DE69836613T2

DE69836613T2 - Aktiver Gegentaktmischer mit hoher Linearität

Info

Publication number: DE69836613T2
Application number: DE69836613T
Authority: DE
Inventors: Kevin Wesley Torrance Kobayashi
Original assignee: Northrop Grumman Corp
Current assignee: Northrop Grumman Systems Corp
Priority date: 1997-11-18
Filing date: 1998-10-29
Publication date: 2007-09-27
Anticipated expiration: 2018-10-30
Also published as: EP0917283A2; EP0917283A3; US6078802A; JPH11220332A; JP3122719B2; EP0917283B1; DE69836613D1

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Mischer und insbesondere Mischer mit einer niedrigen Stromaufnahme mit einem verbesserten Linearitätsverhalten (IP3).
2. Beschreibung des Standes der Technik
Mischer werden in vielen kommerziellen Anwendungen verwendet, die kommerzielle drahtlose Anwendungen, beispielsweise Mobiltelefone, schnurlose Telefone, globale Positionierungssysteme und PCMCIA-Computerschnittstellenanwendungen, umfassen. Derartige Anwendungen erfordern ein Betriebsverhalten mit einer relativ hohen Linearität (IP3), eine niedrige Rauschzahl und ein gutes Isolationsverhalten bei Frequenzen niedriger als 6 GHz. Derartige Mischer müssen auch bei relativ niedrigen Gleichspannungen arbeiten, beispielsweise bei einer Gleichspannung von weniger als 3,6 Volt. Mischer, die in einer tragbaren Gleichspannungselektronik verwendet werden, müssen eine relativ niedrige Gleichstromaufnahme aufweisen, um die Batterielebensdauer zu maximieren, und müssen auch eine relativ kleine Größe aufweisen. Viele bekannte Mischer können nicht alle dieser Betriebsverhaltensziele erreichen.
Bekannte Gilbert-Zellenmischer können eine positive Mischverstärkung und eine gute Isolation bereitstellen, und sie beanspruchen eine relativ kleine Fläche und sind dazu ausgebildet, monolithisch integriert zu werden. Leider erfordern derartige bekannte Gilbert-Zellenmischer einen relativ großen Betrag an Gleichstrom und Leistung, um einen Bruchteil des Linearitätsverhaltens bekannter Schottky-Diodenmischerstrukturen zu erreichen. Zusätzlich erfordern derartige Gilbert-Zellenmischer typischerweise eine Versorgungsspannung V_BE von etwa 2,5 bis 3 Volt, um ein angemessenes Linearitätsverhalten bereitzustellen.
Herkömmliche aktive Schottky-Diodenmischerstrukturen sorgen für eine relativ hohe Linearität, eine gute Isolation und ein gutes Mischverlustverhalten, während sie wenig oder keinen Gleichstrom verbrauchen. Herkömmliche Schottky-Mischer, die passive Baluns (BALanced-UNbalanced) verwenden, brauchen jedoch relativ große Flächen, insbesondere bei Frequenzen von weniger als 2 GHz und sind auf eine Bandbreite von etwa einer Oktave beschränkt.
Schottky-Diodenmischer mit aktiven Baluns sind auch bekannt, beispielsweise wie sie in der ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 08/500725, eingereicht am 7. November 1995 und erteilt als US 5,678,225 , und in "A Novel HBT Active Transformer Balanced Schottky Diode Mixer" von K. Kobayashi, 1996, IEEE MMT-S Dig., San Diego, CA, beschrieben sind, die hiermit per Bezugnahme aufgenommen werden. Derartige Mischer sind mit einer aktiven Balun-Topologie ausgebildet, um einen doppeltsymmetrischen Mischer zu bilden, der für einen Betrieb bei einer relativ niedrigeren Versorgungsspannung und einem besseren Linearitätsverhalten als bekannte Gilbert-Zellenmischer sorgt, während eine positive Mischverstärkung aufrechterhalten wird, eine relativ niedrige Ansteuerung eines lokalen Oszillators (LO) erforderlich ist und das doppeltsymmetrische Mehrdekadenfrequenzverhalten aufrechterhalten wird. Derartige Mischer stellen auch eine gute Amplituden- und Gegenphasensymmetrie von < ± 1 dB und < ± 6° bei bis zu 5 GHz bereit. Außerdem sind derartige Mischer auch dazu ausgebildet, dass sie als monolithisch integrierte Mikrowellenschaltung (MMIC: monolithic microwave integrated circuit) monolithisch integriert werden.
