CN1210875C - 一种混频器 - Google Patents

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Abstract

本发明揭露一种混波器，包括一高度隔离增益层级与一耦合于该增益层级的阻抗转换网络；而且，该混波器包括复数个耦合于上述网络的开关元件与一耦合于该复数个开关元件的相移器；该混波器为高性能接收器之用，因此可以省略一般所需的低噪声放大器。本发明的接收器通过上述混波器就可以得到高增益与低噪声，因而不需要一额外独立的低噪声放大器。藉此，该高度隔离增益层级可以得到高增益，并且在信号进入混频层级前可以消除该镜像噪声。

Description

一种混频器
技术领域
本发明是关于一超外差接收器(superheterodyne)，尤其关于一混频器。
背景技术
如图1所示是一传统的超外差接收器。该超外差接收器10包括一低噪声放大器(low noise amplifier(LNA))12接于一天线(未图示)以作为讯号接收之用；通常上述讯号与所包含的噪声讯号强度相当；该低噪声放大器12耦合于一镜像消除滤波器(image rejection filer)14；而该镜像消除滤波器14是耦合于一主动式混频器(active mixer)16。
如图2所示，是一传统的低噪声放大器12。该低噪声放大器12包括耦合于一电流源(current source)的一第一晶体管与一第二晶体管。由于米勒效应电容(Miller’s effect capacitance)的产生将导致层级增益(gainstage)的降低。如图3所示是一典型的主动式混频器16，该主动式混频器16包括四个开关元件，耦合于该低噪声放大器12，用以提供差动输出电压。一般而言，由于开关元件交换(commutation)将造成讯号降低，同时产生镜像噪声，同时亦降低混频器16的增益并增加噪声值。接收器10的每一个层级(低噪声放大器12，滤波器14与混频器16)都提供有增益因子(G)与噪声因子(F)。
传统上，接收器10的噪声因子Ftotal强烈受到放大器分布(gaindistribution)的影响。
Ftotal＝F1+(F2-1)/G1-(F3-1)/G1/G2......(1)
其中F1表示来自低噪声放大器12的噪声因子，F2表示来自滤波器14的噪声因子，F3表示来自混频器16的噪声因子。一般而言，混频器16本身已为一高含噪声层级(noisy stage)，因此讯号进混频器16前必须先经过滤波器14以消除镜像噪声，从而避免情形更加恶化。然而，滤波器14通常会造成信号接收的能量耗损。
在一般的接收器中，接收器10的灵敏度(sensitivity)是定义为该天线接收的信号与该接收器10的噪声因子Ftotal的比值。该天线接收的信号是由该天线的设计所决定，因此为使该接收器10达到最佳的灵敏度，必须降低该噪声因子。一般常用的降低接收器10噪声因子的方法是利用高性能与高增益的低噪声放大器12以降低Ftotal。
该低噪声放大器12是提供该接收器10高增益，以抑制由滤波器14与混频器16所引入的噪声。然而，该架构有下列的困难：传统的接收器10必须在噪声值与线性度之间妥协；例如：一般的接收器所接收的不同频率的信号，在频道(channel)中会产生伪信号，即互调失真产物(intermodulationdistortion products(IDPS)。
在典型的接收器10中，互调失真产物是由两个使用中的强信号(strongsignal)交互作用所产生，因而使该接收器在所操作的频率处有互调失真。举例说明：当频道是3时，有两个强讯号分别位于频道10与频道17，其间的频率间隔量(frequency spacing)是7；该频率间隔量将导致在频道3与频道24产生两个伪信号，亦即互调失真产物。这些伪信号或说互调失真产物将会干扰该所要的信号。因此，代表输入第三阶截止点(input third orderintercept point)的IIP3用以表示抗拒伪信号的评量因子(figure ofmerit)。
IIP3是用以描述IDPs的强度。当提高增益层级，也就是改善系统噪声值的情况下，IIP3将会降低。举例说明：当低噪声放大器12引入的增益为15dB，该系统的IIP3值将会至少降低15dB.如下所示，公式(2)描述在系统中IDPs的强度。
1/IIP3total＝1/IIP3 1st+G1st/IIP3 2nd.......  (2)
因此，虽然增加增益将会改善系统噪声值以提供接收器较佳的灵敏度。该增加的增益同时将降低该系统整体的IIP3total，反而影响系统的性能。
为了解决此困境，传统的解决方法是加入低噪声放大器12(增益层级1)，同时改良该混频器的IIP3(增益层级2)。在理想的情况下，为了维持良好的IIP3total值，如公式(2)所呈现，在增加G1st(分子)同时必须相应增加IIP32nd值(分母)。然而IIP3的增加意味着不是混频器16内更高的耗电量，就是反馈(feedback)的增大(即增益降低)。由于高耗电量并不是一个理想的解决方法，因此为解决这一困境，电路设计上不得不在前段施加额外的增益，同时在后续层级中降低增益，结果是导致系统的层级数量增加，因而造成系统效率的降低。
因此，本发明针对上述问题，提出一个系统与方法用以解决此困境。
发明内容
为解决上述问题，本发明揭露了一种混频器。本发明是这样实现的：
一种混频器，该混频器可作为一接收器中，该接收器不包括一低噪声放大器，该混频器包括：一高度隔离增益层级，其输入端接收信号，在信号进入混频层级前消除该镜像噪声，并得到高增益，其中该高度隔离增益层级包括：一差动层级，该差动层级包括一第一有源元件与一第二有源元件；以及交互耦合于该差动层级的多个元件，该多个元件包括一第一与一第二附加有源元件，该第一与第二附加有源元件与该第一与第二有源元件相同，且阻抗匹配于该第一与第二有源元件，同时，该第一有源元件的集极耦合于该第二附加有源元件的集极，该第二有源元件的集极耦合于该第一附加有源元件的集极，且该第一有源元件的基极耦合于该第一附加有源元件的基极，该第二有源元件的基极耦合于该第二附加有源元件的基极；
一阻抗转换网络，耦合于上述增益层级；
多个开关元件，耦合于该阻抗转换网络，且该多个开关元件是由输入的一正交输入/输出信号所驱动；以及
一移相器，耦合于该多个开关元件，且该多个开关元件配合该移相器形成一镜像消除单元。
其中该阻抗转换网络是用于增加该多个开关元件的阻抗。
其中该多个开关元件是呈现低阻抗。
