JP5301606B2 - Rfダウンコンバージョンミキサのための共通ゲート共通ソース相互コンダクタンスステージ - Google Patents

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Description

関連出願
(関連出願に対しての相互参照)
本願は、2005年12月8日に出願され、「RFダウンコンバージョンミキサのための共通ゲート共通ソース相互コンダクタンスステージ(COMMON-GATE COMMON-SOURCE TRANSCONDUCTANCE STAGE FOR RF DOWNCONVERSION MIXER)」と題された、米国仮特許出願第60/748,854号の優先権を主張する。
背景
無線通信ネットワークは、音声、パケットデータ、ブロードキャスト、メッセージング(messaging)などのような、様々な通信サービスを提供するために、広く展開されている。このような無線ネットワークの例は、符号分割多元接続(CDMA)ネットワーク、時分割多元接続(TDMA)ネットワーク、周波数分割多元接続(FDMA)ネットワーク、および直交周波数分割多元接続(OFDMA)ネットワークを含む。これらの無線ネットワークはまた、広帯域CDMA(W−CDMA)、cdma2000、そしてモバイル通信のためのグローバルシステム(Global System for Mobile Communications)(GSM(登録商標))のような、様々な無線技術を利用することができる。
このような無線ネットワークにおいて使用される無線デバイスは、アンテナによって受信される無線周波数(radio frequency)(RF)信号をデジタル処理のためのベースバンド信号に変換する(converting)ための、受信機セクション(receiver section)を含む。図1は、無線デバイスにおける例示的な受信機チェーン100の一部分を示す。無線で伝送されたRF信号はアンテナ102によって受信される。RF信号は、LNA(低雑音増幅器(low noise amplifier))104によって増幅される。増幅された信号は、RFインタステージバンドパスフィルタ(RF interstage bandpass filter)106、典型的には表面弾性波(surface acoustic-wave)(SAW)フィルタ、に受け渡され、そして、フィルタにかけられた信号(filtered signal)は、受け渡されてミキサ108に戻る。
LNA104およびミキサ108は、集積回路(「IC」あるいは「チップ(chip)」)110上で典型的に提供される、一方で、バンドパスフィルタ106は、典型的にチップ外で(off-chip)提供される。マッチングネットワーク(matching network)(MN)112は、バンドパスフィルタ106からのフィルタにかけられた信号をチップ110に戻す際に、インピーダンスマッチングのために提供されることができる。マッチングネットワーク112からの信号は、ミキサ108の入力ステージ114に差動信号として入力され、そのミキサは、その信号を、ベースバンドあるいはいくつかの中間周波数にダウンコンバートする(downconverts)。
ミキサの入力ステージ114は、図2に示されているように、従来の共通ゲートのみ(CGO)の構成を有することができる。マッチングネットワークからの差動入力信号202、204は、同一であるが180度位相がずれており、それぞれ、NMOSトランジスタ206、208のソースに提供される。NMOSトランジスタ206、208のゲートは、抵抗210、212を通して結合され、回路の「共通ゲート」の様相(aspect)を提供している。各NMOSトランジスタ206、208のゲートはまた、そのソースに提供されている信号と反対の(opposite)入力信号に相互結合される。PMOSトランジスタ220、222は、それらのゲートで、抵抗224、226を通して一定電圧V228に接続され、また、それらのソースで、供給電圧Vdd230に接続されている。各NMOSトランジスタを通して生成される電流は、それのゲートとソースでの入力信号に起因する。各PMOSトランジスタを通っての電流は、それのゲートとソースで提供される一定電圧に起因して一定である。総電流Iは、回路の各列(column)上でのPMOSトランジスタとNMOSトランジスタを通っての、電流の和である。
