CN104796088A - 用于混频器的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于混频器的系统和方法。依照实施例，一种电路包含混频器、低通滤波器电路和差分电路，该混频器具有信号输入端口、本地振荡器输入端口和输出端口，该低通滤波器电路具有耦合到混频器的输出端口的输入和被配置成连接到分流电容器的端子，该差分电路具有耦合到混频器的输出端口的第一输入和耦合到低通滤波器的输出的第二输入。差分电路的输出基本上抑制混频器的输出端口处的DC信号分量。

Description

用于混频器的系统和方法
技术领域
本公开大体涉及电子装置，并且更具体地涉及用于混频器的系统和方法。
背景技术
在其中使用单频变换将射频（RF）信号下变频的零拍接收机在许多应用中已经变为普遍的，这是由于用来实施这样的系统的RF部件的减少的复杂性。与将RF信号下变频到中频（IF）、对IF信号滤波、并且然后执行一个或多个附加的频率变换来将IF信号下变频到基带的外差接收机相比，零拍接收机可以使用单频变换级来实施，从而消除一个或多个混频和滤波级以及它们关联的电路。
零拍混频器所面临的一个问题是LO信号的自混频，其可以导致下变频的基带信号中的显著的DC偏移电压。在一些情况下，这些DC偏移电压的幅度可以超过无线电接收机中的接收信号的幅度。在这样的系统中，单个变换混频器的输出处的DC分量通过使用高通滤波网络被移除，该高通滤波网络包含阻断DC信号的所使用的串联电容器。
在其中所接收的基带信号具有明显的低频含量的系统中，DC阻断网络的截止频率可以被选择以允许低频含量通过。在一些情况下，串联DC阻断电容器的值可以是相对较大的值并且占据明显数量的硅和/或电路板面积。
发明内容
依照实施例，一种电路包含混频器、低通滤波器电路和差分电路，该混频器具有信号输入端口、本地振荡器输入端口和输出端口，该低通滤波器电路具有耦合到混频器的输出端口的输入和被配置成连接到分流电容器的端子，该差分电路具有耦合到混频器的输出端口的第一输入和耦合到低通滤波器的输出的第二输入。差分电路的输出基本上抑制混频器的输出端口处的DC信号分量。
附图说明
为了更全面理解本发明及其优点，现在参考与附图结合进行的下面的描述，其中：
图1图示常规的零拍接收机系统；
图2图示实施例零拍接收机系统；
图3a－b图示实施例DC阻断电路；
图4a－b图示实施例雷达系统；
图5图示实施例单个IQ接收机系统；
图6图示实施例雷达收发机集成电路；以及
图7图示实施例方法的流程图。
除非另外指示，否则不同附图中的对应数字和符号大体指代对应的部分。附图被绘制为清楚地图示优选的实施例的相关方面，并且不必按比例绘制。为了更清楚地图示某些实施例，指示相同结构、材料或过程步骤的变体的字母可以跟在附图编号后面。
具体实施方式
下面详细地讨论本优选的实施例的制作和使用。然而，应当意识到的是，本发明提供能够在广泛的各种特定上下文中具体化的许多可适用的发明概念。所讨论的特定实施例仅仅说明制作和使用本发明的特定方式，并且不限制本发明的范围。
将关于特定上下文（用于可以在零拍接收机中使用的DC阻断电路的系统和方法）中的优选的实施例来描述本发明。本发明的实施例还可以应用到包含利用DC阻断电容器的其它电路的其它系统和应用，诸如RF通信系统、雷达收发机和实施RF系统的集成电路。
在本发明的实施例中，DC阻断电路被耦合到单个变换或零拍接收机的输出。这个DC阻断电路使用低通滤波器和减法网络来实施，该减法网络从零拍接收机的未经滤波的输出中减去零拍接收机的输出的经低通滤波的版本以形成高通或DC阻断的输出。低通滤波器可以使用位于与接收机相同的硅衬底上的电容器来实施或可以在芯片外（例如在电路板上）被实施。在一些实施例中，可以在基带信号的信号路径中不使用串联DC阻断电容器的情况下实施零拍接收机的输出。
