JP2011512741A - ミキサ回路 - Google Patents

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Abstract

ダブル・バランスド・ミキサ回路は、RF差動入力信号に対応する第1の増幅器素子(T1, T2)の差動対(102)と、LO差動入力信号に対応する第2の増幅器素子(T3, T4, T5, T6)の2つの差動対(104, 106)と、第2の接続器経路に接続された差動出力端子(406)とを備える。結合素子は、混合された差動増幅信号を差動出力端子(406)において生成するように、第1の増幅器経路および2つの第2の増幅器経路に対するDC電圧源レール(+V, -V)間にそれぞれ第1および第2の並列DC接続部を提供するとともに、DC電圧源レール間に第1および第2の増幅器経路の直列RF接続部を提供する。結合素子は、DC電圧源レールの一方(+V)と第1の増幅器素子(T1, T2)のそれぞれの一方との間に接続された第1の増幅器経路のそれぞれの伝送線(ZL6, ZL13 & ZL7, ZL14)と、DC電圧源レールの他方(-V)と両方の第1の増幅器素子(T1, T2)との間に接続された共通伝送線(ZL1)とを含む。
【選択図】図4

Description

本発明は、ミキサ回路に関し、より具体的には、ダブル・バランスド・ミキサ回路に関する。
ミキサ回路は、無線周波数(「RF」)通信システムにおいて広く採用される。「無線周波数」という表現は、本明細書では、特定の上限のない無線通信周波数を指定して使用され、本発明の実施形態はミリメートル波長周波数以上まで使用可能である。
最新の無線通信システムは、厳しいダイナミックレンジ要件を有する。受信機のダイナミックレンジは、特に、第1ダウン・コンバージョン・ミキサによって制限されることが多い。
一般的に言えば、ミキサは、2つの信号(および、場合によりこれらの高調波)を乗じることによって周波数変換を行なう。受信経路に採用されるダウン・コンバージョン・ミキサは、2つの入力、即ち、ダウンコンバートされるべきRF信号と、局部発振器(「LO」)によって発生される選択された周波数における波形とを有しており、これらの信号はミキサのRFポートとLOポートとにそれぞれ印加される。
典型的なダウン・コンバージョン・ミキサの性能パラメータは、雑音指数、直線性、変換利得、入力インピーダンス、第3次インターセプトポイント、ポート間絶縁などのパラメータ間で妥協点が模索される。雑音指数は、ミキサがシステム内にどれほど多くの雑音を加えるかを表す尺度であるためミキサにおいて重要である。受信機の入力インピーダンスは、変換利得を増加させるために十分に整合させられるべきである。第3次インターセプトポイントは、ミキサの直線性の尺度であるため重要である。LO−RF間のフィードスルー(feed-through)は、受信機の低雑音増幅器ひいてはアンテナにLOリークをもたらす一方、RF経路に大きな干渉をもたらしてミキサを駆動する局部発振器と相互作用するので、ポート間絶縁も、やはり重要な課題である。ミキサのLOから中間周波数(「IF」)出力までのフィードスルー、すなわちLO−IF間のフィードスルーは、低域通過フィルタ処理後もIF出力に実質的なLO信号が存在する場合には次段の感度が低下するおそれがあるので、重要である。最後に、RF−IF間絶縁は、RF経路の信号がいかなる割合でIFにそのまま現れるかを決定する。
図1は、電源レール+Vと電源レール−Vとの間に直列に接続されたRF段およびLO段を含む、公知のダブル・バランスド・ギルバート・ミキサ100の主な素子群を示す。RF段は端子RF+と端子RF−とからなるポートでRF信号を受け取り、LO段は端子LO+と端子LO−とからなるポートでLO信号を受け取る。出力ポートは、LO段と、電源レール+Vに接続された各出力インピーダンスZとの間の相互接続部108,110に接続された端子IF+と端子IF−とからなる。RF段は、エミッタフォロワ構成のバイポーラトランジスタの差動対102を電流源とともに備える。LO段は、RF段のすべてのテール電流を交互に整流することによって差動対の一方の側から他方の側に電流を導き、LO周波数においてLO段の一方の側から他方の側に電流源を導くように交差結合されたバイポーラトランジスタの2つの差動対104,106を備える。入力信号がシングルエンドの場合、入力信号は入力整合平衡不平衡変換器(「バラン」)を介してギルバートセルの入力ポートに印加される。バイポーラトランジスタの代わりに相補型金属酸化電界効果トランジスタなどの電界効果トランジスタを用いた他のギルバート・セル・ミキサが公知である。
