CN107017847A - 减少损失的单端混频器 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及减少损失的单端混频器。公开了具有不匹配的高端接阻抗的单端混频器。端接阻抗可以比给定设计环境(诸如射频(RF)电路的50欧姆环境)的标准阻抗高至少一个数量级失配。可以在物理上接近单端混频器的混频器核心提供端接阻抗，以允许适当的操作带宽。

Description

减少损失的单端混频器
技术领域
所描述的产生的技术涉及电子，更具体地涉及混频器。
背景技术
混频器通常用于各种电路，例如射频(RF)接收器和RF发射器，用于诸如下变频或上变频的功能。RF信号可以在从大约30kHz到300GHz的频率范围内。可以使用差分混频器核和一个或多个巴伦和/或一个或多个端接阻抗来实现单端混频器。对于RF电路和微波设计，可期望提供被选择为匹配例如50Ω的标准传输线阻抗或标称阻抗的阻抗匹配和/或端接阻抗。取决于标准传输介质的特性阻抗，其他类似的值(例如30Ω，75Ω或77Ω)可用于其它类似的设计中。匹配端接阻抗可以有利地在无源混频器中提供相对高的隔离度。
发明内容
权利要求中描述的创新各自具有若干方面，其中没有单独一个单独负责其期望的属性。在不限制权利要求的范围的情况下，现在将简要描述本公开的一些突出特征。
在一个实施例中，一种装置包括混频器核心，其被配置为接收差分输入信号和差分振荡器信号，并且生成跨越第一差分节点和第二差分节点的差分信号，其中第二差分节点被配置为提供混频器核的单端输出。该装置还包括耦合到混频器核心的第一差分节点的失配端接阻抗，其中该端接阻抗与混频器核心的第二差分节点的负载阻抗在频率为单端输出。
在另一实施例中，无源混频器包括多个场效应晶体管，其被配置为将差分输入信号与差分振荡器信号混频以在第一节点和第二节点之间生成差分信号，以及高端接阻抗电耦合到所述第一节点，其中所述第二节点经配置以提供所述无源混频器的单端输出，且其中所述端接阻抗在所述单端输出的频率下为至少0.5kΩ。
在另一实施例中，一种制造混频器的方法包括形成多个场效应晶体管，其以操作距离彼此相邻，使得多个场效应晶体管被布置为混频器核心，并且被配置为将差分输入信号与差分振荡器信号以在第一节点和第二节点之间生成差分信号；在与所述多个场效应晶体管的操作距离相当的距离处形成与所述多个场效应晶体管中的一个相邻的高端接阻抗；以及将所述高端接阻抗电连接到所述第一节点，其中所述混频器被配置为在所述第二节点处提供单端输出，并且其中所述高端接阻抗在射频处至少高于50Ω的一个数量级频率。
为了总结本公开的目的，本文描述了本发明的某些方面，优点和新颖特征。应当理解，根据任何特定实施例不一定可以实现所有这些优点。因此，本发明可以以实现或优化如本文所教导的一个优点或一组优点的方式实施或实施，而不必实现本文可能教导或建议的其他优点。
附图说明
在提供这些附图和本文中的相关描述是为了说明本公开的具体实施例，而不意在限制。
图1A是根据一个实施例的在接收器电路中本文公开的技术的示例实施方式的图。
图1B是根据一个实施例的发射器电路中的本文所公开的技术的另一示例实施方式的图。
图1C是根据一个实施例的在接收器电路中的本文所公开的技术的另一示例实施方式的图。
图1D是根据一个实施例的发射器电路中的本文公开的技术的另一示例实施方式的图。
图2A是根据另一个实施例的发射器电路中本文公开的技术的示例实施方式的图。
图2B是根据另一实施例的在接收器电路中的本文公开的技术的另一示例实施方式的图。
图3A是根据一个实施例的单端混频器的图。
图3B是根据另一实施例的单端混频器的示意图。
图3C是根据另一实施例的单端混频器的图。
图3D是根据另一个实施例的单端混频器的图。
图4A是根据另一实施例的单端混频器的图。
图4B是根据另一实施例的单端混频器的图。
图4C是根据另一实施例的单端混频器的示意图。
图4D是根据另一实施例的单端混频器的示意图。
图4E是根据另一实施例的单端混频器的图。
图5是根据一个实施例的电路元件的布局的图。
图6是根据本文公开内容实施方式的示例单端混频器的仿真图。
图7是如图6中的示例单端混频器的另一仿真图。
图8是如图6中的示例单端混频器的另一仿真图。
具体实施方式
如在下文中参考附图更全面地描述新颖的系统、装置和方法的各个方面。然而，本公开的方面可以以许多不同的形式实施，并且不应被解释为限于贯穿本公开呈现的任何具体结构或功能。相反，提供这些方面使得本公开将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分地传达本公开的范围。基于本文的教导，本领域技术人员应当理解，本公开的范围旨在覆盖本文公开的新颖系统、装置和方法的任何方面，无论是独立实施方式还是与任何其它方面组合。例如，可以使用本文所阐述的任何数量的方面来实施方式装置或者实施方法。此外，范围旨在包括使用除了本文所阐述的各种方面之外或不同于本文所阐述的各种方面的其他结构，功能或结构和功能来实践的这种装置或方法。应当理解，本文公开的任何方面可以通过权利要求的一个或多个元件来体现。