本发明的一些实施例涉及被用于工业和汽车的调频连续波（FMCW）雷达应用的单片微波集成电路（MMIC）的实施。FMCW雷达系统在“全双工模式”下操作，这意味着它们同时发送和接收。这样的FMCW系统可以针对汽车应用操作在24 GHz或77/79 GHz下，可以具有几个接收通道，其中每个接收通道可以具有每个接收机链路两个基带输出。还应当理解的是，实施例可以涉及除了24 GHz和77/79 GHz以外的其它频率。为了减少存在于这样的雷达系统中的电路的数目，许多实施方式使用单个变换或零拍下变频混频器而不是外差混频器。然而，由于LO泄露到接收机输入中，这样的系统倾向于大DC偏移。在常规的系统中，DC阻断电容器被插入在下变频混频器的基带输出中。在一些常规的FMCW系统中，当慢FMCW频率斜坡（啁啾）被使用时，这些电容器可以是大的。例如，具有大约100 Hz的转角频率的高通滤波器可以使几百毫微法拉的大DC阻断电容器成为必要。
图1图示包含耦合到集成电路102的天线126的常规零拍接收机系统100。例如，LNA 104接收来自天线126的雷达信号并且使用正交混频器106将接收的信号下变频，该正交混频器106包含I混频器108、Q混频器110和移相器112。外部耦合的电容器116、118、120和122被使用，以致减少或阻断正交混频器106的输出处的DC分量。如所示出，总共八个接口引脚被用来将正交混频器106的差分输出路由到电容器116、118、120和112并回到芯片上以用于耦合到基带电路124。
图2图示包含LNA 202、混频器204和实施例DC阻断电路206的实施例零拍接收机系统200的方块图。在实施例中，混频器204的DC输出通过使用低通滤波器实施高通传递功能而被衰减和/或消除。如所示出，DC阻断电路206通过经由加法模块212从增益模块208中减去低通滤波器210的输出来产生高通响应。在一些实施例中，可以使用分流RC滤波器网络来实施低通滤波器210，该分流RC滤波器网络不与混频器204的输出串联耦合。通过从低通功能中创建高通功能，可以消除串联DC阻断电容器。在通过使用外部分流电容来部分实施低通功能的实施例中，仅单个封装引脚可以被分派用于每个外部的电容器，而不是在一些实施例中两个外部的引脚被使用于DC阻断电容器。
图3a图示电路300的示意图，该电路300使用运算放大器（OPAMP）302来实施实施例DC阻断功能。如所示出，OPAMP 302的反相路径包含反馈电阻器308和输入电阻器304，而OPAMP 302的正相路径包含由电阻器306和310以及电容器312所形成的低通滤波器。参考电压Vref经由电阻器310被耦合到OPAMP 302的正相输入。如所示出，DC阻断电路300实施具有较低拐角频率的高通或DC阻断，该较低拐角频率由电阻器306和310以及电容器312的RC时间常数所确定。在一些实施例中，电阻器310和306的比率具有与电阻器308和304基本上相同的比率，其定义了电路300的电压增益。在一些实施例中，DC阻断电路300被设置在集成电路上并且电容器312经由外部引脚C1I耦合到OPAMP 302的正相输入。可替代地，电容器312可以被设置在与OPAMP 302和电阻器/304、306、308和310相同的集成电路上。
图示的运算放大器电路配置具有馈送到OPAMP 302的两个输入的一个共同的输入信号VIN。在OPAMP 302的截止频率以下，输入信号在反相输入处以恒定和频率无关的放大率被放大。在正相输入处，输入信号在它以与在反相输入处相同的因子被放大之前被低通滤波。两个特性在输出处相加。结果，由于电路的低通到高通的变换，信号响应具有高通特性。
