TW200845564A - Transconductor and mixer circuits - Google Patents

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200845564 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於轉導器（transconductor)以及混頻電 路，特別是有關於具有較佳線性度的轉導器以及混頻電 路0 【先前技術】 使用金氧半電晶體（M0S)之混頻電路在局頻應用中 會受限於有限的供應電壓（通常低於2伏特）以及大量的 閃爍雜訊（頻率達數千萬赫茲），因此此類混頻電路所需的 增益與輸出信號準位超出等效雙載子電路（equivalent bipolar circuits )所需的增益與輸出信號準位。 第1圖繪示了美國專利第6,636,115號所揭露的傳統 的雙平衡混頻器的電路圖。第1圖中的雙平衡混頻器包 括了金氧半場效電晶體（MOSFET)的差動對（Q131-Q132 與Q133-Q134)，金氧半場效電晶體差動對的汲極連接到 輸出端-1+與輸出端-I—，金氧半場效電晶體對的閘極連 接到第一輸入端-Π+與第一輸入端-II一。第1圖的雙平 衡混頻電路也包括了主動元件Q135、Q136、Q137與 Q138。金氧半場效電晶體對Q131-Q132的源極連接到主 動元件Q135與Q136的汲極，金氧半場效電晶體對 Q133-Q134的源極連接到主動元件Q137與Q138的汲 極。主動元件Q135、Q136、Q137與Q138的閘極透過侧 偏壓匹配電路（偏壓網路小偏壓網路-II、偏壓網路-III與 0758D-A32529TWF;MSLI-06-004 6 200845564 • 偏壓網路-IV)各自地連接至第二輸入端-1+與第二輪入端 -I—。主動元件Q135、Q136、Q137與Q138的源極透過 ' 阻抗單元（衰退阻抗；degeneration impedance)以及偏壓網 - 路-V連接至接地端。 兩個分離的偏壓網路-I與偏壓網路-II分別被提供i 金氧半場效電晶體Q135與Q136，使得該等偏壓網路Μ 極至源極的偏壓差（Vgs)產生差異。由於有不同的閘極至 源極的偏壓差，金氧半場效電晶體Q135與Q136分別操 f 作於飽和區（saturation region )以及次臨界區 (sub-threshold region)。然而，由於操作於次臨界區的元 件模型（device model)的準確度不足，因此增加了電路設 計的困難度。此外，為了抵消非線性度（non-linearity )， 也使得電路的操作被侷限在很小的閘極至源極偏壓範圍 内0 【發明内容】 如上所述，已知的現有技術由於操作於次臨界區的 器件模型的準確度不足，因此增加了電路設計的困難 度。此外’為了抵消非線性度（non-linearity )，也使得 電路的操作被局限在很小的閘極至源極偏壓範圍内。 依據本發明之一實施例的一種轉導器包括第一主動 元件網路與第二主動元件網路，第一主動元件網路具有 第一節點與第二節點，且包括第一金氧半電晶體，第一 金氧半電晶體有閘極、搞接至第一節點的源極以及♦馬接 0758D-A32529TWF;MSLI-06-004 7 至第二節點的沒搞· μ 第二節點，該 ^二主衫件網路具有第-節點與 元件網路之第第4點分㈣接至第-主動 點與第二節點之間的第呆：:：，且包括耦接於第-節 日日肢之閉極與源極分 入 _一孟乳+電 與源極，農中，證— 妾弟孟乳+電晶體之閘極 八則弟一金氧半電晶體與第二金負本雷曰贼 刀別#作於飽和區與三極區。 