TW201042908A - Mixer with high linearity and low operating voltage - Google Patents

Description

201042908 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於混頻器(mixer)，尤指一種具高線性度 與低運作電壓之混頻器。 【先前技術】 在無線傳送器（wireless transmitter)或射頻傳送 器（RF transmitter)中，混頻器是廣泛使用的頻率轉 換元件。第1圖係顯示一典型之無線傳送器10，其 可將基頻之傳送信號轉換為射頻的傳送訊號，以經 由天線發射出去。無線傳送器10包含濾波器11與 12、可程式增应放大器（pr〇gramrnable gain amplifier)13與14、混頻器15與16及功率放大器 17。基頻的傳送信號，以基頻丨傳送信號為例，經 由濾波器11移除不需要的頻率成分後，再由可程 式增益放大器13放大，接著送入混頻器15，藉由 本地振盪器（local oscillator，圖未顯示）所產生之振 盪信號LO!，以轉換為射頻〖信號；基頻Q傳送信 號亦以類似方式轉換為射頻Q信號，連同射頻I信 號送入功率放大器17進行放大，以便進行無線傳 輸。在無線傳送器10中，混頻器15與16所執行 之頻率轉換攸關無線傳輪的信號品質。 第2圖係顯示習用的混頻器電路圖，其中，吉 伯特混頻器（Gilbert mixer)20包含轉導電路 (transc〇nductor)21、開關電路(switch quad)22 及負 201042908 載電路(loadcircuit)23。負載電路23包含負載231、 232，負載231與232的一端輕接至一電壓源ycc， 負載231與232的另一端即為輸出端(〇m)。開關電 路22包含η型電晶體m3、M4、M5、M6。其中， M3與Μ5之汲極耦接到負載231的另一端，Μ4與 Μ6之汲極耦接到負載232的另一端。再者，與 Μ6之閘極相互耦接，河4與]^5之閘極相互耦接， 而M3與Μ4之閘極可接收一本地振盪信號L〇。再 者，M3與M4之源極相互耦接，並成為第一電流 路控；而M5與M6之源極相互耗接，並成為第二 電流路徑。 轉導電路21包含n型電晶體Ml與M2。其中， Ml之汲極耦接到開關電路22的第—電流路徑， M2之汲極耦接到開關電路22的第二電流路徑。 Ml與M2之閘極可分別接收電壓信號Vin+與Vin_。 再者，Ml與M2之源極相互耦接。而M1之源極與 一接地端之間耦接一 n型電晶體Ms，其閘極輸入 一固定電壓以使1!型電晶體Ms可形成一電流源。 第3圖係顯示習用混頻器20之相關信號的示 意圖。轉導電路21可將輸入電壓信號Vin(即 Vin -Vin )轉換成，電流信號化。電流信號化流經 開關電路22的第一電流路徑與第二電流路徑時， 經由振藍仏號LO的驅動而成為一頻率轉換電流信 號(frequency-converted current signal)。接著，頻率 轉換電流信號經由負載電路23轉換，使得輸出端 5 201042908 (Out)可輸出一輸出電壓。 對於無線傳送器而言，其輸入輸出訊號之振幅 (signal swing)要大，才能提高訊號訊雜比（SNR)， 以提昇對雜訊的免疫力，並減少本地振盪洩漏(L0 leakage)的效應。然而，由於電子裝置縮小化的趨 勢日益明顯，積體電路(1C)需越作越小，連帶其運 作電壓也越來越低。因此，要在這種低運作電壓的 條件下，能同時維持大的傳送訊號振幅，便成為在 設計無線傳送器之混頻器時，所須解決的問題。 