图3b图示进一步实施例电路320，该进一步实施例电路320实施合适于与电流模式输入一起使用的高通滤波器响应。电流源322和324表示与正的信号电流成比例的输入电流，并且电流源326和328表示与负的信号电流成比例的输入电流。这些电流源322、324、326和328可以例如表示混频器的输出，该混频器具有产生电流模式信号的电流模式输出级或其它电路。如所示出，电流源322和326以及电阻器308耦合到OPAMP 302的反相节点并且形成反相信号路径，该反相信号路径产生与来自电流源322和326的输入电流的和成反比的电压。电流源324和328与电容器312一起耦合到OPAMP 302的正相输入，以形成正相低通信号路径。因此，OPAMP 302的输出处的电压VOUT形成在成比例的反相信号路径与经低通滤波的正相信号路径之间的差，这是高通滤波器功能。
应当意识到的是，图3a和3b的实施例仅仅是许多可能的滤波器实施方式中的两个示例。在进一步的实施例中，可以使用其它结构，诸如替代的滤波器结构和/或利用更高阶的低通滤波器来合成更高阶的高通响应的滤波器结构。
图4a图示使用实施例DC阻断电路来实施的实施例雷达系统400使用。雷达系统400包含雷达收发机集成电路401，该雷达收发机集成电路401具有发送路径和接收路径，发送路径包含耦合到发送天线440的功率放大器402，接收路径包含经由平衡-不平衡变换器（balun）422和LNA 424耦合到接收天线442的正交混频器420。在发送路径中，频率发生器426在控制器432的控制下产生发送信号，诸如频率扫描。频率发生器426的输出通过功率放大器402被放大并且经由发送天线440辐射。所发送信号的反射由接收天线442接收、由LNA 424放大并且使用正交混频器420被混频到基带。因为正交混频器420还接收频率发生器426的输出，所以接收路径与发送路径是同步的。在实施例中，DC阻断电路406i针对同相路径移除和/或衰减正交混频器420的输出处的DC分量，并且DC阻断电路406q针对正交路径移除和/或衰减正交混频器420的输出处的DC分量。
DC阻断电路406i和DC阻断电路406q中的每个包含上面所描述的实施例DC阻断电路。这些DC阻断电路的功能性由增益模块408、低通滤波器410和加法模块412所表示。然而，应当理解的是，可以使用各种电路来实施DC阻断电路406i和DC阻断电路406q。例如，在一些实施例中，可以使用在图3中所图示的DC阻断电路300。如所示出，电容器430i耦合到DC阻断电路406i的低通滤波器电路并且电容器430q耦合到DC阻断电路406q的低通滤波器电路。可替代地，电容器430i和430q可以设置在雷达收发机集成电路401上而不是在雷达收发机集成电路401的外部。在图4a的所图示的实施例中，同相基带信号IBB和正交基带信号QBB被带到外部引脚。
在实施例中，平衡-不平衡变换器422将接收天线442的单端输出变换成差分信号，并且平衡-不平衡变换器404i和404q将正交混频器420的差分输出变换成单端信号。应当意识到的是，在替代的实施例中，单端信号和差分信号的分割可以与在图4a中所图示的不同。
图4b图示使用雷达收发机集成电路452的实施例雷达系统450，其中同相基带信号IBB和正交基带信号QBB保留在芯片上用于通过基带电路454的进一步处理。在实施例中，基带电路454可以包含被用来执行基带信号恢复/处理的模拟电路和数字电路两者或其子集。
