CN1409480A

CN1409480A - 在低频工作时具有低噪声系数的混合电路

Info

Publication number: CN1409480A
Application number: CN02149883A
Authority: CN
Inventors: L·蒙格
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2002-09-25
Publication date: 2003-04-09
Also published as: US20030078026A1; ATE460769T1; KR20030027770A; EP1298792A1; JP2003158425A; US7146150B2; EP1298792B1; DE60235601D1

Abstract

本发明涉及一种用于混合第一信号RF和第二信号LO的混合电路，包括把第一信号RF转换成电流的转换级T3，混合所述电流和第二信号LO的混合中心T1和T2，所述混合中心经至少一个负载元件ZC加载。所述电路包括考虑到负载元件ZC对在输出信号中出现的和频率成反比的噪声的贡献的噪声优化装置。特别是负载元件可以从有感电阻器和硅电阻器进行选择，或者通过选择尺寸来优化和频率成反比的噪声的电阻器来构成。本发明通过一个简单的形成电阻器的微电子工艺，使混合器的制造在低频上具有良好的性能。

Description

在低频工作时具有低噪声系数的混合电路

技术领域

本发明涉及一种用于混合第一信号和第二信号的混合电路，包括一个把第一信号转换成电流的转换级，一个将所述电流混合到第二信号的混合中心，所述混合中心通过至少一个负载电阻器控制，所述电路包括用于噪声优化的装置。

本发明进一步涉及模拟电路中的信号处理的领域，特别是无线通讯和广播通讯。

背景技术

此种混合电路已从专利EP0232560知道。电路包括连接到负载电阻器的两个晶体管和一个从功率到电流的转换电路，从转换电路的输出连接到晶体管的发射极。在一个实施例中噪声优化装置包括由一个电阻器产生的一个分路。此分路通过在电阻器的部分吸收使噪声减小。

本发明考虑到现有技术中的电路具有高噪声，其与输出信号的频率成反比，以下称为1/f噪声，当输出信号频率很低时，它就成了一个问题。当信号通过一个单独的混合电路直接被转换成基带时等等，在混合后进行信号放大器时，这特别有害。在使用窄带调制的系统中也同样可以遇到这些问题。

发明内容

本发明的一个目的是有选择地减小1/f噪声。实际上根据本发明介绍段中的电路的特征在于噪声优化装置考虑到了一个或多个负载元件对1/f噪声的贡献。

在一个优选实施例中所述噪声优化装置包括减少1/f噪声的装置，它在负载元件内或可用的元件内进行。

在第一个优选实施例中负载元件从由硅电阻器和有感电阻器构成的一组元件中选择。

在第二个优选实施例中至少一个混合中心的负载元件是一个具有经计算可以降低1/f噪声的尺寸的电阻器。

特别是长宽比恒定有助于计算负载电阻器的尺寸。

实际上，本发明涉及任何需要负载电阻器的信号混合器。特别是涉及使用晶体管的混合器。实际上这类混合器需要负载电阻器使晶体管进入工作区并在混合器的输出获得电流-电压转换。特别是具有不同结构的混合器也包括在本发明中：例如Gilbert单元…。混合器在进行频率转变的信号处理装置中使用：无绳电话，DECT型电话，移动电话，卫星接收机…。本发明也涉及信号处理可以在接收、传送或其他任何必要的时候进行的信号处理装置。

本发明的这些和其它方面，将参照此后所描述的实施例进行解释而变得明显。

附图说明

在图中，

图1是根据有利于使用本发明的现有技术的混合电路图，

图2是一个被证明本发明是非常有益的具有差分结构的具体的混合电路图，

图3表示本发明对1/f噪声的效果，

图4是一个中频接收器的图，

图5表示具有零中频接收器的操作。

具体实施方式

在低频噪声中具有低性能的混合器经常由于增加噪声到信号而降低系统的灵敏度。此噪声本质上是1/f噪声。这个噪声在所有的有源元件和某些无源元件中存在。噪声的起源是不同的，但主要由与杂质有关的陷阱和晶体缺陷引起。通常此噪声在传统的混合结构中不被考虑。它被认为是结构本身固有的，实际上其中包括此类噪声不可避免的有源元件。本发明基于主要贡献者可以是负载元件，特别是当前用作晶体管负载的电阻器的发现。实际上根据本发明，噪声优化装置考虑到负载元件或可用的元件对1/f噪声的贡献。

图1和图2是通常使用的混合电路图。图1表示一个简单的电路，它具有在输出(O1，O2)信号LO的大部分缺陷。图2具有差分结构，它减少了第一个结构的缺陷，LO信号的影响因差分电路结构而被抑止。图2的混合结构作为Gilbert单元是公知的。根据一个有益的实施例，本发明可以在两个组件中的每一个被有利的使用，噪声优化装置包括在一个或多个负载元件内降低1/f噪声的装置。现在将描述这些组件。