另一方面，在第2圖所示之習用混頻器20中， 由於轉導電路21是由電晶體Ml與M2所組成，因 此其電壓-電流關係是二次曲線關係，而非線性關 係。換言之，習用混頻器並不適用於需要高線性混 頻器的應用上，例如，無線區域網路(WLAN)的傳 送器以及分碼多重存取（Code Division Multiple Access, CDMA)系統的傳送器。 【發明内容】 有鑑於此，本發明之一目的，在於提供一種具 高線性度之混頻器，以避免習用混頻器之轉導電路 的非線性問題。 本發明之另一目的，在於提供一種具低運作電 壓之混頻器，其可達到降低運作電壓並同時保持大 的輸入輸出訊號振幅的效果。 本發明揭露一種混頻器，其包含轉導電路及開 201042908 關電路。轉導電路用以接收一對差動電壓信號，並 輸出一對差動電流信號。轉導電路包括：第一電阻 及第二電阻；一差動放大器，具有第一輸入端、第 二輸入端、第一輸出端及第二輸出端，其中，該對 差動電壓#號分別經由第一電阻及第二電阻送至 第一輸入端及第二輸入端，該對差動電流信號分別 從第一輸入端及第二輸入端輸出；以及第一電流源 與第二電流源，分別耦接至第一輸入端與第二輸入 端。開關電路包含第一開關、第二開關、第三開關 及第四開關，第一開關與第二開關耦接至第一輸入 端，第三開關與第四開關耦接至第二輸入端；第一 開關與第三開關相耦接，以形成混頻器之一輸出 端，第二開關與第四開關相耦接，以形成混頻器之 另一輸出端；其中，第一開關、第二開關、第三開 關及第四開關依據一對差動控制信號控制是否讓 該對差動電流信號通過，並且，第一輸出端粞接至 第一開關與第二開關，以使得差動放大器之第一輸 出螭與第一輸入端間形成一負回授迴路；第二輸 出端耦接至第三開關與第四開關，以使得差動放大 器之第二輸出端與第二輸入端間.形成另一負回授 迴路。 【實施方式】 第4圖係本發明之混頻器40之一實施例的電 路圖’包含一轉導電路41與一開關電路42。轉導 7 201042908 電路Μ接收一對差動輸入電壓Vin+、Vin-，並輸出 對差動電流信號广、Γ。轉導電路41包括電阻 R1與R2、差動放大器411及電流源412、413。差 動輸入電壓Vin、Vin+分別經由電阻R1及R2送至 差動放大器411之正極輸入端及負極輸入端。電流 源412耦接於該正極輸入端與接地端之間，電流源 413則耦接於該負極輸入端與接地端之間。差動電 流仏號Ι+、Γ分別從該正極輸入端及該負極輸入端 輸出。 開關電路42包含四個開關421、422、423及 424 °開關421包含電晶體]vq及隔離電路4211， 開關422包含電晶體M2及隔離電路4221，開關423 包含電晶體M3及隔離電路4231，開關424包含電 晶體Μ4及隔離電路4241。電晶體Ml及M2之源 極皆輕接至差動放大器411之正極輸入端，電晶體 M3及M4之源極皆耦接至差動放大器411之負極 輸入端。電晶體Ml及M3之汲極相耦接，以形成 混頻器40之一輸出端43;電晶體M2及M4之汲 極相耦接’以形成混頻器40之另一輸出端44。 開關421、422、423及424可依據一對差動控 制信號來控制是否讓差動電流信號Ι+、Γ通過。該 對差動控制信號包含第一控制信號與第二控制信 號’分別經由隔離電路4211與4221而分別送入電 晶體Ml與M2之閘極，用以控制開關421與422 是否讓電流信號1+通過；第一控制信號與第二控制 201042908 信號亦分別經由隔離電路4241與4231而分別送入 電晶體M4與M3之閘極，用以控制開關424與423 是否讓電流信號Γ通過（隔離電路4211、4221、4231 與4241的功能後詳）。