CN102347730A - 一种用于消除二阶互调失真的混频器及其相关转导电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于混频器的转导电路，用于消除二阶互调失真，该转导电路包括一第一晶体管和一第二晶体管，其基(栅)极分别耦接一第一输入端和一第二输入端，用于接收一差动输入信号；以及一负反馈电路，其输入端耦接至该第一晶体管的发射(源)极及该第二晶体管的发射(源)极，其输出端耦接至该第一晶体管的基(栅)极及该第二晶体管的基(栅)极，该负反馈电路用于依据该第一晶体管的发射(源)极及该第二晶体管的发射(源)极的一检测电压与一参考电压的电压差，来调整该第一晶体管的基(栅)极及该第二晶体管的基(栅)极的电压。

Description

一种用于消除二阶互调失真的混频器及其相关转导电路

技术领域

本发明有关于混频器(mixer)，尤指一种用于直接转换接收器(DirectConversion Receiver)中，用以消除二阶互调失真(Second-orderInter-Modulation Distortion；IM2)的混频器及其相关转导电路(transconductor)。

背景技术

在无线收发器(Wireless Transceiver)中，混频器(Mixer)是广泛使用的频率转换元件。图1显示一典型的直接转换接收器10，其包含天线11、低杂讯放大器(Low-Noise Amplifier；LNA)12、混频器13、本地震荡器(Local Oscillator；LO)14、低通滤波器(Low Pass Filter；LPF)15及放大器16。直接转换接收器10由天线11接收发射频(Radio Frequency)信号，并经低杂讯放大器12将信号放大后，再由混频器13将发射频信号直接降频至基频(Baseband)信号(Baseband)。最后，由低通滤波器15及放大器16将基频信号过滤及放大后，送至后端进行模拟数字转换(Analog-Digital Conversion)(未标明在图中)。其中本地震荡器14产生频率为f_LO的震荡信号，该频率f_LO为发射频载波频率，用以提供给混频器13，将发射频信号直接转换成基频信号。直接转换接收器10不需要将发射频信号先转换成中频(Intermediate Frequency)信号，再将中频信号转换成基频信号，所以亦有称之零中频接收器(Zero-IF Receiver)。除了可以省去一组混频器，由于省去中频级的转换，直接转换接收器10有两个比较大的优点。第一个优点是没有镜像信号干扰的问题，所以不需要镜像拒斥滤波器(Image-Rejection Filter)另一个优点是可以在单一晶片中设计低通滤波器15及放大器16以取代其它接收器所需外接的表面声波滤波器(Surface Acoustic Wave；SAW filter)。因此，直接转换接收器10具有较高的整合度及较低复杂度及成本。

但是，直接转换接收器10亦会有几个缺点，如：二阶互调失真、直流偏移(DC offset)、闪光噪声(FlickNoise)…等。其中二阶互调失真主要是馈通现象(feedtrough)所造成，如图2A所示，两个信号很强的干扰信号与直接转换接收器10的接收频道很接近，而且在带通滤波器的范围之内。这两个干扰信号在通过低杂讯放大器211时，会产生一个在直流附近的干扰信号。接着，干扰信号在通过混频器212时，如果混频器212为一理想的混频器，该直流附近的干扰信号会被变频到很高的频谱上，但实际上的混频器会有馈通现象的产生，以致混频器212的输出包含一个在直流附近的干扰信号；如图2B所示，本地震荡器的信号泄漏(LOLeakage)至低杂讯放大器221及混频器222中，由于元件间的隔离度不完美，产生直流偏移来干扰原本的基频信号。此外，混频器中转导电路的非线性特性及低频率转换增益亦强化二阶互调失真造成的影响。因此，如何消除二阶互调失真则成为设计直接转换接收器一个重要课题，本发明利用一负反馈电路以调整混频器转导电路输入级信号来解决此一问题。

图3显示传统的混频器电路图，其中，吉伯特混频器(Gilbert mixer)30包含转导电路(transconductor circuit)31、开关电路(switch quad circuit)32及负载电路(load circuit)33。负载电路33包含电阻R_C1、R_C2，电阻R_C1、R_C2的一端耦接至一电压源Vcc，电阻R_C1、R_C2的另一端即为输出端(Out)。开关电路32包含npn双极性晶体管Q3、Q4、Q5、Q6。其中，晶体管Q3与Q5的集电极(Collector)耦接到电阻R_C1的另一端，晶体管Q4与Q6的集电极耦接到电阻R_C2的另一端。再者，晶体管Q3与Q6的基极(Base)相互耦接，晶体管Q4与Q5的基极相互耦接，而晶体管Q3与Q4的基极可接收一本地震荡信号f_LO。再者，晶体管Q3与Q4的发射极(Emitter)相互耦接，并成为第一电流路径；而晶体管Q5与Q6的发射极相互耦接，并成为第二电流路径。

