CN102780483B

CN102780483B - 带有可配置数模转换器混频器接口和可配置混频器的射频数模转换器

Info

Publication number: CN102780483B
Application number: CN201210158359.2A
Authority: CN
Inventors: P·普法恩; M·席姆珀; J·莫雷拉; T·戈斯曼
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Apple Inc
Priority date: 2011-05-13
Filing date: 2012-05-11
Publication date: 2015-08-12
Anticipated expiration: 2032-05-11
Also published as: US20120286983A1; US8604958B2; DE102012207909B4; DE102012207909A1; CN102780483A; US20140091959A1; US9143155B2

Abstract

本发明的名称是带有可配置数模转换器混频器接口和可配置混频器的射频数模转换器。本公开内容的一个实施例涉及一种电路。所述电路包括数模转换器(DAC)，所述DAC被配置为将时变的多位数字值转换为对应的时变输出电流。所述电路还包括混频器模块，所述混频器模块位于所述DAC的下游并且包括多个混频器。控制块被配置为选择性地将输出电流从所述DAC导引至所述混频器模块的不同混频器。其他技术也被描述。

Description

带有可配置数模转换器混频器接口和可配置混频器的射频数模转换器

技术领域

本发明涉及具有可配置数模转换器(DAC)混频器接口和可配置混频器的射频数模转换器(RF DAC)。

背景技术

无线通信可被用于在许多距离上传递信息，范围从短距离(如在电视遥控情况下的几米)到长距离(用于无线电通信的数千或数百万公里)。无线通信包括各种类型的固定式、移动式以及便携式双向无线电台、移动电话、个人数字助理(PDA)以及无线连网。典型的无线设备根据预定的通信协议进行通信，举例来说诸如为IEEE通信标准或其他电信标准。尽管存在许多不同的通信标准，但任何给定的标准为通信规定精确的规则，由此有助于确保来自不同制造商的无线设备相互有效地进行通信。

现代的无线通信设备正将越来越多的通信功能集成到单个设备中。例如，单个常规的移动电话可以使用多个通信标准，诸如2G和3G电信标准来发射和接收数据。这些标准可能需要不同的发射功率、不同的调制技术、不同的发射频率等。

为了允许单个无线设备根据不同的通信标准进行发射，常规的无线通信设备包括多个发射路径和/或接收路径。例如，图1示出了常规的无线收发器100的一部分，包括在其上发射3G信号的第一发射路径102和在其上发射2G信号的第二发射路径104。两个发射路径102、104均包括数模转换器(DAC)106和混频器108，其中在DAC 106与它们的对应的混频器108之间设置有低通滤波器110。

对于合理的电流消耗，3G矢量调制器在噪声性能方面较弱，因此对于每个发射频带需要级间表面声波(SAW)滤波器112，如图2所示。这些SAW滤波器112耦合在发射路径102(其支持多个发射频带，例如TX_3G_H、TX_3G_L、TX_3G_M1)的输出与用于在对应频带上的发射的、对应的功率放大器(PA)114之间。对不同的SAW滤波器112的需求不仅增加了收发器100的引脚数量，而且增加了印刷电路板(PCB)的尺寸以及整个材料清单(BOM)。

鉴于这些常规的通信设备，发明人意识到，从成本和功率角度来看提供为多个通信标准所共用的单个灵活的发射路径而不是为每个通信标准使用独立的发射路径将是有益的。此外，消除对SAW滤波器的需求以缩减收发器的引脚数量、印刷电路板(PCB)的尺寸以及用于收发器的整个材料清单(BOM)将是有益的。

发明内容

本发明提供了一种电路，其包括：数模转换器(DAC)，其被配置为将时变的多位数字值转换为对应的时变输出电流；混频器模块，其位于所述DAC的下游并且包括多个混频器；以及控制块，其被配置为选择性地将输出电流从所述DAC导引至所述混频器模块的不同混频器。

