DE102009034602A1

DE102009034602A1 - Aufwärtskonvertierender Mischer mit Signalverarbeitung

Info

Publication number: DE102009034602A1
Application number: DE102009034602A
Authority: DE
Inventors: Dieter Draxelmayer; Zisan Zhang
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2008-08-05
Filing date: 2009-07-24
Publication date: 2010-02-11
Also published as: US8380157B2; US20100035571A1

Abstract

Systeme und Verfahren zum Implementieren eines aufwärtskonvertierenden Mischers mit Signalverarbeitung werden offenbart. Der aufwärtskonvertierende Mischer (204) moduliert ein Basisbandspannungssignal (102) mit einem Lokaloszillatorsignal (110) zum Erzeugen eines Hochfrequenzspannungssignals. Der aufwärtskonvertierende Mischer (204) konvertiert das Basisbandspannungssignal in ein Stromsignal und verarbeitet das Signal in der Stromdomäne. Verarbeiten des Signals kann ein Verstärken und Filtern des Stromsignals unter Benutzung von Stromverstärkern und stromartigen Filtern (302) umfassen. Das verarbeitende Stromsignal wird zu einem Hochfrequenzstromsignal moduliert, welches dann über eine Hochfrequenzlast (118) in das Hochfrequenzspannungssignal (112) konvertiert wird.

Description

In typischen drahtlosen Kommunikationssystemen wie Ultrabreitbandsystemen (UWB, vom Englischen „Ultra Wide-Band”), drahtlosen lokalen Netzwerken (WLAN, vom Englischn „wireless local area network”) und dergleichen wird ein Basisbandsignal prozessiert und zur Aufwärtskonvertierung des Basisbandsignals in ein Hochfrequenzsignal, auch als Radiofrequenz(RF)-Signal bezeichnet, mit einem Signal eines lokalen Osziallators gemischt. In herkömmlichen Implementierungen wird die Aufwärtskonvertierung des Basisbandsignals zu dem Hochfrequenzsignal in der Stromdomäne vorgenommen, d. h. mit Stromsignalen, während die Signalverarbeitung wie Verstärkung und Filtern in der Spannungsdomäne, d. h. mit Spannungssignalen, vorgenommen wird. Zudem sind bei klassischen Hochfrequenzsendern Schnittstellen zwischen Signalverabeitungsblöcken und Mischerblöcken ebenso in der Spannungsdomäne. Daher werden Umwandlungen des Basisbandsignals von der Spannungsdomäne in die Stromdomäne und umgekehrt üblicherweise mehrmals vorgenommen. Dies kann Rauschen, Störungen, Chipflächenbedarf und Leistungsaufnahme wesentlich vergrößern.
In letzter Zeit sind mehr und mehr im drahtlosen Kommunikationssystemen benutzte Hochfrequenztransceiver in VLSI (Very Large Scale Integration) oder sogar als Auf-Chip-System (SoC; „System-on-Chip”) gefertigt, und sie unterstützen einen Betrieb in mehreren Frequenzbändern und/oder gemäß mehreren Standards. Die Signalverabeitungsblöcke und eine Vielzahl von Hochfrequenzfrontendblöcken, welche Mischer umfassen, sind in einer VLSI-integrierten Schaltung (IC; Integrated Circuit) integriert. In vielen Fällen nehmen eine Vielzahl von Hochfrequenzfrontendblöcken eine große Fläche ein, und die Signalverarbeitungsblöcke müssen möglicherweise in geeigneter Weise von den Hochfrequenzfrontendblöcken zur passenden Layoutplanung separiert werden. Als Folge hiervon liefern die Signalverarbeitungsblöcke Signale an die Hochfrequenzfrontendblöcke über lange Leiterbahnen oder andere lange Verdrahtungen. Das hindurchgehende Signal durch diese langen Leiterbahnen kann Rauschen oder Störungen in die Schnittstellenknoten einkoppeln und bedingt eine hohe Leistungsaufnahme zum Treiben parasitärer Lasten der langen Leiterbahnen.
Demzufolge ist es eine Aufgabe der Erfindung, Mischer, Einrichtungen und Verfahren bereitzustellen, mit welchen dieses Problem abgemildert werden kann.
Diesbezüglich wird ein aufwärtskonvertierender Mischer gemäß Anspruch 1, eine Einrichtung gemäß Anspruch 10 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 18 bereitgestellt. Die abhängigen Ansprüche definieren weitere Ausführungsbeispiele.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. In den Figuren zeigt die am weitesten links stehende Ziffer eines Bezugszeichens die Figur an, in welcher das Bezugszeichen zum ersten Mal verwendet wird. Die gleichen Bezugszeichen werden in den Figuren benutzt, um auf gleiche oder ähnliche Merkmale und Komponenten hinzuweisen.
1 zeigt Beispiele für Blockdiagramme, welche einen Sendeabschnitt und einen aufwärtskonvertierenden Mischer in einer Kommunikationseinrichtung zeigen.
2 ist ein Blockdiagramm eines Beispiels für einen Sendeabschnitt einer Kommunikationseinrichtung mit einem aufwärtskonvertierenden Mischer, welcher signalverarbeitende Fähigkeiten aufweist.
3 ist ein Blockdiagramm, welches eine Hochspannungsversion eines aufwärtskonvertierenden Mischers mit Signalverarbeitungsfähigkeiten zeigt.