图1中的混合电路包括一个实现功率信号RF到电流的转换的晶体管T3和两个混合由T3提供的电流以及以差分方式为晶体管T1和T2的每个提供信号LO+和LO-的晶体管T1和T2。传统上两个晶体管以两个不对1/f噪声优化的两个阻抗ZC作为负载。所述阻抗连接到允许晶体管负载的一个固定电压VCC。图1中电路的情况必须在低输出频率下工作，信号可能在降低混合电路性能的输出对1/f噪声敏感。第二此电路在大功率下其性能不好，因为晶体管的极化不允许它保持在混合器工作的线性区域。根据混合领域的常规，阻抗ZE可以是一个简单的电阻器或者是一个获得晶体管T3的电感衰减的有感电阻器。

图2中的混合电路包括如图1描述的并联的两个单元。这个差分结构解决了在大功率下图1电路的问题。甚至当大功率损害两电路侧的功能时，它实际上允许从电路的一侧或另一侧的信号的恢复。在差分结构中，功率信号通过两个输入以两个互补信号RF+和RF-的形式提供到混合电路。这些信号通过使用两对晶体管TRP1和TRP2混合到信号LO+和LO-中。晶体管对TRP1和TRP2经两个负载元件ZC和一个电压VCC加载。在图2中的电路在低输出频率起作用的情况下，信号可能在降低混合电路性能的输出对1/f噪声敏感。晶体管产生1/f噪声是公知的。本发明不是涉及不可避免的噪声，而是涉及由负载元件产生的1/f噪声和发现这些负载元件对噪声的相当大的贡献。

图3表示本发明对1/f噪声的影响。给出的图中表示以dB为单位的噪声系数NF作为混合器的输出频率N的一个函数。曲线SR和使用标准负载元件执行的一个负载相符合。然后这些负载元件作为传统的尺寸标准和负载元件的特性的函数被选择。通常，选择元件尺寸的规则如下。对于晶体管，尺寸的选择是要根据输入信号的频率得到最佳的频率转变。对于电阻器，尺寸的决定是要在它们之间给出最佳的配对。在曲线SR上噪声的形式有两个明显不同的主要区域：一个由于高频热噪声引起的最小噪声的区域HF和一个随频率降低而增加的1/f噪声的区域LF，它是分配或再混合的噪声。在曲线SR中1/f噪声更大。这个噪声来源于晶体管和-为了本发明提出使用的一个不可忽略的比例-负载元件的特征。第二个曲线ER可以根据本发明各种实施例所描述的第二个优选实施例的电路获得。注意本发明对1/f噪声的影响是相当大的。本发明是基于在这些曲线上负载元件的影响的发现。该影响主要是由多晶硅、金属等传统的电阻器的晶粒结构引起的。

在第一个优选实施例中负载元件从构成硅电阻器和有感电阻器的一组元件中选择。当可能在电路中使用一个硅电阻器和有感电阻器时应考虑此方案。然而，不是总有可能使用有感电阻器，硅电阻器也有增加具有基底的混合器的耦合的缺陷。

在第二个优选实施例中，混合器中心的至少一个负载元件是一个能降低1/f噪声的具有经过计算的尺寸的电阻器。实际上通过扩大负载电阻器的尺寸，提高负载电阻器关于1/f噪声的性能是可能的。大多数时候此方案有比有感电阻器需要更少的空间的优点。实际上当混合器输出在低频时，有感电阻器比根据下面描述的技术中的变大的电阻器占有更大的空间。根据本发明，负载电阻器尺寸按照新的设计标准选择。此标准包括选择一个允许对1/f噪声做出贡献的尺寸，它相对于晶体管来说是可忽略的。电阻器的性能给出了等效的噪声电流i_n：

{i_{n}}^{2} = \frac{\frac{K_{F}}{W \times L} \times I^{AF}}{f} + \frac{4 KT}{R}

其中AF是一个指数，例如等于2。

W和L分别是电阻器的宽和长。第一个分量代表1/f噪声，第二个代表热噪声。我们在此看到，要降低1/f噪声，我们必须增加尺寸W和L。为了在一个对于半导体电路要求尺寸太大和1/f噪声之间选择一个折中，用由混合器中心的晶体管对产生的1/f噪声做一个有利的比较，它被表示为：

{i_{n}}^{2} = Kox \times \frac{{I_{B}}^{2}}{f} + K_{i 1} \times \frac{I_{B}}{f}

这个公式代表了在晶体管输入的等效的噪声电流。通过在晶体管输入和混合器输出之间应用传递函数(传递函数取决于信号LO的特征)，可以进行两个噪声源的一个直接的比较，以选择电阻器的尺寸。为了保持电阻器比晶体管对1/f噪声的更小的贡献而做出选择。因此通过使用确定元件尺寸的方法可以使1/f噪声保持很弱。

然而，应该注意电阻器的长宽比率影响电阻器的值，当比率恒定时它的值保持恒定。实际上材料的电阻遵照下面的规则。

R＝ρL/s，其中S＝exW，ρ为电阻率，L为长度，W为宽度，e为厚度。在微电子中，沉积一个给定厚度的层以获得电阻，因此ρ和e是恒定的。R和L/W成正比。在电阻值不变的情况下，为了长宽比保持恒定，调整电阻器的尺寸是有利的。所以当电阻器的尺寸被调整而长宽比保持恒定的时候，取决于电阻器值的热噪声保持恒定。