、巩+電曰曰體 哭、之-實施例的-種混頻電路，包括轉導 第-主動元件網路鱼第主=對電阻’轉導器包括 體，該第：全;;;弟二卽點，且包括第-金氧半電晶 ^ +笔晶體具有閘極、耦接至第一 10¾ Μ 源極以及麵接至第二節__ —㈣主弟即點的 分別I馬接至第-主動元件㈣二主動元件網路有 第-節點-第弟一節點與第二節點的 a ^ λα - _ 匕秸耦接於弟一節點與第二節 盘源：八孟乳f電晶體’第二金氧半電晶體之閘極 中、:第：：!馬一金氧半電晶體之閘極與源極，其 w 口 F = m冑與第二金氧半電晶體分別操作於 ^品—極區’第-金氧半電晶體與第二金氧半電晶 =閑極接收第-差動輸人信號，且第—主動元件網路 :弟二主動元件網路的第一節點輕接至第一供應電壓， 口爾伯特單元混頻核心接收第二差動輸入信號，且有第 二節點以及第四節點接至第-主動元件 網路與第二主動元件網路的該等第二節點，以及第四節 0758D-A32529TWF;MSLI-06-004 8 200845564 • 點提供差動輸出信號，兮楚命β \ 士、、日相祕、# °亥專黾阻分別耦接於吉爾伯特單 凡此頻核心之弟四節點纺结 即點與弟二供應電壓之間。 • 本發明提供一種肖拓楚 士去 , 匕枯弟一主動元件網路盥第二主動 • 元件網路的轉導器盘、、曰相 '、 後一 ±叙一 M 〇 ^員電路，該第一主動元件網路與 ITS 路内的金氧半電晶體分別操作於三極區 抵二：此了=侍金氧半電晶體所產生的非線性度被 抵肩因此，猎由本發明ή6 ϋ t 士 & -4. ΛΑ - ^ ^ Χ月的技術方案，可以簡化電路設 计的複雜度，放寬雷政ώΑ p 、路的知作局限，以及達成較佳線性 度0 【實施方式】 箱县）·為讓本餐明之上述和其目的、特徵、和優點能更明 顯易f重，下文特舉出較佳實施例， 詳細說明如下·· P ^作 第2Α圖與第2Β^所示分別為依據本發明實施例之 :衡混頻電路的示意圖與電路圖。第2Β圖所示之混頻 轉U10、吉爾伯特（Gilbert)單元混頻 以及一對電阻尺與尺，。轉導器210包括第一主 動元件網路23G與第二主動料網路240。第-主動元件 網路2 3 0具有第_ Wl 0 ^ ^ ^ . ^ ^即點231與第二節點239,且包括第一 金氧半電晶體Ml，第一今惫车带Β^αλ··! ^ + 接至第-節日體具有閘極、耗 斤一 231的源極以及耦接至第二節點239的汲 極。第二主動元件網路具有第-節點241與第二節 點249，分別執接至第一主動元件網路23〇之第一節點 0758D-A32529TWF;MSLI-06-004 9 200845564 231與第二節點239 ;且包括第二金氧半電晶體M2以及 壓降產生器VDG，第二金氧半電晶體M2之閘極與源極 分別耦接至第一金氧半電晶體Ml之閘極與源極，壓降產 生器VDG耦接於第二金氧半電晶體M2的汲極與第一主 動元件網路230之第二節點239、第二主動元件網路240 之第二節點249之間，並於其間產生電壓降。較明確地 說，壓降產生器VDG為二極體式連接的（diode-connected) 金氧半電晶體Μ，其源極耦接至第二金氧半電晶體M2 的汲極，且其閘極與汲極耦接至第二主動元件網路240 的第二節點249。第一金氧半電晶體Ml與第二金氧半電 晶體M2的閘極接收第一差動輸入信號RFIN+/RFIN-，且 第一主動元件網路230與第二主動元件網路240的該等 第一節點231與第一節點241耦接至第一供應電壓（first supply voltage )。較明確地說，第一供應電壓為接地 GND。吉爾伯特單元混頻核心220接收第二差動輸入信 號L0,且有第三節點251與第四節點259,第三節點251 耦接至第一主動元件網路230的第二節點239與第二主 動元件網路240的第二節點249,吉爾伯特單元混頻核心 220的第四節點259提供差動輸出信號IF。電阻R與R’ 分別耦接於吉爾伯特單元混頻核心220之第四節點259 與第二供應電壓之間，且有一對電容分別與電阻R與R’ 並聯。較佳而言，第一供應電壓與第二供應電壓為同一 電壓，於此實施例中，第一供應電壓與第二供應電壓皆 為接地GND。 0758D-A32529TWF;MSLI-06-004 10 200845564