4 ist ein Schaltdiagramm, welches ein Beispiel für eine Hochspannungsversion eines aufwärtskonvertierenden Mischers mit Signalverarbeitungsfähigkeiten zeigt.
5 ist ein Blockdiagramm, welches ein Beispiel für eine Niederspannungsversion eines aufwärtskonvertierenden Mischers mit Signalverarbeitungsfähigkeiten zeigt.
6 ist ein Schaltungsdiagramm, welches ein Beispiel für eine Niederspannungsversion eines aufwärtskonvertierenden Mischers mit Signalverarbeitungsfähigkeiten zeigt.
7 sind Schaltdiagramme, welche Beispiele von Current-Mode-Filtern zeigen.
8 ist ein Flussdiagramm eines Beispiels für ein Verfahren zum Implementieren eines aufwärtskonvertierenden Mischers mit Signalverarbeitungsfähigkeiten.
Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele und Techniken zur Implementierung eines aufwärtskonvertierenden Mischers mit Signalverarbeitungsfähigkeiten dargestellt. Der aufwärtskonvertierende Mischer mit Signalverarbeitungsfähigkeiten kann in einen Hochfrequenz(RF; Radiofrequenz)-Sendeabschnitt von Kommunikationseinrichtungen wie beispielsweise Mobiltelefonen eingebaut sein. Die offenbarten Techniken können zudem sowohl für Entwürfe auf der Ebene integrierter Schaltungen (IC; „integrated circuit”) als auch auf der Ebene gedruckter Schalterplatten (PCB; „printed circuit board”) verwendet werden, um Rauscheinkopplungen, Chipfläche, Leistungsaufnahme und die Anzahl von in einer Schaltung verwendeten Komponenten zu verringern.
Bei einem Ausführungsbeispiel verarbeitet der aufwärtskonvertierende Mischer ein Basisbandsignal zusätzlich zu der Konvertierung des Basisbandsignals in ein Hochfrequenzsignal. Das Basisbandsignal wird in ein entsprechendes Stromsignal konvertiert, und das sich ergebende Stromsignal wird dann verarbeitet. Die Verarbeitung des Basisbandsignals umfasst eine Verstärkung und Filterung des im Basisbandsignal entsprechenden Stromsignals. Der aufwärtskonvertierende Mischer arbeitet auf dem Prinzip eines stromvertauschenden Mischers (englisch: „current commutating mixer”) zusammen mit einer Signalverarbeitung in der Stromdomäne. Nach der Verarbeitung wird das Basisbandsignal mit einem Lokaloszillator(LO)-Signal moduliert und in ein Hochfrequenzspannungssignal konvertiert.
Der aufwärtskonvertierende Mischer kann signalverarbeitende Komponenten auf dem Chip selber umfassen, was Chipfläche spart, die Leistungsaufnahme verringert und mehr Flexibilität bei der Layoutplanung ermöglicht. Weiterhin sind Schnittstellenknoten zwischen verschiedenen Komponenten bei Ausführungsbeispielen der Erfindung in der Stromdomäne und nicht so empfindlich wie Komponenten in der Spannungsdomäne. Faktoren wie Störungseinkopplung und parasitäre Lasteffekte von langen Leiterbahnen weisen zudem einen geringeren Einfluss auf die Schaltung auf.
Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele und beispielhafte Systeme, in welchen diese verwendet werden können, beschrieben. Die Reihenfolge, in welcher Blöcke derartiger Systeme in der folgenden Beschreibung angeführt werden, ist nicht als einschränkend auszulegen, und jegliche Anzahl der beschriebenen Systemblöcke kann innerhalb des technisch machbaren in jeder Reihenfolge kombiniert werden, um Systeme zu implementieren. Auch können bei manchen Ausführungsbeispielen Blöcke weggelassen werden, so dass die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Blöcken nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Blöcke zur Ausführung der Erfindung notwendig sind. Weiterhin ist zu beachten, dass die dargestellten Systeme in jeglicher geeigneten Hardware implementiert werden können, beispielsweise auf der Ebene integrierter Schaltungen oder gedruckter Schaltungen.
1 zeigt einen Hochfrequenzsendeabschnitt 100 einer Kommunikationseinrichtung. Der Hochfrequenzsendeabschnitt 100 empfängt ein Basisbandsignal 102 von einer Eingangsquelle wie beispielsweise einem Mikrofon. Der Hochfrequenzsendeabschnitt 100 umfasst Signalverarbeitungsblöcke wie ein Filter 104 und einen Verstärker 106 mit programmierbarer Verstärkung, und einen Mischer 108 mit Aufwärtskonvertierung. Das Filter 104 und der Verstärker 106 mit programmierbarer Verstärkung verarbeiten das Basisbandsignal 102. Das Basisbandsignal 102 wird dann in dem Mischer 108 mit Aufwärtskonvertierung mit einem Signal 110 eines lokalen Oszillators (LO-Signal) gemischt, um ein Hochfrequenzsignal 112 (Radiofrequenzsignal) zu erzeugen.
1 zeigt weiterhin einen typischen aufwärtskonvertierenden Mischer. Der aufwärtskonvertierende Mischer 108 kann ein stromkommutierender Mischer wie ein auf einer Gilbert-Zelle basierender Mischer sein. Der aufwärtskonvertierende Mischer 108 umfasst einen Transkonduktor 114, welcher das Basisbandsignal 102 in ein Stromsignal umwandelt. Das so erzeugte Basisbandstromsignal wird dann in das Hochfrequenzsignal in der Stromdomäne umgewandelt. Die Umwandlung wird über eine Schaltquad (englisch: „switching quad”) 116 durchgeführt, welche das Lokaloszillatorsignal 110 empfängt. Das Hochfrequenzstromsignal wird dann mittels einer Hochfrequenzlast 118 in die Spannungsdomäne konvertiert.
