DE69717390T2 - Eine niedrige Verzerrung mit grosser Amplitude enthaltende Abwärtsmischschaltung mit Filter und Verstärker - Google Patents

Description

• HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• 1. Gebiet der Erfindung
• Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Hochfrequenz-Demodulationsschaltungen, die in Übertragungsanwendungen verwendet werden, und insbesondere auf eine Hochfrequenz-Demodulationsschaltung, in der die notwendigen Signalverarbeitungsfunktionen des Mischens, Filterns und Verstärkens kombiniert werden, um Kosten zu minimieren.
• 2. Diskussion des Standes der Technik
• Frequenzmischer zum Abwärtswandeln werden im allgemeinen durch eine Schaltung nach dem Stand der Technik implementiert, die in 1 dargestellt ist und "Gilbert-Zelle" genannt wird. Die Gilbert-Zelle hat einen vollständig differentiellen Aufbau, dessen Eingang ein Paar von Differenzspannungen V_LO± und V_RF± ist, die eine differentielle Ausgangsspannung V_IF± erzeugen. Die Ausgangsspannung kann abgestimmt oder gefiltert werden, um unerwünschte, durch den Mischprozeß erzeugte Nebenprodukte zu entfernen. In einem Demodulator wird der gewünschte Ausgang allgemein als der Basisbandausgang bezeichnet. Seine Frequenz ist die Differenz der Frequenzen an den LO (local oscillator; lokaler Oszillator) und den RF (Radiofrequenz) Eingängen.
• Eine der Beschränkungen der elementaren Gilbert-Zelle besteht darin, daß es schwierig ist, für eine gegebene Versorgungsspannung einen großen Spannungshub zu erzielen. Da die erwünschten und die unerwünschten Komponenten in gleichem Maße anwesend sind, wird der gewünschte Hubbereich verschwendet. Dasselbe Kriterium begrenzt auch die in dem Mischprozeß erzielbare Spannungsverstärkung. Eine größere Spannungsverstärkung bedeutet einen größeren Spannungshub an den Ausgängen. Wenn der Spannungshub begrenzt ist, ist auch die praktische Spannungsverstärkung begrenzt. Eine andere Bedingung, die die Spannungsverstärkung begrenzt, resultiert aus Betrachtungen der Gleichspannungs-Vorspannung. Die Verstärkung wird durch das Verhältnis der Widerstände R_L/R_IN eingestellt. Um hinsichtlich der Verzerrung ein bestimmtes Leistungsniveau zu erzielen, wird für einen gegebenen Biasstrom I_B der Widerstand R_IN so gewählt, daß er einen minimalen Wert hat. Das Auswählen großer Verstärkungswerte bedingt einen großen Wert für den Widerstand R_L. Wegen des praktischen Betriebes können die Gleichspannungswerte an den V_IF±-Knoten nicht kleiner als die Gleichspannungswerte an den V_LO±-Knoten sein.
• Im allgemeinen werden die obengenannten Beschränkungen dadurch überwunden, daß die Verstärkung in den Mischern klein gehalten wird und Filter, die extern zu der integrierten Schaltung angeordnet sind, zum Entfernen der unerwünschten Hochfrequenzkomponenten verwendet werden. Das bedeutet, daß die Signale erst aus der integrierten Schaltung herausgeleitet, gefiltert und dann für die weitere Verstärkung in die integrierte Schaltung zurückgeleitet werden müssen. Diese Lösung erfordert mehr Anschlußkontakte zum Herausleiten der Signale aus der integrierten Schaltung und zum Zurückführen in die integrierte Schaltung. Das Erfordernis, die Signale aus der inte grierten Schaltung heraus und in diese zurückzuleiten, verschlechtert die Qualität der Signale. Zusätzlich ist es schwierig, die symmetrische differentielle Art der Signale aufrechtzuerhalten, wenn sie einmal aus der integrierten Schaltung herausgeführt und dann in die integrierte Schaltung zurückgeführt worden sind. Wenn die differentielle Art der Signale nicht vollständig beibehalten wird, werden die nachfolgenden Verstärker nicht nur das gewünschte Basisbandsignal verstärken, sondern auch die extern hinzugefügte zusätzliche Verzerrung verstärken.
• Es wird eine differentielle Verstärkerschaltung benötigt, die die vollständig differentielle Art der Signale aufrechterhält, die Verzerrung minimiert und die erforderliche hohe Verstärkung liefert.
• Die britische Patentanmeldung GB 2260870 offenbart eine Frequenzmischschaltung, die unter der Verwendung von gestuften Stromspiegeln ein Spannungssignal abgibt. Das Spannungssignal hat eine Summenfrequenzkomponente (d.h. eine Komponente, die eine Frequenz hat, die gleich der Summe der zwei Eingangsfrequenzen ist) und eine Differenzfrequenzkomponente (d.h. eine Komponente, die eine Frequenz hat, die gleich der Differenz der zwei Eingangsfrequenzen ist) durch Erzeugen der gestuften Stromspiegel, wobei ein Stromsignal eine Summenfrequenzkomponente und eine Differenzfrequenzkomponente hat.