- 於第2B圖中，吉爾伯特單元混頻核心220包括P 型金氧半場效電晶體的差動對（SW1-SW2 與 • SW3-SW4)。金氧半場效電晶體差動對的没極搞接至吉爾 . 伯特單元混頻核心220的第四節點259,金氧半場效電晶 體差動對的閘極接收第二差動輸入信號LO,金氧半場效 電晶體差動對SW1-SW2的源極耦接至吉爾伯特單元混 頻核心220的第三節點251，金氧半場效電晶體差動對 SW3-SW4的源極亦耦接至吉爾伯特單元混頻核心220的 〔 弟二郎點 251。此外，衰退阻抗（degeneration impedance) Rdegen _接於第一供應電壓與轉導器210之間，偏壓網 路（電流源）CS耦接於第一供應電壓與轉導器210之間， 偏壓網路（電阻R)BN提供偏壓電壓VIBAS給第一金氧半 電晶體Ml與第二金氧半電晶體M2。由於壓降產生器 VDG的兩端產生了壓降，第一金氧半電晶體M1操作於 飽和區，而第二金氧半電晶體M2操作於三極區（tri〇de region)。於是，第一金氧半電晶體Ml與第二金氧半電晶 、 體M2產生的非線性度可以被抵消。 第2C圖與第2D圖繪示了第2B圖中之雙平衡混頻 電路之壓降產生器的實施例。於第2C圖中，壓降產生器 VDG為電阻r，電阻r耦接於第二金氧半電晶體μ]之汲 極與第一主動元件網路230之第二節點239(見第2β 圖）、第二主動元件網路240之第二節點249之間。於第 2D圖中，壓降產生器為二極體D，其陽極AND耦接至 第一主動元件網路230之第二節點239(見第2B圖）與第 0758D-A32529TWF;MSLI-06-004 11 200845564 二主動元件網路240之第二節點249，以及陰極CTD耦 接至第二金氧半電晶體M2之汲極。 • 第2E圖為第2B圖中之雙平衡混頻電路的簡化電路 . 圖。於第2E圖中，第一金氧半電晶體Ml與第二金氧半 電晶體M2的偏壓電壓係由同一偏壓網路BN所提供，且 雙平衡混頻電路較傳統的更為簡單。 第3A圖為依照本發明另一實施例之雙平衡混頻電 路的電路圖。第3A圖中的雙平衡混頻電路與第2B圖中 的雙平衡混頻電路相似，且差異在於吉爾伯特單元混頻 核心220包括PNP雙載子接面電晶體（BJT : Bipolar Junction Transistor )的差動對（BJT1-BJT2 與 BJT3-BJT4)。雙載子接面電晶體差動對的集極耦接至吉 爾伯特單元混頻核心220的第四節點259,雙載子接面電 晶體差動對的基極接收第二差動輸入信號LO，雙載子接 面電晶體差動對BJT1-BJT2的射極耦接至吉爾伯特單元 混頻核心220的第三節點251，雙載子接面電晶體差動對 、 BJT3-BJT4的射極亦耦接至吉爾伯特單元混頻核心220 的第三節點251。 第3B圖為依照本發明又一實施例之雙平衡混頻電 路的電路圖。第3B圖中的雙平衡混頻電路與第2B圖中 的雙平衡混頻電路相似，且差異在於吉爾伯特單元混頻 核心220包括N型金氧半場效電晶體的差動對 (SW1’-SW2,與SW3’-SW4’）。此外，第一供應電壓為接地 GND，而第二供應電壓為電源電位Vcc。 0758D-A32529TWF;MSLI-06-004 12 200845564 第3C圖為依照本發明再一實施例之雙平衡混頻電 路的電路圖。