2 zeigt den Sendeabschnitt 200 einer drahtlosen Kommunikationseinrichtung. Der Sendeabschnitt 200 empfängt ein Basisbandeingangssignal 202.
Bei einer Implementierung kann das Basisbandeingangssignal 202 ein Audiosignal, ein Videosignal, ein Datenstrom oder dergleichen sein. Das Basisbandeingangssignal 202 kann von einer elektronischen Einrichtung wie einem Mikrofon, einer Recheneinrichtung oder dergleichen empfangen werden. Wenn das Basisbandeingangssignal 202 in einem analogen Format vorliegt (als Basisbandsignal 102 bezeichnet), wird es direkt einem Mischer mit Signalverarbeitung 204 zugeführt, welcher im Folgenden einfach als Mischer 204 bezeichnet wird.
Bei einer Implementierung wird das Basisbandeingangssignal 202, wenn es in digitalem Format vorliegt, vor jeglicher weiteren Verarbeitung in ein Analogsignal umgewandelt. Ein Digital-Analog-Wandler (D/A-Wandler) 206 konvertiert das Basisbandeingangssignal 204 in ein entsprechendes Analogsignal. Der D/A-Wandler 206 kann jede bekannte Art von D/A-Wandler sein. Das so umgewandelte Basisbandeingangssignal 202 wird als Spannungsbasisbandsignal oder einfach Basisbandsignal (VBB-Signal) 102 bezeichnet. Das Basisbandsignal 102 wird dann dem Mischer 204 zugeführt.
Der Mischer 204 moduliert das Basisbandsignal 102 in ein Hochfrequenzsignal. Bei einer Implementierung kann der Mischer 204 ein aufwärtskonvertierender Mischer mit Signalverarbeitungsfähigkeiten sein. Der Mischer 204 konvertiert das Basisbandsignal 102 in ein Stromsignal, bevor er das Basisbandsignal 102 verarbeitet. Der Mischer 204 umfasst einen oder mehrere Stromverstärker und stromartige, d. h. in der Stromdomäne arbeitende Filter, zum Beispiel so genannte Current-Mode-Filter um das Stromsignal zu verstärken und zu filtern. Nach dem Verstärken und Filtern des Stromsignals moduliert der Mischer 204 das Stromsignal in ein Hochfrequenzstromsignal unter Benutzung des Lokaloszillatorsignals 110. Das Hochfrequenzstromsignal wird über eine Hochfrequenzlast in ein Hochfrequenzspannungssignal, auch als Hochfrequenzsignal 112 bezeichnet, konvertiert.
Das Hochfrequenzsignal 112 wird weiter einem Leistungsverstärker 208 zugeführt. Der Leistungsverstärker 208 verstärkt das Hochfrequenzsignal 112 und verstärkt dessen Ausgangsleistung. Das Hochfrequenzsignal 112 wird dann über eine Antenne 210 übertragen.
3 zeigt ein Beispiel für eine Hochspannungsversion eines Mischers mit Signalverarbeitung. In der folgenden Beschreibung sind die Komponenten, welche 3 mit den vorhergehenden Figuren gemeinsam hat, mit den gleichen Namen und Bezugszeichen gekennzeichnet.
Das von einer Eingangsquelle empfangene Basisbandsignal 102 wird einem programmierbaren Transkonduktor 300 zugeführt. Der programmierbare Transkonduktor 300 konvertiert das Basisbandsignal 102 in ein Stromsignal. Die Transkonduktanz des programmierbaren Transkonduktors 300 kann eingestellt werden, um ein gefordertes Spannungs-/Stromwandlungsverhältnis zu erhalten. Bei einem Ausführungsbeispiel kann ein Differenzverstärker mit variablem Widerstand als programmierbarer Transkonduktor 300 verwendet werden. Das von dem programmierbaren Transkonduktor 300 erzeugte Stromsignal wird dann einem stromartigen Filter (englisch: „current mode filter”) 302 zugeführt.
Das stromartige Filter 302 kann ein elektronisches Filter sein, welches ein Stromsignal filtert, um Störungen oder unerwünschte Signale aus dem Stromsignal zu entfernen. Das stromartige Filter kann ein aktives Filter oder ein passives Filter sein. Bei einer Implementierung kann das stromartige Filter unter Benutzung eines intrinsischen Filters zweiter Ordnung von einer geregelten Kaskode, wie herkömmlicherweise bekannt, implementiert sein. Das gefilterte Stromsignal wird dann einer Schaltquad 116 zugeführt.
In der Schaltquad 116 wird das Stromsignal mit dem Lokaloszillatorsignal 110 gemischt, um ein Hochfrequenzsignal in der Stromdomäne zu erzeugen. Die Schaltquad 116 empfängt das Lokaloszillatorsignal 110 und moduliert das Stromsignal entsprechend dem Lokaloszillatorsignal 110. Das Lokaloszillatorsignal 110 kann von einem Lokaloszillatorsignalerzeugungsblock (nicht gezeigt) erzeugt werden. Die Schaltquad 116 kann durch Benutzung zweier kreuzweise gekoppelter differentieller Paare von Transistoren implementiert werden. Das so erhaltene Hochfrequenzstromsignal wird dann an die Hochfrequenzlast 118 gesendet. Die Hochfrequenzlast 118 konvertiert das Hochfrequenzstromsignal in das Hochfrequenzspannungssignal 112. Die Hochfrequenzlast 118 kann eine resistive Last oder eine induktive Last sein.