CGO入力ステージについては、高利得を達成するために、NMOSトランジスタの相互コンダクタンスgmnは、比較的に大きくなくてはならないが、それは、非常に高いQマッチングファクタ(factor)を備えたマッチングネットワークを必要とする。したがって、CGO入力ステージについての潜在的な不利益(disadvantage)は、入力Qマッチングファクタに対する高い感度(high sensitivity)である。
実施形態において、無線デバイス受信機チェーンは、共通ゲート共通ソース(CGCS)入力ステージを備えたミキサを含む。チップ外マッチングネットワークからの差動信号は、ミキサのCGCS入力ステージに入力されることができ、ミキサは、信号をベースバンドあるいはいくつかの中間周波数にダウンコンバートする。入力ステージは、それらのゲートとソースで差動入力に結合される1ペアのNMOSトランジスタを含むことができる共通ゲートステージと、それらのソースで電流ソース、それらのゲートで差動入力、およびそれらのドレインで共通ゲートステージに結合される、1ペアのPMOSトランジスタを含むことができる共通ソースステージと、差動入力およびグラウンドの間に結合されるRFチョークインダクタと、を含む。
存在するCGO相互コンダクタンスステージ構成に対する、CGCS入力ステージの潜在的な利点は、PMOS差動ペアを通しての共通ソースステージを加えることによって、相互コンダクタンス利得が、高いQマッチングネットワークからデカップルされる(decoupled)。
図1は、無線デバイスのトランシーバにおける受信チェーンの一部分である。 図2は、図1の受信チェーンにおける、ミキサの共通ゲートのみ(CGO)の入力ステージのブロック図である。 図3は、ミキサに対しての共通ゲート共通ソース(CGCS)入力ステージを含む、無線デバイスのトランシーバにおける受信チェーンの一部分を示す。 図4は、例示的なCGCS入力ステージを示す。 図5は、マッチングネットワークから入力され出力される信号のブロック図である。
詳細な説明
図3は、一実施形態による、共通ゲート共通ソース(CGCS)入力ステージを備えたミキサを含む、無線デバイス受信機チェーンの一部分のブロック図である。
アンテナ302によって受信されるRF信号は、チップ303上で提供されるLNA304によって増幅される。増幅された信号は、バンドパスフィルタ306に、チップ外で受け渡される。マッチングネットワーク308は、フィルタにかけられた信号310、311を、チップ303上に、伝送して戻すためのインピーダンスマッチングを提供する。差動信号は、ミキサ314のCGCS入力ステージ312に入力され、ミキサは、信号をベースバンドあるいはいくつかの中間周波数にダウンコンバートする。
図4は、一実施形態による、CGCS入力ステージ312の回路図である。マッチングネットワークからの差動入力信号wimx_inp310とwimx_inm311は、それぞれ、NMOSトランジスタM1 406およびM2 408のソースで提供されている。差動入力信号は、180度位相がずれている。NMOSトランジスタ406、408のゲートは、抵抗410、411を通して結合され、回路の「共通ゲート」の様相を提供している。各NMOSトランジスタ406、408のゲートはまた、それぞれ、キャパシタ412、413を通して、それのソースと反対の入力信号に相互結合される。電流は、それのゲートとソースでの入力信号に応じて、各NMOSトランジスタを通して生成される。
PMOSトランジスタM3 420とM4 422は、抵抗424、425を通してそれらのゲートで接続されている。PMOSトランジスタのソースは、電流ソース430に接続されており(tied)、回路の「共通ソース」の様相を提供している。NMOSトランジスタ306、408のように、各PMOSトランジスタ420、422のゲートは、それぞれ、キャパシタ432、433を通して、そのソースと反対の入力信号に相互結合されている。電流は、そのゲートでの入力信号と電流ソース320によって供給される電流とに応じて、各PMOSトランジスタを通して生成される。総電流Iは、入力ステージの各列上の、PMOSトランジスタおよびNMOSトランジスタを通っての電流の和である。
インダクタ450および451は、それぞれ、NMOSトランジスタ406および408のソースとグラウンド端子(ground terminal)との間に結合される。インダクタは、RFチョークインダクタ(RF choke inductor)として動作し、動作周波数(operating frequency)で高いインピーダンスを示す(exhibit)ので、ほとんどの信号電流は、動作中に、グラウンドではなくてトランジスタの中に流れる(flow up)。
