CN1855695B - 模拟乘法器 - Google Patents
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Abstract
一种模拟乘法器电路，其具有基于输入系数电压的频率响应调整。该乘法器包括一个具有RF(射频)输入(Vin+，Vin-)和系数信号输入(Vcoeff+，Vcoeff-)的乘法器单元(MC)，一个或者多个作为峰化电容的电容器(Cp1，Cp2)和一个用于控制可变阻抗(Mp1，Mp2)的控制电路(CT)，其中所述峰化电容的一个触点连接到该乘法器单元(MC)而另一触点连接到该可变阻抗(Mp1，Mp2)，即MOS晶体管。该控制电路(CT)连接到该乘法器的系数信号输入(Vcoeff+，Vcoeff-)。在四象限乘法器的情况下，在该乘法器的系数输入(Vcoeff+，Vcoeff-)与该控制电路(CT)之间连接一个整流器(RT)。
Description
优先权申明
本发明基于优先申请05300289.5，在此通过引用的方式包含其内容。
技术领域
本发明涉及电子领域，并且更特别地涉及一种使用可变系数信号对RF(射频)信号进行加权的模拟乘法器电路。
背景技术
高速的模拟乘法器经常用作高速的线性均衡器(LE)和/或判决反馈均衡器(DFE)的组成部分，以补偿在光传输线路中由光纤引起的畸变。这些乘法器用作可变增益放大器，并且必须在较宽的频率范围内保持线性。光传输线路的高速需求需要高速电子元件，其电路必须采用先进的半导体技术在这些技术的速度边界上进行设计。但是对LE或DFE来说，必须使RF(射频)信号的高频部分以及低频部分乘以相同系数或者权重。另一方面，用于对RF信号进行加权(衰减或者放大)的模拟乘法器的带宽在较低系数时快速减小或者在较高系数时增大且在高频具有增益峰值。
这种特性的原因是在较低系数输入电压时乘法器的输出节点存在寄生电容(参见图1中的Cpar)，以及对这些寄生电容进行充电和放电的渐减电流。渐减的系数输入电压导致输出电压减小，其原因是负载电阻R1和R2中的合成电流也在逐渐减小(iR1＝iQ0-iQ2)。通过减小输出电压的幅度可以减轻这种影响，但是带宽损失将更大。
一种众所周知的增加模拟乘法器带宽的可能方法是使用所谓的峰化电容(在图1中示出为电容C1)。
另外一种获得较高带宽的解决方案是使用补偿电路来补偿寄生电容，通过题目为“低噪声、高线性模拟乘法器(Low-noise，high-linearity analogue multiplier)”的欧洲专利EP 1450480 A1可以了解这种补偿电路。
然而，固定的峰化电容的值或者寄生电容的固定补偿与用于对模拟RF信号进行加权的可变系数无关。如果对较低系数使用该固定的解决方案以获得可接受的带宽，则在较高系数时的频率响应在高频处将具有无法接受的增益峰值(其将导致附加的相移)，或者在最坏情况下引起振荡。如果避免了在较高系数时的增益峰值，则在较低系数时带宽将会快速减小并且在高频处不能达到高线性。
因此，本发明的一个目的是提供一种在低系数时带宽不会减小并且在高频处可以获得RF信号的较高线性的模拟乘法器电路。
发明内容
通过一种提供基于输入系数电压的频率响应调整的模拟乘法器电路，可以实现这些目的和下文出现的其他目的。该乘法器包括一个具有RF输入和系数信号输入的乘法器单元，一个或者多个作为峰化电容的电容以及一个用于控制可变阻抗的控制电路，其中所述峰化电容的一个触点连接到该乘法器单元而另一触点连接到该可变阻抗，即MOS晶体管。该控制电路连接到该乘法器的系数信号输入。在四象限乘法器的情况下，在该乘法器的系数输入与该控制电路之间连接一个整流器。
由于系数输入电压对频率特性的控制，本发明改善了集成高速模拟乘法器的频率特性，以在较大系数范围内获得在高频处的高线性。