本发明还提供了一种便于对射频(RF)信号的发射的电路，其包括：多个混频器，其各自具有输出和一对输入；数模转换器(DAC)，其包括：多个电流源，基于被提供给所述DAC的多位数字值独立地并且选择性地启动所述多个电流源；开关矩阵，其包括耦合在所述DAC与所述多个混频器之间的多个开关元件，其中所述开关矩阵中的第一开关具有耦合于第一混频器的第一输入的第一接触部和耦合于第一电流源的输出的第二接触部；控制块，其向所述开关的控制端子提供控制信号以选择性地将所述第一混频器的第一输入经由所述第一开关耦合于所述第一电流源的输出。

本发明还提供了一种便于对射频(RF)信号的发射的电路，其包括：多个混频器，其各自具有输出和一对输入；数模转换器(DAC)，其包括：多个电流源，所述多个电流源按一系列行和列布置，其中基于被提供给所述DAC的多位数字值独立地并且选择性地启动所述多个电流源；开关矩阵，其包括耦合在所述DAC与所述多个混频器之间的多个开关元件，其中第一小组的开关元件具有与沿所述DAC的列或行的电流源耦合的相应的第一接触部并且具有与所述多个混频器中的不同混频器耦合的相应的第二接触部。

本发明还提供了一种方法，其包括：将时变的多位数字值转换为对应的时变输出电流；基于所需的发射功率沿不同的电流路径选择性地导引所述时变输出电流中的至少一些；将收到的被导引的电流与本地振荡器信号混频以便于以所需的发射功率对射频(RF)信号的发射。

附图说明

图1是在其上包括多个发射路径和滤波器的常规收发器的示意图。

图2是包括发射路径的收发器的示意图。

图3是根据一些实施例的发射器的框图。

图4是根据一些实施例可被包括在发射器中的电路的示意图。

图5是示出可被用于实现与图4的实施例相符的各种发射情况的数字值和控制值的一些示例的图表。

图6是根据一些实施例的混频器的框图。

图7是根据一些实施例可被包括在发射器中的电路的框图。

图8是示出根据一些实施例的方法的流程图。

具体实施方式

现在参考附图来描述所要求的主题。在以下说明中，为了解释的目的，众多特定细节被阐述以便提供对所要求的主题的全面理解。然而，可能显而易见的是可以在没有这些特定细节的情况下来实践所要求的主题。

在此所公开的技术使用数模转换器(DAC)生成时变电流，并且选择性地将电流从DAC导引至混频器模块的不同混频器。在许多实施例中，相对于常规的解决方案，这种配置限制了在发射路径上对滤波器的需求，由此限制了对于收发器所需要的整个电路系统。

图3示出了根据一些实施例的电路300的示例。如将在下文中更具体地被领会的那样，电路300提供了可被用于一个或多个通信协议的单个发射路径，其中电路300潜在地可使用不同的发射功率进行发射以实施不同的通信协议(和/或可在给定的通信协议内使用不同的发射功率)。例如，在一些实施方式中，所述电路可以根据下列各项中的至少两个进行发射：全球移动通信系统(GSM)、高斯最小频移键控(GMSK)、增强型数据速率GSM演进(EDGE)、通用移动通信系统(UMTS)、长期演进(LTE)、WiMax、蓝牙、无线801.11协议和/或其他通信协议。

电路300包括数模转换器(DAC)302、开关矩阵304、混频器模块306以及控制块308；这些部件以可操作的方式耦合，如图所示。混频器模块306包括多个混频器，这些混频器可操作用于经由功率放大器312将RF输出信号传送至RF天线310。在一些实施例中，在DAC302与混频器模块306之间不需要任何滤波器，并且在混频器模块306与功率放大器312之间不需要SAW滤波器。因此，电路300相对于常规的解决方案而言有助于缩减面积和功率消耗。将理解的是，并非在所有实现中都需要所有这些部件-例如在一些实施例中可以省略功率放大器312。

在操作期间，将天线310的输出功率范围分为M个子范围(M可以是范围从2到接近无穷的整数)。在任何给定时刻，指示在该时刻要使用的输出功率的N位数字值(N可以是范围从1到接近无穷的整数)在DAC 302的输入(314)上被接收。DAC 302将该N位数字值转换为在DAC 302的输出(316)上所提供的对应的时变输出电流。由此，通过随时间改变314上的N位数字值，316上的输出电流可以随时间被改变以对应于所需的发射功率。

