CN1768468A - 无源混频器 - Google Patents

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Abstract

一种用于将射频(RF)信号变换到中频(IF)信号(或反之)的无源混频器(100)。该混频器包括用于对本地振荡信号与RF或IF信号进行混频的电压控制的混频装置(110)。自举技术被用于通过低通滤波器(160)将IF信号的低频分量反馈到该混频装置。该混频装置(110)将跟随IF信号的低频变化，这样做将改进混频器的线性度。

Description

无源混频器
发明的技术领域
本发明涉及一种无源混频器，并特别涉及一种具有用于改进线性的结构的无源混频器。
相关技术描述
用于将具有如射频(RF)的第一频率的信号转换到成具有如中频(IF)的第二频率的信号的混频器被提供在多种设备中，例如被提供在无线电收发射机前端中。Bluetooth是一种通信标准，其主要的目标是去除电子设备之间的电缆连接。Bluetooth的一个重要应用是涉及诸如移动端子的可携带设备的通信领域。所述端子还可以适合于依据诸如GSM、UMTS、cdma2000、PCS、DCS等电信技术来通信。混频器对于Bluetooth无线电和电信无线电来说可能是必须的。
在可携带通信设备中，针对全部电子组件的低功率解决方案是重要的。从而，在集成电路设计中的趋势是例如为混频器施加低电源电压。并且，通常要求混频器的实现方式是便宜的。MOS(金属氧化物半导体)技术提供了一种解决方案，应用该方案可以实现完全集成的混频器。然而，找到在2V或在低于2V的电源电压下具有高性能的电路体系结构是必要的。
利用混频装置的频率转换能够被提供在利用非线性转换的电流或电压域中。然而，混频也能够通过在时间域中应用乘法运算来得到。在这种情况中，能够认为该混频器为具有两个状态的状态机，其中混频器在每个状态中应该尽可能地线性。这种类型的混频器代表一个线性的时变系统。
混频装置从导通状态到不导通状态的切换能够在电流或电压域中提供。在双极型工艺的情况中，电流切换更为理想。MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)晶体管提供真实电压切换特性。从而，对于MOSFET晶体管来说，在电压域中执行切换是可行的。
由于CMOS(互补MOS)技术的发展和芯片上系统的趋势，在未来，集成模拟电路将由比现在低的电源电压来驱动，其中在单个芯片上提供无线电收发射机。这种趋势将增强数字和模拟域之间的共享技术，使得低电压实现方式是必需的。在接收器前端中，一个主要的瓶颈是下变换混频器的线性度。特别对于低电源电压尤其是这种情况，即使使用适当的拓扑结构(例如无源CMOS混频器)仍是如此。
在操作中，当栅极-源极电压Vgs变得比阈值电压VT大时，MOSFET晶体管导通。在其漏极或源极端子上接收RF信号的晶体管可以提供变化的源极节点电势，或变化的漏极节点电势。所述电势将根据在栅极输入端上提供的信号而变化，其中该信号通常为本地振荡器(LO)信号。此外，可能发生RF泄漏。关键的信号为在源极/漏极端子上提供的中频(IF)信号，该中频信号将调制开关的接通时间(on-time)并产生非线性。在关闭状态下操作或作为三极管(接通状态)下操作MOSFET晶体管开关将不但由栅极电压控制，而且也将由源极电压控制。因此，在源极/漏极上提供的IF输出信号将调制开关占空比并产生互调产物。这对于低电源电压是特别严重的，其限制可达到的LO振幅。
减小开关非线性的一般方法为利用被称为传输门的互补开关。然而，这种开关将增加低噪声放大器(LNA)的负载电容(该负载电容通常在接收器的混频器之前)，从而导致较低的变换增益和较小的带宽。此外，如果混频器被平衡，则互补开关将仅仅影响偶次的非线性。
发明概述
本发明的一个目的是提供一种与现有技术中已知的等效混频器相比具有改进的线性度的混频器。特别地，本发明的一个目的是提供一种在低电源电压下具有改进的线性度的混频器，其可以作为使用芯片上实现技术的集成电路被实现，所述芯片上实现技术例如是MOS(金属氧化物半导体)或JFET(结型场效应晶体管)技术。
