DE3038995A1

DE3038995A1 - Balanced mixer for radio receiver - reduces distortion in modulator over wide range of signal amplitudes using emitter-coupled transistor pairs

Info

Publication number: DE3038995A1
Application number: DE19803038995
Authority: DE
Inventors: Masahi Katano Osaka Kanno; Junji Neyagawa Osaka Suzuki; Kenzo Katano Osaka Tanabe
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1979-10-16
Filing date: 1980-10-15
Publication date: 1981-05-14
Also published as: JPS6243561B2; CA1155927A; JPS5657313A

Abstract

The mixer has a transistorised doubly-balanced modulator with a number of emitter-coupled transistor pairs. The quiescent current in the balanced modulator is made to increase as the input signal's amplitude increases. The signal being mixed with the input signal and applied to the balanced modulator is made to decrease as the input signal's amplitude increases so that the resulting distortion in the modulator is reduced over a broad range of input signal amplitudes. The mixer is for use in a receiver and its balanced modulator is connected to the antenna and to a local oscillator. The modulator is controlled by the output of an IF amplitude detector.

Description

Symmetrische Mischschalt.lng Symmetrical mixing circuit lng

Die vorliegende Erfindung betrifft einen symmetrischen Mischer für die Uberlagerungsstufe im Eingang eines Signalempfängers.The present invention relates to a balanced mixer for the superimposition stage in the input of a signal receiver.

Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, einen doppeltsymmetrischen Modulator anzugeben, der geringere Kreuzmodulations-und Intermodulationsverzerrungen innerhalb eines breiten Bereiches der Empfängereingangsspannungen sowie ein niedriges Rauschen bei geringen Eingangsspannungen aufweist.It is the aim of the present invention to provide a doubly symmetric Modulator indicate the lower cross-modulation and intermodulation distortion within a wide range of receiver input voltages as well as a low one Has noise at low input voltages.