• Kurze Zusammenfassung der Erfindung
• Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Halbleiterschaltung, die eine Zwischenfrequenz mit niedriger Verzerrung und großem Hub bereitstellt. Die Funktionen des Mischens, Filterns und Verstärkens werden auf einem Chip bereitgestellt.
• Die vorliegende Erfindung stellt eine Frequenzabwärtswandlerschaltung gemäß Anspruch 1 bereit.
• Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Erzielen einer Frequenzabwärtswandlung auf einem einzelnen integrierten Halbleiterchip gemäß Anspruch 8 bereit.
• Die vorliegende Erfindung stellt eine vollständig differentielle Misch-Filter-Verstärkungsschaltung bereit. Die Schaltung vermeidet die Beschränkungen des Spannungshubes der Gilbert-Zelle nach dem Stand der Technik dadurch, daß Signale von dem Mischer als Ströme anstatt als Spannungen übertragen werden. Zusätzlich überwindet dieses Übertragen von Signalen als Ströme anstatt als Spannungen die Beschränkungen der Gleichspannungsvorspannung. Da die unerwünschten Komponenten üblicherweise eine viel höhere Frequenz haben, werden ein Widerstand und eine Kapazität verwendet, um diese Komponenten aus dem übertragenen Stromsignal zu entfernen. Da in der ersten Stufe keine Spannungsverstärkung gewünscht wird, kann der Wert des Widerstands klein, was Probleme in bezug auf die Gleichspannungs-Vorspannung vermeidet. Die Ströme werden durch die Verwendung einer Rückkoppelstruktur, die eine Hochfrequenzempfindlichkeit aufrechterhält, während eine Gesamtspannungsverstärkung erzielt wird, in Spannungen konvertiert. Das wird ermöglicht, weil die Spannungen nur an den Endausgangsknoten einen Hub aufweisen.
• Die vorliegende Erfindung wird bei Betrachtung der detaillierten folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verstanden werden. Wie einem Fachmann anhand der folgenden Beschreibung leicht deutlich werden wird, wird eine Ausführungsform dieser Erfindung nur zum Zwecke der Veranschaulichung der bevorzugten Ausführungsart der Erfindung dargestellt und beschrieben. Es ist klar, daß die Erfindung in anderen Ausführungsformen realisiert werden kann, und ihre verschiedene Details können in verschiedenen offensichtlichen Aspekten abgewandelt werden, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. Dementsprechend werden die Zeichnungen und die detaillierte Beschreibung nur zur Veranschaulichung und nicht als beschränkend erachtet.
• KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Die beigefügten Zeichnungen, die in die Beschreibung eingefügt sind und einen Teil der Beschreibung bilden, veranschaulichen die vorliegende Erfindung und dienen zusammen mit der folgenden detaillierten Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern. Es zeigen:
• 1 eine Frequenzabwärtswandlerschaltung mit einer 4-Quadranten-"Gilbert-Zelle"-Multiplizierschaltung und
• 2 ein schematisches Schaubild einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die als integrierter Mischer, Filter und Verstärker arbeitet.
• DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
• In der folgenden Beschreibung werden aus Gründen der Klarheit und Kürze der Beschreibung nicht alle der zahlreichen Komponenten, die in den Abbildungen dargestellt sind, beschrieben oder im Detail beschrieben. In den Zeichnungen sind die zahlreichen Komponenten dargestellt, um einem Fachmann eine vollständig ausführbare Offenbarung der vorliegenden Erfindung zu bieten. Für einen Fachmann ist klar, daß eine detaillierte Beschreibung aller spezifischen Komponenten nicht für einen Fachmann erforderlich ist, um die vorliegende Erfindung auszuführen. Aus diesem Grund werden nur diejenigen Komponenten im Detail erörtert, die von der vorliegenden Erfindung betroffen sind oder die für ein Verständnis der Funktion der vorliegenden Erfindung notwendig sind.
• In 1 ist eine Schaltung 100 nach dem Stand der Technik dargestellt, die allgemein als "Gilbert-Zelle"-Multiplizierer bekannt ist und in der Übertragungstechnik gut bekannt ist. Die Schaltung 100 umfaßt eine Transistorbaumschaltung, die eine obere Schaltung 102, die ein Paar von differentiellen Verstärkern 104 und 106 umfaßt, und eine untere Schaltung 108, die einen anderen differentiellen Verstärker 110 umfaßt.