因此，利用本发明有可能采用工作于速度边界的半导体技术来获得所需的线性的频率范围。其优点是使用了较便宜的技术，或者是完成了通常用于特定传输比特率的设计任务。
此外，在乘法器中不需要额外的较高的电流消耗。与乘法器相比，附加的控制电路和整流器(假如有需要)只有可以忽略的电流消耗，原因是它们在直流或者很低频率系数变化下工作。
附图说明
现在，将参考附图描述本发明的优选实施例，在附图中：
图1示出了现有技术的乘法器电路的电路图；
图2以电路原理图示出了本发明的原理；
图3示出了根据本发明的乘法器电路的第一实施例；
图4a和4b示出了用于在图2的电路中使用的峰化滤波器；
图5示出了对图4的实施例的一种改进；
图6示出了对图5的实施例的一种改进；以及
图7示出了对图6的电路的一种实现。
具体实施方式
图1示出了一个基于众所周知的Gilbert(吉尔伯特)单元混频器的现有技术乘法器，在可以从www.rfic.co.uk检索到的J.P.Silver的文章“Gilbert单元混频器设计指南(Gilbert Cell Mixer Design Tutorial)”中作为例子描述了这种Gilbert单元混频器。将RF信号Vin+和Vin-施加到执行电压到电流转换的晶体管Q4和晶体管Q5。晶体管Q0-Q3构成乘法功能，使来自Q4和Q5的线性RF信号电流乘以通过提供切换功能的Q0-Q3施加的系数输入信号Vcoeff+和Vcoeff-。Q4和Q5提供+/-RF电流，Q0和Q3在+/-RF电流之间切换以向位于左侧的负载提供RF信号或者反向RF信号，而Q1和Q2在+/-RF电流之间切换以向位于右侧的负载提供RF信号或者反向RF信号。负载电阻R1和R2形成电流到电压的转换，提供差分输出信号Vout+和Vout-。偏置电路Io1和Io2用于设置模拟乘法器的工作点。在晶体管Q4和Q5之间连接峰化电容C1以增大乘法器单元的带宽并且平衡寄生电容Cpar的影响。
从该基本电路出发，本发明的一个基本思想是提供一种系数相关的峰化滤波器。该滤波器可以实现为固定电容和可变阻抗的串联。为了实现简单的集成，优选地采用MOS晶体管作为可变阻抗。用于调整可变阻抗的阻抗值的控制电路接收系数信号Vcoeff+和Vcoeff-作为输入。在图2中示意性地示出了这一点，其中基本乘法器单元MC(实现为上述类型的Gilbert单元)连接到频率响应调整电路FA，该频率响应调整电路FA接收系数输入信号Vcoeff+和Vcoeff-作为输入。频率响应调整电路FA用于基于实际的系数信号值动态地调整模拟乘法器的频率响应。采用这种简单方法，可以获得在较低系数时带宽的增大和在高频处RF信号的较高线性。
在图3中示出了本发明的第一实施例。第一峰化滤波器PF1耦合到晶体管Q4的发射极，第二峰化滤波器PF2耦合到晶体管Q5的发射极。峰化滤波器PF1和PF2都接地。峰化滤波器具有可调的频率响应，并且由公共控制电路CT控制，该公共控制电路CT接收系数信号输入Vcoeff+和Vcoeff-作为输入。
在图4a和4b中示出了峰化滤波器的一种实现。从原理上讲，如图4a所示的峰化滤波器包括峰化电容CP和可变阻抗RP。该阻抗由来自控制电路CT的控制信号ctrl控制。在操作中，针对较高的系数信号值该阻抗的阻抗值较高，针对较低的系数信号值该阻抗的阻抗值较低。为了结合集成电路技术，可以由例如图4b中示出的MOS晶体管MP来实现该可变阻抗。
对于需要模拟乘法器的完整的四象限功能(即负差分系数信号值和正差分系数信号值)的应用，优选的是在乘法器的系数信号输入Vcoeff+和Vcoeff-与控制电路CT之间连接一个整流电路RT。在图5中示出了这一点。
此外，在某些应用中证明比较有利的是，在乘法器的系数信号输入端提供Tanh-1电路TH以使系数信号输入线性化，原因是乘法器的系数信号输入需要在较小的电压时表现出非线性特性。在图6中示出了这一点。对于控制电路CR的控制来说，在Tanh-1电路TH之前使用线性的较高的电压信号是比较容易的。