其中该阻抗转换网络是具有低电感值与高电容值。
其中该第一与第二有源元件可以是互补式金氧晶体管，场效应晶体管，异质接面双极晶体管与双极晶体管其中任一。
其中该第一与第二有源元件接收不同极性的信号。
其中该差动层级与该多个元件位于同一片晶片上。
本发明的混频器包括一高度隔离增益层级(hign isolation gain stage)并有一阻抗转换网络(impedance transformation network)耦合于上述增益层级。该混频器包括多个开关元件耦合于该网络，同时有一移相器耦合于上述多个开关元件。该混频器用作接收器，而且不需要配置低噪声放大器。
本发明的接收器通过该混频器即可得到高增益与低噪声，因此不需要再配置一分离的低噪声放大器。与此同时，该高度隔离增益层级不仅可以得到高增益，而且可以在信号进入混频层级前消除该镜像噪声。
附图说明
图1为一传统的超外差接收器
图2为一传统的低噪声放大器
图3为一传统的主动式混频器
图4为本发明的一高增益，低噪声混频器
图4a为本发明的一π/4移相器
图5为本发明的一高度隔离增益层级
图6为本发明高度隔离增益层级又一实施例
图7为本发明阻抗转换网络的一个实施例
附图标记说明：
因此，虽然增加增益将会改善系统噪声值以提供接收器较佳的灵敏度。该增加的增益同时将降低该系统整体的IIP3total，反而影响系统的性能。
为了解决此困境，传统的解决方法是加入低噪声放大器12(增益层级1)，同时改良该混频器的IIP3(增益层级2)。在理想的情况下，为了维持良好的IIP3total值，如公式(2)所呈现，在增加G1st(分子)同时必须相应增加IIP32nd值(分母)。然而IIP3的增加意味着不是混频器16内更高的耗电量，就是反馈(feedback)的增大(即增益降低)。由于高耗电量并不是一个理想的解决方法，因此为解决这一困境，电路设计上不得不在前段施加额外的增益，同时在后续层级中降低增益，结果是导致系统的层级数量增加，因而造成系统效率的降低。
因此，本发明针对上述问题，提出一个系统与方法用以解决此困境。
发明内容
为解决上述问题，本发明揭露了一种混频器。本发明是这样实现的：
一种混频器，该混频器可作为一接收器中，该接收器不包括一低噪声放大器，该混频器包括：一高度隔离增益层级，其输入端接收信号，在信号进入混频层级前消除镜像噪声，并得到高增益，其中该高度隔离增益层级包括：一差动层级，该差动层级包括一第一有源元件与一第二有源元件；以及交互耦合于该差动层级的多个元件，该多个元件包括一第一与一第二附加有源元件，该第一与第二附加有源元件与该第一与第二有源元件相同，且阻抗匹配于该第一与第二有源元件，同时，该第一有源元件的集电极耦合于该第二附加有源元件的集电极，该第二有源元件的集电极耦合于该第一附加有源元件的集电极，且该第一有源元件的基极耦合于该第一附加有源元件的基极，该第二有源元件的基极耦合于该第二附加有源元件的基极；
一阻抗转换网络，耦合于上述高度隔离增益层级；
多个开关元件，耦合于该阻抗转换网络，且该多个开关元件是由输入的一正交输入/输出信号所驱动；以及利用一镜像消除单元(image rejection scheme)可以防止混频器100接收镜像噪声。该镜像消除单元包括由正交I/O信号I与Q所驱动的开关元件106a与106b，以及一后段混频移相器(post-mixer phase shifter)108。
如图5所示，是本发明的一高度隔离增益层级102。该高度隔离增益层级102揭露于2002年4月22日提出申请的美国专利申请号第10/127909的申请案中，该专利案正处于申请审理中，在此一并提供参考。
该增益层级102包括一差动层级(differential stage)202用以提供两个相等但不同极性的电压，该差动层级包括一第一有源元件与一第二有源元件；以及交互耦合于该差动层级的多个元件，用以降低该差动层级202中米勒效应的电容。该多个原件包括第一附加有源元件有源元件204与第二附加有源元件有源元件206，且阻抗匹配于该第一与第二有源元件，同时，该第一有源元件的集电极耦合于该第二附加有源元件有源元件206的集电极，该第二有源元件的集电极耦合于该第一附加有源元件有源元件204的集电极，且该第一有源元件的基极耦合于该第一附加有源元件有源元件204的基极，该第二有源元件的基极耦合于该第二附加有源元件有源元件206的基极。
其中该第一与第二有源元件可以是互补式金氧晶体管(CMOS)，场效应晶体管(FET)，异质接面双极晶体管(HBT)与双极晶体管其中任一种。
藉此，本发明提供一种系统与方法在同一晶片上利用至少一个额外的元件作为该第一层级以提供一阻抗匹配(impedance match)。因而可以在一宽广的频率范围内消除米勒效应(broadband cancellation of the MillerEffect)。此外，本发明亦可应用于一宽广的温度范围内。因此，该增益层级102可以提供的相当高的增益效果。
如图6所示，为本发明高度隔离增益层级又一实施例的示意图，该高度隔离增益层级为一单端增益层级(single-ended gain stage)103，包括一变压器203与一有源元件205，且该有源元件205是耦合于该变压器。单端增益层级103常用于射频(radio frequency；RF)电路设计上。依据本实施例，一利用集成电路(IC)技术制造的变压器(printed transformer)203提供反转相(phase inversion)且是1单位增益值(unity gain)，有源元件205为一晶体管。若负载阻抗足够大的话，变压器203的电压比正比于其圈数比。同时，晶体管207用来抵消晶体管205的米勒效应电容，因此可以获取较大的增益值。
为了进一步改善该开关元件106a与106b的增益并避免影响直流导通(DCcontinuity)，一L/C阻抗转换网络104提高该开关元件106a与106b对额外增益的阻抗。如图7所示，是本发明的阻抗转换网络一实施例。由于开关元件是呈现低阻抗，该阻抗转换网络104需要较低电感值的电感304a与304b与较高电容值的电容306，因而适合以IC来完成。
本发明的接收器藉由该混频器得到高增益与低噪声，藉此可以不需要一分离的低噪声放大器。同时，藉由该高度隔离增益层级可以得到高增益，并且可以在信号进入混频层级前消除该镜像噪声。因此，该高增益低噪声的混频器可以配合该传统超外差放大器的系统增益，噪声值，以及线性度。
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。