第3C圖中的雙平衡混頻電路與第3A圖中 ^ 的雙平衡混頻電路相似，且差異在於吉爾伯特單元混頻 . 核心220包括NPN雙載子接面電晶體的差動對 (BJT1’-BJT2,與BJT3’-BJT4，）。此外，第一供應電壓為接 地GND，而第二供應電壓為電源電位Vcc。 本發明提供一種包括第一主動元件網路與第二主動 元件網路的轉導器與混頻電路，第一主動元件網路與第 f 二主動元件網路内的金氧半電晶體分別操作於三極區與 飽和區，使得金氧半電晶體所產生的非線性度可以被抵 m ° 請注意，雖然本發明上述實施例基於吉爾伯特單元 混頻核心220包含兩個電晶體差動對描述說明，所屬技 術領域中具有通常知識者可輕易理解吉爾伯特單元混頻 核心220包含一或複數组電晶體差動對之不同改變或修 改均屬於本發明所主張之範圍。 i 【圖式簡單說明】 第1圖繪示了美國專利第6,636，115號所揭露的傳統 的雙平衡混頻器的電路圖。 第2A圖與第2B圖所示分別為依據本發明實施例之 雙平衡混頻電路的不意圖與電路圖。 第2C圖與第2D圖繪示了第2B圖中之雙平衡混頻 電路之壓降產生器的實施例。 0758D-A32529TWF;MSLI-06-004 13 200845564 - 第2E圖為第2B圖中之雙平衡混頻電路的簡化電路 圖。 - 第3A圖為依照本發明另一實施例之雙平衡混頻電 _ 路的電路圖。 第3B圖為依照本發明又一實施例之雙平衡混頻電 路的電路圖。 第3C圖為依照本發明再一實施例之雙平衡混頻電 路的電路圖。 【主要元件符號說明】 Q131-Q132、Q133-Q134〜金氧半場效電晶體的差動 對； Q135、Q136、Q137、Q138〜主動元件； 200〜混頻電路； 210〜轉導器； 220〜吉爾伯特單元混頻核心； R、R’〜電阻； 230、240〜主動元件網路； % 231、241〜第一節點； 239、249〜第二節點；

Ml、M2〜金氧半電晶體； Μ〜二極體式連接的金氧半電晶體； VDG〜壓降產生器； RFIN+、RFIN-〜第一差動輸入信號； LO〜第二差動輸入信號； RF〜第一差動輸入信號； 251〜第三節點； 259〜第四節點； 0758D-A32529TWF;MSLI-06-004 14 200845564 • IF〜差動輸出信號； SW1-SW2、SW3-SW4〜P型金氧半場效電晶體 • Rdegen〜衰退阻抗； . r〜電阻； CS '⑽〜偏壓網路； D〜二極體； AND〜陽極； CTD〜陰極； BJT1_BJT2、BJT3-BJT4〜PNP雙載子接面電晶體； SW1’-SW2’、SW3，-SW4’〜N型金氧半場效電晶體； BJT1’_BJT2,、BJT3，-BJT4,〜NPN 雙載子接面電晶 f 總： VIBAS〜偏壓電壓； Vcc〜電源電位。 GND〜接地； 0758D-A32529TWF;MSLI-〇6-〇〇4 15

Claims (1)

1. 200845564 十、申請專利範圍： 1 · 一種轉導器，包括： 一第一主動元件網路，具有一 狄 點，且包括一第一全氧丰雷曰ί 即點與一第二節 節點的汲極； 卩·桃原極以及輕接至該第二 一第二主動元件網路，且右一笙 _ 點，哕第--十”有弟一郎點與—第二節 ί 網路之第一節點盥第-節 要至該弟—主動元件 與第二節二;二：：且包括轉接於該第-節點 + ”，， 4々弟—金氧半電晶體，該第二金氧半 :::::極與源極分一 其中’該第-金氧半f晶體與該第 分別操作於一飽和區與一三極區。 …曰曰體 ?•如申請專利範圍第1項所述之轉導器，其 =金氧半電晶體與該第二金氧半電晶體的錢 ^ 由同一偏壓網路所提供。 糸 θ 3·如申明專利範圍第1項所述之轉導器，更包一 昼降產生器，麵接於該$二金氧半電晶體的汲極鱼 Γ主動71件網路的第二節點、第二主動元件網路的第二 即點之間，並於其間產生一電壓降。 