根据本发明的一个方面，通过用于将具有第一频率的第一信号变换到具有第二频率的信号的无源混频器来达到上述目的。该混频器包括混频装置、第一端子、第二端子和第三端子以用于提供第二信号，这是通过混频作为第二端子处的输入所提供的具有第三频率的第三信号和作为第一或第三端子上的输入所提供的第一信号。在不接收任何输入信号的端子上提供第二信号以作为输出。一个反馈电路适于连接到第三端子和第二端子。
该反馈电路可以为自举电路。此外，该反馈电路可以包括一个低通滤波器。所述滤波器可以为由一个电阻和一个电容提供的一阶滤波器。
所述混频装置可以是电压控制的开关，例如FET晶体管开关，该晶体管开关的漏极或源极适于连接到第一端子，其栅极适于连接到第二端子，以及其源极或漏极适于连接到第三端子。该FET晶体管可以是具有比PMOS晶体管更优越的开关性能的NMOS晶体管。
该混频器可以被提供为平衡的或不平衡的混频器。平衡的混频器可以包括四个混频装置，其中所述装置中的每一个包括一个自举电路。
根据本发明的另一个方面，混频器被用在电子设备中，例如可携带的通信设备。可携带设备包括(但并不局限于)移动无线电终端、移动电话、寻呼机或通信器(也就是个人数字助理、智能电话等)。该混频器也可以被用在用于在无线局域网中进行通信的电子设备中，例如适合于根据Bluetooth技术进行短距离辅助通信(supplementary communication)的设备。
本发明的一个优点是没有DC电流流过所述混频装置。不存在任何DC电流将减小混频器的1/f的噪声。与MOS技术结合的本发明的技术具有的优点是其适合用于低电压实现方式(例如大约2V或2V以下)，因为MOS电路不使用叠层式晶体管。随着电源电压在将来进一步地减少，本发明将变得更为重要。此外，本发明与现有技术中所知的混频器相比改进了线性度，而不牺牲其它重要参数，例如噪声性能和变换增益。
本发明的其它优选实施例在从属权利要求中限定。
需要强调的是，在本说明书中使用的术语“包括”用来指定所述特征、整数、步骤或组件的存在，但不排除存在或者添加一个或多个其它特征、整数、步骤、组件或其组合。
附图简述
本发明的其它目的、特征和优点将从下面所描述的本发明多个实施例中得到，其中本发明的各方面将参考附图被更详细地描述，其中：
图1是移动电话及其可以操作的环境的正视图；
图2是根据本发明的混频器的方框图；
图3是根据本发明的混频器的第一实施例的方框图；
图4是根据本发明的混频器的第二实施例的方框图；
图5是说明图4的混频器的测量结果的图表。
实施例的详细描述
图1说明作为一个例示的电子设备的移动电话1(其中可以提供根据本发明的混频器)以及可以对其进行操作的可能环境。本发明不只局限于移动电话1，而是能够在各种电子设备中提供，其中需要混频器来将具有例如中频(IF)或射频(RF)的第一频率的第一信号变换到具有例如RF或IF频率的第二频率的第二信号，这是通过具有由例如本地振荡器(LO)所产生的第三频率的第三信号来实现的。移动电话1包括第一天线10和第二辅助天线11。麦克风12、扬声器13、小键盘14和显示器15提供用于操作移动电话1的人机界面。
移动电话可以在操作中通过第一无线电通信链路22借助第一天线10连接到移动通信网络21的无线电台20(基站)，该网络例如是GSM、UMTS、PCS和/或DCS网络。此外，移动电话1可以在操作中通过第二无线链路31借助于辅助天线11建立到外围设备30的第二无线链路。该第二链路31例如是在2.4(2.400-2.4835)GHz频率范围中所建立的Bluetooth链路。为了建立无线链路22、31，移动电话1包括无线电资源，所述资源根据相关的技术而被适配。从而，移动电话1包括一个用于与基站20通信的无线接入装置(例如无线电收发机)，并包括一个用于与外围设备30通信的无线接入装置。
外围设备30可以是任何具有无线通信能力的设备，例如根据Bluetooth技术或任何其它无线局域网(WLAN)技术的设备。其包括用于在第二链路31上交换信号的天线32，并包括根据外围设备30所使用的通信技术而适配的收发机(未示出)。所述设备可以为无线耳机、远程服务器、传真机、自动贩卖机、打印机等。多种电子设备可以具有这种通信能力并具有对无线传输数据的需要。