图5图示实施例单个IQ接收机系统500，该实施例单个IQ接收机系统500包含经由平衡-不平衡变换器512耦合到输入引脚RX1的LNA 510。同相混频器506i和正交混频器506q将LNA 510的输出与经由LO缓冲器504被缓冲的LO信号LOIN混频，以产生差分基带信号IBB和QBB。实施例DC阻断技术被实施在分别与电容器522i和522q结合工作的电路518i和518q中。平衡-不平衡变换器516i和516q执行上面所描述的差分到单端的变换。在实施例中，电路518i和518q还可以执行可变增益功能。这可以例如通过使用与实施例DC阻断电路串联耦合的可变增益放大器来实施。在替代实施例中，混频器可以通过除了复（IQ）下变频器以外的其它结构来实施。例如，可以使用非复混频器。
图6图示实施例雷达收发机集成电路602，该实施例雷达收发机集成电路602例如可以在汽车或工业雷达系统中使用。雷达收发机集成电路602包含一个发送路径604和接收来自共同LO分发网络622的LO信号的三个实施例零拍下变频接收路径608、610和612，该共同LO分发网络622分发RF振荡器620的输出。在实施例中，零拍下变频接收路径608、610和612包含实施例DC阻断电路620、622、624、626、628和630，实施例DC阻断电路620、622、624、626、628和630与可以分别耦合到引脚C1Q、C1I、C2Q、C2I、C3Q和C3I的外部电容器（未示出）结合来工作。可替代地，电容器可以直接设置在雷达收发机集成电路602自身上而不使用外部引脚。DC阻断电路620、622、624、626、628和630还可以含有上面所描述的一些可变增益功能。在一些实施例中，雷达收发机集成电路602还包含各种支持电路，诸如可以使用串行外围接口（SPI）或其它接口类型来实施的数字接口632和分频器634。
图7图示实施例方法700的流程图。在步骤702中，例如，从无线源（诸如天线）或从有线源接收输入信号。可以使用接收机电路（诸如LNA）来进一步促进接收输入信号。在步骤704中，将输入信号与LO信号混频来形成第一基带信号。在一些实施例中，该混频可以使用零拍或单个变换混频器来执行。接下来，通过在步骤706中对第一基带信号进行低通滤波并且在步骤708中从第一基带信号减去经滤波的基带信号来移除第一基带信号的DC分量。
依照实施例，电路包含混频器、低通滤波器电路和差分电路，该混频器具有信号输入端口、本地振荡器输入端口和输出端口，该低通滤波器电路具有耦合到混频器的输出端口的输入和被配置成连接到分流电容器的端子，该差分电路具有耦合到混频器的输出端口的第一输入和耦合到低通滤波器的输出的第二输入。差分电路的输出基本上抑制混频器的输出端口处的DC信号分量。在一些实施例中，电路进一步包含分流电容器，使得差分电路的输出基本上抑制混频器的输出端口处的DC信号分量。该混频器可以被实施为零拍混频器和/或实施为正交混频器。
在实施例中，低通滤波器电路包含电阻器并且差分电路包括运算放大器。例如，在以前的示例中，低通滤波器包含在混频器的输出端口与端子之间耦合的第一电阻器，使得该端子耦合到运算放大器的第二输入。该电路可以进一步包含第二电阻器、第三电阻器和第四电阻器，第二电阻器在混频器的输出端口与运算放大器的第一输入之间耦合，第三电阻器在运算放大器的输出与运算放大器的第一输入之间耦合，第四电阻器在参考节点与运算放大器的第二输入之间耦合。
在一些实施例中，低通滤波器和差分电路设置在集成电路上，使用设置在集成电路上的接合焊盘来实施端子。在一些实施例中，电路进一步包含处于集成电路外部的分流电容器。电路还可以包含具有耦合到混频器的输入的输出的低噪声放大器。
依照进一步的实施例，集成电路包含混频器和耦合到混频器的输出的DC阻断电路。DC阻断电路包含：被配置成耦合到芯片外分流电容器的端子；差分电路，该差分电路包括耦合到该端子的第一输入和耦合到混频器的输出的第二端子。在一些实施例中，差分电路可以包含运算放大器。