Es wird auf 3 Bezug genommen. Der in der zuvor genannten Patentanmeldung offenbarte aktive Balun-Mischer umfasst einen Ring mit vier Schottky-Dioden und zwei aktiven Baluns. Jeder Balun umfasst einen unsymmetrischen (single ended) HF-Eingang und einen unsymmetrischen Eingang für einen lokalen Oszillator mit 50 Ohm, der einen Widerstand R₁, einen Transistor Q₅ und eine Stromquelle I₄ umfasst. Ein Spiegelzweig, der einen Widerstand R₂, einen Transistor Q₆ und eine Stromquelle I₅ umfasst, wird verwendet, um ein Differenzsignal zu erzeugen, das einen Differenzverstärker ansteuert, der aus den Transistoren Q₁, Q₂, einem Paar von niedrigen Widerständen R_L1, R_L2 und einem Emittergegenkopplungswiderstand R_e und Stromquellen I₁ und I₂ gebildet ist. Die Ausgänge der Kollektoren Q₁ und Q₂ stellen symmetrische gegenphasige Komplementärausgänge bereit. Der Emittergegenkopplungswiderstand R_e ist dazu ausgebildet, dass er derart eingestellt wird, dass er den Eingangsleistungsverarbeitungsbereich des Differenzausgangsverstärkers sowie das Mischverstärkungsbandbreitenverhalten verbessert. Die Werte der Lastwiderstände R_L1 und R_L2 sind derart ausgewählt, dass das Produkt R_L·I größer als die Einschaltspannung der Schottky-Dioden ist. Auf diese Weise kann der Balun von einer großen lokalen Oszillator-Quelle angesteuert werden, die eine ausreichende Spannung aufweist, um die Schottky-Dioden bei einem Großsignalbetrieb einzuschalten. Weil der aktiven Balun für einen lokalen Oszillator und der aktive HF-Balun direkt mit dem Ring mit vier Schottky-Dioden gekoppelt sind, muss das Spannungsprodukt R_L·I sowohl für den aktiven HF-Balun als auch für den aktiven Baluns für den lokalen Oszillator das gleiche sein, so dass die Dioden des Rings mit vier Schottky-Dioden mit einer Vorspannung von 0 Volt beim Fehlen der HF-Signale und der lokalen Oszillator-Signale vorgespannt werden. Diese Auslegungsbeschränkung muss aufrechterhalten bleiben, um die Gleichstromsymmetrie der Schottky-Dioden sowie der aktiven Baluns beizubehalten. Der ZF-Mittenabgriff wird aus einem Paar von Transistoren Q₃ und Q₄, die als Folger ausgebildet sind, und einer Stromquelle I₃ gebildet. Die Transistoren Q₃, Q₄ kombinieren In-Phase-ZF-Signale an ihren Emittern. Der aktive Balun wird durch eine einzige Versorgungsspannung V_CC selbst vorgespannt.
Eine inhärente Beschränkung bei einer derartigen Topologie ist, dass sie nicht effizient den gesamten Reststrom (tail current) des Differenzverstärkers verwendet, der den Ring mit vier Schottky-Dioden ansteuert, was das Betriebsverhalten, wie nachstehend erörtert wird, beschränkt. Insbesondere wenn die Hälfte des Schottky-Diodenrings entweder von dem aktiven Baluntreiber für den lokalen Oszillator oder dem aktiven HF-Baluntreiber eingeschaltet wird, ist der Maximalstrom durch die Schottky-Dioden auf die Hälfte des Reststroms des Differenzverstärkerschalttreibers begrenzt. In der Tat ist bekannt, dass in der Praxis der Ist-Strom der Schottky-Diode niedriger als die Hälfte dieses Reststromes ist. Es ist bekannt, dass, je höher die Ansteuerung von dem lokalen Oszillator ist und folglich je höher der Schaltstrom durch die Schottky-Dioden des Viererrings ist, desto besser das Linearitätsverhalten, die Mischverstärkung und das Rauschzahlverhalten eines Mischers ist. Folglich führt die ineffiziente Verwendung des Reststromes zum Treiben des Rings mit vier Schottky-Dioden zu einer suboptimalen Mischer-Mischverstärkung, einer suboptimalen Rauschzahl und einem suboptimalen Linearitätsverhalten für den Gleichstrombetrag, der durch die symmetrischen Treiber verbraucht wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die verschiedenen Probleme im Stand der Technik zu lösen.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Mischer mit einer relativ niedrigen Stromaufnahme und mit einem verbesserten Linearitätsverhalten pro durch den symmetrischen Treiber verbrauchten Gleichstrombetrag bereitzustellen.
Die Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch einen aktiven Mischer gemäß Anspruch 1 und einen aktiven Balun gemäß Anspruch 11 gelöst.