非特許文献1は、ギルバートミキサを元にした図2に示されるミキサ回路200を記載している。RF段は、トランジスタTを備え、LO段はトランジスタT,Tを備える。特に、この回路では長さλ/4の伝送線Lが使用されており、ここでλは関係するRF信号の波長であり、したがって、伝送線Lは、RF信号を減衰させることなくRF差動対Tのベースにバイアス電圧VbRFを供給するための誘導性インピーダンスを呈する。LO段のノードAにおける2ωRFの第2高調波は、λ/4伝送線Lによって強力に減衰され、λ/4伝送線Lは、差動対T,Tのエミッタ(ノードA)における低インピーダンスをRF差動対Tのコレクタにおける高インピーダンスに変換し、2ωRFにおける第2高調波は、2ωRFにおいてλ/2伝送線であるLを含む低インピーダンス経路を通ってグランドに流れる。このミキサ回路において、Lは、図1の回路に比べて直線性および雑音指数を改善する。しかし、RF対に対するバイアス電圧とLO対に対するバイアス電圧は無関係ではなく、このことによって雑音指数が低下する。また、大きい電圧源が必要である。
特許文献1は、図3に示されるミキサ回路300を含む種々の回路を記載している。この回路は、バイポーラトランジスタの差動対102を備えるRF段とバイポーラトランジスタの2つの差動対104,106を備えるLO段とを有し、DC電圧源レール間においてそれぞれRF段およびLO段に対し並列DC接続部を提供する結合素子を有する。DC結合部における共振素子Z、CL1、CL2、Z、CL3、CL4は、DC絶縁コンデンサCを介して結合され、LO段の増幅器経路と接続された差動出力端子において混合された差動増幅信号を生成するように電源レール間でRF段とLO段の直列RF接続を提供する。共振素子は、DC供給電流用の低抵抗経路に電圧源レール+V,−Vを提供し、これによって、RF段電流源112両端のDC電圧降下がLO段に加わるのを回避するタンク回路である。共振周波数において、タンク回路は、グランドに対して高インピーダンスを示し、AC電流源に類似している。しかし、この回路構成は、特にRF段について、バイアス、不安定、不整合除去、雑音、温度補償、および安定性に関係したいくつかの問題を提起する。
米国特許第6,232,848号明細書
S.Trottaら著、論文「Design Considerations for Low-Noise, Highly-Linear Millimeter-Wave Mixers in SiGe Bipolar Technology」IEEE ESSCIRC 2007 Digest
本発明は、添付の特許請求の範囲に記載されるミキサ回路を提供する。本発明の具体的な実施形態は、従属形式の請求項において記述される。本発明のそれらの態様およびその他の態様は、本明細書において以下で説明する実施形態を参照することにより明らかになる。本発明の詳細、態様、および実施形態は、図面を参照して単に一例として記述されており、図中の素子は、簡単かつ明瞭にするために必ずしも一定の縮尺で描かれていない。
公知のダブル・バランスド・ギルバート・ミキサの簡略回路図である。 別の公知のダブル・バランスド・ギルバート・ミキサの簡略回路図である。 更に別の公知のダブル・バランスド・ギルバート・ミキサの簡略回路図である。 本発明の一実施形態による一例のダブル・バランスド・ギルバート・ミキサの簡略回路図である。 本発明の一実施形態による一例の別のダブル・バランスド・ギルバート・ミキサの簡略回路図である。 本発明の一実施形態による一例のダブル・バランスド・ギルバート・ミキサの簡略回路図である。 本発明の一実施形態による一例のダブル・バランスド・ギルバート・ミキサの簡略回路図である。 本発明の一実施形態による一例のダブル・バランスド・ギルバート・ミキサの簡略回路図である。
図4は、本発明の実施形態によるミキサ回路400を示す。ミキサ回路400は、バイポーラトランジスタT,Tの差動対102を備えるRF段と、バイポーラトランジスタT、TおよびバイポーラトランジスタT、Tの2つの差動対104,106を備えるLO段とを含む。いずれのトランジスタも、エミッタ−コレクタ増幅器経路に対する制御電極を形成するベースを有しており、RF段トランジスタT,TのベースはRFポート402に接続され、LO段トランジスタT,TのベースはLOポート402の一方の端子に接続され、LO段トランジスタT,TのベースはLOポート402の他方の端子に接続されている。結合素子は、DC電圧源レール+V,−V間にそれぞれRF段およびLO段の並列DC接続部を提供する。