转导电路31包含npn双极性晶体管(Bipolar Junction Transistor；BJT)Q1与Q2。其中，晶体管Q1的集电极耦接到开关电路32的第一电流路径，晶体管Q2的集电极耦接到开关电路32的第二电流路径。晶体管Q1与Q2的基极可分别接收电压信号Vin⁺与Vin^-。再者，晶体管Q1与Q2的发射极分别连接到电阻R_E1和电阻R_E2的一端。电阻R_E1和电阻R_E2的另一端耦接至地(ground)。

图3显示传统的混频器30示意图。转导电路31可将输入之电压信号Vin(即差动输入信号Vin⁺-Vin^-)转换成为电流信号Ib。电流信号Ib流经开关电路32的第一电流路径与第二电流路径时，经由本地震荡信号f_LO的驱动而成为一频率转换电流信号(frequency-converted current signal)。接着，频率转换电流信号经由负载电路33转换，使得输出端(Out)可输出一输出电压。

由于转导电路31是由npn双极性晶体管Q1与Q2所组成，因此其电压-电流关系是指数曲线关系，而非线性关系。因此，在混频器会产生二阶互调失真电流，并在晶体管Q1与Q2的发射极出现额外电压如下：

V_{E1_IM2}＝1/α₁*I_{C1_IM2}*R_E1

V_{E2_IM2}＝1/α₂*I_{C2_IM2}*R_E2

其中

α₁：晶体管Q1的共基极电流增益

α₂：晶体管Q2的共基极电流增益

可见二阶互调失真现象出现会导致原本的信号在混频器中受到严重干扰，消除二阶互调失真成为设计直接转换接收器一个重要课题，本发明系利用一负反馈电路以调整混频器转导电路输入级信号，来解决此一问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的，是利用一负反馈电路以调整混频器的转导电路输入级信号，来解决除二阶互调失真的问题。

本发明揭露一种混频器，用于消除二阶互调失真，该混频器包含一负载电路；一开关电路，耦接于该负载电路，该开关电路具有一第一电流路径与一第二电流路径且该开关电路与该负载电路的耦接处为该混频器之输出端；以及一转导电路。其中该转导电路又包括一第一晶体管和一第二晶体管，其集电(漏)极分别耦接于该第一电流路径和该第二电流路径，其基(栅)极分别耦接一第一输入端和一第二输入端，用于接收一差动输入信号；以及一负反馈电路，其输入端耦接至该第一晶体管的发射(源)极及该第二晶体管的发射(源)极，其输出端耦接至该第一晶体管的基(栅)极及该第二晶体管的基(栅)极，该负反馈电路用于依据该第一晶体管的发射(源)极及该第二晶体管的发射(源)极的一检测电压与一参考电压的电压差，来调整该第一晶体管的基(栅)极及该第二晶体管的基(栅)极的电压。

本发明另揭露一种应用于混频器的转导电路，用于消除二阶互调失真，该转导电路包括一第一晶体管和一第二晶体管，其基(栅)极分别耦接一第一输入端和一第二输入端，用于接收一差动输入信号；以及一负反馈电路，其输入端耦接至该第一晶体管的发射(源)极及该第二晶体管的发射(源)极，其输出端耦接至该第一晶体管的基(栅)极及该第二晶体管的基(栅)极，该负反馈电路用于依据该第一晶体管的发射(源)极及该第二晶体管的发射(源)极的一检测电压与一参考电压的电压差，来调整该第一晶体管的基(栅)极及该第二晶体管的基(栅)极的电压。