Kurz gesagt, betrifft die vorliegende Erfindung einen Mischer mit einer niedrigen Stromaufnahme und mit einem verbesserten Linearitätsverhalten. Der Mischer umfasst erfindungsgemäß einen ersten und einen zweiten aktiven Balun, der mit einem Schottky-Diodenring gekoppelt ist. Jeder der aktiven Baluns umfasst einen komplementären Schottky-Differenzschalttreiber, der ermöglicht, dass der Ring mit vier Schottky-Dioden mit dem vollen Reststrom geschaltet werden kann, was ein relativ besseres Linearitätsverhalten bezogen auf die Gleichstromaufnahme als bei bekannten doppeltsymmetrischen Schottky-Diodenmischern mit aktiven Baluns bereitstellt.
Beschreibung der Zeichnungen
Diese und weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden leicht unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen verstanden, wobei:
1 ein Blockdiagramm eines doppeltsymmetrischen Mischers mit einem Ring mit vier Schottky-Dioden und mit erfindungsgemäßen aktiven Baluns ist;
2 ein konzeptioneller Schaltplan eines Balunübertragers mit einem ZF-Mittenabgriff ist;
3 ein Schaltplan eines bekannten aktiven HBT-Baluns ist;
4 ein Schaltplan eines Differenzverstärkerschalttreibers ist, der die Arbeitsweise des in 3 dargestellten aktiven Balunmischers darstellt;
5 ein Schaltplan eines Komplementärdifferenzverstärker-Schottky-Schalttreibers ist, der einen Teil des erfindungsgemäßen aktiven Baluns bildet; und
6 eine alternative Ausführungsform der in 5 dargestellten Komplementärdifferenz-Schottky-Schalttreiberschaltung gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
Detaillierte Beschreibung
Wie nachstehend detaillierter erörtert werden wird, stellt der erfindungsgemäße doppeltsymmetrische, aktive Schottky-Diodenmischer, der allgemein mit den Bezugszeichen 20 gekennzeichnet wird und in 1 dargestellt ist, ein verbessertes Linearitätsverhalten bezogen auf die Gleichstromaufnahme gegenüber anderen bekannten doppeltsymmetrischen Mischern bereit, die aktive Baluns verwenden. Es wird auf 1 Bezug genommen. Der doppeltsymmetrische aktive Balun-Schottky-Diodenmischer 20 umfasst einen ersten und einen zweiten aktiven Balun 22 und 24 und einen Ring 26 mit vier Schottky-Dioden. Der aktive Balun 22 umfasst einen Eingangsanschluss 28, der an einen HF-Eingang (HF IN) angeschlossen sein kann, und einen Zwischenfrequenz(ZF)-Ausgangsanschluss (ZF1-Ausgang) 30. Der aktive Balun 22 umfasst ferner einen 0°- und einen 180°-Ausgang 32 und 34, die mit einem Paar von Knoten 36 und 38 des Rings 26 mit vier Schottky-Dioden gekoppelt ist.
Ähnlich hierzu umfasst der aktive Balun 24 einen Eingangsanschluss 40 (LO Eingang), beispielsweise zum Anschluss an einen lokalen Oszillator, und einen ZF-Ausgangsanschluss (ZF2-Ausgang) 42. Der aktive Balun 24 umfasst ferner einen 0°- und einen 180°-Ausgang 44 und 46, die an ein Paar von Knoten 48 und 50 des Rings 26 mit vier Schottky-Dioden angeschlossen sind.
Der Ring mit vier Schottky-Dioden 26 umfasst vier Schottky-Dioden 52, 54, 56 und 58. Eine Kathode der Schottky-Diode 52 ist an die Anode der Schottky-Diode 54 angeschlossen, was den Anschluss 36 definiert. Eine Kathode der Schottky-Diode 54 ist an die Anode der Schottky-Diode 56 angeschlossen, was den Anschluss 48 bildet. Eine Kathode der Schottky-Diode 56 ist an eine Anode der Schottky-Diode 58 angeschlossen, was den Anschluss 38 definiert. Schließlich ist eine Kathode der Schottky-Diode 58 an eine Anode der Schottky-Diode 52 angeschlossen, was den Anschluss 50 definiert. Wie zuvor erwähnt wurde, sind die Anschlüsse 36 und 38 des Rings 26 mit vier Schottky-Dioden mit dem 0°- und 180°-Ausgang des aktiven Baluns 22 gekoppelt, während die Anschlüsse 48 und 50 an den 0°-Ausgang 44 und den 180°-Ausgang 46 des aktiven Baluns 24 angeschlossen sind.
