倍频器频宽的效果。以图2为例，倍频器200输出端(Out)的滤波结果除了考虑滤波器202结构，还必须考虑第一与第二电感L1与L2的值。第一与第二电感L1与L2会使倍频器200整体电路的输出端等效电感值下降，致使倍频器频宽提升。

此外，如图2所示的倍频器结构，其中不论是放大或滤波效果都无需使用到晶体管，因此无需大电源即可操作之。

本发明倍频器设计在耗电量上也有明显的改善。本发明倍频器的放大电路(第一与第二电感L1与L2)以及混波电路(第一与第二晶体管M1与M2)采用的乃是相同的电流，此共享电流设计可以大大改善倍频器的耗电量。

综上所述，本发明倍频器不仅具有倍频效应，还具有高频宽、低操作电压、且低功率消耗等。本发明倍频器技术非常适合应用在高频通讯领域中，使高频通讯的发送器、接收器电路无需以特别昂贵的工艺，即可实现。

前述多种实施方式乃用来帮助了解本发明，并非用来限定本发明范围。本发明范围请见申请专利范围。

Claims (5)

1.一种倍频器，其特征在于，包括：

一第一晶体管，具有一第一端、一第二端以及一控制端，该第一晶体管的上述控制端接收一正相振荡信号；

一第二晶体管，具有一第一端、一第二端以及一控制端，该第二晶体管的上述控制端接收一反相振荡信号，且该第二晶体管的上述第一端与该第一晶体管的上述第一端共电位；

一对称型电感，该对称型电感的一第一侧的一第一连结端与一第二连结端分别耦接该第一晶体管的上述第二端与该第二晶体管的上述第二端，且该对称型电感的一第二侧的连结端耦接该倍频器的一输出端；以及

一滤波器，耦接在该倍频器的该输出端且包括：

一电感，耦接该倍频器所使用的一电源至该倍频器上述输出端；

以及

一电容，耦接该倍频器上述输出端至一接地点。

2.如权利要求1所述的倍频器，其特征在于，上述第一与第二晶体管为金氧半晶体管，上述第一与第二晶体管的上述控制端、第一端与第二端分别为金氧半晶体管的栅极、源极以及漏极。

3.如权利要求1所述的倍频器，其特征在于，上述第一与第二晶体管为双载子接面晶体管，上述第一与第二晶体管的上述控制端、第一端与第二端分别为双载子接面晶体管的基极、射极以及集极。

4.如权利要求1所述的倍频器，其特征在于，上述-第一与第二晶体管的上述第一端连结在一起。

5.如权利要求4所述的倍频器，其特征在于，上述第一与第二晶体管的上述第一端还连结一电流源。 

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