存在するCGO相互コンダクタンスステージ構成に対する、CGCS入力ステージの潜在的な利点は、PMOS差動ペア420、422を通して共通ソースステージを加えることによって、相互コンダクタンス利得が、高いQマッチングネットワークからデカップルされることである。図5は、マッチングネットワーク308の入力および出力での信号を示す。マッチングネットワーク308は、無損失であると仮定すると、そのときは、
Figure 0005301606
および
Figure 0005301606
となる、ただし、
Figure 0005301606
およびgmnは、NMOSトランジスタの相互コンダクタンスである。
図4に戻って参照すると、CGCS入力ステージ312の出力電流Iは、次式によって与えられる:
Figure 0005301606
なお、gmpは、PMOSトランジスタの相互コンダクタンスである。
CGOステージについては、第1項、
Figure 0005301606
のみ、が存在する。高利得を達成するために、NMOS相互コンダクタンスgmnは十分に大きくなくてはならない、そして、それは、替わりに非常に高いQマッチングネットワークを必要とする。実際においては、非常に高いQファクタを備えたマッチングネットワークを提供することは、インプリメントすることが困難であるかもしれず、外部コンポーネントのコストを増大させるかもしれない。
共通ソースステージの付加は、第2項、
Figure 0005301606
を加え、もしgmnが十分に高くなく、またQマッチングファクタを緩和する(relax)のであれば、利得を補償する(compensate)。直感的に、CGO相互コンダクタンスステージから高利得を得るために、電圧Vinは、できるかぎり小さくあるべきであるが、しかしながら、低いQマッチングは、Vinを増加させ、CGOステージからの利得低下(gain drop)の原因となる。しかしながら、電圧駆動共通ステージPMOS差動ペア(voltage-driven common-stage PMOS differential-pair)の付加によって、Vinの増加は、共通ソースステージからのより多くの電流を生成する(produce)ことができ、したがって、共通ゲートNMOSステージにおける利得の損失を補償する。これは、電力消費ペナルティ(power consumption penalty)を導入しないで、共通ゲートおよび共通ソースステージを結合することの利点である。
一実施形態においては、受信機チェーンのためのCGCS入力ステージは、300μmの幅と0.24μmの長さを有するNMOSトランジスタM1 406およびM2 408と、240μmの幅と0.24μmの長さを有するPMOSトランジスタM3 420およびM4 422と、を含む。NMOSトランジスタについて相互結合されたキャパシタ412、413は、約6pFであってもよく、PMOSトランジスタについて相互結合されたキャパシタ432、433は約3pFであってよい。4つの抵抗410、411、424、および425は約10kΩであってもよく、2つのインダクタ450、451は約9nHであってもよい。
多くの実施形態が説明されてきた。にもかかわらず、本発明の精神あるいは範囲から逸脱することなく、様々な修正が行われ得ることは理解されるであろう。例えば、CSCGミキサ入力ステージは、無線ネットワークシステム、無線ローカルエリアネットワーク、および/または、無線パーソナルエリアネットワークにおいて使用するために設計されるものを含んだ、同様な受信機を有する種々様々な無線デバイスにおいて、使用されることができる。したがって、他の実施形態は、添付の特許請求の範囲の範囲内にある。
以下に、本願発明の当初の[特許請求の範囲]に記載された発明を付記する。
[1]
マッチングネットワークと;
ミキサと;
前記マッチングネットワークから複数の差動入力信号を受信するための入力と、
電流ソースと、
前記入力と前記電流ソースとに結合される複数のトランジスタを含む、共通ソースステージと、
前記入力と前記共通ソースステージとに結合される複数のトランジスタを含む、共通ゲートステージと、
前記ミキサに結合される出力と、
を含む
共通ゲート共通ソース(CGCS)ミキサ入力ステージと;