尽管本文描述了特定方面，但这些方面的许多变化和改变落入本公开的范围内。虽然提及了优选方面的一些益处和优点，但是本公开的范围不旨在限于特定的益处、用途或目的。相反，本公开的各方面旨在广泛地适用于具有混频器(例如，被配置为将中频信号带到射频的混频器或被配置为将射频信号带到中频的混频器)的任何电子系统，一些其在附图中和在优选方面的以下描述中作为示例示出。详细描述和附图仅仅是对本公开的说明而不是限制，本公开的范围由所附权利要求及其等同物限定。
在本说明书中，参考附图，其中相同的附图标记可以表示相同或功能相似的元件。应当理解，图中所示的元件不一定按比例绘制。此外，将理解，某些实施例可以包括比附图中示出的更多元件和/或附图中示出的元件的子集。此外，一些实施例可以结合来自两个或更多个附图的特征的任何合适的组合。
如上所述，可以期望提供被选择为匹配例如50Ω的标准传输线阻抗或标称阻抗的阻抗匹配和/或端接阻抗。然而，通过在混频器核心的一个差分输出上包括匹配的端接阻抗(例如50Ω)来实现单端混频器可导致在某些实施方式中增益损失约3dB。这种增益损失可能是不期望的和显着的。本文所讨论的单端混频器可以包括在混频器核心的一个差分输出上的端接阻抗，其可以显着地减少来自匹配端接阻抗的这种损耗。例如，使用本文所讨论的原理和优点，在混频器核心的一个差分节点处具有不匹配的端接阻抗的单端混频器可以对匹配的端接阻抗造成大约1dB的增益损耗，而不是大约3dB。
公开了具有不匹配的高端接阻抗的单端混频器。单端混频器可以是具有场效应晶体管混频器核心的无源混频器。端接阻抗可以比给定设计环境的标准阻抗(例如用于中频(IF)电路和/或RF电路的50欧姆环境)高至少一个数量级。可以在与单端混频器的核相对接近的物理邻近处提供端接阻抗，以允许适当的操作带宽。
本文公开的单端混合器在某些实施例中可以实现多个优点。作为一个示例，本文中的单端混频器可以使用差分混频器核和高端接阻抗来实现，使得转换增益不会显着降低。对于具有IF到直流(DC)信号的系统，IF侧的巴伦不太实用。在这样的系统中，可能难以生成差分IF信号。使用本文讨论的原理和优点，可以在单端IF系统中实现四场效应晶体管混频器等，而不损失太多的转换增益。本文讨论的平衡混频器拓扑可以实现相对高的端口到端口隔离。具有场效应晶体管混频器核心的实施例可以提供相对高的线性度。如本文所述，“单端”混频器可以被理解为提供单端输出的混频器，并且“单端”混频器可以接收单端或差分输入和/或本地振荡器信号。
图1A-2B示出了可以包括根据本文所讨论的原理和优点设计的混合器的示例性电子系统。
图1A是根据一个实施例的在接收器中本文所公开的技术的示例实现的图。所示的接收器100A包括天线102、低噪声放大器(LNA)104、接收信号平衡器106、混频器108A、本地振荡器110和放大器112。在某些实施例中，LNA 104、接收信号平衡器106、混频器108A和放大器112可以包括在单个集成电路上。天线102和本地振荡器110可以在集成电路外部或内部。将理解，图1A-2B中所示的接收器可以包括比所示的更少或更多的元件。在某些实现中，本文公开的接收器和/或发射器可以包括例如用于滤除不需要的谐波的诸如中频(IF)带通滤波器的附加元件或组件。作为另一示例，任何所示的天线可以用于发射RF信号和接收RF信号，并且开关可以选择性地将发射路径或接收路径电连接到这样的天线。如本文所述，图1A-5中的元件的相同或相应的数字和/或名称和它们的描述指示具有类似或相应的功能和/或特性的元件。
所示的接收器100A可以在天线102处接收RF信号，并且可以将RF信号提供给LNA104。LNA 104可以放大所接收的RF信号，并将放大的RF信号提供给接收信号平衡器106接收信号平衡变换器106向混频器108A提供差分输出信号。在一些情况下，接收信号平衡器106可以用变压器实现。本地振荡器110可以向混频器108A提供差分本地振荡器输出信号。放大器112接收来自混频器108A的混频器输出，并且放大器112可以输出放大的IF信号用于进一步处理。
图1A-1B中所示的混频器108A是单端的，因为所示的混频器108A在接收差分输入时提供单端输出。结合图3A-3B讨论混合器108A的更多细节。此外，如结合图1C-2B和4A-4B进一步示出和讨论的，在一些实施例中，本文所公开的混频器可以实现为提供单端输出和接收单端输入的单端混频器(例如，108B)和单端本地振荡器信号。在一些实施例中，本文所公开的混频器可以使用无源混频器，环形混频器和/或双平衡混频器来实现，例如吉尔伯特单元混频器或吉尔伯特单元四元乘法器模块。在一些实施例中，本文公开的混频器可以用场效应晶体管(FET)来实现，例如可以是互补形式的金属氧化物半导体(MOS)晶体管，结型场效应晶体管(JFET)，横向扩散金属氧化物半导体)晶体管，GaAs金属半导体场效应晶体管(GaAs MESFET)，伪晶高电子迁移率晶体管(pHEMT)等。虽然术语“金属”和“氧化物”可以存在于例如MOS中，但是这种晶体管扫描具有由除了金属之外的材料(例如多晶硅)制成的栅极，并且具有由除氧化硅之外的电介质制成的电介质氧化物区域，例如作为高κ电介质。根据一些其它实施例，根据本文所讨论的原理和优点实现的混频器可以是双极晶体管，例如SiGe双极晶体管或GaAs异质结双极晶体管。
图1B是根据一个实施例的发射器中在此公开的技术的另一示例实现的图。所示的发射器100B包括放大器114、发射信号平衡器116、混频器108A、本地振荡器111、功率放大器118和天线102。在某些实施例中，放大器114、发射信号平衡器116、混频器108A以及功率放大器118可以包括在集成电路和天线102上。本地振荡器111可以在集成电路外部或者是集成电路的一部分。
