FR2818828A1 - Device for frequency transposition of radio signal by mixing with local oscillator signal, for use in transmitters and receivers of radio-communication apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
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Dispositif de transposition de fréquence à haute admissibilité et faible dissipation. L'invention concerne la transposition de fréquence et s'applique avantageusement mais non limitativement dans le domaine de la radiofréquence, par exemple en téléphonie mobile, dans lequel les circuits radiofréquence utilisent généralement des dispositifs de transposition de fréquence, ou mélangeurs de fréquence, tant à l'émission qu'à la réception. High permissibility and low dissipation frequency transposition device. The invention relates to frequency transposition and applies advantageously but not limited to the field of radiofrequency, for example in mobile telephony, in which the radiofrequency circuits generally use frequency transposition devices, or frequency mixers, both to emission than reception.
A l'émission, les mélangeurs de fréquence, qui sont en l'espèce des circuits élévateurs de fréquence, ont pour but de transposer l'information en bande de base autour de la porteuse d'émission. En réception, les mélangeurs de fréquence sont des montages abaisseurs de fréquence. On transmission, the frequency mixers, which in this case are frequency step-up circuits, aim to transpose the information into baseband around the transmission carrier. In reception, the frequency mixers are frequency step-down arrangements.
La figure 1 illustre schématiquement la structure habituellement utilisée pour les dispositifs de transposition de fréquence de l'art antérieur, par exemple une structure de montage abaisseur de fréquence. FIG. 1 schematically illustrates the structure usually used for frequency transposition devices of the prior art, for example a frequency step-down assembly structure.
La structure habituellement utilisée pour ces mélangeurs est une structure de type GILBERT différentielle telle qu'illustrée schématiquement sur cette figure 1. The structure usually used for these mixers is a differential GILBERT type structure as shown schematically in this figure 1.
Plus précisément, une telle structure comporte un bloc transducteur différentiel BTC pour convertir le signal d'entrée différentiel (tension) RF, RF-, présent sur les bornes BEI et BE2, en un courant différentiel. Ce bloc BTC comporte dans le cas présent un étage différentiel constitué d'une paire différentielle de transistors QI et Q2, dont les bases respectives sont reliées aux bornes d'entrée BEI et BE2. Les
collecteurs des deux transistors QI et Q2 forment les bornes de sortie de ce bloc transducteur BTC. Bien entendu, le bloc BTC pourrait comporter plusieurs étages, et, dans ce cas, les transistors QI et Q2 en formeraient More precisely, such a structure comprises a differential transducer unit BTC for converting the differential input signal (voltage) RF, RF-, present on the terminals BEI and BE2, into a differential current. This BTC block comprises in the present case a differential stage consisting of a differential pair of transistors QI and Q2, the respective bases of which are connected to the input terminals BEI and BE2. The
collectors of the two transistors QI and Q2 form the output terminals of this BTC transducer block. Of course, the BTC block could have several stages, and, in this case, the transistors QI and Q2 would form them.
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l'étage de sortie.
the output floor.
Les transistors QI et Q2 sont polarisés par une source de courant IPOL. The transistors QI and Q2 are biased by an IPOL current source.
A la sortie du bloc transducteur BTC, c'est-à-dire aux collecteurs des transistors Q 1 et Q2, est connecté un bloc de commutation de courant COM aiguillant le courant alternativement vers l'une ou l'autre des deux bornes de sortie BS1, BS2, à la fréquence d'un signal d'oscillateur local LO+, LO-, reçu au niveau des bornes BC 1, BC2 et BC3. At the output of the transducer block BTC, that is to say to the collectors of the transistors Q 1 and Q2, is connected a current switching block COM directing the current alternately to one or the other of the two output terminals BS1, BS2, at the frequency of a local oscillator signal LO +, LO-, received at terminals BC 1, BC2 and BC3.