4 zeigt ein Beispiel für eine Schaltung 400 für eine Hochspannungsversion des Mischers 204. Das Schaltungsdiagramm ist dazu beabsichtigt, das Konzept für die Hochspannungsversion des Mischers 204 auf einer elementaren Ebene zu erläutern, und die Anzahl und die Art der elektronischen Komponenten, welche in dem Schaltungsdiagramm dargestellt sind, schränken die Möglichkeiten für die Realisierung des Mischers 204 nicht ein. In der folgenden Beschreibung werden die Komponenten, welche mit vorhergehenden Figuren gemeinsam sind, mit den gleichen Namen und Bezugszeichen bezeichnet.
Die Schaltung 400 für eine Hochspannungsversion des Mischers 204 umfasst elektronische Komponenten wie Transistoren, Stromquellen, Widerstände, Spannungsversorgungen und dergleichen. In einer Implementierung ist die Stromversorgungsspannung für die Hochspannungsversion in der Lage, vier oder mehr gestapelte Transistoren und/oder Widerstände zwischen Stromversorgungsschienen bzw. Stromversorgungsleitungen zu unterstützen.
Die Schaltung 400 umfasst einen programmierbaren Transkonduktor, welcher über ein differentielles Paar von Transistoren mit einem n-Kanal MOSFET 402-1 und einem n-Kanal MOSFET 402-2, im Folgenden als nMOS 402-1 bzw. 402-2 bezeichnet, einem variablen Widerstand 404 und Stromquellen 406-1 und 406-2 realisiert ist. In anderen Implementierungen können andere Arten von Transistoren wie Bipolar-Junction-Transistoren (BJT) ebenso statt der MOSFETs verwendet werden. Der Differenzverstärker empfängt das Basisbandsignal 102 als Eingangssignal an den Gate-Anschlüssen der nMOS 402-1 und 402-2. Der nMOS 402-1 empfängt das Basisbandsignal 102 mit positiver Polarität, im Folgenden als VBB+-Signal 102-P bezeichnet, während der nMOS 402-2 das Basisbandsignal 102 mit negativer Polarität, im Folgenden als VBB–-Signal 102-N bezeichnet empfängt. Das differentielle Paar von Transistoren wandelt das VBB+-Signal 102-P und das VBB–-Signal 102-N in entsprechende Stromsignale. Der variable Widerstand 404, welcher mit Source-Anschlüssen des nMOS 402-1 und des nMOS 402-2 verbunden ist, kann eingestellt werden, die effektive Transkonduktanz des Spannungs-Stromwandler, welcher durch den programmierbaren Transkonduktor gebildet wird, zu vergrößern oder zu verringern. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann ein Transistor oder eine schaltbare Widerstandsanordnung anstelle des variablen Widerstands 404 verwendet werden. Die so erzeugten Stromsignale werden dann als Eingangssignal den stromartigen Filtern 302 zugeführt.
Die stromartigen Filter 302 filtern die Stromsignale, um Störungen oder unerwünschte Signale zu entfernen. Im Stand der Technik bekannte aktive oder passive stromartige Filter können zum Filtern der Stromsignale verwendet werden. Bei einer Implementierung können die stromartigen Filter implementiert werden, indem stromartige Doppelquadfilter genutzt werden, welche wie dargestellt durch n-Kanal MOSFETs 402-3 bis 402-6 und Stromquellen 406-3 und 406-4 realisiert werden. Die stromartigen Filter 302 werden unten detailliert beschrieben. Die gefilterten Stromsignale werden dann der Schaltquad 116 zugeführt.
Die Schaltquad 116 moduliert die Stromsignale mit Hilfe des Lokaloszillatorsignals 110 zu einem Hochfrequenzstromsignal. In einer Implementierung wirken zwei kreuzgekoppelte differentielle Paare von Transistoren als Schaltquad 116. Die differentiellen Paare können unter Benutzung von n-Kanal MOSFETs 402-7 bis 402-10 realisiert werden. Bei anderen Ausführungsbeispielen können andere Arten von Transistoren wie Bipolar- Junction-Transistoren ebenso benutzt werden, um ein differentielles Paar zu realisieren. Source-Anschlüsse der nMOS 402-7 und 402-10 empfangen die Stromsignale. Gate-Anschlüsse der nMOS 402-7 und 402-10 empfangen das Lokaloszillatorsignal 110 mit positiver Polarität, im Folgenden als LO+-Signal 110-P bezeichnet, während Gate-Anschlüsse der nMOS 402-8 und 402-9 das Lokaloszillatorsignal 110 mit negativer Polarität, als LO–-Signal 110-N bezeichnet, empfangen.
Die nMOS 402-7 bis 402-10 weisen eine Multiplikationsfunktion auf, wobei sie die Basisbandsignale von den nMOS 402-1 und 402-2 mit dem Lokaloszillatorsignal 110 mischen. Die nMOS 402-7 und 402-9 schalten zwischen sich um, um ein Hochfrequenzstromsignal mit positiver Polarität für eine Hochfrequenzlast 408-1 bereitzustellen, während die nMOS 402-8 und 402-10 zwischen sich umschalten, um ein Hochfrequenzstromsignal mit negativer Polarität für eine Hochfrequenzlast 408-2 bereitzustellen.