1/f噪声和I/(W.L.f)成比例。混合器必须具有某种设定电阻和电流值的线性增益，因此只有W和L的值可被改变。优选这两个W和L值在同时以同样的比例增加，以至于R不改变而1/f噪声降低。通过下面的电阻值来获得图3所示的例子：

	曲线SR：R标准	曲线ER：放大的R
	曲线SR：R标准	曲线ER：放大的R	R	520Ω	520Ω
W	2μm	28μm	R	520Ω	520Ω
W	2μm	28μm	L	5.2μm	72.8μm

我们高兴地注意到此种电阻器在一个集成电路中可以很容易的确认，因为它们的大尺寸使它们很容易看见。此类电阻器尺寸的生产工艺和形成电阻器的传统的微电子工艺是相同的。然而损失空间的缺点可以通过电路的优良的性能弥补。在某些组件中1/f噪声可能是一个很大的不利条件，通过此方法可以很容易解决。

不同于传统的混合电路的一个直接的混合电路的例子在于混合直接在一个单独的混合器而不是在两个如图4所示的连续的混合器中进行。图4中的混合器是一个经典的混合电路，由两个和关于图2描述的例子类似的混合级M1和M2构成。这样频率转换被执行两次：频率RF首先从RF转换成IF，然后从IF到基带BB-0Hz。混合器使用信号LO1＝RF-IF和LO2＝IF。两次混合尽可能多的避免了1/f噪声问题。由于它的输出在基带BB中，混合器M2可能对1/f噪声敏感。然而混合器有一个在中间频率IF中的输入，因此需要更小的电流。根据等式I/(在W.L.f)中，1/f噪声是可忽略的。图5表示的直接的混合电路，使用一个频率信号LO＝RF，通过一个单独的混合器，使一个频率信号F＝RF直接转换成一个频率信号F＝BB。在这里强度是很高的，并由输入频率设定。在这里可以观察到很强的1/f噪声，并且通常信号被淹没在该噪声中。在这种情况下本发明被证明是非常有用的。电阻器尺寸的作用被实际地展示和使用。在越来越多的被使用的直接混合电路的提高方面，本发明是非常有益的。实际上这些电路具有减少了一个混合器的优点，所以降低了复杂性。

在混合后具有高增益预值的系统的前后关系中和在低频带调制系统中本发明特别有益。实际上首先在混合后的系统中具有高增益预值，在混合器的输出要求一个好的噪声系数，对于接下来的放大它是一个预备级。第二，当调制在一个很低的频带的时候(例如10kHz)，它对1/f噪声非常敏感。在这种情况下不管混合电路的结构如何(传统的或直接的)，对一个或多个混合器优化1/f噪声是必要的。

实际上本发明涉及任何必须有负载电阻的信号混合器。特别是涉及所有使用微电子晶体管的混合器。实际上这种混合器需要负载电阻使晶体管工作在工作区并实现电流-电压转换。特别是具有差分结构的混合器也包括在本发明中：例如Gilbert.混合器。这种混合器在进行频率转换的信号处理设备中使用：无绳电话、DECT型电话、移动电话、卫星接收机、电视接收机等。因此本发明也涉及此种在接收，传送或其它必要时执行信号处理的信号处理设备。

所示附图涉及本发明具体的实施例。尽管本发明已经根据实施例进行了描述，但是本领域的专家将立即认识到给出实施例的变化，那么这些变化仍然落入本发明的精神和范围内。可以被专家进行的本发明的多种使用方法和多种变化也不排除在下列权利要求的精神和范围外。

Claims

1.一种用于混合第一信号和第二信号的混合电路，包括一个把第一信号转换成电流的转换级，一个混合所述电流和第二信号的混合中心，所述混合中心经至少一个负载元件加载，所述电路包括噪声优化的装置，其特征在于：噪声优化装置考虑到一个或多个负载元件对于在输出信号中出现的与频率成反比的噪声的贡献。

2.一种如权利要求1所述的混合电路，其特征在于：所述噪声优化装置包括在一个或多个负载元件中进行降低与频率成反比的噪声的装置。

3.一种如权利要求2所述的混合电路，其特征在于：负载元件从由有感电阻器和硅电阻器构成的一组元件中选择。

4.一种如权利要求2所述的混合电路，其特征在于：混合中心的至少一个负载元件是一个具有经过计算的尺寸以降低与频率成反比噪声的电阻器。

5.一种如权利要求4所述的混合电路，其特征在于：负载电阻以长宽比保持恒定的方式计算。

6.一种如权利要求1-5之一所述的混合电路，其特征在于：在第一信号的频率和第二信号的频率之间的差为零。

7.一种如权利要求1-6之一所述的混合电路，其特征在于：它具有差分结构。

8.一种包括权利要求1-7之一所述的的信号混合电路的信号处理装置。

9.一种包括权利要求8的信号处理装置的无线通讯系统或广播通讯系统。