Die Fig. 1 zeigt einen bekannten doppeltsymmetrischen Modulator, in dem die Transistoren Q1' Q2 und Q3, Q4 über die Transistoren Q5 bzw. Q6 emittergekoppelte Transistorpärchen jeweils als Grundeinheit des doppeltsymmetrischen Mischers darstellen. Die Transistoren Q7, Q8 sind Konstantstromquellen für die Transistoren Q5, Q6 und die Stromwerte der Transistoren Q7, Q8 ergeben sich aus dem Strom einer Diode D1 als Stromspiegel. Die Widerstände R1, R2 und R3 stabilisieren die Funktion der Stromspiegelschaltung. Die Anschlüsse 1, 2 sind der symmetrische Eingang, an den üblicherweise das Zumischsignal symmetrisch gelegt wird; an den Anschlüssen 3, 4 liegt symmetrisch das Eingangssignal, während am Anschluß 5 über einen externen Widerstand die Betriebsspannungsquelle liegt, mit der der Vorstrom des Transistorpaars Q5, Q6 eingestellt wird. Der Anschluß 6 ist an Masse gelegt, die Anschlüsse 7, 8 sind die Differenz-Ausgangsanschlüsse der symmetrischen Modulatorschaltung und 9 und to sind Anschlüsse für einen externen Widerstand, mit denen die Mischsteilheit der symmetrischen Mischerschaltung eingestellt werden kann. Die Haupteigenschaften der symmetrischen Mischschaltung nach Fig. 1 lassen sich durch die Mischsteilheit, die Rauschzahl und die maximale zulässige Eingangsspannung angeben, die sich aus dem Wert des an den Anschlüssen 9, 10 liegenden externen Widerstands, dem Ruhestrom des Transistorpärchens Q5, Q6 und dem Pegel des an den Anschlüssen 1, 2 liegenden Zumischsignals ergeben. Hat der zwischen den Anschlüssen 9, 1o liegende externe Widerstand den Wert RE, erhält man die Mischsteilheit im wesentlichen zu g =k , (1) RE in der k eine Konstante ist, die vom Pegel des Zumischsignals an den Differenzeingängen 1, 2 abhängt und bei ausreichend hohem Pegel zu 4/R- konvergiert. Die Rauschzahl wird vom Pegel des Zumischsignals, dem externen Widerstand zwischen den Anschlüssen 9, lo und der Quellimpedanz des Empfangssignals an den Anschlüssen 3, 4 sowie in starkem Ausmaß vom Ruhestrom in Transistorpärchen Q5, Q6 bestimmt; bei hohen Ruheströmen verschlechtert sich die Rauschzahl üblicherweise. Der maximal zulässige Pegel des Eingangssignals des symmetrischen Mischers bestimmt sich aus dem Ruhestrom des Transistorpärchens Q Q6 sowie dem zwischen den Anschlüssen 9, 1o liegenden externen Widerstand. Lassen sich die Transistoren des Pärchens Q5, Q6 außerhalb der nicht linearen Sättigungs- oder Sperrbereiche betreiben, ergibt sich die maximal zulässige Amplitude Vsmax des Eingangssignals an den Anschlüssen 3, 4 zu Vsmax = R Ig (2) wobei RE der gleiche Widerstand wie in Gl. (1) und 13 der Ruhestrom im Transistorpärchen Q5, Q6 ist, wobei für beide Transistoren der gleiche Ruhestrom angenommen sei.Fig. 1 shows a known double symmetrical modulator, in that is, the transistors Q1 'Q2 and Q3, Q4 are emitter coupled through transistors Q5 and Q6, respectively Show transistor pairs as the basic unit of the double-symmetrical mixer. The transistors Q7, Q8 are constant current sources for the transistors Q5, Q6 and the current values of the transistors Q7, Q8 result from the current of a diode D1 as a current mirror. The resistors R1, R2 and R3 stabilize the function of the current mirror circuit. The connections 1, 2 are the symmetrical one Input to which usually the admixing signal is placed symmetrically; at the connections 3, 4 is symmetrical the input signal, while the operating voltage source is connected to terminal 5 via an external resistor with which the bias current of the transistor pair Q5, Q6 is set. The connection 6 is connected to ground, the connections 7, 8 are the differential output connections the symmetrical modulator circuit and 9 and to are connections for an external Resistance with which the mixer slope of the balanced mixer circuit is set can be. The main characteristics of the balanced mixer circuit according to FIG. 1 can be determined by the mixing slope, the noise figure and the maximum permissible Specify the input voltage that results from the value of the voltage at the connections 9, 10 external resistance, the quiescent current of the transistor pair Q5, Q6 and the level of the admixing signal applied to connections 1, 2. Did he between the Connections 9, 1o lying external resistance the value RE, one obtains the mixing slope essentially to g = k, (1) RE in which k is a constant that depends on the level of the Mixing signal depends on the differential inputs 1, 2 and if it is sufficiently high Level converged to 4 / R-. The noise figure is determined by the level of the admixing signal, the external resistance between the terminals 9, lo and the source impedance of the received signal at connections 3, 4 and, to a large extent, from the quiescent current in transistor pairs Q5, Q6 determined; In the case of high quiescent currents, the noise figure usually deteriorates. The maximum permissible level of the input signal of the balanced mixer is determined from the quiescent current of the transistor pair Q Q6 and that between the connections 9, 1o lying external resistance. If the transistors of the pair Q5, Operate Q6 outside of the non-linear saturation or blocking ranges, results the maximum permissible amplitude Vsmax of the input signal at the connections 3, 4 to Vsmax = R Ig (2) where RE is the same resistance as in Eq. (1) and 13 of the Quiescent current in the transistor pair Q5, Q6, the same for both transistors Quiescent current is assumed.

Diese Parameter beschreiben also die Haupteigenschaften der doppeltsymmetrischen Modulationsschaltung, die als Mischer am Eingang eines Signalempfängers eingesetzt wird.So these parameters describe the main properties of the doubly symmetric Modulation circuit used as a mixer at the input of a signal receiver will.