Claims (7)

1.一种混频器，其特征在于，该混频器用于一接收器中，该接收器不包括一低噪声放大器，该混频器包括：
一高度隔离增益层级，其输入端接收信号，在信号进入混频层级前消除镜像噪声，并得到高增益，其中该高度隔离增益层级包括：
一差动层级，该差动层级包括一第一有源元件与一第二有源元件；以及
交互耦合于该差动层级的多个元件，该多个元件包括一第一与一第二附加有源元件，该第一与第二附加有源元件与该第一与第二有源元件相同，且阻抗匹配于该第一与第二有源元件，同时，该第一有源元件的集电极耦合于该第二附加有源元件的集电极，该第二有源元件的集电极耦合于该第一附加有源元件的集电极，且该第一有源元件的基极耦合于该第一附加有源元件的基极，该第二有源元件的基极耦合于该第二附加有源元件的基极；
一阻抗转换网络，耦合于上述高度隔离增益层级；
多个开关元件，耦合于该阻抗转换网络，且该多个开关元件是由输入的一正交输入/输出信号所驱动；以及
一移相器，耦合于该多个开关元件，且该多个开关元件配合该移相器形成一镜像消除单元。
2.如权利要求1所述的混频器，其特征在于，其中该阻抗转换网络是用于增加该多个开关元件的阻抗。
3.如权利要求1所述的混频器，其特征在于，其中该多个开关元件是呈现低阻抗。
4.如权利要求1所述的混频器，其特征在于，其中该阻抗转换网络是具有低电感值与高电容值。
5.如权利要求1所述的混频器，其特征在于，其中该第一与第二有源元件可以是互补式金氧晶体管，场效应晶体管，异质接面双极晶体管与双极晶体管其中任一。
6.如权利要求1所述的混频器，其特征在于，其中该第一与第二有源元件接收不同极性的信号。
7.如权利要求1所述的混频器，其特征在于，其中该差动层级与该多个元件位于同一片晶片上。
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