图2是根据本发明的无源混频器100的方框图。该混频器100为用于将射频(RF)信号下变换到中频(IF)信号的频率转换混频器。可选择地，混频器100将IF信号上变换到RF信号。混频器100包括混频装置110、第一端子120、第二端子130和第三端子140。在第一端子120上的RF信号将作为输入信号(在接收机混频器中)或输出信号(在发射机混频器中)。在第三端子140上将提供一个IF信号，该IF信号可以是输入信号(在发射机混频器中)或输出信号(在接收机混频器中)。在第二端子130上将提供一个本地振荡器(LO)信号，该信号具有一个用于对IF信号或RF信号进行变换的频率。
第二端子130适于连接到作为本地振荡器(LO)的电压源210，该本地振荡器提供一个具有适于提供所述RF或IF信号的第三频率的信号。电压源210以接地装置为基准，例如在其上提供该电压源210的衬底。高通滤波器组件160b可以在第二端子130和混频装置110之间的信号通路中提供，所述高通滤波器组件将来自电压源210的高频信号传递到混频装置并且防止来自第三端子140的低频信号进入到电压源210。
混频器100进一步包括一个连接到第三端子140的反馈电路150来连接高通滤波器组件160b和混频装置110。反馈电路150可以包括一个用于允许反馈来自第三端子的低频信号的反馈滤波器160(低通滤波器)。所述反馈滤波器160包括一个低通滤波器组件160a，该低通滤波器组件将来自第三端子的低频信号传递到混频装置110，所述反馈滤波器160还包括一个用于通过来自电压源210的高频信号的高通滤波器组件160b。
图3说明用于接收机或发射机无线电前端的混频装置110和反馈滤波器160的一个实施例。该混频装置110包括一个FET晶体管111(例如MOSFET)，该FET晶体管111的漏极连接到第一端子120，其栅极适于通过电容162连接到第二端子130，并且其源极连接到第三端子140。当该MOSFET晶体管为对称的时，在本说明书中提到的漏极和源极可以互换。
混频装置110提供一个电压开关，该电压开关用于提供对RF信号和LO信号的混频，或者对IF信号和LO信号的混频。MOS晶体管111具有真实电压开关特性。因此，能够提供电压域中的切换。这使得能够减小流过晶体管111的DC电流，并且从而避免1/f噪声，尤其对于直接变换和低IF接收机特性而言1/f噪声是一个问题。
在图3的实施例中，晶体管111将被提供作为场效应晶体管(FET)，例如NMOS晶体管。由于电子比空穴的活动性更好，因此NMOS晶体管具有比PMOS晶体管更好的开关性能。然而，或者也可以利用PMOS晶体管来提供该晶体管。例如结型场效应晶体管(JFET)的其它电压控制的开关也可以被利用作为混频装置。
为了处理现有技术的非线性问题，反馈电路150将使得栅极电压跟随低频输出电势变化。反馈滤波器160适合于通过IF信号的低频差分量(RF-LO)，并且滤出所述IF信号的高频和分量(RF+LO)。该低频分量将被馈送到晶体管111的栅极，其将由IF信号的低频分量与LO信号一起来调制。通过提供自举反馈电路150，所述晶体管将不依赖于IF信号的高频分量，这使得混频器100更加线性。晶体管111的切换瞬间(也就是当晶体管从不导通切换到导通状态时)依赖于栅极一源极电压Vgs。如果在源极电极上的IF信号Vs改变，则Vgs将改变。反馈电路150使得依赖于Vgs的过载电压不依赖于所述IF信号。反馈滤波器160还将防止LO到IF的泄漏。
反馈滤波器160可以以多种方式来提供。在图3中，使用一个电阻161和一个电容162来提供一阶滤波器。电容162连接在第二输入端子130和晶体管栅极之间。电阻161连接在第三端子140和电容162与晶体管栅极间的连接点之间。替换的滤波器解决方案可以是更高阶的无源滤波器或有源滤波器。