附图说明

本案得通过下列图式及说明，以便得一更深入的了解：

图1是一直接转换接收器的示意图。

图2A、2B是二阶互调失真的示意图。

图3是传统的混频器的电路图。

图4是本发明的混频器的一实施例的电路图。

【主要元件符号说明】

本案图式中所包含的各元件列示如下：

10直接转换接收器        11天线

12低杂讯放大器          13混频器

14本地震荡器            15低通滤波器

16放大器                211、221低杂讯放大器

212、222混频器          30吉伯特混频器

40混频器                31、41转导电路

32、42开关电路          33、43负载电路

411负反馈电路           4111运算放大器

4112参考电压产生电路    4113反馈电压产生电路

4114偏压电路

具体实施方式

图4是本发明的混频器的较佳实施例的电路图。请参见图4，混频器40包含一转导电路41、一开关电路42及一负载电路43。负载电路43包含电阻R_C1与R_C2，电阻R_C1与R_C2的一端耦接至一电压源Vcc，电阻R_C1与R_C2的另一端即为输出端(Out)。开关电路42包含npn双极性晶体管Q3、Q4、Q5、Q6。其中，晶体管Q3与Q5的集电极耦接到电阻R_C1的另一端，晶体管Q4与Q6的集电极耦接到电阻R_C2的另一端。再者，晶体管Q3与Q6的基极相互耦接，晶体管Q4与Q5的基极相互耦接，而晶体管Q3与Q4的基极可接收一本地震荡信号f_LO。再者，晶体管Q3与Q4的发射极相互耦接，并成为第一电流路径；而晶体管Q5与Q6的发射极相互耦接，并成为第二电流路径。

转导电路41包含npn双极性晶体管Q1、Q2、电阻R_E1、R_E2、电容C_B1、C_B2及一负反馈电路411。其中，晶体管Q1的集电极耦接到开关电路42的第一电流路径，晶体管Q2的集电极耦接到开关电路42的第二电流路径。晶体管Q1与Q2的基极可分别连接至电容C_B1与C_B2的一端，电容C_B1与C_B2的另一端则分别接收差动输入信号Vin⁺与Vin^-。电容C_B1与C_B2用于隔离直流成分进入混频器。再者，晶体管Q1与Q2的发射极分别连接到电阻R_E1和R_E2的一端，电阻R_E1和电阻R_E2的另一端耦接至地(ground)。

负反馈电路411包含一运算放大器4111、一参考电压产生电路4112、一反馈电压产生电路4113及一偏压电路4114。其中运算放大器4111的正输入端连接至参考电压产生电路4112所产生的参考电压V_REF，负输入端连接至反馈电压产生电路4113，而输出端连接至偏压电路4114。

参考电压产生电路4112用于产生一参考电压V_REF，在元件匹配(match)的情况下，亦即晶体管Q1与Q2转换特性相同，电阻R_E1和R_E2的电阻值亦相同的情况下，参考电压V_REF等于晶体管Q1的发射极电压及晶体管Q2的发射极电压，即V_REF＝V_E1＝V_E2。在本较佳实施例中，参考电压产生电路4112由一参考电流源I_REF和一电阻R_REF串接组成，而参考电流源I_REF另一端接电压源Vcc，而电阻R_REF另一端接地。此时，参考电压V_REF＝I_REF*R_REF，在考量功率损耗(PowerConsumption)的情形下，本实施例使用较大的电阻R_REF，例如：R_REF＝nR_E1＝nR_E2，可降低参考电流源I_REF＝1/n*I_E1＝1/n*I_E2的预定电流。

反馈电压产生电路4113用于检测晶体管Q1的发射极电压和晶体管Q2的发射极电压间的平均电压，并滤除发射频信号，包含电阻R_CC1、R_CC2、一电容C_CC。电阻R_CC1一端连接至晶体管Q1的发射极，另一端连接至反馈电压端V_EE。电阻R_CC2一端连接至晶体管Q2的发射极，另一端亦连接至反馈电压端V_EE。电容C_CC一端接地，另一端也连接至反馈电压端V_EE。最后，反馈电压端连接至运算放大器4111。在R_CC1，R_CC2＞＞R_E1，R_E2的情况下，反馈电压V_EE如下：

V_EE＝1/2*(V_{E1_IM2}+V_{E2_IM2})

其中

V_{E1_IM2}＝1/α₁*I_{C1_IM2}*R_E1

V_{E2_IM2}＝1/α₂*I_{C2_IM2}*R_E2

偏压电路4114用于提供混频器输入信号偏压调整，以消除二阶互调失真的影响，包含电阻R_B1、R_B2。电阻R_B1一端连接至晶体管Q1的基极，另一端连接至运算放大器4111的输出端；电阻R_B2一端连接至晶体管Q2的基极，另一端连接至运算放大器4111的输出端，接收调整信号，用以调整差动输入信号。

