CN1449599A - 混波器 - Google Patents

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Abstract

一种混波器，包括第一端子(70)与第二端子(80)形成一第一输入端口用于接收具有第一频率(fLO)的第一信号；第二输入端口(40、50)用于接收具有第二频率(fRF)的第二信号；混波器输出端口(100、110)用于一结果信号；及第一组阀(Q3、Q4)，它们的控制输入(233、243)是耦合至第一端子用于接收第一信号；第二组阀(Q5，Q6)，它们的控制输入(253、263)是耦合至第二端子用于接收第一信号；及第三组两个阀(Q1、Q2)，它们的控制输入被加以耦合而用于接收第二信号；这些阀(Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6)互相合作而使得混波器在作业中响应第一与第二信号而产生结果信号。该混波器含有至少一个具有一电感器的无源低通滤波器，此一低通滤波器连接至阀(Q5、Q3、Q6、Q4)的控制输入。

Description

混波器
技术领域：
本发明涉及一种混波器(mixer)。
背景技术
混波器被用于无线电电路中已有一段长时间，混波器可用于依照其收到的射频(RF)信号与局部振荡(LO)信号而产生一中频(IF)信号。该中频信号被送至一检波器电路，该电路响应中频信号而产生一音频(AF)信号。因此混波器与一适当的检波器电路合作可从一无线电信号中抽出讯息。
授给Gilbert的美国第5,589,791号专利中说明一种古典式有源混波器，通常称之为「Gilbert混波器」，Gilbert混波器有一个具有四个晶体管的混波器心，此等晶体管的基极连接至一局部振荡端口用以接收局部振荡信号而其集电极连接至一中频输出端口。该混波器并有一个具有两个晶体管的射频输入段，此二晶体管的基极连接至一射频端口用以接收射频信号而其集电极连接至混波器心中晶体管的发射极。
该混波器的作业情形如下：当射频输入段中两个晶体管基极间并无任何电压差时，此二晶体管的集电极电流实质相等。因此加至局部振荡端口的电压不会造成输出电流的改变。反之，若有射频信号加至射频端口但并无电压差加至局部振荡端口时，输出电流仍会平衡。所以仅在有信号加至局部振荡端口与射频端口时始有一中频信号出现在中频端口上。该古典式有源混波器的一个已知的问题是混波器心晶体管在「打开」与「关掉」状态间变换时所产生的变换噪声。授给Gilbert的美国第5,589,791号专利中曾说明此一问题并举出当局部振荡信号在高与低状态间变换的过渡时段中所造成的噪声丛。授给Gilbert的该号专利中亦揭露一种混波器具有一射频端口、一局部振荡输入端口及一连接至局部振荡输入端口的有源输入驱动器。该输入驱动器为一复合电路，包括一个用于接收单边局部振荡信号的输入及不少于二十一个晶体管形成的AB类发射极随耦器第一相关的偏压级。该有源输入驱动器的目的是在混波器心每个局部振荡输入端子上强迫供应与取消电荷以便提供混波器心打开与关掉状态间较快的过渡。
发明内容
本发明的一个方面与以低成本提供性能改善混波器的问题有关。
此一问题由一种混波器来解决，该混波器含有：
第一端子与第二端子形成第一输入端口用于接收具有第一频率的第一信号；
第二输入端口用于接收具有第二频率的第二信号；
混波器输出端口用于结果的信号；及
第一组阀，它们的控制输入是耦合至第一端子用于接收第一信号；
第二组阀，它们的控制输入是耦合至第二端子用于接收第一信号；及
第三组两个阀，它们的控制输入被加以耦合而用于接收第二信号；
这些阀互相合作而使得混波器在作业中响应第一与第二信号产生结果信号。该混波器并含有至少一个具有一电感器的无源低通滤波器，该滤波器连接至一个阀的控制输入。
此一滤波器有利地操作而减少控制该阀信号的上升时间。该信号较快的上升时间使得该阀从不导电至导电状态有较快的过渡。因混波器产生的噪声大部来自阀在从导电状态过渡到不导电状态中所产生的噪声，若混波器有该种滤波器时总噪声量可因的减少。因该滤波器仅有无源组件，混波器的可靠性被改善且噪声最少。无源组件的另一优点是成本低。所以该混波器用于接收机中时即会有成本低的可靠与高逼真度的无线电接收机。
附图说明
为使本发明容易了解兹举例并参照附图加以说明：
图1为一超外差接收机实例的方块图。
图2为图1所示混波器实例的电路图。
图3A为显示一局部振荡信号波幅瞬时进展的电压时间图。
图3B为显示图3A所示局部振荡信号正边缘波幅瞬时进展更详细的电压/时间图。
图3C为在一阀栅极上响应图3B所示正边缘信号的一信号的波幅瞬时进展电压/时间图。
图4A为连接至一局部振荡器的图1所示混波器另一实例的电路图。
图4B为图4A电路另一形式的图。
图5为图1所示混波器又一实例的电路图。
图6为图1所示混波器再一实例的电路图。
图7为图1所示混波器实例方块图与电路图的合并图，其中的滤波器以方块显示之。
图8为一具有两个电感器与两个电容器的滤波器实例图。
具体实施方式
在下面说明中不同实例内的类似特征将以相同的参考号码显示之。
图1为具有一耦合至一射频电路30的天线20的超外差接收机10的实例方块图。当天线收到一信号时，射频电路30即向混波器60的输入40、50发出一射频信号。
混波器60亦有输入70、80用于接收来自局部振荡器90的调谐振荡信号并有输出100、110用于输出一中频信号。输出100、110被耦合至中频放大器140的输入120、130，该放大器含有输出可将已放大的中频信号输至检波电路150。检波电路150响应该中频信号而产生一音频信号，该音频信号被输至音频放大器160，放大器160将音频信号加以放大并输至负荷170，例如一扬声器。
图2为图1所示混波器60一个实例的电路图。
图2A中的混波器有第一晶体管Q1与第二晶体管Q2，此二晶体管的栅极分别彼耦合至输入40与50用于接收射频信号。晶体管Q1与Q2的源极被耦合至信号接地180，最好是透过一偏压电流装置190。