該對差動控制信號可由一本 地振盪器產生，藉由適當地控制該對差動控制信號 的頻率來切換開關421、422、423及424，即可將 差動電流信號Γ、Ι_轉換為所需之頻率，而從輸出 端43、44輸出。 Ο 請再參閱第4圖。差動放大器411之負極輸出 端分別經由隔離電路4211與4221耦接至電晶體 Ml與M2之閘極，以使差動放大器411之負極輸 出端與正極輸入端間形成一負回授迴路；另一方 面，差動放大器411之正極輸出端分別經由隔離電 路4231與4241耦接至電晶體M3與M4之閘極， 以使差動放大器411之正極輸出端與負極輸入端間 形成另一負回授迴路。這些負回授迴路可提高轉導 〇 電路41的線性度，原理如下：差動放大器411之 負極輸出端與正極輸出端之電壓隨著差動輸入電 壓Vin+、VirT而變，而負極輸出端與正極輸出端之 電壓藉由負回授迴路的作用，使得差動電流信號 Γ、Γ隨之而變，因此，差動電流信號Γ、Γ亦隨著 差動輸入電壓Vin+、Virf而變動；進一步，可推導 轉導電路41之輸出電流(即Γ—Γ)與輸入電壓 Vin(即Vin+ _ ViiT)間的關係如下： 9 201042908 κ -v. lout = i+-r= 式⑴ /Vi i\2 當轉導電路41為全差動式(fully differential)電 路時，且R1 = R2，因此式（1)可簡化為 r -V, °u「瓦 所以，轉導電路41之輸出電流Iout與輸入電壓 Vin呈線性關係，亦即，轉導電路41具有線性之轉 導值。因此，藉由使用轉導電路41，混頻器40可 具有高線性度。 在第4圖中，由於第一控制信號與差動放大器 411之負極輸出端輸出之信號皆耦接至電晶體Ml 的閘極，為避免這兩個信號互相干擾，開關421增 設隔離電路4211以使第一控制信號與負極輸出端 輸出之信號保持相互獨立。同理，隔離電路4221 可使第二控制信號與負極輸出端輸出之信號保持 相互獨立，隔離電路4231可使第一控制信號與正 極輸出端輸出之信號保持相互獨立，而隔離電路 4241可使第一控制信號與正極輸出端輸出之信號 保持相互獨立。 當第一控制信號與第二控制信號為高頻信 號，而正極輸出端與負極輸出端輸出之信號為低頻 信號時，隔離電路4211、4221、4231與4241可利 用如第5圖所示之方式實施。每一隔離電路包含一 高通濾波器（圖示以電容為例，但不限於此）與一低 通濾波器（圖示以電阻為例，但不限於此），高通濾 10 201042908 即 波器耦接於高頻信號（即第—或第二控制信說)與 晶體之閘極間’低通慮波器麵接於低頻信號（印> 輸出端或負極輸出端輸出之信號）與電晶體之^極 間。對高頻信號而言，其可通過高通濾波器到達 極’但不會通過低通滤波器而干擾到低頻信號· 低頻信说而δ，其可通過低通據波器到達閑極 不會通過高通濾波器而干擾到高頻信號。如此 可使得高頻信號與低頻信號保持相互獨立。 Ο 混頻器40還能達到降低運作電壓的功欵。、 下以計算電晶體Ml之閘極的最低運作電壓為你父 說明（M2、M3、Μ4之閘極最低運作電壓的;算來 式亦類似）。此閘極最低運作電壓的意義在於 方 頻器40的整個運作過程中，閘極必須至少維持思 此電壓值，否則混頻器40便無法正常運作。請$ 閱第5圖，其中電流源412、413分別以電晶體 Μ6來實施。電晶體Ml之閘極電壓為 O vG1 = va+vGS1 . 、 式(2) 其中，Va為a點之電壓，Vgsi為電晶體 閘極至源極電壓。由於a點為差動放大器41之正 極輸入端，所以Va即為差動放大器41之共^ (common mode)輸入電壓，下文以v—表示。 