を備える無線デバイス受信機。
[2]
前記CGCSミキサ入力ステージは、前記入力とグラウンド端子との間で結合される複数のインダクタを、さらに備える、[1]に記載の無線デバイス受信機。
[3]
前記共通ゲートステージは、1ペアのNMOSトランジスタを備える、[1]に記載の無線デバイス受信機。
[4]
前記共通ゲートステージにおける各NMOSトランジスタは、前記共通ソースステージに結合されるドレインと、前記複数の差動入力信号のうちの1つに結合されるゲートと、前記複数の差動入力信号のうちの別のものに結合されるソースと、を含む、[3]に記載の無線デバイス受信機。
[5]
前記共通ソースステージは、1ペアのPMOSトランジスタを備える、[1]に記載の無線デバイス受信機。
[6]
前記共通ゲートステージにおける各PMOSトランジスタは、前記共通ゲートステージに結合されるドレインと、前記複数の差動入力信号のうちの1つに結合されるゲートと、前記電流ソースに結合されるソースと、を含む、[5]に記載の無線デバイス受信機。
[7]
前記CGCSミキサ入力ステージの前記出力からの出力電流は、式、
Figure 0005301606
を満たす、
ただし、I は、前記出力電流であり、V は、前記マッチングネットワークの入力での電圧であり、R は、マッチング抵抗であり、g mn は、前記共通ゲートステージにおける前記複数のトランジスタの前記相互コンダクタンスであり、g mp は、前記共通ソースステージにおける前記複数のトランジスタの前記相互コンダクタンスである、
[1]に記載の無線デバイス受信機。
[8]
電流ソースと;
前記電流ソースに結合されるソースと、ドレインと、第1差動入力信号に結合されるゲートと、を有する第1トランジスタと、
前記電流ソースに結合されるソースと、ドレインと、第2差動入力信号および前記第1トランジスタの前記ゲートに結合されるゲートと、を有する第2トランジスタと、
を含む第1ペアのトランジスタ、を含む共通ソースステージと;
第2ペアのトランジスタを含む共通ゲートステージであって、
前記第2ペアのトランジスタは、
前記第1トランジスタの前記ドレインに結合されるドレインと、前記第1差動入力信号に結合されるゲートと、前記第2差動入力信号に結合されるソースと、を有する第3トランジスタと、
前記第2トランジスタの前記ドレインに結合されるドレインと、前記第2差動入力信号に結合されるゲートと、前記第3トランジスタの前記ゲートと、前記第1差動入力信号に結合されるソースと、を有する第4トランジスタと、
を含む、共通ゲートステージと;
前記第1および第3トランジスタの前記ドレインの間に結合されるミキサへの第1出力と;
前記第2および第4トランジスタの前記ドレインの間に結合されるミキサへの第2出力と;
を備える、共通ゲート共通ソース(CGCS)相互コンダクタンスステージ。
[9]
前記第3トランジスタの前記ソースとグラウンド端子の間に結合される第1のインダクタと、
前記第4トランジスタの前記ソースと前記グラウンド端子の間に結合される第2のインダクタと、
をさらに備える、[7]に記載のCGCS相互コンダクタンスステージ。
[10]
前記第1および第2トランジスタは、PMOSトランジスタを備える、[7]に記載のCGCS相互コンダクタンスステージ。
[11]
前記第3および第4トランジスタは、NMOSトランジスタを備える、[7]に記載のCGCS相互コンダクトステージ。

Claims (6)

  1. 無線デバイスにおいて受信された無線周波数(RF)信号をダウンコンバートする方法であって、
    前記無線デバイスにおいてアンテナで前記RF信号を受信することと;
    前記受信されたRF信号を増幅することと;
    マッチングネットワークをとおしてミキサのインピーダンスとマッチングするインピーダンスを有するフィルタを使用して、前記増幅されたRF信号をフィルタリングすることと;
    前記フィルタリングされた、増幅されたRF信号を、共通ゲート共通ソース(CGCS)ミキサ入力ステージに入力することと、
    なお、前記CGCSミキサ入力ステージは、
    前記マッチングネットワークから複数の差動入力信号を受信するための入力と、
    電流ソースと、
    前記入力と前記電流ソースとに結合される複数のトランジスタを含む、共通ソースステージと、
    前記入力と前記共通ソースステージとに結合される複数のトランジスタを含む、共通ゲートステージと、