In 2 ist ein konzeptioneller Schaltplan eines Balun-Übertragers mit einem ZF-Mittenabgriff dargestellt. Der Balun-Übertrager, der allgemein mit dem Bezugszeichen 60 gekennzeichnet ist, wird verwendet, um unsymmetrische Eingangssignale eines lokalen Oszillators (LO) oder unsymmetrische Hochfrequenz(HF)-Eingangssignale in zwei außerphasige komplementäre Signale zum Treiben an Spitzen (Anschlüssen) des Rings 26 mit vier Schottky-Dioden umzusetzen. Der Übertra ger 60 ist mit einer Primärwicklung 62 und einer einzigen Sekundärwicklung 64 dargestellt. Ein Eingangssignal von einem lokalen Oszillator (LO) oder ein HF-Eingangssignal wird an ein Ende der Primärwicklung 62 angelegt, während das entgegengesetzte Ende an Masse angeschlossen ist. Die komplementären 0°- und 180°-Signale sind von der Sekundärwicklung 64 verfügbar. Die Sekundärwicklung 64 umfasst einen Mittenabgriff, um einen ZF-Ausgangsanschluss bereitzustellen. Wie nachstehend detaillierter erörtert wird, werden die erfindungsgemäßen aktiven Baluns verwendet, um die gleiche Funktion wie der Balun-Übertrager 60 bereitzustellen, aber mit einer verbesserten Verstärkung und einem verbesserten Linearitätsverhalten.
Die vorliegende Erfindung wird am besten unter Bezugnahme auf den in 3 dargestellten bekannten aktiven Balun 66 verstanden. Wie in 3 dargestellt ist, umfasst der bekannte aktive Balun 66 eine unsymmetrische Eingangsstufe 68, die einen Transistor Q₅ und einen Widerstand R₁ umfasst, und als Emitterfolger ausgebildet ist. Der aktive Balun 66 umfasst ferner eine In-Phase-ZF-Mittenabgriff-Kombinator-Stufe 70, die die Transistoren Q₃ und Q₄ und einen Differenzverstärker-Schottky-Schalttreiber umfasst, der innerhalb des gestrichelten Rahmens 72 gezeigt ist. Um eine symmetrische Arbeitsweise vorzusehen, wird ein zweiter Emitterfolger oder eine Spiegelzweigstufe 74, die einen Transistor Q₆ und einen Widerstand R₂ umfasst, an den Differenzverstärker-Schottky-Schalttreiber 72 angelegt.
Wie gezeigt ist, umfasst der Differenzverstärker-Schottky-Schalttreiber 72 ein Paar von komplementär differenzbildend angeschlossenen Transistoren Q₁ und Q₂, ein Paar von Lastwiderständen R_L1, R_L2 und einen Emitterrückkopplungswiderstand R_e, der zwischen die Emitter der Transistoren Q₁ und Q₂ angeschlossen ist.
Wie zuvor erwähnt wurde, ist der aktive Balun 66 nicht in der Lage, effizient den Reststrom des Differenzverstärkertreibers 72 zu verwenden, um den Ring mit vier Schottky-Dioden zu schalten, was zu einem verschlechterten Linearitätsverhalten bezogen auf die Gleichstromaufnahme führt und einen Mischer mit einem derartigen aktiven Balun bei vielen Anwendungen ungeeignet macht.
4 stellt eine Äquivalenzschaltung des in 3 dargestellten Differenzverstärker-Schottky-Schalttreibers 72 dar und wird allgemein mit dem Bezugszeichen 76 gekennzeichnet. Wie gezeigt ist, sind komplementäre 0°- und 180°-Ausgänge, die an den Kollektoren der Transistoren Q₁ und Q₂ verfügbar sind, an Spitzen oder Knoten 78 oder 80 eines Rings 82 mit vier Schottky-Dioden angeschlossen dargestellt. Die anderen zwei Knoten 84 und 86 werden durch einen nicht gezeigten identischen Differenzverstärker-Schottky-Schalttreiber angesteuert.
Der Differenzverstärker-Schottky-Schalttreiber 72 verfügt über einen Gesamtreststrom von I₀ = I₁ + I₂. Wenn eine positive Spannung an die Basis des Transistors Q₁ und eine korrespondierende negative Spannung an die Basis des Transistors Q₂ angelegt wird, die beide durch die Eingangsstufe 68, 70 des aktiven Balun 66 erzeugt werden, wird, wie dargestellt ist, eine Stromsenke durch den Transistor Q₁ aufgebaut, die den Gesamtreststrom I₀ bildet. Da von dem Transistor Q₂ kein Strom aufgenommen wird, sind die einzigen Strompfade der Strom I_L durch den Lastwiderstand R_L1 und der I_Schottky durch den Lastwiderstand R_L2 und durch die zwei hintereinander geschalteten Schottky-Dioden d₃ und d₄. Die Summe dieser Ströme I_L und I_Schottky ist gleich dem Gesamtreststrom I₀ des Differenzverstärkers. Durch Anwenden des Kirchhoffschen Stromgesetzes an dem LO-Knoten sind die Stromanteile des Stroms I_L und des Schottky-Stroms I_Schottky wie durch die nachstehenden Gleichungen (1) und (2) vorgegeben. IL = I0/2 + VSchottky/RL (1); ISchottky = I0/2 – VSchottky/RL (2);wobei I₀ gleich dem Gesamtreststrom I₁ + I₂ ist, I_Schottky der Strom durch die eingeschalteten Schottky-Dioden d₃ und d₄ ist, V_Schottky die Einschaltspannung der Schottky-Diode ist, R_L der Lastwiderstand des Differenzverstärkers ist und I_L der Strom durch den Lastwiderstand R_L des eingeschalteten Transistors ist, der die Stromsenke bildet.
