CN1726635A - 三相混频器系统 - Google Patents

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Abstract

用于上变换/下变换频率的混频器系统包含许多部件：在平衡正交转换情况下，一些部件将四次重复地出现(据洞察得知)。通过产生一个三相混频器系统(10，40)，将需要较少的部件(基本构思)。在子输出端的子信号组中的子信号具有在两个相继的子信号之间的相位差，该相位差在100度－140度的范围内，这(基本上)已经平衡了这些子信号。在所述相位差各自在118度－122度的范围内的情况下，子信号甚至能得到更好的平衡，并且当是120度时，子信号将得到完美的平衡。对于每一子输入(1，2，3)的一组晶体管(11－13，14－16，17－19，41－43，44－46，47－49)转换和/或放大在子输入端的子信号。在有源混频器系统(10)中，由另外的晶体管(20－22)转换所述的多组晶体管(11－13，14－16，1 7－19)。在无源混频器系统(40)中，所说的多组晶体管(41－49)依赖于在另外的多个子输入端(4，5，6)的一组子信号从低/高阻抗转换为高/低阻抗。

Description

三相混频器系统
本发明涉及一个混频器系统，该系统是通过将一个输入信号和一个另外的输入信号进行混合来把所述一个输入信号的频率转换为一个输出信号的不同频率。
本发明也涉及一种设备和方法，该设备包括通过将一个输入信号和一个另外的输入信号进行混合来把所述一个输入信号的频率转换为一个输出信号的不同频率的混频器系统，该方法用于通过将一个输入信号和一个另外的输入信号进行混合来把所述一个输入信号的频率转换为一个输出信号的不同频率。
这样的一个混频器系统比如或者执行频率的上变换或者执行频率的下变换，在执行频率的上变换的情况下所述的设备例如构成一发射器的一部分，在执行频率的下变换的情况下所述的设备例如构成一接收器的一部分。所述的设备可以比如是一个通信设备，象一部移动电话、一个调制解调器或者一个收发器等等；或者可以比如是一个音频接收器，象一台收音机等等；或者可以比如是一个音/视频接收器，例如象一台电视等等。
我们所知道的现有技术的一个混频系统来自于FarbodBehbahani，Yoji Kishigami，John Leete and Asad A Abidi的在2001年6月的IEEE期刊《固态电路》第36卷第6期的文章《CMOS混频器和用于大图象抑制的多相滤波器》，该文章在图17中公开了使用两个独立的正交混频器的一个双正交上变换的装置，在图20中公开了一个双正交下变换混频器。例如在平衡的I和Q信号的情况下，实际上有四个信号，即I、Q、-I、-Q。同时，设备的大部分将四次重复地出现。
其中已知的混频器系统由于在混频器系统本身和所述设备中需要许多部件因而具有缺点。因此，在集成混频器系统时，需要很大的芯片表面。
其中，本发明的一个目的是提供一个上述定义的混频器系统，该系统在不降低所述的变换的情况下需要较少的部件。
其中，本发明的另一目的是提供一种上述定义的设备和方法，该设备和该方法在不降低所述的变换的情况下需要较少的部件。
按照本发明的混频器系统是通过将一个输入信号和一个另外的输入信号进行混合来把所述一个输入信号的频率变换为一个输出信号的不同频率，混频器系统包含：至少用于接收第一组子信号的三个子输入端；至少用于接收第二组子信号的三个另外的子输入端；至少用于产生第三组子信号的三个子输出端，至少所述的第三组子信号包含三个子信号，这三个子信号在第二子信号和第一子信号之间存在第一相位差和在第三子信号和所述的第二子信号之间存在第二相位差，第一相位差和第二相位差各自在100-140度的范围内。
通过产生三相混频器系统，与具有被平衡的I和Q信号的四相情形相比，需要较少的部件。相比于需要平衡的I和Q信号，子信号(在第三组子信号中)R、S、T信号(基本上)已经被平衡。而且，当进行集成时，芯片的(许多)部分减少到原来表面的3/4。
在权利要求2中定义了按照本发明的混频器系统的第一个实施方案。
在对于每一组子信号所述的第一相位差和所述的第二相位差各自在所述的范围内的情况下，混频器系统有一个比较对称的结构，并且子信号(在每一组子信号中)R、S、T(基本上)已经被平衡。