    ミキサに結合される出力と、
    を備え、
    前記共通ゲートステージの前記複数のトランジスタは、1ペアのNチャネル金属酸化膜半導体(NMOS)トランジスタを備え、前記共通ゲートステージにおける前記ペアのNMOSトランジスタの各NMOSトランジスタは、前記共通ソースステージに結合されるドレインと、前記複数の差動入力信号のうちの1つに結合されるゲートと、前記複数の差動入力信号のうちの別のものに結合されるソースと、を含む;
    RF信号をダウンコンバートするために、前記のフィルタリングされた、増幅されたRF信号をミキシングすることと;
    を備える方法。
  2. 無線デバイスにおいて受信された無線周波数(RF)信号をダウンコンバートする方法であって、
    前記無線デバイスにおいてアンテナで前記RF信号を受信することと;
    前記受信されたRF信号を増幅することと;
    マッチングネットワークをとおしてミキサのインピーダンスとマッチングするインピーダンスを有するフィルタを使用して、前記増幅されたRF信号をフィルタリングすることと;
    前記フィルタリングされた、増幅されたRF信号を、共通ゲート共通ソース(CGCS)ミキサ入力ステージに入力することと、
    なお、前記CGCSミキサ入力ステージは、
    前記マッチングネットワークから複数の差動入力信号を受信するための入力と、
    電流ソースと、
    前記入力と前記電流ソースとに結合される複数のトランジスタを含む、共通ソースステージと、
    前記入力と前記共通ソースステージとに結合される複数のトランジスタを含む、共通ゲートステージと、
    ミキサに結合される出力と、
    を備え、
    前記共通ゲートステージの前記複数のトランジスタは、1ペアのPチャネル金属酸化膜半導体(PMOS)トランジスタを備え、前記共通ゲートステージにおける前記ペアのPMOSトランジスタの各PMOSトランジスタは、前記共通ソースステージに結合されるドレインと、前記複数の差動入力信号のうちの1つに結合されるゲートと、前記複数の差動入力信号のうちの別のものに結合されるソースと、を含む;
    RF信号をダウンコンバートするために、前記のフィルタリングされた、増幅されたRF信号をミキシングすることと;
    を備える方法。
  3. 無線デバイスにおいて受信された無線周波数(RF)信号をダウンコンバートする方法であって、
    前記無線デバイスにおいてアンテナでRF信号を受信することと;
    前記受信されたRF信号を増幅することと;
    マッチングネットワークをとおしてミキサのインピーダンスとマッチングするインピーダンスを有するフィルタを使用して、前記増幅されたRF信号をフィルタリングすることと;
    RF信号をダウンコンバートするために、前記フィルタリングされた、増幅されたRF信号を、共通ゲート共通ソース(CGCS)ミキサ入力ステージに入力することと、
    なお、前記CGCSミキサ入力ステージは、
    前記マッチングネットワークから複数の差動入力信号を受信するための入力と、
    電流ソースと、
    前記入力と前記電流ソースとに結合される複数のトランジスタを含む、共通ソースステージと、
    前記入力と前記共通ソースステージとに結合される複数のトランジスタを含む、共通ゲートステージと、
    ミキサに結合される出力と、
    を備え、前記CGCSミキサ入力ステージの前記出力からの出力電流は、式、
    Figure 0005301606
    を満たす、ただし、Iは、前記出力電流であり、Vは、前記マッチングネットワークの入力での電圧であり、Rは、マッチング抵抗であり、gmnは、前記共通ゲートステージにおける前記複数のトランジスタの相互コンダクタンスであり、gmpは、前記共通ソースステージにおける前記複数のトランジスタの相互コンダクタンスである;
    を備える方法。
  4. 無線デバイスにおいてアンテナでRF信号を受信するための手段と;
    前記受信されたRF信号を増幅するための手段と;
    マッチングネットワークをとおしてミキサのインピーダンスとマッチングするインピーダンスを有するフィルタを使用して、前記増幅されたRF信号をフィルタリングするための手段と;
    前記フィルタリングされた、増幅されたRF信号を、共通ゲート共通ソース(CGCS)ミキサ入力ステージに入力するための手段と、