Der Mischer am Eingang eines Signalempfängers soll dessen Empfindlichkeit durch eine hohe Mischsteilheit und eine niedrige Rauschzahl verbessern und die Kreuzmodulations- und Intermodulationsverzerrungen gering halten, indem er eine so hohe Signaleingangsspannung wie möglich zuläßt. Betrachtet man jedoch die oben erläuterten Eigenschaften der symmetrischen -Modulationsschaltung, ist einzusehen, daß sich diese Leistungseigenschaften nur unter Schwierigkeiten erreichen lassen. Will man die Mischsteilheit erhöhen, muß man RE verringern (vergl. Gl. (1), dann aber eine Absenkung der maximal zulässigen Eingangsspannung in Kauf nehmen (vergl. Gl. (2). Will man die maximal-zulässige Eingangsspannung erhöhen, ohne die Mischsteilheit zu erhöhen, indem man den Ruhestrom in Gl. (2) erhöht, verschlechert sich im allgemeinen der Rauschabstand.The mixer at the input of a signal receiver should be its sensitivity through a high mixing steepness and a low noise figure and improve the cross-modulation and keep intermodulation distortion low by having such a high signal input voltage as possible. However, if one considers the properties of the symmetrical modulation circuit, it can be seen that these performance characteristics can only be achieved with difficulty. If you want to increase the steepness of the mix, RE must be reduced (see Eq. (1)), but then a reduction in the maximum permissible Accept input voltage (see Eq. (2)). If you want the maximum permissible Increase the input voltage without increasing the mixer slope by reducing the quiescent current in Eq. (2) increases, the signal-to-noise ratio generally deteriorates.

Die vorliegende Erfindung überwindet die Schwierigkeiten, die entstehen, wenn ein doppeltsymmetrischer Modulator als Mischer im Eingang eines Empfängers eingesetzt werden soll. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß man bei niedriger Eingangsspannung des Empfängers die Mischsteilheit und die Rauschzahl mit den Parametern in Gl. (1) und (2) optimiert, während bei höheren Eingangsspannungen die Parameter so eingestellt werden, daß man eine höhere zulässige Eingangsspannung (Gl.(2)) erhält. Gleichzeitig wird die Amplitude der Zumischspannung abgesenkt, um die Mischsteilheit zu verringern, so daß Kreuzmodulations- und Intermodulationsverzerrungen abgeschwächt werden, die bei steigender Eingangsspannung im Zwischenfrequenzsignal am Ausgang der Modulatorschaltung auftreten.The present invention overcomes the difficulties that arise if a double-balanced modulator is used as a mixer in the input of a receiver should be used. The invention is characterized in that one at lower Input voltage of the receiver, the mixer slope and the noise figure with the parameters in Eq. (1) and (2) optimized while at higher input voltages the parameters can be set in such a way that a higher permissible input voltage is obtained (Eq. (2)) is obtained. At the same time, the amplitude of the admixing voltage is reduced, to reduce the mixing steepness, so that cross-modulation and inter-modulation distortion are attenuated with increasing input voltage in the intermediate frequency signal occur at the output of the modulator circuit.

Die Erfindung soll im folgenden an einer Ausführungsform unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben werden.The invention is to be referred to below in terms of an embodiment to be described on the accompanying drawing.

Fig. 2 ist ein Blockschaltbild eines Signalempfängers mit der symmetrischen Modulatorschaltung nach der vorliegenden Erfindung; und Fig. 3 ist ein Schaltbild einer Ausführungsform der symmetrischen Modulatorschaltung nach der vorliegenden Erfindung.Fig. 2 is a block diagram of a signal receiver having the balanced Modulator circuit according to the present invention; and Fig. 3 is a circuit diagram an embodiment of the balanced modulator circuit according to the present invention Invention.