第一局部振荡器输入70透过电感器230被耦合至第一开关晶体管Q3的栅极233并透过电感器240耦合至第二开关晶体管Q4的栅极243。电容器235连接在信号接地与电感器230和晶体管Q3栅极233接点之间使得该LC电路形成第一低通滤波器F3。另一电容器245以同梯方式连接在信号接地与电感器240和晶体管Q4栅极243接点之间，如图2A所示，如此而形成第二低通滤波器F4。电感器234与240有电感及串联电阻。因滤波器F3与F4的电阻被减幅，因而避免电路有不需要的振荡。
第二局部振荡器输入80透过电感器250被耦合至第三开关晶体管Q5的栅极253并透过电感器260耦合至第四开关晶体管Q6的栅极263。电容器255与265分别连接在晶体管Q5与Q6的栅极与信号接地之间，如图2A所示。电感器250连同电容器255形成第三低通滤波器F5而电感器260连同电容器265形成第四低通滤波器F6。电感器250与260亦有电感与电阻因而可避免电路有不需要的振荡。
晶体管Q3与Q4的漏极端子连接至第一中频信号输出100而晶体管Q5与Q6的漏极端子则连接至第二中频信号输出110。
图3A为局部振荡信号(亦即图1中局部振荡器90提供的信号)波幅瞬时进展的电压/时间图。一个信号正边缘的上升时间Tr通常为该信号波幅从最高值的20％进展至最高值80％的时间(见图3A)。
图3B为图3A所示局部振荡信号正边缘波幅瞬时进展更详细的电压/时间图。
图3C为在栅极233(见图2)上的信号响应图3B所示信号正边缘波幅瞬时进展的电压/时间图。参看图2，当在栅极上的波幅低于图3B与3C所示的电压v1时，晶体管Q3即被关掉。当栅极上的波幅超过图3B/3C所示电压v2时，晶体管Q3即导电且在其输出上并无电压摆动，亦即晶体管为饱和。
比较图3B与3C中所示信号部分可清晰看出图3C中的时段t4-t3较图3B中所示时段t2-t1为短。事实上局部振荡信号的上升时间在其通过滤波器F3波(图2)即较短。
比较图3B与3C可看出当有一些斜度的局部振荡信号正边缘被输至端子70时，在栅极端子233上的波幅(图2)初时并未受到影响。但在此一阶段滤波器F3被加上无功能量，因此开始时会造成延迟，随后该滤波器会使在栅极端子233上的信号电压较的在端子70上有较陡的斜度。较快的信号上升时间使得晶体管Q3从不导电状态至导电状态的过渡较快。因晶体管的噪声主要是产生在其导电状态与不导电状态间的过渡期间，当晶体管有了滤波器F3、F4、F5与F6时其噪声量即大为减低。
按照较佳实例，滤波器F3、F4、F5与F6仅为无源组件，因而提供高可靠性且噪声极少。无源组件的另一优点是成本低廉。所以混波器60用在接收机中时即可有低成本而可靠与高逼真无线电信号的接收机。
按照一个实例，滤波器F3中电感器230的电感与电容器235的电容是选在使得滤波器F3的时间常数值与局部振荡信号的上升时间相类似。在这一方面，上升时间的定义如图3A中所述。按照本发明的实例，滤波器F3的时间常数值在局部振荡信号上升时间的0.2至10倍范围内。按照本发明的某些实例，滤波器F3的时间常数值为局部振荡信号上升时间的0.5至2倍。按照一个较佳实例，该滤波器的时间常数是选在局部振荡信号上升时间的90％至110％范围内。
因通常局部振荡信号的降落时间与其上升时间大致相同，降落时间与滤波器时间常数间的关系通常相同。但若局部振荡信号的上升与降落时间有明显差异时，上述的关系应为滤波器时间常数与局部振荡信号上升与降落时间平均值的比较。
按照本发明的一个实例，对其中局部振荡信号上升时间为20微微秒的电路而言各滤波器的时间常数是选为20微微秒。该局部振荡信号的时段例如为120微微秒。
具有图2所示电路的混波器范例含有下述的组件值：每个电感器230、240、250、260的电感均为1nH而其串联电阻为50Ohm。每个电容器235、245、255、265的电容均为0.03pF。滤波器的时间常数为34微微秒，这是以2*π*Sqrt(LC)(2*Pi*.sqrt(LC))而得。
局部振荡信号的输入时段为120微微秒，上升时间为20微微秒，下降时间为20微微秒。在本例中局部振荡信号的脉冲宽度为40微微秒。
前述的滤波器时间常数与局部振荡信号间的关系不但适用于图2的实例亦适用于本文中所述的其它实例。
图4A包括图1所示混波器60另一实例的电路图并且显示局部振荡器90的方块图，其中有直流偏压源270与交流信号源275、280。信号源280与信号源275有180度的相位移，在图4A中以极性符号+及-表示。按照图4A实例，滤波器F连接至端子70、80。滤波器F包括第一电感器300耦合在输入端子70与晶体管Q3与Q4栅极之间。第二电感器310耦合在输入端子80与晶体管Q5与Q6栅极之间，电容器320耦合在晶体管Q3/Q4与Q5/Q6栅极之间，如图4所示。电感器300、310因与上述电感器230同样的理由而属于电感性与电阻性。
图4B与图4A的不同处在以两个电容器321取代单一电容器320。每个电容器321均有电容器320两倍的电容值，两个电容器间的端子连接至地322。以此种方式两个电容器321合作提供与电容器320同值的电容，但其附带优点是因其接地而有界定的直流电压。
图5为图1所示混波器60另一实例的电路图。按照图5的实例，第一电感器300耦合在输入端子70与晶体管Q3与Q4栅极之间而电容器330则耦合在晶体管Q3/Q4的栅极与地之间，如图5A所示第二电感器310耦合在输入端子80与晶体管Q5与Q6的栅极之间，电容器340耦合在晶体管Q3/Q4的栅极与地之间。
图6为图1所示混波器60又一实例的电路图。图6的实例相当于图2的实例，但图2中的电容器235、245、255、265均连接至地而图6实例中的对应电容器435、445、455、465则连接至各晶体管的漏极端子。
图7为图1所示混波器60实例方块图与电路图的合并图，其中的滤波器均以方块显示之。滤波器F3、F4、F5与F6可为图2中所示具有单一电感器与单一电容器的简单无源滤波器级。在另一实例中每个滤波器均有多个LC对。图8所示为具有两个电感器与两个电容器的滤波器F3实例。当滤波器如图8所示有多个LC对时，前述滤波器时间常数与局部振荡信号上升时间的关系仍适用。