Gleichung 2 zeigt, dass der Maximalstrom, der durch die Schottky-Dioden geschaltet werden kann, nur die Hälfte des gesamten Treiberreststromes I₀/2 ist. In der Praxis wird jedoch der Strom I_Schottky viel niedriger als dieser Strom sein, und zwar um den Wert V_Schottky/R_L, der bei einem Gleichstrombetrieb mit einer niedrigen Stromaufnahme sehr wesentlich wird. Als solches ist der Schottky-Strom I_Schottky typischerweise niedriger als ein Viertel des Gesamtreststromes. Eine derartige ineffiziente Verwendung des Treiberreststromes führt zu einem Linearitätsverhalten, einer Mischverstärkung und einem Rauschzahlverhalten pro Einheit einer Gleichstromleistung des Mischers, die schlechter als ein Optimum sind.
Es wird auf 5 Bezug genommen. Ein Differenzverstärker-Schottky-Schalttreiber, der allgemein mit dem Bezugszeichen 86 gekennzeichnet ist, verbessert erfindungsgemäß die Verwendung des Reststromes, um das Linearitätsverhalten des Mischers zu verbessern, während er für einen Betrieb mit einer niedrigen Stromaufnahme sorgt. Der Differenzverstärker-Schottky-Schalttreiber 86 ist komplementär ausgestaltet und ersetzt den in 3 dargestellten Differenzverstärker-Schottky-Schalttreiber 72, um einen aktiven Balun 88 mit einem verbesserten Linearitätsverhalten und einen Gleichstrombetrieb mit einer relativ niedrigen Stromaufnahme bereitzustellen. Wie in 6 dargestellt ist, umfasst der aktive Balun 88 erfindungsgemäß eine unsymmetrische Eingangsstufe 90, die eine unsymmetrische Eingangsfolgerstufe 90 umfasst, die einen Widerstand R₁, beispielsweise mit 50 Ohm, und einen Transistor Q₅, beispielsweise einen Hetero-Bipolartransistor (HBT: heterojunction bipolar transistor), und eine Stromquelle I₄, die mit dem Emitter des Transistors Q₅ mittels eines Pegelschieberwiderstandes R₃ gekoppelt ist. Die Basis des Transistors Q₅ bildet einen Eingangsanschluss 94 zum Erhalten eines HF/LO-Eingangssignals. Der Emitter des Transistors Q₅ stellt einen Eingang bereit, um den Komplementärdifferenzverstärker-Schottky-Schalttreiber 86 erfindungsgemäß anzusteuern. Der andere Eingang für den Komplementärdifferenzverstärker-Schottky-Schalttreiber 86 ist von einer anderen Emitterfolgerstufe 96, die als ein Spiegelzweig wirkt, die einen Komplementärtransistor Q₆ und einen Eingangswiderstand R₂ umfasst. Die Komplementäreingangsstufe umfasst auch eine Stromquelle I₅ und einen Pegelschieberwiderstand R₄. Die Stromquelle I₅ wird verwendet, um ein Differenzsignal zu erzeugen, das den Komplementärdifferenzsignalverstärker-Schottky-Schalttreiber ansteuert. Der Emitterausgang des Transistors Q₆ wird an den Komplementärdifferenzverstärker-Schottky-Schalttreiber 86 angelegt, um einen symmetrischen Betrieb bereitzustellen. Der Transistor Q₆ kann auch ein HBT sein. Der aktive Balun 88 umfasst auch einen In-Phase-ZF-Mittenabgriffkombinator 100. Der Mittenabgriffkombinator umfasst ein Paar komplementär geschalteter Transistoren Q₃ und Q₄ und umfasst einen Mittenabgriff, der einen ZF-Ausgangsanschluss 102 definiert.