Die Fig. 2 zeigt als Blockschaltbild einen typischen Empfänger mit einem symmetrischen Mischer nach der vorliegenden Erfindung, die Fig. 3 den Stromlauf eines symmetrischen Modulators nach der vorliegenden Erfindung, der die gewünschten Leistungseigenschaften aufweist. In der Fig. 2 ist das Empfangssignal von der Antenne 11 her an die Eingangsanschlüsse eines symmetrischen Modulators 12 gelegt (der HF-Verstärker und die Abstimmkreise sind zur Vereinfachung der Beschreibung fortgelassen). An den symmetrischen Modulator 12 ist weiterhin ein Zumischsignal aus einem Hilfsoszillator 13 sowie das Ausgangssignal aus einem ZF-Amplitudendetektor 16 gelegt. Indem man ausnutzt, daß das Ausgangssignal aus dem ZF-Amplitudendetektor 16 mit der Empfangssignalamplitude zunimmt, läßt sich der Ruhestrom des dooneltsvmmptrischen Modulators in der Stufe 12 erhöhen, während die Amplitude des der Mischstufe zugeführten Zumischsignals mit zunehmender Amplitude des Empfangssignals abgeschwächt wird.Fig. 2 shows a typical receiver as a block diagram a symmetrical mixer according to the present invention, FIG. 3 shows the current flow a symmetrical modulator according to the present invention, which the desired Has performance characteristics. In Fig. 2 is the received signal from the antenna 11 is applied to the input connections of a balanced modulator 12 (the RF amplifier and the tuning circles are omitted to simplify the description). At the symmetrical modulator 12 is also an admixing signal from an auxiliary oscillator 13 and the output signal from an IF amplitude detector 16. By takes advantage of the fact that the output signal from the IF amplitude detector 16 has the received signal amplitude increases, the quiescent current of the dooneltsvmmptrischen Modulator in stage 12, while the amplitude of the admixing signal fed to the mixer stage is attenuated with increasing amplitude of the received signal.

Das Ausgangssignal der Stufe 12 geht über ein ZF-Filter 14, auf einen ZF-Verstärker 15, während das Ausgangssignal des ZF-Verstärkers 15 auf den ZF-Amplitudendetektor 16 und einen Demodulator 17 geht. Das Ausgangssignal des Demodulators 17 ist vom Anschluß 18 auf einen NF-Verstärker (nicht gezeigt) geführt, der einen Lautsprecher oder dergl. ansteuert.The output signal of stage 12 goes through an IF filter 14 to a IF amplifier 15, while the output signal of the IF amplifier 15 is sent to the IF amplitude detector 16 and a demodulator 17 goes. The output signal of the demodulator 17 is from Connection 18 to an LF amplifier (not shown) which has a loudspeaker or the like.

Die in der Schaltung der Fig. 2 in der Stufe 12 eingesetzte Modulatorschaltung soll an der Fig. 3 ausführlich erläutert werden. Der ZF-Amplitudendetektor 16, der Hilfsoszillator 13, der ZF-Verstärker 15 und der Hüllkurvendetektor usw. sowie der AM-oder FM-Demodulator lassen sich dem Stand der Technik gemäß ausbilden und sollen daher hier nicht ausführlich erläutert werden.The modulator circuit used in the circuit of FIG. 2 in stage 12 is to be explained in detail in FIG. 3. The IF amplitude detector 16, the Auxiliary oscillator 13, the IF amplifier 15 and the envelope detector, etc. as well as the AM or FM demodulators can and should be designed in accordance with the state of the art therefore not explained in detail here.

Zunächst soll die Zuordnung jedes Blocks in Fig. 2 zu den Anschlüssen der Modulatorschaltung 12 in Fig. 3 gezeigt werden.First, the assignment of each block in FIG. 2 to the connections of the modulator circuit 12 are shown in FIG.

Der Signaleingang (Antennenanschluß) in Fig. 2 entspricht den Anschlüssen 20 der Fig. 3, der Hilfsoszillatoranschluß dem Anschluß 19 in Fig. 3 und der Signalausgang für das frequenzumgesetzte Signal zum ZF-Filter 14 entspricht dem Anschluß 21 der Fig. 3. In der Fig. 3 wird der Anschluß 23 an den Ausgang des ZF-Amplitudendetektors 16 (Fig. 2) und werden die Anschlüsse 22, 24 an die Betriebsspannung bzw. Masse gelegt.The signal input (antenna connection) in Fig. 2 corresponds to the connections 20 of FIG. 3, the local oscillator connection to connection 19 in FIG. 3 and the signal output for the frequency-converted signal to the IF filter 14, the terminal 21 corresponds to FIG. 3. In FIG. 3, the connection 23 is connected to the output of the IF amplitude detector 16 (Fig. 2) and the connections 22, 24 to the operating voltage or ground placed.