Claims (9)

1.一种混波器，包含：
第一端子(70)与第二端子(80)形成第一输入端口用于接收具有第一频率(fLO)的第一信号；
第二输入端口(40、50)用于接收具有第二频率(fRF)的第二信号；
混波器输入端口(100、110)用于结果的信号；及
第一组阀(Q3、Q4)，它们的控制输入(233、243)被耦合至第一端子用于接收第一信号；
第二组阀(Q5、Q6)，它们的控制输入(253、263)被耦合至第二端子用于接收第一信号；及
第三组两个阀(Q1，Q2)，它们的控制输入被加以耦合而接收第二信号；
这些阀(Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6)相互合作而使混波器在作业中响应第一与第二信号产生结果信号；
其特征为：
该混波器含有至少一个具有一电感器的无源低通滤波器；
该至少一个低通滤波器连接至阀(Q5、Q3、Q6、Q4)的控制输入。
2.根据权利要求1所述的混波器，其中的电感器为具有电阻与电感的无源组件。
3.根据权利要求1或2所述的混波器，其中的至少一个电感器是连接在第一端子与第一组阀(Q3、Q4)控制输入(233、243)之间。
4.根据权利要求3所述的混波器，其中的至少一个电感器是连接在第二端子与第二组阀(Q5，Q6)控制输入(253、263)之间。
5.根据权利要求1至4其中之一所述的混波器，其中
有一电容器(320)连接在第一组阀(Q3、Q4)控制输入(233、243)与第二组阀(Q5、Q6)控制输入(253、263)之间。
6.根据权利要求1至4其中之一所述的混波器，其中：
第一与第二组阀(Q3、Q4、Q5、Q6)中的每个阀均将其控制输入(233、243、253、263)透过一电感器(230、240、250、260)连接至第二端子。
7.根据权利要求6所述的混波器，其中：
阀控制输入(233、243、253、263)与电感器(230、240、250、260)的接点被连接至电容器(235、245、255、265)的一个端子。
8.一种电子电路，包含：
根据权利要求1至7其中之一所述的混波器；及
具有第一输出端子与第二输出端子的振荡器(90)，形成一振荡器输出端口在电路作业中即发出具有某一上升时间的振荡信号；其中的
振荡器输出端口连接至混波器的第一输入端口；及
低通滤波器的时间常数值在该某一上升时间的0.2至10倍的范围内。
9.一种接收机，包含一混波器，该混波器包括：根据权利要求1至7其中之一所述的混波器。
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