所示的发射器100B包括放大器114，其接收IF信号并将放大的IF信号输出到发射信号平衡器116。发射信号平衡器116向混频器108A提供差分输出信号。在一些情况下，发射信号平衡器116可以用变压器实现。本地振荡器110可以向混频器108A提供差分本地振荡器输出信号。功率放大器118接收来自混频器108A的混频器输出，功率放大器118将放大的RF信号提供给天线102以进行发射。
图1A-1B中所示的电路100A、100B中的混频器108A可以如下面结合图3A-3B和5进一步示出和描述的那样实现。
图1C是根据一个实施例的在接收器中的本文公开的技术的另一示例实现的图。所示的接收器100C是超外差射频接收器。所示的接收器100C包括被配置为接收RF信号的天线102，其然后被LNA 104放大。所示的接收器100C还包括混频器108B，本地振荡器124、126和IF电路122，以产生解调的信号128。所示的接收器100C包括被配置为至少部分地基于来自IF电路122的信号来调整LNA 104的增益的自动增益控制(AGC)电路120。IF电路122可以包括一个或多个滤波器和/或放大电路。
图1D是根据一个实施例的在发射器中在此公开的技术的另一示例实现的图。所示的发射器100D是超外差射频发射器。所示的发射器100D包括混频器108B，本地振荡器126、124和IF电路122，以从调制信号130产生RF信号。RF信号由功率放大器118放大并与天线102一起发射。
图2A是根据另一实施例的在发射器中在此公开的技术的示例实现的图。图2A示出了使用本文公开的技术实现的发射器中的同相/正交相(I/Q)混频器。所示的发射器200A是用于处理同相(I)和正交相(Q)信号的示例发射器，其理想地具有90°的相位间隔。所示的发射器200A包括混频器108B，每个混频器108B接收同相IF信号IF_I，正交相IF信号IF_Q和本地振荡器信号以产生混频器输出信号。所示的发射器200A中的功率放大器118从混频器108B接收混频器输出信号，并生成要发射的RF信号RF。所示的发射器200A包括90°混合耦合器202，用于向同相和正交相位信号路径中的每个混频器108B提供理想地彼此相隔90°的本地振荡器信号。所示的发射器200A还包括乘法器和驱动器204，其被配置为从本地振荡器205接收本地振荡器信号。乘法器和驱动器204的驱动器可以放大从本地振荡器205产生的信号，以便为I/Q混音器操作。乘法器和驱动器204的乘法器可以将由本地振荡器205提供的信号的频率调整到在发射链和/或接收链中使用的频率。例如，在一些情况下，由本地振荡器205提供的信号的频率可以低于发射链或接收链的操作频率。乘法器可以通过诸如2,4等的因子来增加由本地振荡器205提供的信号的频率。在一些其它实施例中，所示的发射器200A可以利用用于本地振荡器205的差分LO来实现，90°混合耦合器202可以用平衡器来代替以接收差分信号。
图2B是根据另一实施例的在接收器中的本文公开的技术的另一示例实现的图。图2B示出了使用本文公开的技术实现的接收器中的同相/正交相(I/Q)混频器。所示的接收器200B是用于接收RF信号并产生同相和正交IF信号(其理想地具有90°的相位间隔)以用于进一步处理的示例接收器。所示的接收器200B包括接收和放大RF信号的LNA 104，以及混频器108B，每个混频器108B通过混合LNA 104的输出和相应的同相IF信号IF_I生成正交相IF信号IF_Q本地振荡器信号。所示的接收器200B还包括混合耦合器202，用于向同相和正交相IF信号路径中的每个混频器108B提供理想地彼此相隔90°的本地振荡器信号。与发射器200A类似，所示的接收器200B还包括乘法器和驱动器204以及本地振荡器206。在一些其它实施例中，所示的接收器200B可以利用用于本地振荡器206的差分LO和90°混合耦合器202可以用平衡器来代替以接收差分信号。
类似于在上面图1A-1B示出和讨论的混频器108A，混频器108B可以类似地用无源混频器来实现。图1C-2B示出的电路100C，100D，200A，200B中的混频器108B可以如下面结合图4A-4B和5进一步示出和描述的那样实现。
图3A是根据一个实施例的单端混频器的图。所示的混频器108A接收差分输入信号IN+和IN-以及差分本地振荡器信号LO+和LO-，并产生单端输出OUT。所示的混频器108A包括混频器核心302，耦合到混频器核心302的LO负差分节点307的匹配网络304和耦合到混频器核心302的LO正差分节点305的匹配网络306。混频器核心302包括第一差分节点301和第二差分节点303。混频器核心302的第一差分节点301耦合到端接阻抗308，并且混频器核心302的第二差分节点303提供单端输出OUT。图3A-3B所示的混合器108A可以在用于混合功能(例如下变频或上变频)的接收电路和/或发射电路中实现。因此，差分输入信号IN+和IN-可以对应于接收电路中的差分RF信号或发送电路中的差分IF信号。类似地，单端输出信号OUT可以对应于接收电路中的IF信号或发送电路中的RF信号。