• Jeder differentielle Verstärker 104, 106 und 110 umfaßt jeweils erste und zweite NPN Transistoren 112 und 114, 116 und 118 und 120 und 122. Die Emitterelektroden der Transistoren 112 und 114 sind miteinander verbunden und bilden die gemeinsame Verbindung 124, und die Emitterelektroden der Transistoren 116 und 118 sind miteinander verbunden und bilden die gemeinsame Verbindung 126. Die gemeinsamen Verbindungen 124 und 126 sind jeweils an die Kollektorelektroden der Transistoren 120 und 122 angeschlossen. Die Basiselektroden der Transistoren 112 und 118 sind an der Verbindung 128 miteinander verbunden. Die Basiselektroden der Transistoren 114 und 116 sind an der Verbindung 130 miteinander verbunden. Die Eingangsanschlüsse 132 und 134 des oberen Eingangsports 136 sind jeweils mit den gemeinsamen Verbindungen 128 und 130 verbunden.
• Die Kollektorelektroden der Transistoren 112 und 116 sind an der gemeinsamen Verbindung 138 miteinander verbunden. Die Kollektorelektroden der Transistoren 114 und 118 sind an der gemeinsamen Verbindung 140 miteinander verbunden. Die Ausgangsanschlüsse 142 und 144 sind jeweils zusammen mit einem Anschluß der Lastwiderstände 146 und 148 an die gemeinsamen Verbindungen 138 und 140 angeschlossen. Die anderen Anschlüsse der Lastwiderstände 146 und 148 sind an die positive Versorgungsleitung 150 angeschlossen.
• Die Emitterelektroden der Transistoren 120 und 122 sind über den Widerstand R_IN 152 miteinander verbunden und über die mit 156 bezeichnete Konstantstromquelle mit der Erdleitung 154 verbunden. Die Eingangsanschlüsse 158 und 160 des unteren Eingangsports 162 sind jeweils an die Basiselektroden der Transistoren 120 und 122 angeschlossen.
• Die in 1 dargestellte Gilbert-Zelle-Schaltung wird manchmal als 4-Quadranten-Multiplizierschaltung bezeichnet. Die Gilbert-Zelle hat einen vollständig differentiellen Aufbau, dessen Eingang ein Paar von differentiellen Spannungen LO± an dem Port 136 und der differentiellen Spannungen RF± an dem Port 162 ist, die eine differentielle Ausgangsspannung IF± an den Ausgangsanschlüssen 142 und 144 erzeugen. Der Spannungsausgang kann abgeglichen oder gefiltert werden, um unerwünschte, durch den Mischprozeß erzeugte Nebenprodukte zu entfernen. In einem Demodulator wird die gewünschte Ausgangsfrequenz allgemein als die Basisbandfrequenz bezeichnet, die die Differenz der Frequenzen der Signale an den LO± und den RF±-Eingängen ist.
• In 2 ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Schaltung 200 arbeitet als integrierter Mischer (Multiplizierer), Filter und Verstärker. Die Funktion der kombinierten Schaltung kann besser verstanden werden, wenn die Schaltung in vier Bereiche unterteilt und jeder Bereich separat erklärt wird. Jeder Bereich wird zuerst allgemein erläutert, woran sich eine detaillierte Beschreibung anschließt.
• Der erste Bereich in den gestrichelten Linien 202 ist ähnlich zu der Gilbert-4-Quadranten Multipliziererzelle, die in 1 dargestellt ist. Die Summen- und Differenzfrequenzen werden aus dem ersten, durch die gestrichelten Linien 202 bezeichneten Bereich herausgekoppelt, und zwar als Stromsignale statt als Spannungssignale wie in 1 dargestellt. Der zweite Bereich in den gestrichelten Linien 204 ist ein Filterbereich, der im wesentlichen die unerwünschten Hochfrequenzsignale begrenzt, die aus dem ersten Bereich herausgekoppelt und nachfolgend verstärkt werden. Die in dem ersten, durch die gestrichelten Linien 202 gekennzeichneten Bereich erzeugten Ströme werden in den zweiten, durch die gestrichelten Linien 204 gekennzeichneten Bereich gekoppelt, der zwei Widerstände und einen Kondensator umfaßt. Der dritte Bereich in den gestrichelten Linien 206 umfaßt eine Stromübertragungsschaltung, die gefilterte Basisbandsignalströme an eine Shunt-Shunt-Rückkoppelstruktur anschließt, die eine Gesamt-Spannungsverstärkung erzeugt. In dem vierten Bereich in den gestrichelten Linien 208 fließen die Basisbandströme durch Rückkoppelwiderstände, um den erforderlichen Spannungshub zu erzeugen. Der Spannungshub erscheint daher nur an den IF±-Ausgängen.