Ce bloc COM comporte classiquement deux paires de transistors Q3, Q5, et Q4, Q6. This COM block conventionally comprises two pairs of transistors Q3, Q5, and Q4, Q6.
Chaque impédance ZL1, ZL2 (par exemple des résistances) connectée entre les bornes de sortie BS1, BS2 et l'alimentation Vcc, représente la charge de sortie du mélangeur. Each impedance ZL1, ZL2 (for example resistors) connected between the output terminals BS1, BS2 and the supply Vcc, represents the output load of the mixer.
Le bloc transducteur BTC convertit la puissance ou la tension appliquée aux entrées BEI, BE2 en un courant différentiel qui est une image supposée linéaire du signal d'entrée. Ce signal linéaire est ensuite
découpé par une fonction carrée non linéaire (+1,-1, + 1,-1...) réalisée par le double commutateur COM, à la fréquence du signal d'oscillateur local, ce double commutateur faisant office d'aiguilleur dynamique de courant. The BTC transducer block converts the power or voltage applied to the inputs BEI, BE2 into a differential current which is a supposedly linear image of the input signal. This linear signal is then
cut by a nonlinear square function (+ 1, -1, + 1, -1 ...) carried out by the double switch COM, at the frequency of the local oscillator signal, this double switch acting as a dynamic switcher of current.
Le signal de sortie est recueilli en différentiel aux bornes BS1, BS2 des charges de sortie. The output signal is collected in differential at the terminals BS1, BS2 of the output loads.
Un inconvénient d'un tel mélangeur réside dans le fait qu'il présente une faible admissibilité. L'homme du métier sait que "l'admissibilité"d'un circuit représente la plus grande amplitude possible d'un signal d'entrée qui ne cause pas de non fonctionnalité ou de limitation de performances du circuit. Et, dans le montage de l'art antérieur, la dynamique des signaux d'entrée et de sortie est limitée aux fortes amplitudes du fait de l'empilement des composants (notamment le transistor constituant la source de tension IPOL, le transistor QI et le transistor Q3, par exemple), et ce d'autant plus que la tension d'alimentation est basse. En d'autres termes, en raison notamment des tensions de déchet des différents transistors, il n'est pas possible d'appliquer en entrée du circuit mélangeur un signal, par exemple un signal sinusoïdal, ayant une amplitude trop importante, et, ce d'autant plus que la tension d'alimentation est basse. A drawback of such a mixer resides in the fact that it has low admissibility. Those skilled in the art know that the "permissibility" of a circuit represents the greatest possible amplitude of an input signal which does not cause non-functionality or limitation of performance of the circuit. And, in the assembly of the prior art, the dynamics of the input and output signals is limited to high amplitudes due to the stacking of the components (in particular the transistor constituting the voltage source IPOL, the transistor QI and the transistor Q3, for example), and all the more so as the supply voltage is low. In other words, due in particular to the drop voltages of the various transistors, it is not possible to apply at the input of the mixer circuit a signal, for example a sinusoidal signal, having an excessively large amplitude, and, this d 'especially as the supply voltage is low.
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Or, ceci s'avère gênant dans certaines applications, comme par exemple dans les circuits de téléphonie cellulaire pour lesquels la consommation doit être la plus réduite possible. However, this proves to be troublesome in certain applications, such as for example in cellular telephone circuits for which consumption must be as low as possible.
L'invention vise à apporter une solution à ce problème. The invention aims to provide a solution to this problem.
L'invention a notamment pour but de proposer un dispositif de transposition de fréquence qui présente une admissibilité élevée, même sous faible tension d'alimentation, et une faible dissipation. The object of the invention is in particular to provide a frequency transposition device which has high permissibility, even at low supply voltage, and low dissipation.
L'invention a encore pour but de proposer un dispositif de transposition de fréquence qui présente une linéarité élevée, un gain de conversion élevé, un faible facteur de bruit, et une distorsion d'intermodulation réduite. Another object of the invention is to provide a frequency transposition device which exhibits high linearity, high conversion gain, low noise factor, and reduced intermodulation distortion.