混频器核心302包括被配置为混合差分输入和差分本地振荡器信号以在第一差分节点301和第二差分节点303两端产生差分混频器核心输出的晶体管310、312、314和316。如图3A所示，混频器核心302可以是无源四FET混频器或FET环形混频器，其可以利用NFET和/或PFET晶体管来实现。在无源混频器中，每个晶体管可以作为接通或关断的开关操作。用于无源混频器的晶体管可以在接通时电连接两个节点并且在断开时电隔离两个节点。在无源混频器中，晶体管可以周期性地开启和关闭以混合信号。无源混频器可以与有源电路串联并且传送有源电路的DC电流。在差分LO节点305、307处通过匹配网络304,306接收的差分LO信号LO+和LO-可以打开和关闭混频器核心302的不同晶体管310、312、314和316。混频器核心302可以在差分输入节点处将差分输入IN+和IN-交替地连接到混频器核心302的差分输出节点。
如图3A所示，混频器核心302的差分输出节点301、303中的一个端接有端接阻抗308，而混频器核心302的另一个差分输出节点产生混频器108A的单端输出OUT。在该示例中，差分节点301耦合到端接阻抗308，而差分节点303提供单端输出OUT，但是在其他实施例中，端接节点和混频器输出节点的选择可以变化。在一些实施例中，端接阻抗308可以用电阻器来实现。在一些其它实施例中，端接阻抗308可以利用其它无源电路元件(诸如实现复阻抗的一个或多个电容器和/或电感器)来实现。根据某些实施例，电阻器和一个或多个其它无源阻抗元件的组合可以实现端接阻抗308。端接阻抗308可以被实现为具有比总电路的标准操作或设计环境高至少一个数量级的失配的端接阻抗。例如，此处图1A-5中所示的电路的一些或所有元件可以在标准环境中设计，例如用于RF电路的50欧姆环境。端接阻抗308可以具有在感兴趣的范围内的频率(例如，一个或多个射频范围)足够高的阻抗，使得混频器108A的增益减小不超过约1dB，这是由于端接阻抗308.在标准50欧姆环境中实施的实施例中，本文所公开的端接阻抗308可以例如在射频下在约500Ω至5,000Ω的范围内，而不是约50Ω匹配标准阻抗。在这些实施例的一些中，在射频下，端接阻抗的阻抗可以在从大约1kΩ到2kΩ的范围内。作为一个示例，端接阻抗308可以由2kΩ终端电阻器实现。在一些实施例中，固定不匹配阻抗(例如，RF电路中的1kΩ)的电阻器可以用于实现端接阻抗308。在一些其他实施例中，附加电路元件可以用于实现复阻抗，在感兴趣的范围(例如，一个或多个射频范围)内的频率处比标准阻抗(例如，RF电路中的50Ω)高至少一个数量级。
如图3A所示，混频器核心302的负和正差分振荡器信号节点305、307可以分别耦合到匹配网络304和306。在一些实施例中，匹配网络304、306可以被实现为抵消在利用端接阻抗308实现的单端输出处的失配终端的影响或者以其他方式进一步改善混频器108A的功能。匹配网络304，306可以例如用诸如电阻器，电容器，电感器或其任何适当组合的无源电路元件来实现。在一些实施例中，匹配网络304可以被实现为具有与匹配网络306不同的值和/或特性。这些匹配网络可以不匹配以平衡和/或补偿混频器核心302的输出上的失配，匹配网络304、306的失配可以被实现为平衡混频器核心302的输出节点上的失配，并且在混频器中提供足够的泄漏和隔离性能。
一般来说，失配端接阻抗可导致由于混频器核心302的节点301、303处的差分信号的受损信号差异而引起的日照的劣化，其可允许输出泄漏。在一些实施例中，可以实现匹配网络304、306以通过抵消混频器核心302的节点301、303处的失配来减少隔离中的退化，以恢复信号差异并减少泄漏。在一些实施例中，匹配网络304,306可以用诸如电阻器，电容器，电感器等中的一个或多个的各种无源电路组件来实现。结合图4E讨论匹配网络304,306的示例实现。在一些实施例中，匹配网络304、306可以在本地振荡器侧(例如，在节点305,307处)实现，如图3A，3B，4A，4B所示。在一些其他实施例中，匹配网络309、311可以在输入信号侧(例如，在节点317、319处)实现，如图3C，3D，4C，4D所示。此外，根据某些实施例，匹配网络可以在本地振荡器侧和输入信号侧两者处实现。此外，在一些实施例中，可以在本地振荡器的一个或多个节点和/或混频器核心302的输入信号侧实现一个或多个匹配网络(例如，304、306、309、311)。它是要注意的是，可以使用各种不同的匹配拓扑来实现匹配网络304,306,309,311中的一个或多个，并且匹配网络的拓扑和匹配网络的组件的值可以基于电路设计原则根据工作频率和可接受的泄漏电平。
如本文所公开实施的单端混频器可有利于减少由电路设计中常用的标准或标称阻抗所引起的增益损失。例如，对于单端RF混频器使用标准的50Ω终端电阻可能会导致增益损耗3dB。通过使用不匹配的高阻抗来终止本文所公开的单端混频器，可以降低3dB插入损耗。例如，使用本文公开的技术实现的24-27GHz FET混频器可以实现约8dB的低平均转换损耗，而不是约10dB的平均转换损耗，同时实现高的典型三阶输入截止点(IIP3)为约25dBm。另外，本文所公开的混频器可伴有LO零陷以改善LO-RF隔离。例如，可以通过在混频器输出处施加通常为大约10mV至30mV的数量级的相对小的DC偏移来实现LO零陷。在某些情况下，DC偏移可以改善到达相对高电平的LO-RF隔离，在某些实现中高达80dB。当感兴趣的频率范围相对较窄并且在相对窄的频率范围内需要相对高的隔离水平时，可以采用LO零陷技术。结合下面图6-8示出和描述了如本文所公开实现的单端混频器的改进性能的进一步细节。