Gemäß einem wichtigen Aspekt der Erfindung verwendet der Komplementärdifferenzverstärker-Schottky-Schalttreiber 86 effizient einen Differenzverstärkerreststrom, um ein verbessertes Linearitätsverhalten und einen Gleichstrombetrieb mit einer relativ niedrigen Stromaufnahme bereitzustellen. Der Komplementärdifferenzverstärker-Schottky-Schalttreiber 86 umfasst ein Paar von Differenzeingangstransistoren Q₁ und Q₂ und ein Paar von Komplementäreingangstransistoren Q_1p und Q_2p. Die Emitter der Transistor Q₁ und Q₂ können mittels eines Emitterrückkopplungswiderstandes R_e miteinander verbunden sein. Die Kollektoren der Transistoren Q_1p, Q₁ und Q₂ und Q_2p sind miteinander verbunden und bilden die 0°- und 180°-Ausgänge, die derart ausgebildet sind, dass sie an den Ring 26 mit vier Schottky-Dioden (1) angelegt werden. Die Kollektoren der Transistoren Q₁ und Q_1p und Q₂ und Q_2p stellen die symmetrischen gegenphasigen komplementären Ausgangssignale bereit, und die Emitterrückkopplungswiderstände R_e und R_ep können derart eingestellt werden, dass sie den Eingangsleistungsverarbeitungsbereich des Differenzausgangsverstärkers erhöhen, sowie das Bandbreitenverhalten der Mischverstärkung einzustellen. Die Emitter der Transistoren Q_1p und Q_2p können auch mittels eines Widerstandes R_ep miteinander verbunden sein. Die Emitterausgänge der Eingangsstufe 90 und der Folgerstufe 96 sind an die Basen der Transistoren Q₁ und Q₂ angeschlossen, die wiederum an die Basen der Transistoren Q_1p bzw. Q_2p angeschlossen sind. Die Mittenabgriffkombinatorstufe 100, die aus den Transistoren Q₃ und Q₄ gebildet ist, ist an die Komplementärverstärkerpaare Q_1p, Q₁, Q₂ und Q_2p angeschlossen. Insbesondere ist die Basis des Transistors Q₃ an die Kollektoren der Transistoren Q_1p und Q₁ und den 180°-Ausgang des Schalttreibers 86 angeschlossen. Ähnlich hierzu ist die Basis des Transistors Q₄ an die Kollektoren der Transistoren Q₂, Q_2p angeschlossen, um den 0°-Ausgang zu bilden.
Eine Äquivalenzschaltung des erfindungsgemäßen Komplementärdifferenzverstärker-Schottky-Schalttreibers 86 ist in 5 dargestellt. Wie gezeigt ist, ist der Komplementärdifferenzverstärker-Schottky-Schalttreiber 86 an zwei Spitzen 104 und 106 eines Rings 108 mit vier Schottky-Dioden angeschlossen. Die anderen zwei Spitzen 110, 112 sind derart ausgebildet, dass sie von einem nicht gezeigten, identischen aktiven Balun angesteuert werden. Wie in 5 gezeigt ist, verwendet der Komplementärdifferenzverstärker-Schottky-Schalttreiber 86 einen PNP-Differenzverstärker 114, der aus den Transistoren Q_1p und Q_2p, einem Emitterrückkopplungswiderstand R_ep, der die Emitter der Transistoren Q_1p und Q_2p miteinander verbindet, und aus zwei Stromquellen I_1p und I_2p ausgebildet ist. Der PNP-Differenzverstärker 114 ersetzt die Emitterwiderstände R_L (4) des herkömmlichen Differenzverstärker-Schottky-Schalttreibers 72. Bei der in 5 dargestellten Ausgestaltung ist der Gesamtreststrom des PNP-Differenzverstärkers 114 gleich der Summe der Stromquellen I_1p und I_2p, der gleich dem Gesamtreststrom I₀ gesetzt wird. Bei der in 5 und 6 dargestellten Ausgestaltung sind die Basis und der Kollektor der Transistoren Q_1p und Q₁ miteinander verbunden. Ähnlich hierzu sind die Basis und der Kollektor der Transistoren Q_2p und Q₂ miteinander verbunden. Eine derartige Ausgestaltung führt zu einem einzigartigen Komplementärdifferenzverstärkertreiber, der Ströme diagonal durch den Schottky-Diodenring 26 (1) schiebt oder zieht. Insbesondere, wenn eine positive Spannung an die Basen der Transistoren Q₁ und Q_1p (5) angelegt wird und eine negative Spannung den Basen der Transistoren Q₂ und Q_2p zugeführt wird, schalten sich die Transistoren Q₁ und Q_2p ein, während sich die Transistoren Q_1p und Q₂ ausschalten. Der Strom wird folglich von Q_2p durch die Dioden d₄ und d₃ geschoben und durch den Transistor Q₁ gezogen, während sich beide Dioden d₁ und d₂ in Sperrrichtung befinden (d.h., ausgeschaltet sind). Wenn eine negative Spannung an die Basen der Transistoren Q₁ und Q_1p angelegt wird und eine korrespondierende positive Spannung an die Basen der Transistoren Q₂ und Q_2p angelegt wird, schalten sich umgekehrt die Transistoren Q₂ und Q_1p ein, während sich die Transistoren Q_2p und Q₁ ausschalten. Bei diesem Betriebsmodus wird der Strom von dem Transistor Q_1p durch die Dioden d₁ und d₂ geschoben und durch den Transistor Q₂ gezogen, während sich die Dioden d₃ und d₄ beide in Sperrrichtung befinden (d.h., ausgeschaltet sind). Auf diese Weise wird der Ring 108 mit vier Schottky-Dioden mit dem vollen Reststrom I₀ geschaltet, der mehr als zweimal so hoch ist als der Reststrom, der mit dem in 4 dargestellten Differenzverstärker-Schalttreiber 72 erreicht wird, was schließlich zu einer höheren Linearität, einer höheren Mischverstärkung und einem niedrigeren Rauschzahlverhalten pro Einheit Gleichstrom für den aktiv symmetrierten Schottky-Diodenmischer führt. Der aktive Balun selbst kann durch eine einzige Versorgungsspannung V_CC mit einer Vorspannung versorgt werden.