因此，假设运算放大器4111在二阶互调失真频段放大增益为A_v，晶体管Q1和晶体管Q2的共发射极电流增益β相同，R_E1＝R_E2＝R_E，R_B1＝R_B2＝R_B，则运算放大器4111造成在晶体管Q1和晶体管Q2的集电极电流变化如下：

I_{C1_IM2_Cancellation}＝(-A_vβ_fb/(1+A_vβ_fb))*I_{C1_IM2}

I_{C2_IM2_Cancellation}＝(-A_vβ_fb/(1+A_vβ_fb))*I_{C2_IM2}

其中

B_fb＝((β+1)R_E)/(R_B+(β+1)(R_E+r_e))

β为共发射极电流增益

r_e为晶体管Q1及Q2发射极小信号等效电阻

经由上述方程式推导可证明本发明的混频器40，可利用反馈电压产生电路4113抵销二阶互调失真所导致的额外输入电流，消除二阶互调失真所造成的影响。

注意，上述实施例中的晶体管是以npn双极性晶体管(npn BJT)为例进行说明，亦可使用pnp双极性晶体管(BJT)、N型场效应晶体管(N-type FET)或P型场效应晶体管(P-type FET)以替代。因应不同的类型的晶体管导致相关电路的些微变化，为熟知此类技艺人士皆能明了。故本发明不限于由npn双极性晶体管(npn BJT)组成的混频器。

以上所述是利用较佳实施例详细说明本发明，而非限制本发明的范围。凡本领域技术人员皆能明了，可根据以上实施例的揭示而做出诸多可能变化，仍不脱离本发明的精神和范围。

Claims (20)

1.一种用于混频器的转导电路，用于消除二阶互调失真，该转导电路包括：

一第一晶体管和一第二晶体管，其基或栅极分别耦接一第一输入端和一第二输入端，用于接收一差动输入信号；以及

一负反馈电路，具有一输入端与一输出端，该输入端耦接至该第一晶体管的发射或源极及该第二晶体管的发射或源极，该输出端耦接至该第一晶体管的基或栅极及该第二晶体管的基或栅极，该负反馈电路用于依据该第一晶体管的发射或源极及该第二晶体管的发射或源极的一检测电压与一参考电压的电压差，来调整该第一晶体管的基或栅极及该第二晶体管的基或栅极的电压。