Die Hochfrequenzlasten 408-1 und 408-2, gemeinsam als Hochfrequenzlast 408 bezeichnet, implementieren die Hochfrequenzlast 118 und wandeln die Hochfrequenzstromsignale in Hochfrequenzspannungssignale RF 112-P bzw. RF 112-N um. Bei einer Implementierung kann die Hochfrequenzlast 408 entweder eine resistive Last oder eine induktive Last sein.
Die elektronischen Komponenten und die Stromquellen in der Schaltung 100 werden über eine Leistungsversorgungsspannung 410 mit Leistung versorgt. Die Leistungsversorgungsspannung 410 kann von einer Gleichspannungsquelle gespeist werden, welche von einem Akkumulator oder einer anderen Gleichspannungsquelle herrührt.
5 zeigt eine Implementierung einer Niedrigspannungsversion des Mischers 204. In der folgenden Beschreibung werden Komponenten, welche mit den vorherigen Figuren gemeinsam sind, mit dem gleichen und gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Das von einer Eingangsquelle empfangene Basisbandsignal 102 wird einem programmierbaren Transkonduktor 300 zugeführt. Der programmierbare Transkonduktor 300 verstärkt das Basisbandsignal 102 und wandelt es in ein Stromsignal um. Die effektive Transkonduktanz des programmierbaren Transkonduktors 300 kann eingestellt werden, um ein gefordertes Spannungs-/Stromumwandlungsverhältnis zu erreichen. Ein differentielles Paar (zum Beispiel von Transistoren) mit einem einstellbaren Sourceentartungswiderstand kann als programmierbarer Transkonduktor 300 verwendet werden. Das so erzeugte Stromsignal wird dann einem oder mehreren Stromverstärkern 502-1 zugeführt. Die ein oder mehreren Stromverstärker 502-1 verstärken das Stromsignal gemäß den Erfordernissen. Stromspiegel können benutzt werden, um die ein oder mehreren Stromverstärker 502-1 zu implementieren. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel können Stromrückkopplungsoperationsverstärker als die ein oder mehreren Stromverstärker 502-1 benutzt werden. Das verstärkte Stromsignal kann dann dem stromartigen Filter 302 zugeführt werden.
Das stromartige Filter 302 kann ein elektronisches Filter sein, welches ein Stromsignal filtert, um Störungen oder jegliche unerwünschten Signale aus dem Stromsignal zu entfernen. Das stromartige Filter 302 kann ein aktives Filter oder ein passives Filter sein. Bei einer Implementierung kann das stromartige Filter unter Benutzung eines intrinsischen Filters zweiter Ordnung von einer geregelten Kaskode implementiert sein. Das gefilterte Stromsignal kann weiter unter Benutzung von ein oder mehreren Stromverstärkern 502-2 verstärkt werden. Danach wird das Stromsignal einer Schaltquad 116 zugeführt.
In der Schaltquad 116 wird das Basisbandsignal mit einem Lokaloszillatorsignal 110 gemischt, um ein Hochfrequenzstromsignal zu erzeugen. Die Schaltquad 116 empfängt das Lokaloszillatorsignal 110 und moduliert das Stromsignal entsprechend dem Lokaloszillatorsignal 110. Das Lokaloszillatorsignal 110 kann durch einen Lokaloszillatorsignalerzeugungsblock erzeugt werden. Die Schaltquad 116 kann unter Benutzung von zwei kreuzgekoppelten differentiellen Paaren, beispielsweise differentiellen Transistorpaaren, implementiert werden. Das so erzeugte Hochfrequenzstromsignal wird dann an eine Hochfrequenzlast 118 gesendet. Die Hochfrequenzlast 118 wandelt das Hochfrequenzstromsignal in ein Hochfrequenzspannungssignal 112 um. Die Hochfrequenzlast 118 kann entweder eine resistive Last oder eine induktive Last sein.
6 zeigt ein Beispiel für eine Schaltung 600 für eine Niedrigspannungsversion des Mischers 204. Das Schaltungsdiagramm ist dazu gedacht, das Konzept für die Niedrigspannungsversion des Mischers 204 auf einer elementaren Ebene zu erläutern, und die Anzahl und Art von in dem Schaltungsdiagramm dargestellten elektronischen Komponenten begrenzen die Realisierungsmöglichkeiten des Mischers 204 nicht. Bei der folgenden Beschreibung werden die mit vorherigen Figuren gemeinsamen Komponenten mit den gleichen Namen und Bezugszeichen bezeichnet.
Die Schaltung 600 für eine Niedrigspannungsversion des Mischers 204 umfasst elektronische Komponenten wie Transistoren, Stromquellen, Widerstände, eine Spannungsversorgung und dergleichen. Bei einer Implementierung ist die Leistungsversorgungsspannung lediglich in der Lage, ein Maximum von drei gestapelten Transistoren zwischen den Stromversorgungsschienen oder Stromversorgungsleitungen zu unterstützen.