Es soll nun ausführlich auf die Arbeitsweise der Modulatorschaltung 12 in Fig. 3 eingegangen werden. Zunächst stellen die Transistoren Q19' Q20' Q15 und Q16 sowie der Widerstand R14 eine doppeltsymmetrische Modulatorschaltung dar,die der der Fig. 1 im Aufbau und der Arbeitsweise entspricht. Die Transistoren Q13, Q14 sind Konstantstromquellen für die Transistoren Q15' Q16' die vom Ausgangssignal des ZF-Amplitudendetektors 16 gesteuert werden, das über den Anschluß 23 an den Transistor Q21 und die Widerstände R15, R16 gelegt ist, die als Stromspiegel arbeiten. Wie aus der Gl. (2) ersichtlich, wird die maximal zulässige Eingangsspannung des doppeltsymmetrischen Modulators von der Amplitude des ZF-Signals, d.h. der des Eingangssignals bestimmt. Der Widerstand R14 bestimmt die Mischsteilheit des doppeltsymmetrischen Modulators. Das an den Anschluß 19 gelegte Zumischsignal geht zunächst auf einen Differenzverstärker aus den Transistoren Q10, Q11 und den Widerständen R6, R7, R8, Rg und Rlo über ein L-Dämpfungsglied aus den Widerständen R4, R5 und einem Feldeffekttransistor (FET) Qg. Der FET Qg dient als veränderbarer Widerstand, dessen Wechselstromwiderstand zwischen dem Drain- und dem Source-Anschluß sich durch die Spannung zwischen dem Gate- und dem Source-Anschluß steuern läßt. Der Feldeffekttransistor ist so verschaltet, daß das Ausgangssignal des ZF-Amplitudendetektors 16 am Anschluß 23, d.h. schließlich die Amplitude des Eingangssignals, den Widerstandswert des Transistors Qg einstellt, indem mit der Spannung am Anschluß 23 auch der Strom durch das FET-Element steigt und folglich dessen Widerstand sinkt. Der Differenzverstärker Q10, Q11 überträgt das Zumischsignal an den Modulator und gleichzeitig auch die Gleichvorspannung für den Arbeitspunkt. Ein Emitterfolger aus dem Transistor Q12 und den Widerständen R11, R12 und R13 erzeugt die Basisvorspannung für den Differenzverstärker Q10, Q11. über den Kondensator C1 in Fig. 3 ist das Zumischsignal angekoppelt.We shall now look in detail at the mode of operation of the modulator circuit 12 in FIG. 3 will be discussed. First, the transistors Q19 'Q20' Q15 and Q16 and resistor R14 represent a doubly symmetrical modulator circuit which the the Fig. 1 corresponds in structure and mode of operation. The transistors Q13, Q14 are constant current sources for the transistors Q15 'Q16' from the output signal of the IF amplitude detector 16 are controlled via the connection 23 to the Transistor Q21 and the resistors R15, R16 is placed, which work as a current mirror. As from Eq. (2), the maximum permissible input voltage of the double symmetrical modulator on the amplitude of the IF signal, i.e. that of the input signal certainly. The resistor R14 determines the steepness of the mixing of the double symmetrical Modulator. The mixing signal applied to terminal 19 initially goes to one Differential amplifier from the transistors Q10, Q11 and the resistors R6, R7, R8, Rg and Rlo via an L attenuator made up of resistors R4, R5 and a field effect transistor (FET) Qg. The FET Qg serves as a variable resistor, its AC resistance between the drain and the source terminal is determined by the voltage between the Gate and the source terminal can be controlled. The field effect transistor is connected in such a way that that the output signal of the IF amplitude detector 16 at terminal 23, i.e. finally the amplitude of the input signal, adjusts the resistance of the transistor Qg, in that the current through the FET element increases with the voltage at terminal 23 and consequently its resistance decreases. The differential amplifier Q10, Q11 transmits the admixing signal to the modulator and at the same time also the DC bias voltage for the working point. An emitter follower made up of transistor Q12 and the resistors R11, R12 and R13 generate the base bias for the differential amplifier Q10, Q11. The admixing signal is coupled via the capacitor C1 in FIG. 3.