• Die Schaltung in dem ersten, durch die gestrichelten Linien 202 gekennzeichneten Bereich umfaßt allgemein eine Schaltung, die als Transistorbaumschaltung bekannt ist und die obere Schaltung 210 umfaßt, die das Paar differentieller Verstärker 212 und 214 umfaßt, und die untere Schaltung 218, die den differentiellen Verstärker 220 umfaßt. Jeder der differentiellen Verstärker 212, 214 und 220 umfaßt jeweils erste und zweite NPN Transistoren 222 und 224, 226 und 228, 230 und 232. Die Emitterelektroden der Transistoren 222 und 224 sind miteinander verbunden und bilden die gemeinsame Verbindung 234. Die Emitterelektroden der Transistoren 226 und 228 sind miteinander verbunden und bilden die gemeinsame Verbindung 236. Die gemeinsame Verbindung 234 ist an die Kollektorelektrode des Transistors 230 und die gemeinsame Verbindung 236 ist an die Kollektorelektrode des Transistors 232 angeschlossen. Die Kollektorelektroden der Transistoren 222 und 226 sind miteinander verbunden und bilden die gemeinsame Verbindung 238. Die Kollektorelektroden der Transistoren 224 und 228 sind miteinander verbunden und bilden die gemeinsame Verbindung 240.
• Die Emitterelektroden der Transistoren 230 und 232 sind jeweils über den Widerstand R_IN 242 und mit den Kollektorelektroden der NPN Transistoren 244 und 246 verbunden. Die Emitterelektroden der Transistoren 244 und 246 sind über die Biaswiderstände R_B 250 und 252 an die gemeinsame Erdleitung 248 angeschlossen. Die Basiselektroden der Transistoren 244 und 246 sind an die Spannungsquelle V_B 254 angeschlossen. Die Basiselektroden der Transistoren 230 und 232 sind an die Eingangsanschlüsse 256 und 258 des unteren Eingangsports 260 angeschlossen.
• Die Basiselektroden der Transistoren 222 und 228 sind miteinander verbunden und bilden die gemeinsame Verbindung 261. Die Basiselektroden der Transistoren 224 und 226 sind miteinander verbunden und bilden die gemeinsame Verbindung 262. Die gemeinsamen Verbindungen 261 und 262 sind jeweils an die Eingangsanschlüsse 264 und 266 angeschlossen. Die Eingangsanschlüsse 264 und 266 bilden den oberen Eingangsport 268.
• Die Schaltung in dem zweiten, durch gestrichelte Linien 204 gekennzeichneten Bereich ist eine Filterschaltung und umfaßt zwei Widerstände R_S 270 und 272 und den Kondensator C_S 274. Eine Elektrode des Widerstands 270 ist an eine Elektrode des Kondensators C_S 274 und an die gemeinsame Verbindung 238 angeschlossen, wodurch eine Verbindung zu der Schaltung in dem ersten, durch die gestrichelten Linien 202 gekennzeichneten Bereich hergestellt wird. Eine Elektrode des Widerstands 272 ist mit der anderen Elektrode des Kondensators C_S 274 und mit der gemeinsamen Verbindung 240 verbunden, wodurch eine zweite Verbindung zu der Schaltung in dem ersten, durch die gestrichelten Linien 202 gekennzeichneten Bereich hergestellt wird.
• Die gemeinsame Verbindung 276 wird durch die Verbindung einer Elektrode des Widerstands R_S 270, einer Elektrode des Kondensators C_S 274 und eines Anschlusses an die gemeinsame Verbindung 238 definiert. Die gemeinsame Verbindung 278 wird durch die Verbindung einer Elektrode des Widerstands R_S 272, einer Elektrode des Kondensators C_S 274 und eines Anschlusses an die gemeinsame Verbindung 240 definiert.
• Die Schaltung in dem dritten, durch gestrichelte Linien 206 gekennzeichneten Bereich umfaßt allgemein eine Stromübertragungsschaltung, die den ersten Stromspiegel 280, den zweiten Stromspiegel 282 und die Biasniveaueinstellungsschaltung 284 zum Einstellen des Biasniveaus der Stromspiegel 280 und 282 umfaßt. Der erste Stromspiegel 280 umfaßt die zwei PNP Transistoren 286 und 288, und der zweite Stromspiegel 282 umfaßt die zwei PNP Transistoren 290 und 292. Die Emitterelektroden der Transistoren 286, 288, 290 und 292 sind an die positive Spannungsversorgungsleitung 294 angeschlossen. Die Basiselektroden der Transistoren 286 und 288 sind miteinander verbunden und bilden die gemeinsame Verbindung 296. Die gemeinsame Verbindung 296 ist an der gemeinsamen Verbindung 297 an die Kollektorelektrode des Transistors 286 angeschlossen. Die Basiselektroden der Transistoren 290 und 292 sind miteinander verbunden und bilden die gemeinsame Verbindung 298. Die gemeinsame Verbindung 298 ist an der gemeinsamen Verbindung 300 an die Kollektorelektrode des Transistors 290 angeschlossen.