Der Komplementärdifferenzverstärker-Schottky-Schalttreiber 86 wird verwendet, um die aktiven Baluns 22 und 24 (1) zu bilden, um einen Mischer 20 mit einem besseren IP3-Verhalten pro verbrauchtem Gleichstrom aufgrund der effizienteren Verwendung des Differenzverstärkertreiberreststromes bereitzustellen, wobei geschätzt wird, dass dieses zumindest 3 dB und typischerweise 6–10 dB beträgt. Die direkt gekoppelte Topologie ermöglicht einen Betrieb des Mischers von Gleichstrom bis 6 GHz, d.h. in einem Mehrdekadenfrequenzbereich. Der doppeltsymmetrische Mischer 20, der die erfindungsgemäßen aktiven Baluns verwendet, hat weitere Vorteile. Insbesondere stellt der Mischer 20 ein positives Mischverstärkungsverhalten bereit, was die Anzahl der erforderlichen Verstärker und die damit verbundene Gleichstromaufnahme reduziert, während auch ein exzellentes symmetrisches Isolationsverhalten bereitgestellt wird, das relativ besser als ein passiver doppeltsymmetrischer Schottky-Mischer ist, und ihn für Anwendungen bei einem Direktumsetzungsempfänger (direct conversion receiver) geeignet macht. Zusätzlich ist die erfindungsgemäße aktive Mischertopologie dazu ausgebildet, auf einer Fläche relativ kleiner Größe (d.h., < 0,65 × 0,3 mm²) monolithisch integriert zu werden und erfordert zum Betrieb eine niedrige Versorgungsspannung, d.h. ≤ 2,5·VBE (≤ 3,3 V), wobei HBT-Gilbert-Zellenmischer ≈3·VBE (4,2V) bei Verwendung von GaAs-HBTs erfordern. Der erfindungsgemäße aktive Mischer ist derart ausbildbar, dass er bei den bestehenden Systemen verwendet werden kann, die HBT-Gilbert-Zellenmischer verwenden.
Es ist ersichtlich, dass im Lichte der vorstehenden Lehren viele Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung möglich sind. Folglich versteht es sich, dass innerhalb des Bereichs der anhängenden Ansprüche die Erfindung anders ausgeführt werden kann, als speziell zuvor beschrieben wurde.
Folgendes wird beansprucht, und es ist gewünscht, dass Folgendes durch das Patent abgedeckt ist:

Claims

Einen aktiver Mischer, umfassend: – einen ersten aktiven Balun (22), der einen ersten Eingangsanschluss (28), einen ersten Ausgangsanschluss (30) und ein erstes Paar von symmetrischen 0°- und 180°-Ausgängen (32, 34) definiert; – einen zweiten aktiven Balun (24), der einen zweiten Eingangsanschluss (40), einen zweiten Ausgangsanschluss (42) und ein zweites Paar von symmetrischen 0°- und 180°-Ausgängen (44, 46) definiert; und – einen Diodenring (26), der vier Dioden (52, 54, 56, 58) umfasst, die elektrisch mit dem ersten und dem zweiten Paar symmetrischer 0°- und 180°-Ausgänge gekoppelt sind; wobei der erste aktive Balun (22) einen ersten Komplementärdifferenzverstärker (86) umfasst, der ein Paar von ersten Differenzeingangstransistoren (Q₁, Q₂) und ein Paar von ersten Komplementäreingangstransistoren (Q_1P, Q_2P) umfasst, und wobei die Ausgänge des Komplementärdifferenzverstärkers je mit einer Diode des Diodenringes gekoppelt sind, wobei der erste aktive Balun (22) ferner eine erste Eingangsstufe (90), die den Einganganschluss (94) definiert, und eine Spiegelstufe (96) umfasst, die die an den Eingangsanschluss (94) angelegten Signale spiegelt, wobei die Eingangsstufe (90) und die Spiegelstufe (96) an die Differenzeingangstransistoren (Q₁, Q₂) angeschlossen sind.