集成电路可以进一步包含低噪声放大器，该低噪声放大器具有耦合到混频器的输入的输出和耦合到集成电路的接收端子的输入。而且，该集成电路可以进一步包含频率发生器和放大器，该频率发生器具有耦合到混频器的本地振荡器端口的输出，该放大器具有耦合到频率发生器的输入和耦合到集成电路的发送端子的输出。一些实施例包含第一天线和第二天线，该第一天线耦合到集成电路的发送端子，该第二天线耦合到集成电路的接收端子。
依照进一步的实施例，雷达系统包含低噪声放大器、耦合到低噪声放大器的输出的零拍混频器和耦合到零拍混频器的输出的DC阻断电路。DC阻断电路包含低通滤波器电路和差分电路，该低通滤波器电路具有耦合到零拍混频器的输出端口的输入，该差分电路具有耦合到混频器的输出端口的第一输入和耦合到低通滤波器的输出的第二输入。在一些实施例中，使用正交混频器来实施零拍混频器。
在实施例中，低噪声放大器、零拍混频器和差分电路设置在第一集成电路上，并且低通滤波器包含设置在第一集成电路外部的分流电容器。在一些实施例中，雷达系统是调频连续波（FMCW）雷达系统。
依照进一步的实施例，操作零拍射频（RF）系统的方法包含使用低噪声放大器来接收输入信号、使用混频器来将输入信号与本地振荡器（LO）信号混频以形成第一输出信号和移除第一输出信号的DC分量。移除包含：对第一输出信号进行低通滤波以形成经滤波的输出信号，以及从第一输出信号中减去经滤波的输出信号以形成第二输出信号。在实施例中，减去经滤波的输出信号包含使用运算放大器，以及对第一输出信号进行低通滤波包含使用耦合到运算放大器的输入的电容器。接收输入信号可以包含接收雷达信号。
在一些实施例中，第一输出信号是第一基带信号，经滤波的输出信号是经滤波的基带信号，并且第二输出信号是第二基带信号。在进一步的实施例中，第一输出信号是第一低IF信号，经滤波的输出信号是经滤波的低IF信号，第二输出信号是第二低IF信号。
一些实施例系统的优点包含通过在相同的芯片上分割RF下变频器和基带电路来实现高集成度的能力而没有对于大的DC阻断电容器的需要。进一步的优点包含多个信号路径的电气特性的良好匹配，因为更多的部件可以被包含在相同的芯片上。利用实施例DC阻断系统和方法的一些系统的另一个优点包含接口引脚的减少的数目、总体电路的高可靠性、减少的电路板面积和增加的成本有效性。
进一步的优点包含利用最小数量的附加封装引脚来实施DC阻断功能以实现具有低截止频率的高通滤波器的能力。
虽然已经参考说明性实施例描述了本发明，但是该描述不旨在以限制意义进行理解。通过参考描述，说明性实施例的各种修改和组合以及本发明的其它实施例将对于本领域技术人员来说是显而易见的。例如，应当意识到的是，本文公开的特定实施例仅仅是利用DC阻断技术的系统和方法的示例。例如，实施例系统和方法可以应用到除了雷达系统以外的其它系统类型。例如，实施例DC阻断技术还可以应用于低IF接收机以及利用DC阻断的其它高频和低频电路和系统。而且，实施例DC阻断技术还可以应用在使用外差混频器和其它类型的RF电路的系统中。

Claims (24)

1.一种电路，包括：
混频器，包括信号输入端口、本地振荡器输入端口和输出端口；
低通滤波器电路，具有耦合到混频器的输出端口的输入和被配置成连接到分流电容器的端子；以及
差分电路，具有耦合到混频器的输出端口的第一输入和耦合到低通滤波器的输出的第二输入，其中差分电路的输出基本上抑制混频器的输出端口处的DC信号分量。
2.权利要求1的所述电路，进一步包括所述分流电容器。
3.权利要求1的所述电路，其中：
所述低通滤波器电路包括电阻器；并且
所述差分电路包括运算放大器。
4.权利要求3的所述电路，其中：