• Die Biasniveaueinstellungsschaltung 284 umfaßt den NPN Transistor 302, dessen Basiselektrode mit seiner Kollektorelektrode verbunden ist, wobei die gemeinsame Verbindung 304 gebildet wird, die mit der gemeinsamen Verbindung 306 verbunden ist, die durch die Verbindung einer Elektrode des Widerstands R_M 308 und einer Elektrode des Widerstands R_M 310 gebildet wird. Die Emitterelektrode des Transistors 302 ist an die gemeinsame Erdungsleitung 248 angeschlossen. Die andere Elektrode des Widerstands R_M 308 ist an die Kollektorelektrode des Transistors 288 angeschlossen, wobei die gemeinsame Verbindung bei 312 gebildet wird. Die andere Elektrode des Widerstands R_M 310 ist an die Kollektorelektrode des Transistors 292 angeschlossen, wobei die gemeinsame Verbindung bei 314 gebildet wird.
• Die gemeinsame Verbindung 297 ist an eine Elektrode des Widerstands R_S 270 angeschlossen, wobei eine erste Verbindung zu der Schaltung in dem zweiten Bereich 204 hergestellt wird. Die gemeinsame Verbindung 300 ist an eine Elektrode des Widerstands R_S 272 angeschlossen, wodurch eine zweite Verbindung zu der Schaltung in dem zweiten Bereich 204 hergestellt wird.
• Die Schaltung in dem vierten, durch gestrichelte Linien 208 gekennzeichneten Bereich umfaßt allgemein den Strom-zu-Spannungs-Verstärker 314. Der Strom-zu-Spannungs-Verstärker 314 ist eine Shunt-Shunt-Rückkoppelstruktur, die insgesamt eine Spannungsverstärkung erzeugt. Der Strom-zu-Spannungs-Verstärker 314 umfaßt die NPN Transistoren 316 und 318 und die NPN Transistoren 320 und 322. Die Emitterelektroden der NPN Transistoren 316 und 318 sind miteinander verbunden, wodurch die gemeinsame Verbindung 319 gebildet wird. Die gemeinsame Verbindung 319 ist mit der Kollektorelektrode des NPN Transistors 321 verbunden. Die Basiselektrode des Transistors 316 ist mit der gemeinsamen Verbindung 324 verbunden, die an die gemeinsame Verbindung 314 angeschlossen ist, wodurch eine erste Verbindung zu der Schaltung in dem dritten, durch die gestrichelten Linien 206 gekennzeichneten Bereich hergestellt wird. Die Basiselektrode des Transistors 316 ist auch an eine Elektrode des Widerstands R_F 326 angeschlossen. Die andere Elektrode des Widerstands R_F 326 ist an die Emitterelektrode des Transistors 320 angeschlossen, wodurch die gemeinsame Verbindung 327 gebildet wird. Die Kollektorelektrode des Transistors 320 ist an die Leitung 294 der Versorgungsspannung V_S angeschlossen. Die gemeinsame Verbindung 327 ist mit der gemeinsamen Verbindung 330 verbunden, die mit dem Ausgangsanschluß IF_– 332 und mit der Kollektorelektrode des NPN Transistors 334 verbunden ist. Die Basiselektrode des Transistors 318 ist an die gemeinsame Verbindung 312 angeschlossen, wodurch eine zweite Verbindung zu der Schaltung in dem dritten, durch die gestrichelten Linien 206 gekennzeichneten Bereich hergestellt wird. Die Basiselektrode des Transistors 318 ist auch an eine Elektrode des Widerstands R_F 328 angeschlossen. Die andere Elektrode des Widerstands R_F 328 ist mit der Emitterelektrode des Transistors 322 verbunden, wodurch die gemeinsame Verbindung 336 gebildet wird. Die Kollektorelektrode des Transistors 322 ist an die Leitung 329 der Versorgungsspannung V_S angeschlossen. Die gemeinsame Verbindung 336 ist mit der gemeinsamen Verbindung 338 verbunden, die mit dem Ausgangsanschluß IF₊ 340 und mit der Kollektorelektrode des NPN Transistors 342 verbunden ist.
• Die Basiselektrode des Transistors 320 ist an die Kollektorelektrode des Transistors 316 angeschlossen, wodurch die gemeinsame Verbindung 344 gebildet wird. Die gemeinsame Verbindung 344 ist mit einer Elektrode des Widerstands R_G 346 verbunden. Die andere Elektrode des Widerstands R_G 346 ist an die Leitung 294 der Versorgungsspannung V_S angeschlossen. Die Basiselektrode des Transistors 322 ist an die Kollektorelektrode des Transistors 318 angeschlossen, wodurch die gemeinsame Verbindung 348 gebildet wird. Die gemeinsame Verbindung 348 ist mit einer Elektrode des Widerstands R_G 350 verbunden. Die andere Elektrode des Widerstands R_G 350 ist an die Leitung 294 der Versorgungsspannung V_S angeschlossen.
• Die Emitterelektrode des Transistors 334 ist über den Widerstand R_G 352 mit der Erdungsleitung 248 verbunden. Die Emitterelektrode des Transistors 321 ist über den Widerstand R_G 354 mit der Erdungsleitung 248 verbunden. Die Emitterelektrode des Transistors 342 ist über den Widerstands R_G 356 mit der Erdungsleitung 248 verbunden.