图3B是根据另一实施例的单端混频器的示意图。图3B所示的混频器108A包括与图3A所示的混频器的元件相对应的类似电路元件，除了使用图3B所示的混合器包括实现端接阻抗308(图3A)的电阻器318。终端电阻318应该对于所有频率具有相同的阻抗。因此，图3B的混频器108A可以用于混合具有不同频率的多种信号而不改变端接阻抗。电阻器318的电阻可以具有上述端接阻抗308的任何合适的特性。例如，终端电阻318的电阻可以比标准终端电阻或匹配阻抗(例如50Ω)高至少一个数量级。终端电阻318的电阻可以在从大约500Ω到5,000Ω的范围内。例如，所公开的技术可以在RF电路中使用约2kΩ的电阻器318来实现。在一些实施例中，终端电阻器318的电阻可以足够高，使得混频器108A的增益减小不超过由终端电阻器318的阻抗产生的期望量(例如，约1dB)。在在选择终端电阻器318的合适电阻时可以另外考虑某些设计考虑，例如寄生效应。
图3C是根据另一实施例的单端混频器的图。图3C所示的混频器108A包括与图3A所示的混频器的元件相对应的类似电路元件，除了使用图3C所示的混合器包括耦合到混频器核心302的IN正差分节点317的匹配网络309和耦合到混频器核心302的IN负差分节点319的匹配网络311。匹配网络309、311可根据参考图3A讨论的任何原理和优点实施。
图3D是根据另一个实施例的单端混频器的图。图3D所示的混频器108A包括与图1所示的混频器的元件相对应的类似电路元件，除了使用图3B所示的混合器包括实现端接阻抗308的电阻器318(图3C)。电阻器318可以根据参考图3B讨论的原理和优点中的任何一个来实现。
图4A是根据另一实施例的单端混频器的图。所示的混频器108B是双平衡FET环形混频器或双平衡四端FET混频器。所示的混频器108B接收输入信号IN和本地振荡器信号LO，并产生单端输出OUT。输入信号IN和本地振荡器信号LO在混频器108B中都是单端信号。所示的混频器108B包括输入平衡器402，本地振荡器平衡器404，混频器核心302，匹配网络304,306和端接阻抗308。输入平衡器402可以接收单端输入信号IN，类似地，本地振荡器平衡器404可以接收单端本地振荡器信号LO，并且向混频器核心302提供差分本地振荡器信号。在一些实施例中，平衡器402、404的一个或两个可以不匹配，以补偿或代替匹配网络304、306、309、311中的一个或多个，来平衡混频器核心302的输出节点301、303处的失配。例如，失配可以通过改变平衡器差分输出的匝数来实现平衡器402、404中的任一个或两者。
图4A中所示的混频器108B所示的实施例可以在用于混合功能(例如下变频或上变频)的接收电路和/或发射电路中实现。因此，输入信号IN可对应于接收电路中的RF信号或发射电路中的IF信号。类似地，单端输出信号可以对应于接收电路中的IF信号或发送电路中的RF信号。类似于图1和2的混合器108A。如图3A所示，混频器核心302的一个差分输出端接端接阻抗308，而混频器核心302的另一个差分输出产生混频器108B的单端输出OUT。因此，图4A中所示的混合器图包括与图3A所示的混频器的元件相对应的类似元件，并且具有类似的特性并且可以实现类似的优点。
图4B是根据另一实施例的单端混频器的图。图4B所示的混频器108B包括与图4A所示的混频器的元件相对应的类似电路元件，除了图4B所示的混合器包括实施端接阻抗308(图4A)的电阻器318。电阻器318可以根据参考图3B讨论的原理和优点中的任何一个来实现。例如，电阻器318的电阻可以具有参考图3B讨论的任何电阻值。
图4C是根据另一实施例的单端混频器的示意图。图4C所示的混频器108B包括与图4A所示的混频器的元件相对应的类似电路元件，除了图4C所示的混合器包括分别耦合到混频器核心302的差分节点317、319的匹配网络309,311。匹配网络309、311可以根据参考图3C讨论的原理和优点中的任何一个来实现。
图4D是根据另一实施例的单端混频器的示意图。图4D所示的混频器108B包括与图4C所示的混频器的元件相对应的类似电路元件。除了使用图4D所示的混合器包括实现端接阻抗308的电阻器318(图4C)。电阻器318可以根据参考图3B讨论的原理和优点中的任何一个来实现。