在控制块308的指导下，开关矩阵304被配置为基于来自控制块308的、318上的控制信号将各种量的输出电流从DAC 302导引至混频器模块306的不同混频器。混频器模块306进而用LO信号322调制来自开关矩阵输出320的信号以将处于所需功率水平的RF信号324传送至功率放大器312。功率放大器312进而放大RF信号324，由此便于以所需的发射功率在RF天线310上的发射。

控制块308的输出可以取决于不同的发射情况，诸如DAC瞬时值、DAC偏压情况、输出功率、发射标准以及波峰因数等等。例如，如果功率相对高的信号将在第一时间期间(例如在第一通信协议被采用时)从RF天线310被发射，则开关矩阵304将相对大的电流导引至混频器模块306，使得RF天线310发射相对强的RF信号。相反，如果功率相对低的信号将在第二时间期间(例如在第二通信协议被采用时)从RF天线被发射，则开关矩阵304将相对小的电流导引至混频器模块306，使得RF天线310发射相对低强度的RF信号。典型地，DAC302与开关矩阵304以协同的方式工作以经由天线310传送大量输出发射功率，由此灵活地帮助单个发射路径实施具有不同发射功率的多个通信协议。

将理解的是，控制块308可根据实现采取各种形式。在一些实施例中，控制块可以包括微处理器，该微处理器执行如从存储单元所访问到的一系列指令(例如软件和/或固件)。在其他实施例中，控制块可以是专用集成电路(ASIC)或一些其他逻辑单元(例如FPGA、基带处理器)。

图4示出了根据一些实施例的另一电路400。如同图3的实现那样，图4的电路400包括数模转换器(DAC)402、开关矩阵404、混频器模块406以及控制块408；这些部件以可操作的方式耦合，如图所示。

DAC 402接收时变的N位数字值并且将其转换为时变输出电流。为了促进这种功能，DAC包括以数个行和列布置的数个电流源410(其中单独的电流源被标记为S_行-列)。可以通过行译码器412和列译码器414选择性地并且独立地激活电流源410，行译码器412和列译码器414共同启动逻辑门(例如与门416)，使它们的输出耦合于电流源410的相应的控制端子。沿列的电流源被布置成使得如果它们同时被启动则它们的输出电流加在一起。将理解的是，尽管为了简单起见仅示出了三列，但其他未示出的实施例可以包括任意数量的列。此外，尽管逻辑与门被示出，但也可使用任意数量的其他逻辑门。

开关矩阵404包括耦合在DAC 402与混频器模块406之间的数个开关元件。开关元件被布置为选择性地将不同量的电流从DAC 402导引至混频器模块406的混频器。例如，第一小组的开关元件418具有与DAC 402的第一列耦合的相应的第一接触部，并且具有与多个混频器406中的不同混频器耦合的相应的第二接触部。第二小组的开关元件420具有与DAC的第二列耦合的相应的第一接触部，并且具有与多个混频器中的不同混频器耦合的相应的第二接触部。第三小组的开关元件422具有与DAC 402的第三列耦合的相应的第一接触部，并且具有与多个混频器中的不同混频器耦合的相应的第二接触部。所述矩阵无需被完全填充。如果开关始终打开，则可以去除开关，如果开关始终闭合，则可以用短路取代开关，或者如果开关同时被切换，则可以合并开关(例如参见图7)。

混频器模块406包括数个混频器(例如406a、406b、406c、406d)，这些混频器具有相应的第一输入和第二输入并且具有相应的输出。每个混频器的第一输入耦合于本地振荡器(LO)线410，具有LO频率的LO信号在所述本地振荡器(LO)线410上被接收。每个混频器的第二输入耦合于开关矩阵404的输出。各混频器的输出耦合于共用的输出412。一旦收到LO信号和来自开关矩阵的信号，混频器就向共用的输出412输出混频信号，其中所述混频信号展现两个输入信号的频率的和以及差。混频器的数量可以是任意数量，并且在一些实施例中，混频器的数量可以不同于DAC列的数量。