• Die Funktion der Schaltung ist wie folgt. Die Funktion der Schaltung von 1, die als Gilbert-Multiplizierzelle bekannt ist, ist im Stand der Technik bekannt. Ein Schlüsselprozeß in Übertragungssystemen ist ein Prozeß, der als Mischen bekannt ist, was das absichtliche Kombinieren von zwei Eingangssignalen mit unterschiedlichen Frequenzen in einer zeitveränderlichen oder nichtlinearen Vorrichtung bezeichnet, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das neue Frequenzen enthält. Ein analoger Multiplizierer, beispielsweise wie die Gilbert-Multiplizierzelle, mischt dadurch, daß ein Ausgang erzeugt wird, der das momentane Produkt von Signalen ist, die an seine zwei Eingänge angelegt sind (daher die Bezeichnung "Multiplizierer"). Gilbert-Multiplizierzellen werden gebräuchlicherweise als Demodulatoren in Übertragungsempfängern verwendet, die die nützliche Information von Trägersignalen abtrennen. Die Gilbert-Multiplizierzelle ist auch als 4-Quadranten-Multiplizierer bekannt, dessen Ausgang das Produkt seiner zwei Eingänge ist, unabhängig von ihrem algebraischen Vorzeichen. In 1 gibt es ein erstes Eingangssignal an dem Port 136 von einem nicht dargestellten lokalen Oszillator. Das Eingangssignal von dem lokalen Oszillator an den LO Port 136 ist als der LO₊ Signaleingang an dem Eingangsanschluß 132 bezeichnet und der LO_– Signaleingang an dem Eingangsanschluß 134. Das Eingangssignal an dem RF Port 162 ist an dem Eingangsanschluß 158 mit RF₊ Signaleingang und an dem Eingangsanschluß 160 mit RF_– Signaleingang bezeichnet und wird von einer nicht dargestellten externen Quelle zugeführt. Die externe Quelle könnte von einem Kabel (beispielsweise einem Kabelfernsehsystem) oder einer Antenne, die ein Rundfunksignal (das auch ein Fernsehsystem sein könnte) oder einem Träger, der typischerweise eine höhere Frequenz als die Frequenz des lokalen Oszillators hat, stammen. Wie es im Stand der Technik bekannt ist, demoduliert (mischt) die Schaltung in 1 die zwei Paare von Signalen, um ein Paar von Zwischenfrequenzsignalen abzugeben, das IF₊ Signal an dem Ausgangsanschluß 142 und das IF_– Signal an dem Ausgangsanschluß 144. Die Beziehungen zwischen den Signalen sind wie folgt:
  V_IF+ – V_IF– = K·(V_RF+ – V_RF–)·(V_LO+ – V_LO–), wobei V_IF+ die Spannung des IF₊ Signals, V_IF– die Spannung des IF_– Signals usw. darstellt und U_RF+ und V_RF– die Spannungen der Signale, die um 180 Grad phasenversetzt sind, darstellen.
• Dabei beinhaltet die Zwischenfrequenz f_IF die Frequenz, die die Summe der Eingangsfrequenzen (f_RF + f_LO) ist, und die Frequenz, die die Differenz der Eingangsfrequenzen (f_RF – f_LO) ist. Die gewünschte Basisbandfrequenz ist die Differenzfrequenz f_RF – f_LO.
• Aus den obigen Beziehungen ist abzuleiten, daß die Frequenz f_IF eine Funktion der Summe der zwei Eingangsfrequenzen (f_RF + f_LO) und der Differenz zwischen den zwei Eingangsfrequenzen (f_RF – f_LO) ist. Die gewünschte Basisbandfrequenz ist die Differenz zwischen den zwei Frequenzen. Das deutet darauf hin, daß es notwendig ist, aus dem gesamten Signal alle Komponenten des Signals, außer der Differenzfrequenz der zwei Eingangsfrequenzen, zu entfernen. Da das Ausgangssignal an den Ausgangsanschlüssen 142 und 144 ein differentielles Spannungssignal ist, ergibt sich zusätzlich die Basis für eine der Beschränkungen der grundlegenden Gilbert-Zelle, nämlich die Unfähigkeit, für eine gegebene Versorgungsspannung einen großen Spannungshub zu erzielen.