L'invention propose donc un dispositif de transposition de fréquence (ou circuit mélangeur), du type comportant un bloc transducteur différentiel pour convertir un signal d'entrée en un courant différentiel et comportant un étage différentiel à deux transistors, et un circuit de commutation de courant commandé par un signal d'oscillateur local et connecté entre l'étage différentiel du circuit transducteur et la sortie du dispositif. The invention therefore proposes a frequency transposition device (or mixer circuit), of the type comprising a differential transducer unit for converting an input signal into a differential current and comprising a differential stage with two transistors, and a switching circuit of current controlled by a local oscillator signal and connected between the differential stage of the transducer circuit and the output of the device.
Selon une caractéristique générale de l'invention, les transistors de l'étage différentiel sont des transistors bipolaires du type PNP ou des transistors MOS à canal P, polarisés par une première source de courant connectée à une borne d'alimentation. Par ailleurs, les transistors du circuit de commutation de courant sont polarisés par des moyens de génération de courant connectés à la masse et délivrant un courant de polarisation supérieur au courant de polarisation délivré par ladite première source de courant. According to a general characteristic of the invention, the transistors of the differential stage are bipolar transistors of the PNP type or P-channel MOS transistors, biased by a first current source connected to a supply terminal. Furthermore, the transistors of the current switching circuit are biased by current generating means connected to ground and delivering a bias current greater than the bias current delivered by said first current source.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le bloc transducteur différentiel comporte deux impédances respectivement connectées entre la première source de courant et les deux transistors de l'étage différentiel, ces deux impédances étant de même nature que celle des impédances de charge de sortie du dispositif. La présence de telles impédances améliore encore l'admissibilité d'entrée et permet également d'obtenir une bonne linéarité lors de la conversion tension-courant. Des impédances de même nature signifient, au sens de la présente invention, que l'on choisira pour toutes les impédances par exemple soit des According to one embodiment of the invention, the differential transducer unit comprises two impedances respectively connected between the first current source and the two transistors of the differential stage, these two impedances being of the same nature as that of the output load impedances. of the device. The presence of such impedances further improves the input eligibility and also allows good linearity to be obtained during the voltage-to-current conversion. Impedances of the same nature mean, within the meaning of the present invention, that one will choose for all the impedances, for example either
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résistances, soit des inductances. A cet égard, l'utilisation d'impédances inductives permet d'obtenir une dynamique plus importante du signal de sortie centré autour de la tension d'alimentation. resistors, or inductors. In this regard, the use of inductive impedances makes it possible to obtain a greater dynamic range of the output signal centered around the supply voltage.
Bien que l'invention trouve des applications dans de nombreux domaines, elle s'applique avantageusement au domaine de la téléphonie mobile. A cet égard, l'invention propose également un téléphone mobile cellulaire, comprenant un dispositif de transposition de fréquence tel que défini ci-avant. Although the invention finds applications in many fields, it advantageously applies to the field of mobile telephony. In this regard, the invention also proposes a cellular mobile telephone, comprising a frequency transposition device as defined above.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de réalisation, nullement limitatif, et des dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1, déjà décrite, illustre un dispositif de transposition de fréquence, selon l'art antérieur ; et - la figure 2 illustre schématiquement un mode de réalisation d'un dispositif de transposition de fréquence, selon l'invention. Other advantages and characteristics of the invention will become apparent on examining the detailed description of an embodiment, which is in no way limiting, and the appended drawings, in which: FIG. 1, already described, illustrates a transposition device frequency, according to the prior art; and FIG. 2 schematically illustrates an embodiment of a frequency transposition device, according to the invention.