在权利要求3中定义了按照本发明的混频器系统的第二个实施方案。
在所述的第一相位差和所述的第二相位差各自在118度-122度的范围内的情况下，子信号(在每一组子信号中)R、S、T会较好地被平衡。在所述的第一相位差和所述的第二相位差各自在120度的的情况下，子信号(在每一组子信号中)R、S、T会完美的被平衡。
在权利要求4中定义了按照本发明的混频器系统的第三个实施方案。
通过对每一个子输入引入一组晶体管，可以转换和/或者放大在子输入端中的子信号。
在权利要求5中定义了按照本发明的混频器系统的第四个实施方案。
通过对每个另外的子输入引入另外的晶体管，每一个子输入用于转换所述的多组晶体管之一，已经产生一个有源混频器系统。
在权利要求6中定义了按照发明的混频器系统的第五个实施方案。
在至少每一组晶体管中的所述的晶体管是双极性晶体管的情况下，当集成这些晶体管时，这些晶体管彼此之间是相互类似的，并且补偿集成差别(integration differences)或者不再是必需的或者仅需以减少的程度补偿集成差别。所述的晶体管进一步可具有一个放大功能。
在权利要求7中定义了按照本发明的混频器系统的第六个实施方案。
在一组晶体管的每一个晶体管的控制电极与每一个其他组晶体管的一个晶体管的控制电极和一个另外的子输入相耦合的情况下，每一组晶体管的第一主电极彼此耦合并且与子输入相耦合，一组晶体管的每一个晶体管的第二主电极与每一其他组晶体管中的一个晶体管的第二主电极相耦合并与一个子输出相耦合，就产生了一个无源混频器系统，无源混频器系统通常比一个有源混频器系统有更好的线性。
按照发明的设备包含一个混频器系统，该系统是通过将一个输入信号和一个另外的输入信号进行混合来把一个输入信号的频率变换为一个输出信号的不同频率，其中所述的混频器系统包含：至少用于接收第一组子信号的三个子输入端；至少用于接收第二组子信号的三个另外的子输入端；至少用于产生第三组子信号的三个子输出，至少所述的第三组子信号包含三个子信号，这三个子信号在第二子信号和第一子信号之间存在第一相位差和在第三子信号和所述的第二子信号之间存在第二相位差。第一相位差和第二相位差都各自在100度-140度的范围内。所述的设备包含至少一个耦合于所述的子输出端的多相滤波器，该多相滤波器把所述的第三组子信号合并成所述的输出信号。
至少所述的一个多相滤波器将对所述的第三组子信号进行滤波和以所述输出信号的形式产生至少一个滤波结果。
在权利要求8中定义了按照发明的设备的第一个实施方案。
所述的至少一个另外的多相滤波器将对所述的输入信号进行滤波和以所述第一组子信号形式产生至少一个滤波结果。所述的至少再一个另外的多相滤波器将对所述的一个另外的输入信号进行滤波和以所述第二组子信号的形式产生至少一个滤波结果。所述的至少一个环形振荡器将产生所述的第二组子信号，然后一起形成所述的另外的输入信号。
按照本发明的设备的实施方案和按照本发明的方法的实施方案与按照本发明的混频器系统的实施方案相对应。
其中本发明是基于这样的洞察：现有技术的四相混频器系统的大部分四次重复地出现，这将需要很多部件，以及其中本发明是基于这样的基本构思：一个三相混频器系统需要较少的部件。
其中本发明解决了一个问题，即提供了一个包含较少的部件而不降低所述的变换的一个混频器系统。其中混频器系统的优点在于不需要额外的平衡。
参照下文所描述的实施方案可以很明显地阐明本发明这些和那些方面的内容。
图1示意地描述了按照本发明的一个有源混频器系统；
图2示意地描述了按照本发明的一个无源混频器系统；
图3用方块图的形式描述了按照本发明的一个设备，该设备包含按照本发明的一个混频器系统。
图1中示出的按照本发明的有源混频器系统10例如形成了发射机的一部分(当上变换时)或接收机的一部分(当下变换时)等等，该有源混频器系统10包括三个子输入端1、2、3，三个另外的子输入端4、5、6和三个子输出端7，8，9。子输入1与晶体管12，15，18的控制电极(比如基极)相耦合并形成R子输入。子输入2与晶体管13，16，19的控制电极相耦合并形成S子输入。子输入3与晶体管11，14，17的控制电极相耦合并形成T子输入。