RF段のDC接続部は、電流源Itail_1を介してトランジスタT,Tのエミッタと電圧源レール−Vとの間の増幅器経路に共通に接続された伝送線ZL1と、トランジスタTのコレクタと電圧源レール+Vとの間の増幅器経路に直列に接続された伝送線ZL6,ZL13と、トランジスタTのコレクタと電圧源レール+Vとの間の増幅器経路に直列に接続された伝送線ZL7,ZL14とを備える。伝送線は、低周波数において低インピーダンスを呈し、一実施形態ではマイクロストリップラインによって形成される。
LO段のDC接続部は、抵抗器RE1を介してトランジスタT,Tのエミッタと電圧源レール−Vとの間の増幅器経路に共通に接続された伝送線ZL11と、抵抗器RE2を介してトランジスタT,Tのエミッタと電圧源レール−Vとの間の増幅器経路に共通に接続された伝送線ZL12とを備える。また、LO段のDC接続部は、トランジスタT,Tのコレクタと電圧源レール+Vとの間の増幅器経路に直列に接続された抵抗器RとコンデンサCとの並列接続部を備えるRC回路と、トランジスタT,Tのコレクタと電圧源レール+Vとの間の増幅器経路に直列に接続された抵抗器RとコンデンサCとの並列接続部を備えるRC回路とを備える。ノード108はトランジスタT,TのコレクタとIFポート406の一方の端子とに接続され、ノード110はトランジスタT,TのコレクタとIFポート406の他方の端子とに接続されている。
トランジスタT,Tのベースに対するバイアスは、伝送線ZL2,ZL3をそれぞれ介してベースに接続されたバイアス電圧源Vb_RFによって提供される。トランジスタT,T,T,Tのベースに対するバイアスは、伝送線ZL4,ZL5を介してトランジスタT,TのベースとトランジスタT,Tのベースとにそれぞれ接続されたバイアス電圧源Vb_LOによって提供される。
動作中、他のギルバート・セル・ミキサと同様に、2つのLO差動増幅器対(スイッチング差動対)104,106のエミッタに対しRF差動増幅器102の増幅器経路によって印加されるRF周波数のRF信号と、2つのLO差動増幅器対104,106のトランジスタのベースである制御端子に印加されるLO周波数のLO信号とは、IFポート406においてIF周波数の混合信号を生成する。本発明の実施形態はRF信号の基本周波数がLO周波数に近いホモダイン受信機に適用可能であるが、本発明は他の用途においても採用可能である。
RF段およびLO段のDC接続部は、互いに独立しており、かつ並列である。RF相互接続は、RF段とLO段とを結合するものであり、伝送線ZL6,ZL13間のノード112をトランジスタT,Tの共通エミッタに接続する伝送線ZL8とDC絶縁コンデンサCC1との直列接続と、伝送線ZL7,ZL14間のノード114をトランジスタT,Tの共通エミッタに接続する伝送線ZL9とDC絶縁コンデンサCC2との直列接続とを備える。
伝送線は、低周波数において低インピーダンスを呈し、一実施形態ではマイクロストリップラインによって形成される。各RF増幅器経路における伝送線ZL6,ZL7は、各々がλ/4にほぼ等しい長さであり、ここでλはRF信号の基本周波数の波長である。伝送線ZL8,ZL9,ZL13,ZL14の長さは、トランジスタT,Tの共通エミッタにおけるインピーダンスとトランジスタT,Tのコレクタにおける出力インピーダンスとに応じて選定され、それにより、ノード112,114は増幅されたRF信号電圧を相互接続部CC1,ZL8,CC2,ZL9に印加する。RF増幅器経路と直列に共通に接続された伝送線ZL1は、差動増幅器トランジスタT,Tのコモンモードの安定性を高めるために、電流源ITail_1によって生じるインピーダンスを変更する。伝送線ZL1の長さは、電流源ITail_1の出力インピーダンスと電流源ITail_1の寄生容量とに応じて選定される。
伝送線ZL2,ZL3,ZL4,ZL5,ZL11、ZL12は長さλ/4であり、ここでλは関係するRF信号の波長であり、それにより、それらの伝送線は、RF信号を減衰させることなくRF増幅器段およびLO増幅器段にバイアス電圧Vb_RF、Vb_LO、および−Vを供給するための誘導性インピーダンスを呈する。LO段の共通エミッタにおける2ωRFでの第2高調波は、λ/4伝送線ZL2,ZL3,ZL4,ZL5,ZL11,ZL12によって強力に減衰され、これらの伝送線は2ωRFにおいてλ/2伝送線であり、バイアス電圧源および電圧源レールへの低インピーダンス経路を介して2ωRFにおける第2高調波をグランドに流す。