Le dispositif de transposition de fréquence (ou circuit mélangeur) DTF peut être incorporé dans un téléphone mobile cellulaire TMCL (sur la figure 2, les autres éléments classiques d'un téléphone mobile n'ont pas été représentés à des fins de simplification). The frequency transposition device (or mixer circuit) DTF can be incorporated into a TMCL cellular mobile telephone (in FIG. 2, the other conventional elements of a mobile telephone have not been shown for the purposes of simplification).
Sur la figure 2, les transistors Ql et Q2 de l'étage différentiel sont des transistors bipolaires du type PNP, polarisés par une première source de courant IP connectée à la tension d'alimentation Vcc. In FIG. 2, the transistors Q1 and Q2 of the differential stage are bipolar transistors of the PNP type, biased by a first current source IP connected to the supply voltage Vcc.
Les émetteurs respectifs des transistors Ql et Q2 sont reliés à la source de tension IP par deux impédances RE1 et RE2 qui sont égales en pratique. Ces deux impédances, qui permettent d'accroître encore l'admissibilité du signal d'entrée, sont en général de même nature que celle des impédances de charge de sortie ZL1 et ZL2. Toutes ces impédances peuvent être ainsi des résistances, ou bien des impédances inductives, ce qui permet dans ce dernier cas d'obtenir une plus grande dynamique du signal de sortie qui est alors centré autour de la tension d'alimentation Vcc. The respective emitters of transistors Q1 and Q2 are connected to the voltage source IP by two impedances RE1 and RE2 which are equal in practice. These two impedances, which make it possible to further increase the acceptability of the input signal, are generally of the same nature as that of the output load impedances ZL1 and ZL2. All these impedances can thus be resistors, or else inductive impedances, which in the latter case makes it possible to obtain a greater dynamic of the output signal which is then centered around the supply voltage Vcc.
Les collecteurs respectifs des transistors Ql et Q2 sont reliés aux émetteurs des transistors Q3, Q5, Q4, Q6 du circuit de commutation de courant COM. The respective collectors of transistors Q1 and Q2 are connected to the emitters of transistors Q3, Q5, Q4, Q6 of the current switching circuit COM.
Par ailleurs, les transistors du circuit de commutation de courant Moreover, the transistors of the current switching circuit
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sont polarisés par deux sources de courant IP1 et IP2. Précisément, chaque source de courant est connectée entre la masse et les émetteurs des transistors correspondants, et délivre un courant de polarisation supérieur au courant de polarisation délivré par la source de courant IP. are polarized by two current sources IP1 and IP2. Specifically, each current source is connected between ground and the emitters of the corresponding transistors, and delivers a bias current greater than the bias current delivered by the current source IP.
Le montage utilisé ici, et notamment la présence de transistors de type PNP de l'étage différentiel du bloc transducteur de courant, permet de décorréler le niveau du signal d'entrée différentiel RF du niveau du signal d'oscillateur local LO. The assembly used here, and in particular the presence of PNP type transistors of the differential stage of the current transducer block, makes it possible to decorrelate the level of the differential input signal RF from the level of the local oscillator signal LO.
Ainsi, la dynamique des signaux d'entrée RF est limitée par la tension de déchet du transistor de la source de courant IP, par la tension émetteur-base des transistors Ql ou Q2 et, accessoirement, par la tension de déchet aux bornes des impédances RE1 et RE2 lorsqu'elles sont présentes. Les tensions de déchet des transistors du circuit de commutation de courant n'interviennent pas dans cette limitation. Ainsi, on bénéficie selon l'invention d'une admissibilité élevée pour le signal d'entrée, et ce, même sous faible tension d'alimentation. Thus, the dynamics of the RF input signals is limited by the dropout voltage of the transistor of the current source IP, by the emitter-base voltage of the transistors Ql or Q2 and, incidentally, by the dropout voltage at the terminals of the impedances. RE1 and RE2 when present. The drop voltages of the transistors of the current switching circuit are not involved in this limitation. Thus, according to the invention, one benefits from a high admissibility for the input signal, even at low supply voltage.