如将在下文中更具体地被领会的那样，控制块408被配置为向开关矩阵408提供控制信号以选择性地将各个电流源的输出经由开关耦合于各个混频器。

现在参考图5讨论图4的电路可以如何操作的示例。在图5的示例中，电流源S_0，0-S_k，2分别被配置为驱动单位电流(例如在这个示例中为1μA的电流)。例如，在许多实施例中，电流源可以被实现为全部具有相等的宽长比的MOS型晶体管。还假设这个示例中的混频器具有彼此相同的几何结构。这个配置由于其可有助于比其中不同几何结构被用于电流源和/或混频器的其他实施例提供更好的匹配和更少的噪声而在一些方面是有利的。当然，本公开内容不限于具有相同尺寸的电流源(或混频器)，并且在其他实施例中，可以彼此不同地为电流源(或混频器)定尺寸。

在图表的502中，数字值001001(其前三位被提供给行译码器402，并且其后三位被提供给列译码器404)启动DAC 402的行0和列0上的电流源(即电流源S_0，0被启动)。到开关矩阵404的控制信号被设定为0x001(即000000000001)，其将DAC的第一列耦合于第一混频器406a。按照这种方式，1μA的电流被传送至混频器406a，混频器406a将第一输出功率传送至位于混频器模块下游的RF天线。

在图表的504中，数字值001001再次启动行0和列0上的电流源(即电流源S_0，0被启动)。然而，控制信号现在被设定为0x080(即000000000100)，其将DAC的第一列耦合于第二混频器406b，使得1μA的电流现在被传送至第二混频器406b。在506和508处，控制值被改变以分别将1μA的电流导引至第三混频器406c和第四混频器406d。

在510中，数字值被改变为001011，其启动行1和列1-2上的电流源(即电流源S_0，0、S_0，1被启动)。根据控制位如何被设定，开关矩阵404可以将来自两个源的电流传送至单个混频器(如512所示，其中来自S_0，0、S_0，1的合计2μA的电流被传送至各个单独的混频器)；或者可以将电流传送至不同的混频器(如514所示，其中来自S_0，0、S_0，1的1μA电流被传送至不同的混频器)。

参考标号516-528示出了其中不同量的电流被从DAC 402导引至混频器模块406以促进所需功能的其他情况。将理解的是，图5仅是非限制性的示例，并且其绝不限制本公开内容的范围。

图6示出了根据一些实施例的混频器600(例如图4中的混频器406a-406d中的一个)的示例。混频器600包括第一晶体管对602a、602b，其具有差分(differential)本地振荡器(LO)信号在其上被接收的相应的控制端子。该第一晶体管对的相应的源极经由开关矩阵耦合于DAC。该第一晶体管对的相应的漏极耦合于第二晶体管对604a、604b。第二晶体管对在它们的相应的栅极上接收启动信号。由于这种配置，第一和第二晶体管对602、604可将来自DAC的信号与LO信号混频，并且选择性地将调制信号传送至位于混频器600下游的功率放大器和RF天线。

图7示出了根据另一实施例的电路750的另一实施例。在这个实施例中，DAC输出列列1至列N-1彼此短路，而DAC输出列列0选择性地经由开关元件752耦合于其他列。控制块752向开关元件提供控制信号以选择性地将列0耦合于其他列并且选择性地启动适当的混频器。因此，这个实施例与图4的实施例相比提供了允许较少灵活性的受限开关矩阵。然而，尽管其提供了较少的灵活性，但具有单个晶体管的这种受限开关矩阵与图4的实施例相比还需要更小的电路系统，由于相对于图4的电路而言节省了硅面积，这对应地提供了更低的功率消耗和更低的总成本。将理解的是，任意数量的变型均被看作落入本公开内容的范围之内。例如，附加的开关元件可被置于其他列之间以提供更多的灵活性，但也对应地引入了更多的复杂性和对末端电路(end circuit)的面积要求。