• In 2 ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt; der physikalische Aufbau ist oben detailliert beschrieben worden. Der Teil der Schaltung in den gestrichelten Linien 202 ist im wesentlichen ein Mischer analog zu der Gilbert-Multiplizierzelle, die in 1 dargestellt ist. Entsprechend dem Betrieb der in
• 1 dargestellten Schaltung hat die Schaltung in den gestrichelten Linien 204 einen ersten Signaleingang an dem Port 268 von einem nicht dargestellten lokalen Oszillator. Der Signaleingang an dem Port 268 von dem lokalen Oszillator ist an dem Eingangsanschluß 264 mit LO₊ Signaleinigang und an dem Eingangsanschluß 266 mit LO_– Signaleingang bezeichnet. Es gibt einen zweiten RF Signaleingang an dem Port 260 von einer nicht dargestellten externen Quelle. Wie oben erläutert, könnte die externe Quelle von einem Tunerausgang eines Kabelfernsehers oder eine Satelliteneinspeisung sein. Der Signaleingang an dem Port 260 von der externen Signalquelle ist an dem Eingangsanschluß 256 mit RF₊ Signaleingang und an dem Eingangsanschluß 258 mit RF_– Signaleingang bezeichnet. Die Schaltung in den gestrichelten Linien 202 demoduliert (mischt) die beiden Paare von Signalen. Anders als in der in 1 dargestellten Schaltung wird jedoch kein Paar von Ausgangsspannungen an den Kollektorelektroden der relevanten Transistoren, die die differentiellen Verstärker 212 und 214 bilden, abgegriffen. Statt dessen wird ein Paar von differentiellen Strömen, in der gemeinsamen Verbindung 276 fließender I_BB+ und in der gemeinsamen Verbindung 278 fließender I_BB– an den Rest der Schaltung 200 gekoppelt. Die Beziehungen zwischen den Wechselspannungssignalen sind wie folgt: ICC+ = –ICC–, und ICC+ = IBBsin 2p(fRF – fLO)t + iBR(t)wobei i_BR(t) das parasitäre verbleibende Spektrum von Frequenzen aus dem Mischprozeß ist und eine wichtige Leistungskomponente enthält, die die Summenfrequenz (f_RF + f_LO) hat.
• Die in den gemeinsamen Verbindungen 276 und 278 fließenden Ströme I_CC+ und I_CC– sind in der Filterschaltung durch die gestrichelten Linien 204, die die angepaßten Widerstände R_S 270 and 272 und den Kondensator C_S 274 umfassen, definiert. Die Filterschaltung ist als Tiefpaßfilter konstruiert, der im wesentlichen die hochfrequente Summe (f_RF + f_LO) herausfiltert und nur die Differenzfrequenz, die das gewünschte Basisbandsignal ist, in den Strömen I_CC+ und I_CC– beläßt. Die Größe der angepaßten Widerstände R_S 297 und 300 und des Kondensators C_S 274 werden in Abhängigkeit von den Frequenzen f_RF und f_LO selektiert. Das Verfahren zum Selektieren von Werten der Widerstände R_S und des Kondensators C_S ist im Stand der Technik gut bekannt und wird an dieser Stelle nicht erläutert.
• Die Ströme I_BB+ und I_BB– fließen jeweils von den gemeinsamen Verbindungen 297 und 300, die in der durch die gestrichelte Linie 206 gekennzeichneten Schaltung sind. Die Schaltung in den gestrichelten Linien 206 arbeitet als Stromkonditionierschaltung und konditioniert die Ströme I_BB+ und I_BB–. Der Stromspiegel 280 spiegelt den Strom I_BB+ von der gemeinsamen Verbindung 297 und veranlaßt, daß der mit I_BB'+ bezeichnete Spiegelstrom in der Kollektorelektrode des Transistors 288 zu der gemeinsamen Verbindung 312 fließt. Theoretisch spiegelt ein Stromspiegel wie 280 einen Strom "exakt". Aufgrund von Herstellungsparametern usw. spiegelt ein Stromspiegel den Strom in der Praxis jedoch nicht "exakt". Aus diesem Grund ist der Strom I_BB'+ mit einem Strich gekennzeichnet, der angibt, daß er verschieden von dem Strom I_BB+ sein kann. Es ist klar, daß es für den Strom von dem Kollektor des Transistors 288 beabsichtigt ist, den an der gemeinsamen Verbindung 297 zu spiegeln. Entsprechend spiegelt der Stromspiegel 282 den Strom I_BB– von der gemeinsamen Verbindung 300 und veranlaßt, daß der mit I_BB'– gekennzeichnete Spiegelstrom in der Kollektorelektrode des Transistors 292 zu der gemeinsamen Verbindung 314 fließt. Die mit 284 bezeichnete Schaltung setzt den Bias der Transistoren 288 und 292. Die Schaltung 284 umfaßt zwei angepaßte Transistoren R_M 308 und 306 und den NPN Transistor 312, der als Diode funktioniert und somit einen Spannungsabfall von ungefähr 0,7 Volt hat.