可控的峰化滤波器PF1和PF2的功能如下：在较高的系数电压时，可控阻抗处于高阻态。因此串联的峰化电容的影响可以忽略不计。在较低的系数电压时，阻抗减小并且因此电容开始起作用。在最低的系数电压时，阻抗为最低值并且电容完全起作用。
图7示出了峰化滤波器的一种示例性的控制电路。控制电路包括：两个n-MOS晶体管M1和M2的差分放大级，p-MOS晶体管M3和M4的电流镜像级，以及负载阻抗R4。在M1和M2的基极处渐增的系数电压差Vcoeff+- Vcoeff-导致渐减的M2的漏电流，M2将该电流提供给p-MOS晶体管M3和M4。在M4中减小的镜电流导致负载电阻R4上的压降减小，并且因此导致峰化滤波器PF1和PF2的MOS晶体管Mp1和Mp2(其工作为可变阻抗)的基极电压减小。因为其较低的基极源电压，峰化滤波器PF1和PF2的MOS晶体管Mp1和Mp2进入高阻态。反之，渐减的系数电压差导致Mp1和Mp2的基极源电压减小，并且因此Mp1和Mp2进入低阻态，其增强了峰化电容Cp1和Cp2的效果。
系数电压差与Mp1和Mp2的基极源电压之间的关系可以由控制电路的传输特性，即增益的计算、电流镜像关系和负载阻抗来确定。
作为替代，也可以例如在差分放大级中使用p-FET晶体管或者双极性晶体管来实现控制电路。此外，在集成电路设计中，控制电路也可以设计为额外地执行在同一芯片中可能需要的其他系数相关的控制功能。
在上述实施例中，将阻抗R1和R2的阻值选择为60Ω，阻抗R3为75Ω，阻抗R4为23kΩ，峰化电容Cp1和Cp2的电容为90fF(飞法)，并且将恒流源Io1和Io2调整为5mA以及恒流源Io为200μA。然而，这些元件的选择依赖于所采用的半导体技术。在该实施例中，采用瞬时频率(transit frequency)为200GHz的快速双极性半导体技术实现晶体管Q0-Q5。
已经对本发明的优选的若干实施例进行了描述，应该注意，在不偏离本发明思想的情况下作出各种改型和置换对于本领域的普通技术人员是显而易见的。例如，图中将RF输入信号直接馈送给各输入导线。然而，可以在输入导线处配置附加的发射极跟随器(未示出)。例如，可以通过每个输入的两个输入跟随器分别给图中的各输入导线输入RF输入信号。
Claims (7)
1.一种模拟乘法器电路，其包括乘法器单元(MC)，该乘法器单元具有RF输入(Vin+，Vin-)和系数信号输入(Vcoeff+，Vcoeff-)，用于使用系数信号对RF信号进行加权，所述模拟乘法器电路的特征在于：
至少一个可变峰化滤波器(PF1，PF2)，其连接到所述乘法器单元(MC)；以及
控制电路(CT)，其连接到所述乘法器的所述系数信号输入(Vcoeff+，Vcoeff-)，用于基于所述输入系数信号控制所述峰化滤波器，从而减小所述峰化滤波器对所述系数信号输入中的较高系数电压值的影响。
2.根据权利要求1所述的模拟乘法器电路，其中所述可变峰化滤波器包括至少一个峰化电容和一个可变阻抗，其中所述峰化电容的一侧连接到所述乘法器单元，并且另一侧通过所述可变阻抗接地。
3.根据权利要求2所述的模拟乘法器电路，其中所述可变阻抗是MOS晶体管。
4.根据权利要求1所述的模拟乘法器电路，其中所述乘法器单元是Gilbert单元。
5.根据权利要求1所述的模拟乘法器电路，其中所述控制电路包括差分放大级，耦合到所述差分放大级的电流镜像级以及耦合到所述电流镜像级的负载电阻。
6.根据权利要求5所述的模拟乘法器电路，其中所述差分放大级包括两个n-MOS晶体管，并且其中所述电流镜像级包括两个p-MOS晶体管。
7.根据权利要求1所述的模拟乘法器电路，其中在所述乘法器单元的所述系数输入与所述峰化滤波器的所述控制电路之间配置整流器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120425 |