所述低通滤波器包括在所述混频器的输出端口与所述端子之间耦合的第一电阻器，其中所述端子耦合到所述运算放大器的第二输入；并且
所述电路进一步包括：
　　第二电阻器，在混频器的输出端口与运算放大器的第一输入之间耦合，
　　第三电阻器，在运算放大器的输出与运算放大器的第一输入之间耦合，以及
　　第四电阻器，在参考节点与运算放大器的第二输入之间耦合。
5.权利要求1的所述电路，其中：
所述混频器、所述低通滤波器和所述差分电路设置在集成电路上；并且
所述端子包括设置在集成电路上的接合焊盘。
6.权利要求5的所述电路，进一步包括分流电容器，其中所述分流电容器在所述集成电路的外部。
7.权利要求1的所述电路，进一步包括低噪声放大器，所述低噪声放大器具有耦合到所述混频器的输入的输出。
8.权利要求1的所述电路，其中所述混频器包括零拍混频器。
9.一种集成电路，包括：
混频器；以及
DC阻断电路，耦合到混频器的输出，所述DC阻断电路包括：
　　端子，被配置成耦合到芯片外的分流电容器；以及
　　差分电路，包括耦合到所述端子的第一输入和耦合到所述混频器的输出的第二端子。
10.权利要求9的所述集成电路，其中所述差分电路包括运算放大器。
11.权利要求9的所述集成电路，进一步包括低噪声放大器，所述低噪声放大器具有耦合到混频器的输入的输出和耦合到集成电路的接收端子的输入。
12.权利要求11的所述集成电路，进一步包括：
频率发生器，具有耦合到混频器的本地振荡器端口的输出；以及
放大器，具有耦合到频率发生器的输入和耦合到集成电路的发送端子的输出。
13.权利要求12的所述集成电路，进一步包括第一天线和第二天线，所述第一天线耦合到集成电路的发送端子，所述第二天线耦合到集成电路的接收端子。
14.权利要求9的所述集成电路，其中所述混频器包括正交混频器。
15.一种雷达系统，包括：
低噪声放大器；
零拍混频器，耦合到低噪声放大器的输出；以及
DC阻断电路，耦合到零拍混频器的输出，所述DC阻断电路包括：
　　低通滤波器电路，具有耦合到零拍混频器的输出端口的输入，以及
　　差分电路，具有耦合到混频器的输出端口的第一输入和耦合到低通滤波器的输出的第二输入。
16.权利要求15的所述雷达系统，其中所述零拍混频器包括正交混频器。
17.权利要求15的所述雷达系统，其中：
所述低噪声放大器、所述零拍混频器和所述差分电路设置在第一集成电路上；并且
所述低通滤波器包括设置在第一集成电路外部的分流电容器。
18.权利要求15的所述雷达系统，其中所述雷达系统包括调频连续波（FMCW）雷达系统。
19.一种操作零拍射频（RF）系统的方法，包括：
使用低噪声放大器来接收输入信号；
使用混频器来将输入信号与本地振荡器（LO）信号混频以形成第一输出信号；以及
移除第一输出信号的DC分量，移除包括：
　　对第一基带信号进行低通滤波以形成经滤波的输出信号，以及
　　从第一输出信号中减去经滤波的输出信号以形成第二输出信号。
20.权利要求19的所述方法，其中：
减去经滤波的基带信号包括使用运算放大器；以及
对第一基带信号进行低通滤波包括使用耦合到运算放大器的输入的电容器。
21.权利要求19的所述方法，其中：
第一输出信号包括第一基带信号；
经滤波的输出信号包括经滤波的基带信号；并且
第二输出信号包括第二基带信号。
22.权利要求19的所述方法，其中：
第一输出信号包括第一低IF信号；
经滤波的输出信号包括经滤波的低IF信号；并且
第二输出信号包括第二低IF信号。
23.权利要求19的所述方法，其中接收输入信号包括接收第一雷达信号。
24.权利要求23的所述方法，进一步包括基于LO信号发送第二雷达信号。
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