包含直流與交流兩部分，直流部分係由對電孑Sl Ml進行偏壓所產生，而由於電晶體M1需運作^ 飽和區，混頻器40才能正常運作，所以此直流部 分至少需為VDsatl + VTH1，其中¥〇_與Vthi分別 11 201042908 為電晶體Ml之汲極飽和電壓與臨界電壓(threshold voltage);交流部分係因輸入電壓Vin而產生之電壓 變動量（以AVGS1表示），其計算方式如下： 假設電晶體Ml之轉導值為gml，則 ΔνGS1 = ΔΙ〇ι/gmi 式(3) 其中，Mm為電晶體Ml之汲極電流，而由於 1+等於電晶體Ml與M2兩者之汲極電流相加，所 以“仍二广/之。因此，式（3)可表示為 AV〇si r 2 y,+, 式（4) gml 4gml^ 假設輸入電壓Vin之最大振幅（即差動電壓信號 Vin+與Vin-兩者之最大差值）為Vs，則依據式(2)與 式（4)，可推得電晶體Ml之閘極最低運作電壓 VGlmin 為

Vs 4^凡 ^Glmin 一 Vicm + VDsatl + VtHI + —VDsat5 + VDsati + VTH1 + ^ - 式（5) 其中，vicm為電晶體M5之汲極飽和電壓 VDsat5 ° 請再參閱第2圖之習用混頻器20，其電晶體 M3之閘極最低運作電壓為 VG3min=VDsats + VDsatl + VGS3+ —VDsats+VDsatl +V〇sat3 +VTH3+ ^ 式⑹ 其中， ^ Dsats Vosatl、Vj)sat3分別為習用混頻器 12 201042908 20之電晶體Ms、Ml、M3之没極飽和電壓，VtH3 為習用混頻器20之電晶體M3之臨界電壓，Vs為 差動電壓信號Vin+與Vin·兩者之最大差值。 若第2圖之習用混頻器20與本發明之混頻器 40皆使用相同規格的電晶體，則比較式(5)與式(6) 可發現’若於混頻器40中選用高阻值的R1，可使 混頻器40之電晶體Ml之閘極最低運作電壓低於習 用混頻器20之電晶體M3之閘極最低運作電壓。由 於本發明之混頻器40可降低運作電壓，因而可使 用具有更大振幅之輸入電壓Vin，以改善訊雜比， 提昇混頻器之效能。 請再參閱第4圖，差動放大器41可藉由内部 之共模回授電路(common mode feedback circuit，圖 未顯示）決定其共模輸出電壓，以作為電晶體Ml、 M2、M3、M4之直流偏壓。依據前述式(5)，電晶 體Ml之直流偏壓（即V(J1之直流部分）至少需為 Vicm+VDsatl + VTH1 ’亦即’差動放大器μ之共模 輸出電壓之最小值可依據差動放大器41之共模輸 入電壓、電晶體Ml之汲極飽和電壓及臨界電壓來 決定。 以上所述係利用較佳實施例詳細說明本發 明，而非限制本發明之範圍。凡熟知此項技藝人士 皆能明瞭，可根據以上實施例之揭示而做出諸多可 月b變化，仍不脫離本發明之精神和範圍。 13 201042908 【圖式簡單說明】 第1圖係一典型之無線傳送器的示意圖。 第2圖係習知之混頻器的電路圖。 第3圖係習知混頻器之相關信號的示意圖。 第4圖係本發明之混頻器之一實施例的電路圖。 第5圖係顯示第4圖之混頻器中之隔離電路之一 實施例。 【主要元件符號說明】 10 :無線傳送器 11、12 :濾波器 13、14 :可程式增益放大器 15、16、40 :混頻器 17 :功率放大器 20 :吉伯特混頻器 21、41 :轉導電路 22、42 :開關電路 23 :負載電路 231、232 :負載 411 :差動放大器 412、413 :電流源 421、422、423、424 ： 開關 4211、4221、4231、4241 :隔離電路 43、44 :輸出端 14

Claims (1)