• Die Schaltung in den gestrichelten Linien 208 ist ein Strom-zu-Spannungs-Verstärker und wandelt die Ströme I_BB'+ und I_BB'– in Spannungen um, verstärkt sie und gibt sie an den Ausgangsanschlüssen 340 und 332 aus. Die Schaltung in den gestrichelten Linien 208 hat eine negative Rückkopplung mit den angepaßten Widerständen R_F 326 und 328, die als Rückkoppelwiderstände für die Transistoren 320 und 322 dienen. Man erkennt, daß die Ströme in den gestrichelten Linien 208 mit I_BB''+ und I_BB''– bezeichnet sind. Es ist beabsichtigt, daß die mit I_BB''+ und I_BB''– bezeichneten Ströme gleich den mit I_BB'+ und I_BB'– bezeichneten Strömen sind, in der Praxis können sich jedoch die Ströme aufgrund von Herstellungsunterschieden unterschieden. Aus diesem Grund dienen die unterschiedlichen Bezeichnungen dazu anzugeben, daß sich die Ströme geringfügig unterscheiden können. Die Transistoren 334, 321 und 342 stellen zusammen mit den angepaßten Widerständen R_B 352, 354 und 356 die geeignete Bias für die Transistoren 320, 316, 318 und 322 bereit. Die Ausgangssignale IF₊ und IF_– der Schaltung 200 erscheinen jeweils an den Ausgangsanschlüssen 340 und 332.
• Die vorstehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wurde zum Zwecke der Veranschaulichung und Beschreibung gegeben. Sie dient nicht dazu, erschöpfend zu sein oder die Erfindung auf die präzise offenbarte Form zu beschränken. Im Lichte der vorstehenden Lehre sind offensichtliche Modifikationen und Änderungen möglich. Die Ausführungsform wurde gewählt und beschreiben, um die beste Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung und ihrer praktischen Anwendung zu beschreiben und dadurch einem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen und mit verschiedenen, für den jeweils betrachteten Anwendungsfall geeigneten Modifikationen anzuwenden. Alle solchen Modifikationen und Änderungen liegen in dem Schutzbereich der Erfindung, wie er durch die beigefügten Patentansprüche definiert wird, wenn diese gemäß der Breite interpretiert werden, die ihnen gerechterweise, rechtmäßig und billigerweise zukommen.

Claims (9)

1. Frequenzabwärtswandlerschaltung (200) umfassend: eine Mischschaltung (202), die ein Paar von Differenzströmen ausgibt, wobei jeder Strom zwei Frequenzkomponenten hat; eine Filterschaltung (204), die eine der zwei Frequenzkomponenten aus jedem der zwei Ströme filtert und ein Paar von gefilterten Differenzströmen ausgibt, das eine verbleibende Frequenzkomponente enthält; und eine Verstärkerschaltung (208), die das Paar gefilterter Differenzströme empfängt, die verbleibende Frequenzkomponente verstärkt und ein Spannungssignal ausgibt, so daß sich ein von der Frequenzabwärtswandlerschaltung ergebender Spannungshub nur an den Ausgängen (332, 340) der Verstärkerschaltung (208) ergibt.
2. Schaltung nach Anspruch 1, umfassend eine Stromkonditionierungsschaltung (206), die zwischen der Filterschaltung (204) und der Verstärkerschaltung (208) angeschlossen ist.
3. Schaltung nach Anspruch 2, in der die Stromkonditionierungsschaltung (206) ein Paar von Stromspiegelschaltungen (280, 282) enthält.
4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, in der die Verstärkerschaltung (208) einen Strom-Spannungs-Verstärker umfaßt.
5. Schaltung nach Anspruch 4, in der der Strom-Spannungs-Verstärker einen Differenzverstärker (316, 318) und einen ersten und zweiten Transistor (320, 322) umfaßt.
6. Schaltung nach Anspruch 5, in der die Transistoren (320, 322) jeweils negative Rückkopplung verwenden.
7. Schaltung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, in der die Mischschaltung (202) umfaßt: ein Paar von Differenzverstärkern (212, 214), die an ein erster Paar von Eingangsanschlüssen (264, 266) angeschlossen sind, die derart ausgebildet sind, daß an sie eine erste Frequenzkomponente, die gleich der Summe der Frequenzen von zwei Sätzen von Eingangssignalen ist, und eine zweite Frequenzkomponente, die gleich der Differenz der Frequenzen der zwei Sätze von Eingangssignalen ist, angelegt werden kann; und einen Differenzverstärker (220), der an ein zweites Paar von Eingangsanschlüssen (258, 260) angeschlossen ist, wobei der zweite der zwei Sätze von Signalen eingegeben wird.
8. Verfahren zum Erzielen einer Frequenzabwärtswandlung auf einem einzelnen integrierten Halbleiterchip, wobei das Verfahren umfaßt: Erhalten eines Paares von Differenzströmen (I_BB+, I_BB–), die eine erste Frequenzkomponente und eine zweite Frequenzkomponente haben, von dem Mischen von zwei Sätzen von Signalen; Filtern der zweiten Frequenzkomponente aus dem Paar von Differenzströmen, wobei ein gefiltertes Paar von Differenzströmen verbleibt; Konvertieren und Verstärken des gefilterten Paares von Differenzströmen in ein Paar von Differenzspannungen.
9. Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend das Konditionieren des gefilterten Paares von Differenzströmen.