一个另外的子输入4形成一个另外的R子输入，并与一个另外的晶体管20的控制电极相耦合。晶体管20的第一主电极(比如象发射极)经电阻器与电流源一端相耦合；晶体管20的第二主电极(比如象集电极)与第一组晶体管11-13的第一主电极相耦合。一个另外的子输入5形成一个另外的S子输入，并与一个另外的晶体管21的控制电极相耦合。晶体管21的第一主电极经电阻器与电流源一端相耦合；晶体管21的第二主电极与第二组晶体管14-16的第一主电极相耦合。一个另外的子输入6形成一个另外的T子输入，并与一个另外的晶体管22的控制电极相耦合。晶体管22的第一主电极经电阻器与电流源一端相耦合；晶体管22的第二主电极与第三组晶体管17-19的第一主电极相耦合。电流源的另一端与第一条供电线相耦合。
晶体管12、14、19的第二主电极与子输出7相耦合，子输出7形成R子输出，经电阻器与第二条供电线相耦合。晶体管13、15、17的第二主电极与子输出8相耦合，子输出8形成S子输出，经电阻器与第二条供电线相耦合。晶体管11、16、18的第二主电极与子输出9相耦合，子输出9形成T子输出，经电阻器与第二供电线相耦合。
在按照本发明的有源混频器系统中，例如晶体管11-19是双极性晶体管等，双极性晶体管经由子输入端1、2、3放大输入的子信号。因此，最微弱的两个输入信号(例如像天线信号等)要提供给这些子输入端1、2、3。在是双极性晶体管的情况下，当集成这些晶体管时，这些晶体管彼此之间是相互类似的，并且或者补偿集成差别不再是必需的或者仅需以减少的程度来补偿集成差别。另外的晶体管20-22例如是双极性晶体管等，这些晶体管依赖于第二组子信号转换所述的多组晶体管11-13、14-16、17-19。因此，最强的两个输入信号(比如像震荡信号等)要提供给这些另外的子输入端4、5、6。
在图1中的另外的输入端4、5、6的子信号确定了一种方式，在这种方式下可将图1中在子输入端1、2、3的子信号传输(transfered)在图1中的子输出端7、8、9的子信号。对于另外的子输入端4、5、6的三个子信号，在当一个另外的子输入端4的子信号比另外的子输入端5、6的子信号有一个比较高的电压时的时刻，将控制子输入端1、2、3的子信号从1传输(transfered)到7，从2传输到8，从3传输到9。如果一个另外的子输入5的子信号比另外的子输入端4、6的子信号有一个比较高的电压时，那末将控制子输入端1、2、3的子信号从1传输到8，从2传输到9，从3传输到7。最后如果一个另外的子输入端6的子信号比另外的子输入端4、5的子信号有一个比较高的电压时，那末将控制子输入端1、2、3的子信号从1传输到9，从2传输到7，从3传输到8。通过这种方式，依赖于每组中三个信号的顺序把另外的子输入端4、5、6的子信号的瞬时相位近似地加到子输入端1、2、3的子信号的相位中，或者将该瞬时相位从子输入端1、2、3的子信号的相位中减去。这将导致在子输出端7、8、9的子信号中含有频率的基本部分，这些频率或者是子输入端1、2、3的频率与子输入端4、5、6的频率之和或者之差。在图1的实施方案中，通过另三个晶体管20、21、22实现这个实施方案。这另三个晶体管20、21、22决定了总电流在9个晶体管11-19上的分配。在另外的子输入端4、5、6上子信号的瞬时值决定了这种分配。对于另外的晶体管20、21、22，另外的子输入端4、5、6上子信号的瞬时值充当了控制信号。电流最终的分配将有利于在9个晶体管组11-19中3个晶体管为一组。通过这种方式有利于从子输入端1、2、3的子信号到子输出的子信号的三条可能的路径。这种方式在上文中已经描述。
相比于在现有技术混频器系统中的4个现有吉尔伯特单元(GilbertCell)，混频器系统10把晶体管的数目从24个减少为12个(因此不计算在电流源中的晶体管)。作为替换方案，晶体管11-19和/或另外的晶体管20-22可以是场效应晶体管等。
在图2中显示的按照本发明的无源混频器系统40例如形成了发射机的一部分(当上变换时)或接收机的一部分(当下变换时)等等，该无源混频器系统40包含三个子输入端1、2、3，三个另外的子输入端4、5、6和三个子输出端7，8，9。子输入端1经电阻器与第一组晶体管41、42、43的第二主电极(比如像漏极)相耦合并且形成早期的子输入。子输入端2经电阻器与第二组晶体管44、45、46的第二主电极相耦合并且形成正常的子输入端。子输入端3经电阻器与第三组晶体管47、48、49的第二主电极相耦合并且形成后期的子输入端。所述的第二主输入接收例如天线信号等。