图4说明其中本发明包括用于对具有偶数个晶体管的IF信号进行下变换的无源平衡混频器300的实施例。混频器300连接到提供RF信号的低噪声放大器(LNA)级400。在这个实现方式中，RF信号和IF信号是差分信号。然而，IF和RF信号可以替换地为单端的。平衡的混频器对于芯片上实现是理想的，因为它提供较小的干扰(噪声)并且抵消偶数和奇数非线性。平衡的混频器300也可以在用于上变换IF信号的发射机中实现。在这个实施例中，混频器300包括四个混频装置310、320、330、340。所述混频装置基本上具有与图3中所公开的混频装置相同的结构。因此，每个晶体管310、320、330、340作为FET晶体管被提供。反馈电路311、321、331、341分别连接在第一和第二晶体管310、320的源极和栅极之间，以及连接在第三和第四晶体管330、340的栅极和漏极之间。同样，通过电阻312、322、332、342和电容313、323、333、343来提供滤波器。平衡的混频器300包括用于接收(或在发射机混频器的情况中提供)RF信号的第一和第二端子350、351。连接到第一晶体管310的电容313还连接到与第四晶体管340连接的电容343。在所述电容313、343之间的连接点上，一个负LO或转换信号LO-被提供，其具有用于对输入RF信号进行频率转换所需要的频率。从而，滤波器电容313、323、333、343的输入端对应于图3的第二端子130。连接到第二晶体管320的电容323也连接到与第三晶体管330连接的电容333。第一晶体管310的源极连接到第三晶体管330的漏极。第二晶体管320的源极连接到第四晶体管340的漏极。在所述电容323、333之间的连接点上，提供一个正LO或转换信号LO+，其具有用于对RF信号进行频率转换所需的频率。一个正输出端352连接到第一晶体管310的源极和第三晶体管330的漏极，以用于提供正IF信号VIF+。一个负输出端353连接到第二晶体管320的源极和第四晶体管340的漏极，以用于提供负IF信号VIF-。当在发射机中提供混频器时，输出端352、253将作为输入端。
LNA 400包括分别用于接收差分输入RF信号VRF+和VRF-的第一和第二输入端401、402。第一输入端401连接到与提供第一放大装置的第一LNA晶体管411的源极连接的电容410。所述源极也适于通过电感412以电源Vdd为基准。第一LNA晶体管411的栅极以接地装置为基准。第二输入端402连接到与提供第二放大装置的第二LNA晶体管421的源极连接的电容420。所述源极也适于通过电感422以电源Vdd为基准。第一LNA晶体管411的漏极连接到正输出端430，并且第二LNA晶体管421的漏极连接到负输出端431。在接地装置和LNA输出端430、431之间分别提供第三和第四电感432、433。LNA400的输出端430和431分别连接到混频器300的输入端350和351。
LNA 400被配置为共栅极结构，其提供用于差分输入的宽带匹配。共栅极结构被用来得到50Ω的输入匹配。输入电阻大约为1/gm，其中gm为LNA晶体管411、421的跨导。在图4的实施例中，出于偏置原因，PMOS晶体管被选择作为LNA晶体管411、421。由于由图4所示的混频装置300提供的LO信号具有从地电压到2V之间摆动的最大电压，所以对于1V的电压源，对于混频装置300的NMOS晶体管310、320、330、340来说，如上所述具有等于0的DC输出电平是最好的。这将最大化栅极一源极电压，而这对于混频器噪声和线性度来说是重要的。LNA晶体管411、421由电感412、422所偏置，这样做最大化了可以在输出端处理的信号电平，从而导致改进的线性度。由于在输出端430、431处的电感432、433，这些节点将能够达到下至混频装置300的晶体管310、320、330、340的漏极二极管的拐点电压的负电压。与第三和第四电感432、433并行地，将存在寄生电容440、441，正如虚线所说明的那样。
在本发明的一个示例性实施例中，混频装置300和LNA 400是针对用于低IF的充分集成的1V 0.25μm CMOS 2.4GHz Bluetooth的无线电前端而设计的。混频装置300的组件的规格为：
电阻    1kΩ；
电容    1pF；以及
晶体管      宽度50μm
            长度0.25μm。
LNA 400的组件的规格为：
电容        1pF；
偏置电感    7nH；
输出电感    6nH；
寄生电容    100fF；以及
晶体管      长度350μm
            宽度0.25μm