图4E是根据另一实施例的单端混频器的图。图4E所示的混频器108B包括与图4B所示的混频器的元件相对应的类似电路元件，除了图4E所示的混合器提供说明性匹配网络304和306。如图所示，电阻器410和电容器406实现匹配网络306，并且电阻器412和电容器408实现匹配网络304。在图4C中，DC偏置源414向匹配网络304和306提供DC偏置电压。电阻器410、412和电容器406、408可以根据匹配网络304,306的任何原理和优点来实现参考图3A讨论。例如，电阻器410的电阻可以在从大约0.5kΩ到5kΩ的范围内，例如大约1kΩ。作为另一示例，电容器406的电容可以在从大约0.5pF到大约5pF的范围内，诸如大约2pF。此外，电阻器412的电阻可以具有与电阻器410相似的电阻，并且电容器408的电容可以类似于电容器406。电阻器410和412的电阻以及电容器406，408可以基于各种考虑来选择。可以根据考虑来选择电阻器410和412的电阻，诸如LO信号和连接到DC偏置源414的偏置线路的耦合以及从晶体管310，312，314，316的栅极看到的阻抗例如，1kΩ或更高的电阻可有益于减少LO信号和偏置线(如果有的话)的耦合，并使得从栅极看到的阻抗相对较小。此外，在某些实施例中，电容器40，408可以是多段匹配的匹配网络306，304的一部分，其适合于宽带应用。可以基于混频器工作频率范围来选择电容器406，408的电容。在一些实施例中，匹配网络304,306的电阻和/或电容可以分别具有不同的值，以用于改进的LO隔离。在一些实施例中，DC偏置可以用提供给混频器芯片并连接到DC偏置源414的外部引脚来实现。在一些实施例中，DC偏置电平可以是晶体管的夹断电压混频器108，例如FET。
在某些实施例中，本文描述的任何合适的原理和优点可以在混频器中实现，其中输入信号IN和本地振荡器信号LO中的一个作为差分信号，而另一个是单端信号。根据这样的实施例，可以省略平衡器402、404中的一个。而且，在某些实施例中，匹配网络304、306、309和311的全部或任何组合可以用于实现不同的匹配拓扑，以适当地计数不匹配的端接阻抗。
图5是根据一个实施例的电路元件的示例布局的图。图5所示的布局500包括端接阻抗308，具有场效应晶体管502,504,506和508的混频器核心302以及高阻抗连接510。应注意，所示电路元件之间的电连接布局(例如，端接阻抗308，FET 502、504、506和508)。虽然在图5中没有明确地示出，端接阻抗308耦合到混频器核心302的一个差分输出节点，并且高阻抗连接510耦合到混频器核心302的差分输出节点中的另一个，在图3A-4B中的混频器108A，108B的开端输出OUT。如上所述，在RF电路中，端接阻抗308可以用具有在从约500Ω到5,000Ω范围内的不匹配的高幅值电阻的电阻器实现。
布局500的各个元件(例如，308、502、504、506和508)的尺寸不一定按比例，并且实线不一定示出这些元件的实际形状、尺寸或纵横比。根据一个实施例，物理布局500的元件308、502、504、506和508被描绘为示出彼此之间的相对距离。例如，本文公开的FET 502和FET 504之间的距离在大约30μm到100μm的范围内，以及端子阻抗308和FET 502之间的距离或者端接阻抗308和FET 504在约30μm至100μm的范围内。因此，端子阻抗308与FET 502、504、506和508中最靠近端子阻抗308的一个之间的距离可以被认为与FET 502、504、506和508中的两个之间的距离相当。如本文所使用的，“可比较的”距离可以理解为距离，该距离是与其可比较的距离相同或相似的量值的距离。如图5所示，FET 502、504、506和508可以在操作距离处彼此相邻地形成，并且FET 502、504、506和508被布置为混频器核心302。如图5所示，高端接阻抗308可以与FET 502、504、506和508中的一个相邻地形成在与混频器核心302内的FET 502、504、506和508的操作距离相当的距离处。
如本文所描述的，布局500的元件(308、502、504、506和508)之间的“距离”可以被理解为一个元件的最外轮廓上的点与一个元件点在另一个元素的最外轮廓上。在一些实施例中，混频器核心302的FET 502、504、506和508可以物理上位于尽可能最近，或者彼此靠近或处于最小操作距离以减小尺寸。类似地，端接阻抗308可以被设计为尽可能地接近混频器核心302的一个或多个FET(502、504、506和508)，或者处于或接近到一个或多个FET的最小操作距离在某些情况下，端接阻抗308可以不在与FET 502,504,506和508中的任何一个处于或接近最小操作距离处，而是在距FET的最小操作距离处或附近502、504、506和508，例如，混合器核心302。
如本文所述，“操作”距离可以理解为允许元件(308、502、504、506和508)的预期单独功能的距离，而不会由于元件(308、502、504、506和508)的紧密物理接近而导致性能的显着干扰或性能下降(308、502、504、506和508)。这种操作距离可以由用于特定工艺技术的布局规则限定。此外，将理解的是，端接阻抗308，FET 502、504、506和508以及混频器核心302之间的一个或多个距离可以进一步根据性能，尺寸和设计限制(例如，直角或45°连接，而不是直线欧几里得线连接)。因此，当减小或最小化元件(308、502、504、506和508)之间的距离时，沿着元件(308、502、504、506和508)之间的连接线的距离的减小可以被考虑。
在允许更宽的操作带宽的情况下实现具有元件之间的适当距离的如本文所公开的单端混频器可以是有利的。例如，具有尽可能接近和/或具有到混频器核心302(例如，到FET 502、504、506和508中的一个或多个)的最短连接的端接阻抗308可以增加单端信号的带宽。这样，可以选择元件(例如308、502、504、506和508)的物理布局和/或物理布置，以允许混频器操作的可接受带宽，具有减小的增益损耗的讨论以上结合图3A作为单端混频器，混频器108A、108B可以提供宽范围的连接。