另一子输入端4形成另一早期的子输入端，并与晶体管41、44、47的控制电极(比如象栅极)相耦合。另一子输入端5形成另一正常的子输入端，并与晶体管42、45、48的控制电极相耦合。另一子输入端6形成另一后期的子输入端，并与晶体管43、46、49的控制电极相耦合。所述的控制电极接收例如振荡信号等。
晶体管42、44、49的每个第一主电极(比如象源极)经电阻器与子输出端7相耦合，子输出端7形成早期的子输出。晶体管43、45、47的每个第一主电极经电阻器与子输出端8相耦合，子输出端8形成正常的子输出。晶体管41、46、48的第一主电极与子输出端9相耦合，子输出端9形成后期的子输出。
在按照本发明的无源混频器系统40中，晶体管41-49例如是场效应晶体管等，依赖于第二组子信号使该晶体管41-49将从低阻抗转换为高阻抗；反之亦然。
此外，与图1所描述的类似，在图2中另外的子输入端4、5、6的子信号确定了将在子输入端1、2、3的子信号传输(transfered)到子输出端7、8、9的子信号的方式。另外，在图2中使用这种方式，所述晶体管的控制电极的瞬时电压影响晶体管阻抗，由另外的子输入端4、5、6的子信号给出这个瞬时电压。
与各自具有4个MOST的4个无源混频器相比，混频器系统40把晶体管的数目从16个减少为9个。
图3中示出的按照本发明的设备70例如可以是一个通信设备，例如象一部移动手机、一个调制解调器或者一个收发器等等；或者例如可以是一个音频接收器，例如象一个收音机等等；或者例如可以是一个音/视频接收器，例如象一台电视等等。该设备70包括：按照本发明的混频器系统10、40；至少一个多相滤波器73，多相滤波器73的多个输入端与所述的子输出端7、8、9相耦合并且多相滤波器73的一个输出端产生一输出信号76；至少一个另外的多相滤波器71，多相滤波器71的一个输入端接收输入信号74并且多相滤波器71的多个输出端与所述的子输入端1、2、3相耦合；以及该设备70或者包括至少再一个另外的多相滤波器72，该多相滤波器72的多个输出端与所述的另外的输入端4、5、6相耦合并且该多相滤波器72的一个输入端接收另一输入信号75或者包括至少一环形振荡器72，环形振荡器72的多个输出端与具有所述的第二组子信号的所述的另外的子输入端4、5、6相耦合，然后形成该另外的输入信号。
多相滤波器73与所述的子输出7、8、9相耦合，用于将所述的第三组子信号组合为所述的输出信号76。另外，多相滤波器73将对所述的第三组子信号进行滤波并且以所述的输出信号76的形式产生至少一个滤波结果。
多相滤波器71与所述的子输入端1、2、3相耦合，用于将所述的输入信号74分离为所述的第一组子信号。另外，多相滤波器71将对所述的输入信号74进行滤波并且以所述的第一组子信号的形式产生至少一个滤波结果。
多相滤波器72与所述的另外的子输入端4、5、6相耦合，用于将所述的另外的输入信号75分离为所述的第二组子信号。另外，多相滤波器72将对所述的另一输入信号75进行滤波并且以所述的第二组子信号的形式产生至少一个滤波结果。作为替换方案，环形振荡器72产生所述的第二组子信号，然后所述的第二组子信号一起形成所述另外的输入信号。
比如在“用于转换”、“用于接收”、“用于变换”等中“用于”的表达并不排除也能同步或异步地执行其他功能。“X与Y相耦合”、“在X与Y之间的耦合”、“耦合X和Y”等表达并不排除在X和Y之间有一元件Z。“P包含Q”和“包括Q的P”等的表达并不排除也包括/包含一元件R。术语“一个”并不排除可能存在一个或者多个。
在图3中，多相滤波器71、72、73可以包括(相当于)几个多相滤波器。作为替换方案，输入信号74可以认为包含(相当于)所述的第一组子信号，作为替换方案，另一输入信号75可以认为包含(相当于)所述的第二组子信号，并且作为替换方案，输出信号76可以认为包含(相当于)所述的第三组子信号。并不排除对于所述的多相滤波器的各种替换方案。各自早期子输入、正常子输入、后期子输入可相当于各自的R子输入、S子输入和T子输入。