In der Schaltung 600 ist der programmierbare Transkonduktor 300 über ein differentielles Paar von Transistoren realisiert, welches n-Kanal MOSFET 602-1 und 602-2 umfasst, wobei n-Kanal MOSFETs wie bereits oben generell mit nMOS abgekürzt werden. Weiterhin umfasst die programmierbare Transkonduktanz 300 einen variablen Widerstand 604 und Stromquellen 606-1 und 606-2. In anderen Ausführungsbeispielen können andere Arten von Transistoren wie Bipolar-Junction-Transistoren statt der MOSFETs benutzt werden. Das Basisbandsignal 102 wird als Eingangssignal Gate-Anschlüssen der nMOS 602-1 und 602-2 zugeführt. Dabei empfängt der nMOS 602-1 das Basisbandsignal 102 mit positiver Polarität, auch als VBB+-Signal 102-P bezeichnet, während der nMOS 602-2 das Basisbandsignal 102 mit negativer Polarität, auch als VBB–-Signal 102-N bezeichnet.
Das differentielle Paar von Transistoren wandelt das VBB+-Signal 102-P und das VBB–-Signal 102-N in entsprechende Stromsignale um. Der mit Source-Anschlüssen der nMOS 602-1 und 602-2 verbundene variable Widerstand 604 kann eingestellt werden, die effektive Transkonduktanz des programmierbaren Transkonduktors zu vergrößern oder zu verringern. Bei einem Ausführungsbeispiel kann anstelle des variablen Widerstands 604 ein als variabler Widerstand benutzter Transistor oder eine schaltbare Widerstandsanordnung benutzt werden. Die so erhaltenen Stromsignale werden dann einem oder mehreren Stromverstärkern 502-1 zugeführt.
Die ein oder mehreren Stromverstärker 502-1 können unter Benutzung von programmierbaren Stromspiegeln oder stromrückgekoppelten Operationsverstärkern realisiert werden. Bei einer Implementierung kann das von dem nMOS 602-1 empfangene Stromsignal einem mit p-Kanal MOSFETs (pMOS) 608-1 und 608-2 realisierten Stromspiegel zugeführt werden. Das Stromsignal von dem nMOS 602-2 kann entsprechend einem mit pMOS 608-3 und 608-4 realisierten Stromspiegel zugeführt werden. Die Stromspiegel verstärken das Eingangsstromsignal in Abhängigkeit von dem Stromspiegelverhältnis der Stromspiegel pMOS 608-1 zu 608-2 und pMOS 608-3 zu 608-4. Bei anderen Ausführungsbeispielen können nMOS-Stromspiegel statt pMOS-Stromspiegel verwendet werden. Nach der Verstärkung können die Stromsignale stromartigen Filtern 302 zugeführt werden.
Bei einer Implementierung können die stromartigen Filter 302 unter Benutzung von stromartigen Doppelquadfiltern implemen tiert sein, welche unter Benutzung von pMOS 608-5 bis pMOS 608-8 und Stromquellen 606-3 und 606-4 realisiert sind. Die stromartigen Filter 302 filtern die Stromsignale, um Störungen oder unerwünschte Signale zu entfernen. Aktive oder passive stromartige Filter, welche im Stand der Technik bekannt sind, können zum Filtern der Stromsignale verwendet werden. Die stromartigen Filter werden unten weiter erläutert. Die gefilterten Stromsignale können weiter unter Benutzung von ein oder mehreren Stromverstärkern 502-2 verstärkt werden.
Bei einer Implementierung werden die gefilterten Stromsignale Stromspiegeln zugeführt, welche mit Hilfe von pMOS 608-5 bis 608-8 realisiert sind. Die verstärkten Stromsignale können dann einer Schaltquad 116 zugeführt werden.
Bei einer Implementierung werden zwei kreuzgekoppelte differentielle Paare mit verbundenen Gate-Anschlüssen als Schaltquad 116 verwendet. Die differentiellen Paare können unter Benutzung von nMOS 602-7 bis 602-10 realisiert sein. Bei anderen Ausführungsbeispielen können andere Arten von Transistoren wie Bipolar-Junction-Transistoren benutzt werden, die differentiellen Paare zu realisieren. Source-Anschlüsse der nMOS 602-7 bis 602-10 empfangen die Stromsignale. Die Gate-Anschlüsse der nMOS 602-7 und 602-10 empfangen das Lokaloszillatorsignal 110 mit positiver Polarität, als LO+-Signal 110-P bezeichnet, während Gate-Anschlüsse der nMOS 602-8 und 608-9 das Lokaloszillatorsignal 110 mit negativer Polarität, als LO–-Signal 110-N bezeichnet, empfangen.
Die nMOS 602-7 bis 602-10 weisen eine Multiplikationsfunktion auf und multiplizieren die Stromsignale mit dem Lokaloszillatorsignal 110. Die nMOS 602-7 und 602-10 schalten zwischen sich um, um ein Hochfrequenzstromsignal mit positiver Polarität für eine Hochfrequenzlast 610-1 bereitzustellen, während die nMOS 602-8 und 602-9 zwischen sich umschalten, um ein Hochfrequenzstromsignal mit negativer Polarität für eine Hochfrequenzlast 610-2 bereitzustellen. Daher werden die Stromsignale auf Hochfrequenzstromsignale unter Benutzung des Lokaloszillatorsignals 110 auf Hochfrequenzsignale moduliert, und die Hochfrequenzstromsignale werden dann an die Hochfrequenzlasten 610 gesendet.
Bei den Hochfrequenzlasten 610-1 und 610-2, welche gemeinsam als Hochfrequenzlast 610 bezeichnet werden, werden die Hochfrequenzstromsignale in Hochfrequenzspannungssignale RF 112-P bzw. RF 112-N umgewandelt. Bei einer Implementierung kann die Hochfrequenzlast 610 entweder eine resistive Last oder eine induktive Last sein.