本発明の実施形態は、RF差動増幅器102とLOスイッチング差動増幅器104,106に対して独立したバイアスおよび電源電圧を提供する。RF差動増幅器とLO差動増幅器は、DCの観点から、ミキサが圧縮状態にあるときでも独立している。つまり、入力RF差動増幅器102は低雑音および高直線性に対して最適化され、LOスイッチング差動増幅器104,106は、たとえば、低い1/f雑音に対して最適化される。さらに、RF増幅器とLO増幅器は、電源レール+Vと電源レール−Vとの間のDC電圧に対して積み重ねられないので、本発明の実施形態では、図1および図2の公知のギルバートミキサの場合よりも低い電源電圧を使用することができる。
図4のミキサ400における抵抗器RE1,RE2は、ミキサの温度安定性、特に、ミキサの変換利得の安定性を改善する。図5に示される本発明の実施形態は、抵抗器RE1,RE2が伝送線ZL11,ZL12と電圧源レール−Vとの間の共通接続によって置き換えられることを除いて図4の実施形態に類似したミキサ500であり、対応する素子群は同じ参照符号を有し、共通接続部は電流源ITail_2とLO増幅器経路において直列に接続された伝送線ZL10とを備える。伝送線ZL10の長さは電流源ITail_2の出力インピーダンスと電流源ITail_2の寄生容量とに応じて選定される。本発明のこの実施形態は、2つの無相関の雑音源を有しないようにするので、図4の実施形態と比較して単側帯波雑音指数を抑制することができる。
図6に示される本発明の実施形態は、伝送線ZL1に直列の電流源ITailが抵抗器RE3によって置き換えられることを除いて図5の実施形態に類似したミキサ600であり、対応する素子群は同じ参照符号を有する。また、電流源ITail_2は、LO増幅器経路104,106に共通の抵抗器RE4によって置き換えられ、この抵抗器RE4は差動出力の一部の用途において十分なインピーダンスを呈する。
図7に示される本発明の実施形態は、抵抗器RE4が呈するインピーダンスがウィドラー(Widlar)電流源のトランジスタTに直列に接続することによって増加されることを除いて図6の実施形態に類似したミキサ700であり、対応する素子群は同じ参照符号を有し、トランジスタTはトランジスタTと電流ミラー構成で接続されている。トランジスタTのエミッタは抵抗器RE5を介して電圧源レール−Vに接続され、トランジスタTのベースはトランジスタTのコレクタとトランジスタTのベースとに接続され、トランジスタTのコレクタはトランジスタTのエミッタ−コレクタ経路に直列の抵抗器RE6,RE7を介して電圧源レール+Vに接続され、トランジスタTのベースはそのコレクタに接続されている。トランジスタTは抵抗器RE4のみにより得られる抵抗よりも高い抵抗(そのコレクタ−エミッタ経路に印加される電圧にあまり依存しない電流)を呈するだけでなく、LO差動増幅器テールの電流は温度およびデバイスパラメータ変動ならびに回路電圧変動に対する感度が低い。従って、不安定および不整合除去の改善が得られ、差動IFポート406がシングルエンド出力の駆動に利用される特に一部の用途においては、LO差動増幅器104,106の安定性の妥協が受け入れられる。
図8に示される本発明の実施形態は、バイアス電圧源Vb_LOが抵抗器RE5とともに分圧器を形成する抵抗器RE6と抵抗器RE7との間のノード802によって置き換えられることを除いて図7の実施形態に類似したミキサ800であり、対応する素子群は同じ参照符号を有する。
各図面に示される本発明の実施形態は、増幅器素子としてバイポーラトランジスタを含む。たとえば、相補型金属酸化電界効果トランジスタなど、電界効果トランジスタが代わりに使用されてもよい。
本明細書において、本発明は、本発明の実施形態の具体例を参照して説明されている。しかし、添付の特許請求の範囲に記述されるように、本発明のより広範な主旨および範囲から逸脱することなく様々な変形および変更が本発明においてなされてもよい。たとえば接続部は、たとえば中間デバイスを介してそれぞれのノード、ユニット、またはデバイスから、あるいはそれぞれのノード、ユニット、またはデバイスに信号を転送するのに適した一種の接続部であってもよい。したがって、特に黙示的または明示的記述がない限り、接続部は、たとえば、直接的接続部であってもよく、あるいは間接的接続部であってもよい。しかし、他の変形、変更、および代替も可能である。したがって、本明細書および本図面は、限定的意味ではなく例示的意味として考えられるべきである。