应当注意，图5中的元件(308、502、504、506和508)的所示配置，例如，端接阻抗308在混频器核心302的左侧，并且垂直在混频器核心302的垂直尺寸的约一半处，并且FET502、504、506和508处于2×2形成混频器核心302的布置仅示出了元件(308、502、504、506和508)的一个示例布置。在其他实施例中，FET 502、504、506和508以及端接阻抗308可以与端接阻抗308不同地布置，并且FET 502、504、506和508中的一个或多个处于可比较和/或近似彼此的最小操作距离。
图5还包括以虚线描绘的高阻抗连接510。高阻抗连接510不一定示出高阻抗线路的实际布局，并且被包括以表示从混频器核心302的一个差分输出节点到混频器108A的单端输出节点(图3A-3B)的连接，108B(图4A-4B)，其可以包括可以耦合到混频器外部的电路元件的焊盘。例如，高阻抗连接510可以利用具有不同材料和/或长度的选择的导线来实现，以实现期望的阻抗。高阻抗连接510可以结合本文所讨论的任何混频器的单端输出来实现。
所示的端接阻抗308和混频器核心302的FET 502、504、506和508可以在一个管芯上。在一些实施例中，图1A-4B所示的结构可以在单个管芯上实现。在一些实施例中，LO(例如，图1A-2B中的110)可以与混频器108A，108B中的一个或多个在相同的封装中，并且在其他实施例中，LO可以在不同的封装中。
图6是根据本文公开的实施例实现的示例单端混频器的仿真图。图6示出了对于本文所公开的技术的示例实现的在三种不同的IF频率(0GHz，2.5GHz和5GHz)情况下在RF频率(从22GHz至29GHz)的范围上的转换增益。这里的示例实现是具有24-27GHz的工作范围的I/Q混频器以及在50欧姆环境中设计的RF和LO平衡器。在这个例子中，Lange耦合器用于在I和Q通道之间提供90度的相位差，并且使用低损耗的集中Wilkinson组合器来组合RF输出。如图6所示，该示例I/Q混频器可以实现约-8dB(或8dB的损耗)的平均转换增益，具有约9dB的最小转换损耗。
图7是结合图7讨论的单端混频器的另一仿真图。图7中的曲线图示出了在三种不同的IF频率(0GHz，2.5GHz和5GHz)情况下，在RF频率范围(从22GHz到29GHz)上的三阶输入截止点(IIP3)。如图7所示，该示例I/Q混频器可以实现约25dBm的IIP3，具有约22dBm的最小IIP3。
图8是结合图6讨论的单端混频器的另一仿真图的曲线图。图8示出了在使用LO零陷技术之前和之后在RF频率(从22GHz到29GHz)的范围上的LO-RF隔离。如图8所示，在没有LO零陷的情况下实现的该示例I/Q混频器可以实现约25dB的最小LO-RF隔离，而LO零陷可以将示例I/Q混频器的最小LO-RF隔离度提高到约65dBm。
本公开的各方面可以在各种电子设备中实现。例如，本公开的各方面可以在可以受益于单端混频器的任何电子设备或电子部件中实现。作为示例，本公开的各方面可以在具有可以受益于单端混频器的发射器，接收器或收发机的任何电子设备或电子部件中实现。电子设备的示例可以包括但不限于消费电子产品、消费电子产品的部件、电子测试设备、车辆电子系统等。电子设备的示例可以包括但不限于计算设备、通信设备、电子家用电器、汽车电子系统等。此外，电子设备可以包括未完成的产品。
除非上下文明确要求，否则在整个说明书和权利要求书中，词语“包括”、“正包括”、“包含”、“正包含”等应以包括的意义来解释，排他性或穷举性；也就是说，在“包括但不限于”的意义上。此外，当在本申请中使用时，词语“本文”、“上方”、“下方”和类似含义的词语将指代应用作为整体，而不是本申请的任何特定部分。在上下文允许的情况下，在上面的使用单数或复数的某些实施例的具体实施方式中的单词也可以分别包括复数或单数。在上下文允许的情况下，涉及两个或更多个项目的列表的词语“或”旨在覆盖该词语的所有以下解释：列表中的任何项目，列表中的所有项目，以及列表中的项目的任何组合。
此外，除非另有明确说明，本文中使用的条件语言，诸如“可以”，“可能”，“可能”，“可能”，“例如”或在所使用的上下文中以其它方式理解，通常旨在表达某些实施例包括某些特征，元件和/或状态，而其它实施例不包括某些特征，元件和/或状态。元素和/或状态以任何方式对于一个或多个实施例是必需的，或者一个或多个实施例必然包括用于在有或没有作者输入或提示的情况下决定这些特征，元素和/或状态是否被包括或将被在任何特定实施例中执行。
前述描述和权利要求可以将元件或特征称为“连接”或“耦合”在一起。如本文所使用的，除非另有明确说明，“连接”是指一个元件/特征直接或间接地连接到另一元件/特征，并且不一定是机械地。同样，除非另有明确说明，“耦合”是指一个元件/特征直接或间接耦合到另一元件/特征，并且不一定机械地耦合。因此，虽然附图中所示的各种示意图描绘了元件和组件的示例布置，但是在实际实施例中可以存在额外的中间元件，设备，特征或组件(假设所描绘的电路的功能不受不利影响)。