其中，本发明是基于一种洞察，即现有技术的四相混频器系统的大部分将四次重复出现，这将需要很多部件。其中本发明是基于这样的基本构思：三相混频器系统需求较少的部件。
其中本发明解决了一个问题，即提供了一个包含较少的部件而不降低所述的变换的混频器系统。尤其是本发明的优点在于不需要额外的平衡。

Claims (10)

1.混频器系统，该系统是通过将一个输入信号和一个另外的输入信号进行混合来把所述输入信号的频率变换为一个输出信号的不同频率，其中所述的混频器系统包括：至少用于接收第一组子信号的三个子输入端；至少用于接收第二组子信号的三个另外的子输入端；至少用于产生第三组子信号的三个子输出端，至少所述的第三组子信号包含三个子信号，这三个子信号在第二子信号和第一子信号之间存在第一相位差和在第三子信号和所述的第二子信号之间存在第二相位差，第一相位差和第二相位差各自都是在100度-140度的范围内。
2.根据权利要求1的混频器系统，其中，对于每一组子信号，所述的第一相位差和所述的第二相位差各自在所述的范围内。
3.根据权利要求2的混频器系统，其中，所述的第一相位差和所述的第二相位差各自在118度-122度的范围内。
4.根据权利要求2的混频器系统，其中，所述的混频器系统对于每个子输入具有一组晶体管。
5.根据权利要求4的混频器系统，其中，所述的混频器系统对于每一个另外的子输入端包括一个另外的晶体管，每一个用于转换所述的多组晶体管的一组晶体管，对于每一组所述的晶体管的控制电极与所述的多个子输入端相耦合并且所述的多个另外的晶体管的控制电极各自与所述的多个另外的子输入端之一相耦合，所述的多个另外的晶体管的第一主电极彼此之间相耦合并且所述的多个另外的晶体管的第二主电极各自与所述多组晶体管的一组晶体管的所有第一主电极相耦合，一组晶体管的每个晶体管的第二主电极与每一其它组晶体管中的一个晶体管的第二主电极相耦合并与一个子输出相耦合。
6.根据权利要求5的混频器系统，其中，至少在每组晶体管中的所述的晶体管都是双极性晶体管。
7.根据权利要求4的混频器系统，其中，一组晶体管的每个晶体管的控制电极与每一其它组晶体管的一个晶体管的控制电极相耦合并且与一个另外的子输入端相耦合，每一组晶体管的第一主电极彼此之间相耦合并且与一子输入端相耦合，一组晶体管的每个晶体管的第二主电极与每一其它组晶体管的一个晶体管的第二主电极相耦合并且与一个子输出端相耦合。
8.包含一个混频器系统的设备，该系统通过将一个输入信号和一个另外的输入信号进行混合来把所述输入信号的频率变换为一个输出信号的不同频率，其中所述的混频器系统包括：至少用于接收第一组子信号的三个子输入端；至少用于接收第二组子信号的三个另外的子输入端；至少用于产生第三组子信号的三个子输出端，至少所述的第三组子信号包含三个子信号，这三个子信号在第二子信号和第一子信号之间存在第一相位差和在第三子信号和所述的第二子信号之间存在第二相位差，第一相位差和第二相位差各自在100度-140度的范围内，所述的设备包括至少一个耦合于所述的子输出端的多相滤波器，该多相滤波器把所述第三组子信号组合为所述的输出信号。
9.根据权利要求8的设备，其中，所述的设备包括耦合到所述的子输入端的至少一个另外的多相滤波器，所述另外的多相滤波器将所述的输入信号分离成所述的第一组子信号，所述另外的多相滤波器包括或者耦合到所述的另外的子输入端的至少再一个另外的多相滤波器或者至少一个环形振荡器，该再一个另外的多相滤波器将把所述的另外的输入信号分离成所述的第二组子信号，所述环形振荡器用于产生所述的第二组子信号，一起形成所述的另外的输入信号。
10.通过将一个输入信号和一个另外的输入信号进行混合而把所述的一个输入信号的频率变换为一个输出信号的不同频率的方法，其中，所述的方法包括：接收第一组子信号和第二组子信号并产生第三组信号的步骤，至少所述的第三组子信号包含三个子信号，这三个子信号在第二子信号和第一子信号之间存在第一相位差和在第三子信号和所述的第二子信号之间存在第二相位差，第一相位差和第二相位差各自在100度-140度的范围内。
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