De même, les signaux de sortie délivrés aux bornes BS 1 et BS2, ne sont limités que par les tensions de déchet des transistors Q3 à Q6 et ceux des sources de courant IP1 et IP2. La dynamique de sortie est alors maximale. Likewise, the output signals delivered to terminals BS 1 and BS2 are limited only by the drop voltages of transistors Q3 to Q6 and those of current sources IP1 and IP2. The output dynamic is then maximum.
Le montage selon l'invention présente par ailleurs d'une façon générale une faible dissipation, car la source de courant IP sert à alimenter en partie les sources de courant IPI et IP2. En d'autres termes, la consommation de courant de la source IP n'intervient pas dans la consommation globale de courant qui est égale à la somme des consommations des sources IP1 et IP2. The assembly according to the invention also generally exhibits low dissipation, since the current source IP is used to partially supply the current sources IPI and IP2. In other words, the current consumption of the source IP does not intervene in the overall current consumption which is equal to the sum of the consumption of the sources IP1 and IP2.
Par ailleurs le gain de conversion est défini par le rapport ZL1/RE1 (ou ZL2/RE2). Furthermore, the conversion gain is defined by the ZL1 / RE1 (or ZL2 / RE2) ratio.
On va maintenant donner à titre indicatif des valeurs numériques d'admissibilité. Numerical values of admissibility will now be given as an indication.
Le niveau maximal admissible pour le signal RF est égal à la tension d'alimentation diminuée de la tension de déchet aux bornes de IP ( par exemple 0,25V), et diminuée de la somme de la tension base-émetteur d'un transistor (par exemple 0,75V) et de la tension de déchet aux bornes de RE1 (ou RE2) qui peut être prise égale à 50 mV. The maximum admissible level for the RF signal is equal to the supply voltage minus the dropout voltage at the terminals of IP (for example 0.25V), and minus the sum of the base-emitter voltage of a transistor ( for example 0.75V) and the waste voltage at the terminals of RE1 (or RE2) which can be taken equal to 50 mV.
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Le niveau minimal admissible pour le signal RF peut être nul, voire légèrement négatif. The minimum allowable level for the RF signal can be zero or even slightly negative.
Le niveau minimal admissible pour le signal de sortie est égal à la somme de la tension de déchet aux bornes de IP 1 ou IP2 (par exemple 0, 25V) et de la tension de déchet du transistor Q3 (par exemple 0, 25V). The minimum allowable level for the output signal is equal to the sum of the dropout voltage across IP 1 or IP2 (eg 0.25V) and the dropout voltage of transistor Q3 (eg 0.25V).
Le niveau maximal admissible pour le signal de sortie est égal à Vcc si RE1 et RE2 sont des résistances. Si toutes les impédances sont des inductances, ce niveau est égal à 2Vcc diminuée de la chute maximale aux bornes de ZL1 (ou ZL2), qui est égale à la somme des tensions de déchet aux bornes de IPl (ou IP2) et Q3 (0, 5V par exemple). The maximum allowable level for the output signal is equal to Vcc if RE1 and RE2 are resistors. If all the impedances are inductors, this level is equal to 2Vcc minus the maximum drop across ZL1 (or ZL2), which is equal to the sum of the dropout voltages across IPl (or IP2) and Q3 (0 , 5V for example).
D'une façon très générale, l'invention s'applique à des transistors bipolaires ou à des transistors à effet de champ, par exemple des transistors MOS. Dans ce cas, les émetteurs, collecteurs et bases des transistors bipolaires sont remplacés respectivement par les sources, drains et grilles des transistors à effet de champ. Very generally, the invention applies to bipolar transistors or to field effect transistors, for example MOS transistors. In this case, the emitters, collectors and bases of the bipolar transistors are replaced respectively by the sources, drains and gates of the field effect transistors.
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