Steigt nun die Ausgangsspannung des ZF-Amplitudendetektors 16 in Fig. 2 mit der Eingangsspannung des Detektors 16, nimmt die am Anschluß 23 der Fig. 3 liegende Gleichspannung folglich mit der Eingangsspannung aus der Antenne 11 zu. Mit der Eingangsspannung aus der Antenne 11 steigen auch die Ruheströme der Transistoren Q15' Ql: so daß die maximal zulässige Eingangsspannung ebenfalls zunimmt, vergl. Gl. (2). Der Wechselstromwiderstand des FET Q9 sinkt jedoch, um die Amplitude des der Modulatorschaltung zugeführten Zumischsignals zu senken, so daß die Mischsteilheit und damit die Kreuz- und Intermodulationsverzerrungen sinken, die bei einer Amplitudensteigerung des frequenzumgesetzten Ausgangssignals am Ausgangsanschluß 21 auftreten. Alternativ kann man natürlich anstelle des FET Q9 einen bipolaren Transistor oder ein veränderliches Dämpfungsglied mit einer - komplizierteren - Multiplikationsschaltung oder dergl. einsetzen.If the output voltage of the IF amplitude detector 16 in Fig. 2 with the input voltage of the detector 16, the voltage at the connection 23 of FIG lying DC voltage consequently with the input voltage from the antenna 11. With the input voltage from the antenna 11, the quiescent currents of the transistors also increase Q15 'Ql: so that the maximum permissible input voltage Likewise increases, see Eq. (2). However, the AC resistance of the FET Q9 decreases by to reduce the amplitude of the admixing signal fed to the modulator circuit, so that the mixing steepness and thus the cross and intermodulation distortion decrease, that when the amplitude of the frequency-converted output signal at the output terminal increases 21 occur. Alternatively, you can of course use a bipolar instead of the FET Q9 Transistor or a variable attenuator with a - more complicated - Use a multiplication circuit or the like.

Ist das Eingangssignal aus der Antenne 11 klein genug, ist natürlich vorzuziehen, die Ruheströme der Transistoren Q16 im doppeltsymmetrischen Modulator der Fig. 3 und die Amplitude des Zumischsignals bezüglich der Rauschzahl zu optimieren.If the input signal from the antenna 11 is small enough, it is natural it is preferable to use the quiescent currents of the transistors Q16 in the double symmetrical modulator 3 and to optimize the amplitude of the admixing signal with respect to the noise figure.

Mit der vorliegenden Erfindung erhält man folglich eine symmetrische Modulatorschaltung, die über einen breiten Eingangsspannungsbereich geringere Rreuz- und Intermodulationsverzerrungen erzeugt und bei kleinen Eingangssignalamplituden auch eine niedrige Rauschzahl aufweist.The present invention consequently provides a symmetrical one Modulator circuit that provides lower cross-talk over a wide input voltage range and intermodulation distortion generated and at small input signal amplitudes also has a low noise figure.

LeerseiteBlank page

Claims

Claim Symmetrical mixer, g e k e n n n z e i c h n e t by a transistorized double symmetrical modulator with a multitude emitter-coupled transistor pair, a device that reduces the quiescent current in the symmetrical modulator circuit increases with an increase in the input signal amplitude, and by a device which applies this to the balanced modulator circuit Mixing signal weakens with increasing amplitude of the input signal, so that the distortion occurring in the modulator circuit over a wide range reduce the input voltage amplitudes.