Die elektronischen Komponenten und die Stromquellen in der Schaltung 600 werden über eine Leistungsversorgungsspannung 612 mit Leistung versorgt. Die Leistungsversorgungsspannung 612 kann auch mit einer Gleichstromquelle erhalten werden, beispielsweise auf Basis eines Akkumulators oder einer anderen Gleichspannungsquelle.
7 zeigt eine beispielhafte Implementierung des stromartigen Filters 302. Bei einer Implementierung kann das stromartige Filter 302 durch ein stromartiges Doppelquadfilter 700 implementiert werden. Das stromartige Doppelquadfilter 700 kann unter Benutzung von nMOS 702-1 und 702-2 und Stromquellen 704-1, 704-2 und 704-3 realisiert werden. Ein Stromsignal 706 kann einem Gate-Anschluss des nMOS 702-1 zugeführt werden. Das stromartige Doppelquadfilter 700 kann ein Tiefpassfilter zweiter Ordnung unter Benutzung der nMOS 702-1 und 702-2 mit parasitärer Gate-Source-Kapazität sein; bei anderen Implementierungen können lineare Kondensatoren hoher Qualität benutzt werden. Das Basisbandstromsignal 706 kann damit in der Stromdomäne gefiltert werden, was ein gefiltertes Signal 707 erzeugt.
Die elektronischen Komponenten und die Stromquellen in der Schaltung 700 werden über eine Leistungsversorgungsspannung 706 mit Leistung versorgt. Die Leistungsversorgungsspannung 708 kann eine Gleichspannungsversorgung basierend auf einem Akkumulator oder einer anderen Gleichspannungsquelle sein.
7 zeigt auch noch eine andere beispielhafte Implementierung des stromartigen Filters 302. Das stromartige Filter 302 kann als Filter 710 implementiert sein. Das Filter 710 kann unter Benutzung von Transkonduktanzoperationsverstärkern (OTA; vom Englischen „operational transconductance amplifier”), welche mit den Bezugszeichen 712-1 und 712-2 bezeichnet sind, Kondensatoren 714-1 und 714-2 und Ausgangswiderständen 716-1 und 716-2 realisiert werden. Das Filter 710 filtert das Eingangsstromsignal 706 in einer ähnlichen Weise wie die Schaltung 700 und erzeugt so das gefilterte Signal 707.
8 zeigt ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Implementieren eines aufwärtskonvertierenden Mischers mit Signalverarbeitung. Die Reihenfolge, in welcher verschiedene Vorgänge des Verfahrens beschrieben sind, ist nicht als einschränkend zu verstehen, und die beschriebenen Vorgänge und Blöcke können auch in anderer Reihenfolge kombiniert werden. Zudem können manche Vorgänge in anderen Ausführungsbeispielen weggelassen sein.
Bei Block 802 wird ein Basisbandspannungsignal als Eingang für eine Aufwärtskonvertierung empfangen. Bei einer Implementierung empfängt ein Sendeabschnitt einer Kommunikationseinrichtung, wie beispielsweise eines Mobiltelefons, das Eingangssignal 202. Das Eingangssignal 202 wird verarbeitet und dann dem aufwärtskonvertierenden Mischer 204 als Basisbandsignal 102 zugeführt. Danach wird das Basisbandsignal 102 durch den Mischer 204 in ein Hochfrequenzsignal aufwärtskonvertiert.
Bei Block 804 wird das Basisbandspannungssignal in ein Basisbandstromsignal gewandelt. Bei einer Implementierung wird das Basisbandsignal 102 durch den in dem Mischer 204 enthaltenen programmierbaren Transkonduktor 300 in das Stromsignal umgewandelt. Die Transkonduktanz des programmierbaren Transkonduktors 300 kann eingestellt werden, um ein gefordertes Spannungs-/Stromwandlungsverhältnis zu erhalten. Ein differentielles Paar von Transistoren mit einem variablen Widerstand kann als programmierbarer Transkonduktor 300 verwendet werden.
Bei Block 806 wird das Basisbandstromsignal verstärkt und gefiltert. Bei einer Implementierung kann das Basisbandstromsignal unter Benutzung einer oder mehrerer Stromverstärker verstärkt werden. Beispielsweise können die bereits beschriebenen Stromverstärker 502-1 das Basisbandstromsignal je nach den Bedürfnissen verstärken. Stromspiegel können wie beschrieben zur Implementierung der Stromverstärker 502-1 verwendet werden. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel können stromrückgekoppelte Operationsverstärker als Stromverstärker 502-1 verwendet werden. Das verstärkte Basisbandstromsignal kann dann dem stromartigen Filter 302 zugeführt werden.
Das stromartige Filter 302 kann ein elektronisches Filter sein, welches das Basisbandstromsignal filtert, um Störungen oder jegliche unerwünschte Signale aus dem Basisbandstromsignal zu entfernen. Das stromartige Filter 302 kann ein aktives Filter oder ein passives Filter sein. Bei einer Implementierung kann das stromartige Filter unter Benutzung eines intrinsischen Filters zweiter Ordnung von einer geregelte Kaskode wie im Stand der Technik bekannt, realisiert werden.