曰4·如申請專利範圍第3項所述之轉導器，其中，該 壓降產生器包括-二極體，該二極體具有—陽極以及一 陰極’該陽極減至第-主動元件網路的第二節點與第 〇758D-A32529TWF;MSLI-〇6-.〇〇4 16 200845564 節點，該陰極耦接至該第二金氧 二主動元件網路的第 半電晶體之汲極。 屢降產生器包括-電阻，其轉接於該第一主動；二路亥 金氧半電晶體之汲Hr件網路的第二節點與該第二 即H申：：利乾圍第3項所述之轉導器，其中，該 第三金氧半電晶體，其没極轉接至該 點以trr路與該第二主動元件網路的該等第二節 以及源_接至該第二金氧半電日日日體之汲極。 7·—種混頻電路，包括·· 一轉導器，包括： 弟 主動件網路，且古 哲 A/-點，日h Μ人 具有一弟一郎點與一第二節 :有ίΓΓΓ 半電晶體，該第一金氧半電晶體 節點的汲極； 即點的源極以及耦接至該第二 里占一々第二絲元件網路’具有一第一節點與一第二節 γ 1 gp點與第二節點分職接至該第—主動元件 ::之弟一節點與第二節點，且包括耦接於該 點 2二郎點之間的一第二金氧半電晶體，該第二金氧半 電曰曰體之閘極與源極分別㈣ 閘極與源極； * 土軋牛電曰曰體之 其中’該第―金氧半電日日日體與該第二金氧半電晶體 細作於—飽和區與—三極區，該第—金氧半電晶體 〇758D-A32529TWF;MSLI-06-004 17 200845564 與弟二金氧丰雷曰μ 號，且該ί 體的該㈣極接收-第-差動輸入信 第一節點##主動兀件網路與第二主動元件網路的該等 弟耦接至—第一供應電壓； 號，：二爾、伯f'元混頻核心’接收-第二差動輸入信 第一价=*文個第二節點以及複數個第四節點’該等 弟二即點耦接至兮楚 ^ ^ ^ 路的該算望―饮〜 動元件網路與第二主動元件網 信號f、 即點，以及該等第四節點提供一差動輸出 兮箄箆對J阻’分別耦接於該吉爾伯特單元混頻核心之 料弟四郎點與一第二供應電遂之間。 之 ★申㈤專利1&圍S 7項所述之混頻電路，更包括 一偏屢網路，接征_伯 文匕枯 第二金氧半電晶體:―給該第-金氧半電晶體與 -壓:Ϊ1:專圍第7項所述之混頻電路，更包括 -主_二=?=氧半電晶體_第 節點之間’並於其間產生一電壓降主動疋件網路的第二 ㈣9項所述之 =降產生器包括-二極體，該二極體具有—陽極:及 陰極，该陽極耦接至第—主動 第二主動元件網路的第二r:動：：網路的第二節點與 氧半電晶體之汲極。p’’、、W極耦接至該第二金 =如申請專·圍第9項所述之混頻電路，复中， 牛生咨包括一電阻，其麵接於該第-主動元件網 0758D-A32529TWF;MSLI-06-004 18 200845564 :的點、該與第二主動元件網 第一金氧半電晶體之汲極之間。 —即2與该 該第-主動元件網路與：第其汲極轉接至 銘St ο, rr 主動凡件網路的該等箆一 二口及 接至該第二金氧半電晶體之沒極 該第-供應;Ί利乾圍第7項所述之混頻電路，其中， 、…电£人弟—供應電壓為同一電壓。 —t如申請專利範圍第7項所述之混頻電路，更包括 路’純於該第—供應電壓與該轉導器之間。 一」如申請專利範圍第7項所述之混頻電路，更包括 1退阻抗，_於該第—供應電Μ與該轉導器之間。 、，16·如巾料利範圍第7項所述之關電路，更包括 一對分別與該等電阻並聯的電容。 Π·如申請專利範圍第7項所述之混頻電路，1中， 該吉爾伯特單元混頻核心包括-或複數组金氧半電晶體 的差動對。 平丁私日日骽 上丨8·如申請專利範圍第7項所述之混頻電路，其中， 。玄口爾伯#單元混頻核心包括—或複數组雙載子接面 晶體的差動對。 0758D-A32529TWF;MSLI.〇6-〇〇4 19