2.如权利要求1所述的转导电路，其特征在于，该负反馈电路包含：

一参考电压产生电路，用于产生该参考电压，该参考电压与无二阶互调失真时的该第一晶体管的发射或源极及该第二晶体管的发射或源极的电压有关；

一反馈电压产生电路，用于检测该第一晶体管的发射或源极及该第二晶体管的发射或源极的电压，以产生该检测电压；

一运算放大器，其正输入端耦接至该参考电压产生电路，其负输入端耦接至该反馈电压产生电路，用于比较该参考电压及该检测电压，并输出一调整信号；以及

一偏压电路，耦接至该运算放大器，用于依据该调整信号，来调整该差动输入信号。

3.如权利要求2所述的转导电路，其特征在于，该转导电路更包含：

一第一输入电容，耦接于该第一晶体管与该第一输入端之间；以及

一第二输入电容，耦接于该第二晶体管与该第二输入端之间。

4.如权利要求2所述的转导电路，其特征在于，该反馈电压产生电路包含：

一第一电阻，其一端连接至该第一晶体管的发射或源极，另一端连接至该运算放大器的负输入端；

一第二电阻，其一端连接至该第二晶体管的发射或源极，另一端连接至该运算放大器的负输入端；以及

一电容，其一端接地，另一端连接至该运算放大器的负输入端。

5.如权利要求2所述的转导电路，其特征在于，该偏压电路包含：

一第一偏压电阻，其一端连接至该第一晶体管的基或栅极，另一端连接至该运算放大器的输出端；以及

一第二偏压电阻，其一端连接至该第二晶体管的基或栅极，另一端连接至该运算放大器的输出端。

6.如权利要求2所述的转导电路，其特征在于，该转导电路更包含：

一第一发射或源极电阻，一端耦接于该第一晶体管的发射或源极，另一端耦接至地；以及

一第二发射或源极电阻，一端耦接于该第二晶体管的发射或源极，另一端耦接至地。

7.如权利要求6所述的转导电路，其特征在于，该参考电压产生电路包含：

一参考电阻，一端接地，另一端连接至该运算放大器的正输入端；以及

一参考电流源，连接至该运算放大器的正输入端，提供一预设电流，以产生该参考电压。

8.如权利要求7所述的转导电路，其特征在于，该参考电阻值及该预设电流与无二阶互调失真时的该第一晶体管的发射或源极及该第二晶体管的发射或源极的电压有关。

9.如权利要求7所述的转导电路，其特征在于，该参考电阻值大于该第一发射或源极电阻及该第二发射或源极电阻。

10.如权利要求1所述的转导电路，其特征在于，该第一晶体管和该第二晶体管是双极性晶体管和场效晶体管其中之一。

11.一种混频器，用于消除二阶互调失真，其特征在于，该混频器包含：

一负载电路；

一开关电路，耦接于该负载电路，该开关电路具有一第一电流路径与一第二电流路径且该开关电路与该负载电路的耦接处为该混频器的输出端；以及

一转导电路，包括：

一第一晶体管和一第二晶体管，其集电或漏极分别耦接于该第一电流路径和该第二电流路径，其基或栅极分别耦接一第一输入端和一第二输入端，用于接收一差动输入信号；以及

一负反馈电路，具有一输入端与一输出端，该输入端耦接至该第一晶体管的发射或源极及该第二晶体管的发射或源极，该输出端耦接至该第一晶体管的基或栅极及该第二晶体管的基或栅极，该负反馈电路用于依据该第一晶体管的发射或源极及该第二晶体管的发射或源极的一检测电压与一参考电压的电压差，来调整该第一晶体管的基或栅极及该第二晶体管的基或栅极的电压。

12.如权利要求11所述的混频器，其特征在于，该负反馈电路包含：

一参考电压产生电路，用于产生该参考电压，该参考电压与无二阶互调失真时的该第一晶体管的发射或源极及该第二晶体管的发射或源极的电压有关；

一反馈电压产生电路，用于检测该第一晶体管的发射或源极及该第二晶体管的发射或源极的电压，以产生该检测电压；

一运算放大器，其正输入端耦接至该参考电压产生电路，其负输入端耦接至该反馈电压产生电路，用于比较该参考电压及该检测电压，并输出一调整信号；以及

一偏压电路，耦接至该运算放大器，用于依据该调整信号，来调整该差动输入信号。

13.如权利要求12所述的混频器，其特征在于，该转导电路更包含：

一第一输入电容，耦接于该第一晶体管与该第一输入端之间；以及

一第二输入电容，耦接于该第二晶体管与该第二输入端之间。

14.如权利要求12所述的混频器，其特征在于，该反馈电压产生电路包含：

一第一电阻，其一端连接至该第一晶体管的发射或源极，另一端连接至该运算放大器的负输入端；

一第二电阻，其一端连接至该第二晶体管的发射或源极，另一端连接至该运算放大器的负输入端；以及

一电容，其一端接地，另一端连接至该运算放大器的负输入端。

15.如权利要求12所述的混频器，其特征在于，该偏压电路包含：

一第一偏压电阻，其一端连接至该第一晶体管的基或栅极，另一端连接至该运算放大器的输出端；以及

一第二偏压电阻，其一端连接至该第二晶体管的基或栅极，另一端连接至该运算放大器的输出端。

16.如权利要求12所述的混频器，其特征在于，该转导电路更包含：

一第一发射或源极电阻，一端耦接于该第一晶体管的发射或源极，另一端耦接至地；以及

一第二发射或源极电阻，一端耦接于该第二晶体管的发射或源极，另一端耦接至地。

17.如权利要求16所述的混频器，其特征在于，该参考电压产生电路包含：

一参考电阻，一端接地，另一端连接至该运算放大器的正输入端；以及

一参考电流源，连接至该运算放大器的正输入端，提供一预设电流，以产生该参考电压。

18.如权利要求17所述的混频器，其特征在于，该参考电阻值及该预设电流与无二阶互调失真时的该第一晶体管的发射或源极及该第二晶体管的发射或源极的电压有关。

19.如权利要求17所述的混频器，其特征在于，该参考电阻值大于该第一发射或源极电阻及该第二发射或源极电阻。

20.如权利要求11所述的混频器，其特征在于，该第一晶体管和该第二晶体管是双极性晶体管和场效晶体管其中之一。

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