Claims (11)

  1. ダブル・バランスド・ミキサ回路であって、
    第1の差動制御端子と該第1の差動制御端子に印加される第1のRF差動入力信号(RF)に対応するそれぞれの第1の増幅器経路とを有する第1の増幅器素子(T,T)の差動対(102)と、
    2つの第2の差動制御端子と該2つの第2の差動制御端子に印加される第2のRF差動入力信号(LO)に対応する2つの第2の増幅器経路と該2つの第2の増幅器経路に接続された差動出力端子(406)とを具備する第2の増幅器素子(T,T,T,T)の2つの差動対(104,106)と、
    混合された差動増幅信号を前記差動出力端子(406)において生成するように、前記第1の増幅器経路および前記2つの第2の増幅器経路に対するDC電圧源レール(+V,−V)間にそれぞれ第1および第2の並列DC接続部を提供するとともに、前記DC電圧源レール間に前記第1および第2の増幅器経路の直列RF接続部を提供する結合素子と、
    を備え、
    前記結合素子は、前記DC電圧源レールの一方(+V)と前記第1の増幅器素子(T,T)のそれぞれ1つとの間に接続された前記第1の増幅器経路におけるそれぞれの伝送線(ZL6,ZL13&ZL7,ZL14)と、前記DC電圧源レールの他方(−V)と両方の前記第1の増幅器素子(T,T)との間に接続された共通伝送線(ZL1)とを含む、ダブル・バランスド・ミキサ回路。
  2. 前記第1の差動制御端子と前記第2の差動制御端子とに対するバイアスは、伝送線(ZL2,ZL3&ZL4,ZL5)を含む絶縁素子によってRF信号から絶縁される、請求項1に記載のダブル・バランスド・ミキサ回路。
  3. 前記絶縁素子の前記伝送線(ZL2,ZL3&ZL4,ZL5)は、それが伝送する前記RF信号の基本周波数の1/4波長に実質的に等しい長さである、請求項2に記載のダブル・バランスド・ミキサ回路。
  4. 前記直列RF接続部は、前記第1の増幅器経路と前記2つの第2の増幅器経路との間に接続された伝送線(ZL8,ZL9)を含む、請求項1乃至3のいずれか一項に記載のダブル・バランスド・ミキサ回路。
  5. 前記結合素子は、前記第2の増幅器素子と前記他方のDC電圧源レールとの間に接続された少なくとも1つの伝送線(ZL10,ZL11,ZL12)を含む、前記1乃至4のいずれか一項に記載のダブル・バランスド・ミキサ回路。
  6. 前記結合素子は、前記第2の増幅器素子のそれぞれの対(T,T&T,T)とノードとの間に接続された複数の伝送線(ZL11,ZL12)と、前記ノードと前記他方のDC電圧源レール(−V)との間に接続された伝送線(ZL10)とを含む、請求項5に記載のダブル・バランスド・ミキサ回路。
  7. 前記第2の増幅器素子のそれぞれの対と前記ノードとの間に接続された前記結合素子の前記複数の伝送線(ZL2,ZL3&ZL4,ZL5)は、それが伝送する前記RF信号の基本周波数の1/4波長に実質的に等しい長さである、請求項6に記載のダブル・バランスド・ミキサ回路。
  8. 前記結合素子は、前記DC電圧源レール間に接続された第1のミラー分岐部(T,T,RE5,RE6,RE7)と前記第2の増幅器素子(T,T&T,T)と前記他方のDC電圧源レール(−V)との間に直列に接続された第2のミラー分岐部(T,RE4)とを有し、前記第2のミラー分岐部に制御電流を提供する電流ミラーを含む、請求項5または6に記載のダブル・バランスド・ミキサ回路。
  9. 前記第1のミラー分岐部(T,T,RE5,RE6,RE7)は、前記DC電圧源レール間に接続された分圧器(RE6,RE7)を含み、前記第2の増幅器素子のバイアスを提供する、請求項7に記載のダブル・バランスド・ミキサ回路。
  10. 前記第2のRF差動入力信号は局部情報源(LO)によって提供される、請求項1乃至10のいずれか一項に記載のダブル・バランスド・ミキサ回路。
  11. 前記第1の増幅器経路の各々は、前記DC電圧源レールの一方(+V)と前記第1の増幅器素子のそれぞれ1つ(T,T)との間に接続された前記複数の伝送線(ZL6,ZL7)のそれぞれ1つを含み、これら複数の伝送線の長さは前記RF信号の基本周波数の1/4波長に実質的に等しい、請求項1乃至10のいずれか一項に記載のダブル・バランスド・ミキサ回路。
JP2010546409A 2008-02-18 2008-02-18 ミキサ回路 Active JP5128680B2 (ja)

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