    なお、前記CGCSミキサ入力ステージは、
    前記マッチングネットワークから複数の差動入力信号を受信するための入力と、
    電流ソースと、
    前記入力と前記電流ソースとに結合される複数のトランジスタを含む、共通ソースステージと、
    前記入力と前記共通ソースステージとに結合される複数のトランジスタを含む、共通ゲートステージと、
    ミキサに結合される出力と、
    を備え、
    前記共通ゲートステージの前記複数のトランジスタは、1ペアのNチャネル金属酸化膜半導体(NMOS)トランジスタを備え、前記共通ゲートステージにおける前記ペアのNMOSトランジスタの各NMOSトランジスタは、前記共通ソースステージに結合されるドレインと、前記複数の差動入力信号のうちの1つに結合されるゲートと、前記複数の差動入力信号のうちの別のものに結合されるソースと、を含む;
    RF信号をダウンコンバートするために、前記のフィルタリングされた、増幅されたRF信号をミキシングするための手段と
    を備える無線デバイス。
  5. 無線デバイスにおいてアンテナで前記RF信号を受信するための手段と;
    前記受信されたRF信号を増幅するための手段と;
    マッチングネットワークをとおしてミキサのインピーダンスとマッチングするインピーダンスを有するフィルタを使用して、前記増幅されたRF信号をフィルタリングするための手段と;
    RF信号をダウンコンバートするために、共通ゲート共通ソース(CGCS)ミキサ入力ステージに、前記フィルタリングされた、増幅されたRF信号を入力するための手段と、
    なお、前記CGCSミキサ入力ステージは、
    前記マッチングネットワークから複数の差動入力信号を受信するための入力と、
    電流ソースと、
    前記入力と前記電流ソースとに結合される複数のトランジスタを含む、共通ソースステージと、
    前記入力と前記共通ソースステージとに結合される複数のトランジスタを含む、共通ゲートステージと、
    ミキサに結合される出力と、
    を備え、
    前記共通ゲートステージの前記複数のトランジスタは、1ペアのPチャネル金属酸化膜半導体(PMOS)トランジスタを備え、前記共通ゲートステージにおける前記ペアのPMOSトランジスタの各PMOSトランジスタは、前記共通ソースステージに結合されるドレインと、前記複数の差動入力信号のうちの1つに結合されるゲートと、前記複数の差動入力信号のうちの別のものに結合されるソースと、を含む;
    RF信号をダウンコンバートするために、前記のフィルタリングされた、増幅されたRF信号をミキシングするための手段と;
    を備える無線デバイス。
  6. 無線デバイスにおいてアンテナでRF信号を受信するための手段と;
    前記受信されたRF信号を増幅するための手段と;
    マッチングネットワークをとおしてミキサのインピーダンスとマッチングするインピーダンスを有するフィルタを使用して、前記増幅されたRF信号をフィルタリングするための手段と;
    RF信号をダウンコンバートするために、前記フィルタリングされた、増幅されたRF信号を、共通ゲート共通ソース(CGCS)ミキサ入力ステージに入力するための手段と、
    なお、前記CGCSミキサ入力ステージは、
    前記マッチングネットワークから複数の差動入力信号を受信するための入力と、
    電流ソースと、
    前記入力と前記電流ソースとに結合される複数のトランジスタを含む、共通ソースステージと、
    前記入力と前記共通ソースステージとに結合される複数のトランジスタを含む、共通ゲートステージと、
    ミキサに結合される出力と、
    を備え、
    前記CGCSミキサ入力ステージの前記出力からの出力電流は、式、
    Figure 0005301606
    を満たす、ただし、Iは、前記出力電流であり、Vは、前記マッチングネットワークの入力での電圧であり、Rは、マッチング抵抗であり、gmnは、前記共通ゲートステージにおける前記複数のトランジスタの相互コンダクタンスであり、gmpは、前記共通ソースステージにおける前記複数のトランジスタの相互コンダクタンスである;
    前記のフィルタリングされた、増幅されたRF信号をミキシングするための手段と;
    を備える無線デバイス。
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