Bei Block 808 wird das Basisbandstromsignal in ein Hochfrequenzstromsignal moduliert. Bei einer Implementierung wird nach der Verstärkung und Filterung das Basisbandstromsignal der bereits beschriebenen Schaltquad 116 zugeführt. Bei der Schaltquad 116 wird das Basisbandstromsignal mit einem Lokaloszillatorsignal 110 gemischt, um ein Hochfrequenzstromsignal zu erzeugen. Der Schaltquad 116 empfängt das Lokaloszillatorsignal 110 und moduliert das Basisbandstromsignal gemäß dem Lokaloszillatorsignal 110. Das Lokaloszillatorsignal 110 kann von einem Lokaloszillatorerzeugungsblock erzeugt werden. Die Schaltquad 116 kann unter Benutzung eines kreuzgekoppelten differentiellen von Transistoren implementiert werden.
Bei einem Block 810 wird das Hochfrequenzstromsignal in ein Hochfrequenzspannungssignal konvertiert. Bei einer Implementierung wird das Hochfrequenzstromsignal wie beschrieben zu der Hochfrequenzlast 116 geschickt, wo es in ein Hochfrequenzspannungssignal 112 konvertiert wird. Die Hochfrequenzlast 118 kann ein variabler Widerstand oder eine Induktivität sein.
Obwohl obenstehend spezielle Ausführungsbeispiele eines aufwärtskonvertierenden Mischers mit Signalverarbeitung beschrieben wurde, ist zu verstehen, dass diese nur als Beispiel dienen und somit nicht als den Bereich der Erfindung einschränkend auszulegen sind.

Claims

Aufwärtskonvertierender Mischer (204) mit Signalverarbeitungsfähigkeiten, umfassend: einen Transkonduktor (300) zum Konvertieren eines Basisbandsignals (102) in ein Basisbandstromsignal, ein stromartiges Filter (302) zum Filtern des Basisbandstromsignals, eine Schaltquad (116) zum Empfangen des gefilterten Basisbandstromsignals, zum Mischen des gefilterten Basisbandstromsignals mit einem Lokaloszillatorsignal (110) und zum Erzeugen eines Hochfrequenzsignals in der Stromdomäne, und eine Hochfrequenzlast (118) zum Umwandeln des Hochfrequenzsignals in der Stromdomäne in ein Hochfrequenzspannungssignal (112).
Aufwärtskonvertierender Mischer (204) nach Anspruch 1, wobei der Transkonduktor ein programmierbarer Transkonduktor ist, welcher durch ein differentielles Paar von MOSFETs (402-1, 402-2; 602-1, 602-2) implementiert ist.
Aufwärtskonvertierender Mischer (204) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Transkonduktor einstellbar ist, um eine gewünschte Transkonduktanz zu erhalten.
Aufwärtskonvertierender Mischer (204) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Transkonduktor ein differentielles Paar von Transistoren (602-1; 602-2) und einen programmierbaren Sourceentartungswiderstand (604) umfasst.
Aufwärtskonvertierender Mischer (204) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Schaltquad zwei kreuzgekoppelte differentielle Paare (402-7–402-10; 602-7–602-10) umfasst.
Aufwärtskonvertierender Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Lokaloszillatorsignal (110) durch eine Lokaloszillatorsignalerzeugungsschaltung erzeugt wird.
Aufwärtskonvertierender Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Hochfrequenzlast ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend eine resistive Last, eine MOSFET-Last oder eine induktive Last.
Aufwärtskonvertierender Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, weiter umfassend ein stromartiges Filter, welches Störungen aus dem Basisbandstromsignal herausfiltert.
Aufwärtskonvertierender Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, weiter umfassend einen oder mehrere Stromverstärker, welche das gefilterte Strombasisbandsignal verstärken.
Einrichtung zum Implementieren eines aufwärtskonvertierenden Mischers (204) mit Signalverarbeitungsfähigkeiten, umfassend: einen programmierbaren Transkonduktor (300) zum Konvertieren eines Basisbandsignals (102) in ein Basisbandstromsignal, ein stromartiges Filter (302) zum Filtern des Basisbandstromsignals, und eine Komponente zum Mischen des gefilterten Basisbandstromsignals mit einem lokalen Oszillator.
Einrichtung nach Anspruch 10, wobei der Transkonduktor als differentielles Paar von einem von Transistoren mit einem variablen Source-Entartungswiderstand implementiert ist.
Einrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Komponente eine Schaltquad (116) umfasst, welche das Stromsignal empfängt.
Einrichtung nach Anspruch 12, wobei die Schaltquad zwei kreuzgekoppelte differentielle Paare von Transistoren umfasst.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Komponente einen oder mehrere stromartige Filter umfasst, welche Störungen aus dem Basisbandstromsignal herausfiltern.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die Komponente einen programmierbaren Stromverstärkerblock umfasst, welche die Basisbandsignalstärke modifiziert.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei die Komponente eine Hochfrequenzlast umfasst, welche das Stromsignal in ein Spannungssignal wandelt.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, wobei die Komponente ein stromartiges Filter umfasst, welches ein Filter zweiter Ordnung einer geregelten Kaskode ist.
Verfahren zum Aufwärtskonvertieren eines Basisbandsignals mit Signalverarbeitung, umfassend: Umwandeln des Basisbandsignals in ein Basisbandstromsignal, Verstärken des Basisbandstromsignals und Modulieren des Basisbandstromsignals mit einem Lokaloszillatorsignal zu einem Hochfrequenzsignal.
Verfahren nach Anspruch 18, weiter umfassend Filtern des Basisbandstromsignals.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, weiter umfassend Verarbeiten des Hochfrequenzsignals in ein Hochfrequenzspannungssignal.