图4的电路的测量结果在图5中描述。线性度是用具有等于2.467GHz的LO频率的双频信号测试(two-tone test)来测量的，即7MHz的IF基波和6MHz的IM3(三阶互调产物)。图5绘出了结果，其中本发明的混频器的测量结果用实线来表示，而不具备自举的等效混频器的结果用虚线来表示。正如能够从图中看到的那样，根据本发明的利用自举的前端具有减小了大约10dB的IM3，其导致改进了5dB的IIP3(三阶输入截点)。与此同时，利用自举的前端的基波IF比没有自举的前端稍微好些。
图4的混频器300和LNA 400的示例性规格并不限制本发明的范围。本发明可以以多种实现方式来提供，其中电路的规格必须在每个特定情况中被测试和评估。
在上述内容中，已经提到了RF和IF频率。然而，本发明并不仅局限于RF和IF频率，而是能够使用在任何结构中，其中具有第一频率的第一信号将被变换为具有第二频率的第二信号。
上面通过参考特定的实施例已经描述了本发明。然而，除了上述的实施例，在本发明的范围内同样可能有其它实施例。本发明的不同特征可以以不同于所描述的组合方式组合。本发明仅由所附专利权利要求书所限定。

Claims (14)

1.一种用于将具有第一频率的第一信号变换到具有第二频率的第二信号的无源混频器(100；300)，包括：
混频装置(110；310，320，330，340)、第一端子(120)、第二端子(130)和第三端子(140)，用于通过对作为所述第二端子上的输入所提供的具有第三频率的第三信号和作为第一或第三端子上的输入所提供的第一信号进行混频来提供第二信号；
其特征在于：
反馈电路(150；311，321，331，341)适于连接到所述第三端子(140)和所述第二端子(130)。
2.根据权利要求1的混频器，其特征在于，所述反馈电路(150；311，321，331，341)是自举电路。
3.根据权利要求1或2的混频器，其特征在于，所述反馈电路(150；311，321，331，341)包括低通滤波器(160)。
4.根据权利要求3的混频器，其特征在于，所述滤波器(160)包括一个连接在所述第二端子和所述混频装置之间的电容(162，313，323，333，343)，和一个连接在所述第三端子和所述电容与所述混频装置之间的连接点之间的电阻(161；312，322，332，342)。
5.根据上述任一权利要求的混频器，其特征在于，所述混频装置是一个电压控制的开关。
6.根据上述任一权利要求的混频器，其特征在于，所述混频装置包括一个FET晶体管开关(111；310，320，330，340)，该FET晶体管开关的漏极或源极适于连接到所述第一端子，其栅极适于连接到所述第二端子，并且其源极或漏极适于连接到所述第三端子。
7.根据权利要求6的混频器，其特征在于，所述FET晶体管为NMOS晶体管。
8.根据上述任一权利要求的混频器，其特征在于，所述混频器为包括偶数个混频装置的平衡的混频器。
9.将根据权利要求1-8中的任一权利要求的混频器使用在电子设备(1，30)中。
10.根据权利要求9的使用，其中所述电子设备为具有小于2V的电源电压的可携带通信设备(1，30)。
11.根据权利要求9或10的使用，其中所述电子设备为移动无线电终端、移动电话(1)、寻呼机或通信器。
12.根据权利要求9的使用，其中所述电子设备适合于在无线局域网中操作。
13.根据权利要求9或10的使用，其中所述混频器被用在适合于根据Bluetooth技术提供短距离辅助通信的通信设备(30)中。
14.包括根据权利要求1-8中的任一权利要求的混频器(300)的设备，所述混频器连接到一个低噪声放大器(LNA)(400)，该低噪声放大器(LNA)(400)包括：
连接到第一电容(410)的第一输入端(401)，该第一电容连接到第一放大装置(411)，所述第一放大装置连接到第一输出端(430)并通过第一电感(412)连接到电压源；
连接到第二电容(420)的第二输入端(402)，该第二电容连接到第二放大装置(421)，所述第二放大装置连接到第二输出端(431)并通过第二电感(422)连接到电压源；以及
其中所述第一和第二放大装置(411，421)以接地装置为基准，并且所述第一和第二输出端(430，431)通过第三和第四电感(432，433)以所述接地装置为基准。
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