图8示出了根据一些实施例的方法800。尽管在下文中将这个方法示出并且描述为一系列动作或事件，但本公开内容不受这样的动作或事件的所示出的排序限制。对于此处所公开的其他方法同样如此。

例如，一些动作可按照不同的顺序发生和/或与除此处所示出和/或描述的那些动作或事件之外的其他动作或事件同时发生。另外，并非所有所示出的动作均被需要并且波形形状仅是示意性的，而其他波形可明显不同于所示出的那些波形。此外，可在一个或多个独立的动作或阶段中实施此处所描绘的动作中的一个或多个。

该方法开始于802，在802中第一多位数字值被转换为对应的第一输出电流。这可通过DAC来实施。

在804中，基于控制信号沿第一电流路径导引第一输出电流。在许多实现中，可从控制块(例如如相对于图4所讨论的那样)提供控制信号。然而，在其他实现中，控制信号可对应于多位数字值本身。

在806中，将沿第一电流路径被导引的电流与本地振荡器信号混频以便于在第一时间段期间以第一发射功率对射频(RF)信号的发射。在许多实现中可通过混频器模块来实施这个块。

在808中，该方法将第二多位数字值转换为对应的第二输出电流。第二多位数字值可不同于第一多位数字值。

在810中，基于控制信号沿第二电流路径选择性地导引第二输出电流。

在812中，将沿第二电流路径被导引的电流与本地振荡器信号混频以便于在第二时间段期间以第二发射功率对射频(RF)信号的发射。第二发射功率不同于第一发射功率。尽管未在图8中示出，但将理解的是，方法800可以连续改变其多位数字值和控制信号以在数个不同的发射功率上发射RF信号。

尽管已相对于一个或多个实现示出并且描述了本公开内容，但本领域的其他技术人员基于对本说明书和附图的阅读和理解将想到等效的变化和修改。例如，尽管已在上文中相对于极性(polar)调制器描述了RF DAC的概念，但将理解的是该概念可等同地应用于其他调制技术，诸如I/Q调制。由此，在其他实施例中，具有电流导引的RF DAC被包括在IQ发射器中而不是被包括在如此处所示出的极性发射器中。

本公开内容包括所有这样的修改和变化并且仅受下述权利要求的范围限制。特别地，关于由上述部件(例如元件和/或资源)所执行的各种功能，用于描述这样的部件的术语旨在对应于执行所描述的部件的规定功能(例如在功能上等同)的任何部件，即使不是在结构上等同于执行此处所示出的本公开内容的示例性实现中的功能的所公开的结构，除非另有指示。另外，尽管可能已相对于若干实现中的仅一个公开了本公开内容的特定特征，这样的特征也可如对于任何给定或特定的应用所需或有利的那样与其他实现的一个或多个其他特征结合。另外，在本申请和所附权利要求中所用的冠词“一”和“一个”应被解释为意指“一个或多个”。

此外，就在详细说明或权利要求中使用术语“包括”、“具有”、“带有”或其变体来说，这样的术语旨在以与术语“包含”相似的方式表示非遍举(inclusive)。

Claims

1.一种便于射频RF信号的发射的电路，其包括：

数模转换器DAC，其被配置为将时变的多位数字值转换为对应的时变输出电流；

混频器模块，其位于所述DAC的下游并且包括多个混频器；以及

控制块，其被配置为提供控制信号并基于所述控制信号选择性地将时变输出电流从所述DAC导引至所述混频器模块的不同混频器；

其中在所述DAC与所述混频器之间未耦合任何滤波器。

2.根据权利要求1所述的电路，其中所述DAC包括：

多个电流源，基于被提供给所述DAC的时变多位数字值独立地并且选择性地启动所述多个电流源。

3.根据权利要求2所述的电路，其中所述多个电流源分别包括多个晶体管，并且其中第一电流源的第一晶体管具有与第二电流源的第二晶体管相同的尺寸。

4.根据权利要求2所述的电路，其还包括：

多个开关，其被布置为基于来自所述控制块的控制信号选择性地将所述多个电流源耦合于所述多个混频器以选择性地将时变输出电流从所述DAC导引至所述混频器模块的不同混频器。