Der aktive Mischer nach Anspruch 1, wobei der zweite aktive Balun (24) einen zweiten Differenzverstärker (86) umfasst, der ein zweites Paar von Differenzeingangstransistoren (Q₁, Q₂) und ein zweites Paar von zweiten Komplementäreingangstransistoren (Q_1P, Q_2P) umfasst, wobei der zweite aktive Balun (24) ferner eine zweite Eingangsstufe (90), die den Eingangsanschluss (94) definiert, und eine Spiegelstufe (96) umfasst, die die an den Eingangsanschluss (94) angelegten Signale spiegelt, wobei die Eingangsstufe (40) und die Spiegelstufe (96) an die Differenzeingangstransistoren (Q₁, Q₂) angeschlossen sind.
Der aktive Mischer nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Dioden (52, 54, 56, 58) Schottky-Dioden sind.
Der aktive Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die ersten Differenzeingangstransistoren (Q₁, Q₂) Hetero-Bipolartransistoren sind.
Der aktive Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Komplementäreingangstransistoren (Q_1P, Q_2P) Hetero-Bipolartransistoren sind.
Der aktive Mischer nach Anspruch 1, wobei der erste Differenzverstärker (86) einen Reststrom definiert und derart ausgebildet ist, dass er im Wesentlichen den gesamten Reststrom I₁ verwendet, um zwei der Dioden (52, 54, 56, 58) in dem Diodenring (26) zu schalten.
Der aktive Mischer nach Anspruch 2, wobei der zweite Differenzverstärker (90) einen zweiten Reststrom I₂ definiert und wobei der zweite Differenzverstärker (90) derart ausgebildet ist, dass er im Wesentlichen den gesamten Reststrom I₂ verwendet, um die anderen zwei der Dioden (52, 54, 56, 58) in dem Diodenring (26) zu schalten.
Der aktive Mischer nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei der zweite Differenzverstärker (90) ein Komplementärdifferenzverstärker ist, der das Paar von Differenzeingangstransistoren (Q₁, Q₂) und das Paar von Komplementäreingangstransistoren (Q_1P, Q_2P) umfasst.
Der aktive Mischer nach Anspruch 1, wobei die Differenzeingangstransistoren und die Komplementäreingangstransistoren (Q_1P, Q_2P) je eine Basis, einen Kollektor und einen Emitter umfassen, wobei die Basen und die Kollektoren eines jeden der Differenzeingangstransistoren und der Komplementäreingangstransistoren miteinander verbunden sind.
Der aktive Mischer nach Anspruch 2, wobei die Differenzeingangstransistoren und die Komplementäreingangstransistoren (Q_1P, Q_2P) je eine Basis, einen Kollektor und einen Emitter umfassen, wobei die Basen und die Kollektoren eines jeden der Differenzeingangstransistoren und der Komplementäreingangstransistoren miteinander verbunden sind.
Ein aktiver Balun, umfassend: – eine Eingangsstufe (100), die einen Eingangsanschluss (94) und einen Spiegelzweig (96) zum Spiegeln von an den Eingangsanschluss (94) angelegten Signalen umfasst; – einen Komplementärdifferenzverstärker (86), der elektrisch mit dem Eingangsanschluss (94) und dem Spiegelzweig (96) gekoppelt ist, wobei der Komplementärdifferenzverstärker (86) ein Paar von Differenzeingangstransistoren (Q₁, Q₂) und ein Paar von Komplementäreingangstransistoren (Q_1P, Q_2P) umfasst, wobei jeder der Komplementäreingangstransistoren (Q_1P, Q_2P) mit einem der Differenzeingangstransistoren (Q₁, Q₂) gekoppelt ist und 0°- und 180°-Ausgänge des Komplementärdifferenzverstärkers (86) definiert, und – einen Mittenabgriffkombinator (83, 84), der zwischen den Eingangsanschluss (94) und den Spiegelzweig (96) und die 0°- und 180°-Ausgänge gekoppelt ist.
Der aktive Balun nach Anspruch 11, wobei die Differenzeingangstransistoren und die Komplementäreingangstransistoren je eine Basis, einen Emitter und einen Kollektor umfassen, wobei die Basis eines jeden der Komplementäreingangstransistoren an die Basis eines der Differenzeingangstransistoren angeschlossen ist.
Der aktive Balun nach Anspruch 12, wobei die Kollektoren der Komplementäreingangstransistoren an den Kollektor eines der Differenzeingangstransistoren angeschlossen sind.
Der aktive Balun nach Anspruch 13, wobei der Mittenabgriffkombinator ein Paar von Transistoren (Q₃, Q₄) und eine Stromquelle (I₃) umfasst.
Der aktive Balun nach Anspruch 13, wobei die Differenzeingangstransistoren und die Komplementäreingangstransistoren Hetero-Bipolartransistoren sind.
Der aktive Balun nach Anspruch 11, wobei der aktive Balun derart ausgebildet ist, dass er monolithisch integriert ist.