上述方法的各种操作可以由能够执行操作的任何合适的装置来执行，诸如各种硬件和/或软件组件，电路和/或模块。通常，图中所示的任何操作可以由能够执行操作的相应功能装置来执行。
本文公开的方法包括用于实现所描述的方法的一个或多个操作或动作。在不脱离权利要求的范围的情况下，方法步骤和/或动作可以彼此互换。换句话说，除非指定操作或动作的特定顺序，否则在不脱离权利要求的范围的情况下，可以修改特定操作和/或动作的顺序和/或使用。
应当理解，实施方式不限于上面所示的精确配置和组件。在不脱离实施方式的范围的情况下，可以对上述方法和装置的布置，操作和细节进行各种修改，改变和变化。
尽管已经根据某些实施例描述了本发明，但是本领域普通技术人员显而易见的其它实施例(包括不提供本文所阐述的所有特征和优点的实施例)也在本发明的范围内。此外，上述各种实施例可以组合以提供另外的实施例。另外，在一个实施例的上下文中示出的某些特征也可以并入到其他实施例中。

Claims (20)

1.一种装置，包括：
混频器核心，被配置为接收差分输入信号和差分振荡器信号，并且生成跨越第一差分节点和第二差分节点的差分信号，其中所述第二差分节点被配置为提供所述混频器核心的单端输出；和
耦合到所述混频器核心的所述第一差分节点的失配端接阻抗，
其中，所述端接阻抗在所述单端输出的频率下与所述混频器核心的所述第二差分节点的负载阻抗失配至少一个数量级。
2.根据权利要求1所述的装置，还包括在所述混频器核心的差分振荡器信号节点处的一个或多个匹配网络。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述一个或多个匹配网络经布置以补偿由所述不匹配的端接阻抗导致的所述第一差分节点上的失配。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述端接阻抗物理上位于距所述混频器核心大约最小操作距离处。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述混频器核心和所述端接阻抗在单个管芯上。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述端接阻抗包括具有至少约0.5kΩ且至多5kΩ的电阻的电阻器。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述混频器核心的所述第二差分节点耦合到高阻抗连接，所述高阻抗连接在射频下具有至少0.5kΩ的阻抗。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述混频器核心包括场效应晶体管(FET)无源混频器，并且其中所述端接阻抗和所述混频器核心之间的距离与所述FET无源混频器的晶体管之间的一个或多个距离相当。
9.根据权利要求1所述的装置，还包括输入平衡器，其中所述输入平衡器耦合到所述混频器核心的差分输入信号节点。
10.根据权利要求1所述的装置，还包括本地振荡器平衡器，其中所述本地振荡器平衡器耦合到所述混频器核心的差分输入信号节点。
11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述混频器核心的所述第二差分节点的负载阻抗大约为50欧姆。
12.一种同相/正交相(I/Q)混频器，包括多个如权利要求1所述的装置。
13.一种无源混频器，包括：
多个场效应晶体管，被配置为将差分输入信号与差分振荡器信号混频以在第一节点和第二节点之间生成差分信号；和
电耦合到所述第一节点的高端接阻抗，
其中，所述第二节点经配置以提供所述无源混频器的单端输出，
其中，所述端接阻抗在所述单端输出的频率下为至少0.5kΩ。
14.根据权利要求13所述的无源混频器，其中，所述端接阻抗大约在距所述多个晶体管的最小操作距离处。
15.根据权利要求13所述的无源混频器，其中，所述端接阻抗与所述多个晶体管中的一个或多个之间的距离与所述多个晶体管之间的一个或多个距离相当。
16.根据权利要求13所述的无源混频器，其中，所述无源混频器是双平衡场效应晶体管(FET)环形混频器。
17.根据权利要求13所述的无源混频器，还包括在差分节点处的匹配网络，所述差分振荡器信号通过所述匹配网络被接收，所述匹配网络被配置为补偿由所述高端接阻抗导致的所述第一节点上的失配。
18.根据权利要求13所述的无源混频器，其中所述端接阻抗是电阻器。
19.根据权利要求13所述的无源混频器，其中所述第二节点提供所述无源混频器的单端输出，并且耦合到高阻抗连接，所述高阻抗连接在射频下具有至少0.5kΩ的阻抗。
20.一种制造混合器的方法，包括：
形成多个场效应晶体管，所述多个场效应晶体管在操作距离处彼此相邻，使得所述多个场效应晶体管被布置为混频器核心，并且被配置为将差分输入信号与差分振荡器信号混频以在差分振荡器信号之间生成差分信号第一节点和第二节点；
在与所述多个场效应晶体管的操作距离相当的距离处形成与所述多个场效应晶体管中的一个相邻的高端接阻抗；和
将所述高端接阻抗电连接到所述第一节点，
其中，所述混频器经配置以在所述第二节点处提供单端输出，
其中，所述高端接阻抗在射频下为高于50Ω的至少一个数量级。
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