5.根据权利要求1所述的电路，其中功率放大器耦合在所述混频器模块的下游，并且其中所述功率放大器适于在RF天线上以不同的功率发射RF信号。

6.根据权利要求5所述的电路，其中所述不同的功率与以下通信标准中的至少两个相关联：GMSK、EDGE、UMTS、LTE、WIMAX、802.11或蓝牙。

7.根据权利要求1所述的电路，其中混频器包括：

第一晶体管对，其具有耦合于所述DAC的相应的源极/漏极区域；以及

第二晶体管对，其具有启动信号在其上被接收的相应的控制端子，其中所述第二晶体管对可操作用于选择性地将所述第一晶体管对的输出耦合于RF天线。

8.根据权利要求7所述的电路，其还包括：

功率放大器，其耦合于所述混频器的输出，其中所述功率放大器具有被配置为耦合于所述RF天线的输出。

9.根据权利要求1所述的电路，其中所述多个混频器全部具有相同的尺寸。

10.一种便于射频RF信号的发射的电路，其包括：

多个混频器，其各自具有输出和一对输入；

数模转换器DAC，其包括：多个电流源，基于被提供给所述DAC的多位数字值独立地并且选择性地启动所述多个电流源；

开关矩阵，其包括耦合在所述DAC与所述多个混频器之间的多个开关元件，其中所述开关矩阵中的第一开关具有耦合于第一混频器的第一输入的第一接触部和耦合于第一电流源的输出的第二接触部；

控制块，其向所述开关的控制端子提供控制信号以选择性地将所述第一混频器的第一输入经由所述第一开关耦合于所述第一电流源的输出，其中在所述DAC与所述混频器之间未耦合任何滤波器。

11.根据权利要求10所述的电路，其中所述多个电流源包括多个晶体管，每个晶体管具有相同的尺寸以从其中提供单位电流，其中所述单位电流是1μA电流。

12.根据权利要求10所述的电路，其中所述开关矩阵中的第二开关具有与所述第一混频器的第一输入耦合的第一接触部和与所述DAC中的第二电流源耦合的第二接触部。

13.根据权利要求10所述的电路，其中所述开关矩阵中的第二开关具有与第二混频器的第一输入耦合的第一接触部和与所述第一电流源耦合的第二接触部。

14.根据权利要求10所述的电路，其还包括：

功率放大器，其具有输入和输出；以及

RF天线，其具有与所述功率放大器的输出耦合的输入；

其中所述多个混频器使它们的相应的输出耦合于功率放大器的输入。

15.根据权利要求14所述的电路，其中所述电路适于在所述RF天线上根据不同的通信标准发射RF信号。

16.根据权利要求10所述的电路，其中所述第一混频器的第二输入耦合于本地振荡器。

17.一种便于射频RF信号的发射的电路，其包括：

多个混频器，其各自具有输出和一对输入；

数模转换器DAC，其包括：多个电流源，所述多个电流源按一系列行和列布置，其中基于被提供给所述DAC的多位数字值独立地并且选择性地启动所述多个电流源；

开关矩阵，其包括耦合在所述DAC与所述多个混频器之间的多个开关元件，其中第一小组的开关元件具有与沿所述DAC的列或行的电流源耦合的相应的第一接触部并且具有与所述多个混频器中的不同混频器耦合的相应的第二接触部，

其中在所述DAC和所述混频器之间未耦合滤波器。

18.根据权利要求17所述的电路，其还包括：

控制块，其向所述开关提供控制信号以选择性地将所述第一混频器的输入经由所述第一开关耦合于所述第一电流源。

19.一种便于射频RF信号的发射的方法，其包括：

将时变的多位数字值转换为对应的时变输出电流；

由控制信号基于所需的发射功率沿不同的电流路径选择性地导引所述时变输出电流中的至少一些；

将收到的被导引的电流与本地振荡器信号混频以便于以所需的发射功率发射所述射频RF信号，

其中在所述转换和所述混频之间未执行滤波。