1. 201042908 七、申請專利範圍： 1. 一種混頻器，包含： 一轉導電路，用以接收一對差動電壓信號，並 輸出一對差動電流信號，該轉導電路包括： 一第一電阻及一第二電阻； 一差動放大器，具有一第一輸入端、一第二 輸入端、一第一輸出端及一第二輸出端， 其中，該對差動電壓信號係分別經由該第 〇 一電阻及該第二電阻送至該第一輸入端及 該第二輸入端，該對差動電流信號係分別 從該第一輸入端及該第二輸入端輸出；以 及 一第一電流源與一第二電流源，分別耦接至該 第一輸入端與該第二輸入端；以及 一開關電路，包含一第一開關、一第二開關、 一第三開關及一第四開關，該第一開關與該 〇 第二開關耦接至該第一輸入端，該第三開關 與該第四開關耦接至該第二輸入端；該第一 開關與該第三開關相耦接，以形成該混頻器 之一輸出端；該第二開關與該第四開關相耦 接，以形成該混頻器之另一輸出端；其中， 該第一開關、該第二開關、該第三開關及該 第四開關係依據一對差動控制信號控制是否 讓該對差動電流信號通過； 其中，該第一輸出端耦接至該第一開關與該第 15 201042908 —開關，以使得該差動放大器之該第一輪出 &/、該苐一輸入端間形成一負回授迴路；該 第二輸出端耦接至該第三開關與該第四開 關’以使得該差動放大器之該第二輸出端與 該第二輸入端間形成另一負回授迴路。 2.如申凊專利範圍第1項所述之混頻n，其中該 對差動控制信號係由一本地振盪器所產生。 3’如申睛專利範圍第1項所述之混頻器，其中該 對差動控制信號包含一第一控制信號與一第二 控制信號’該第—控制信號用以控制該第一開 關及該第四_，該第二控制信制以控制該 第二開關及該第三開關。 4’如申清專利範圍第3項所述之混頻器其中該 第-開關、該第二開關、該第三開關及該第四 開關分別包含—第一電晶體、一第二電晶體、 第二電晶體及一第四電晶體。 5.如申請專利範圍第4項所述之混頻器，其中該 第—開關及該第二開關分別還包含一第一隔離 電路及-第二隔離電路；其中，該第一控制信 號與該第二控制信號係分別經由該第一隔離電 路與該第二隔離電路分別送入該第一電晶體與 該第二電晶體之閘極，該第一輸出端係分別經 16 201042908 由該第一隔離電路與該第二隔離電路耦接至該 第一電晶體與該第二電晶體之閘極；該第一輸 出端輸出之信號係分別藉由該第一隔離電路及 該第二隔離電路而分別與該第一控制信號及該 第二控制信號保持相互獨立。 6. 如申請專利範圍第5項所述之混頻器，其中當 該第一控制信號與該第二控制信號為高頻信 〇 號，該第一輸出端輸出之信號為低頻信號時， 該第一隔離電路包含一第一高通濾波器與一第 一低通濾波器，該第一高通濾波器耦接於該第 一控制信號與該第一電晶體之閘極間，該第一 低通濾波器耦接於該第一輸出端與該第一電晶 體之閘極間；該第二隔離電路包含一第二高通 濾波器與一第二低通濾波器，該第二高通濾波 〇 器耦接於該第二控制信號與該第二電晶體之閘 極間，該第二低通濾波器耦接於該第一輸出端 與該第二電晶體之閘極間。 7. 如申請專利範圍第6項所述之混頻器，其中該 第一低通濾波器與該第二低通濾波器分別包含 一電阻。 8. 如申請專利範圍第6項所述之混頻器，其中該 第一高通濾波器與該第二高通濾波器分別包含 17 201042908 一電容。 9. 如申請專利範圍第4項所述之混頻器，其中該 第三開關及該第四開關分別還包含一第三隔離 電路及一第四隔離電路；其中，該第一控制信 號與該第二控制信號係分別經由該第四隔離電 路與該第三隔離電路分別送入該第四電晶體與 該第三電晶體之閘極，該第二輸出端係分別經 由該第三隔離電路與該第四隔離電路耦接至該 第三電晶體與該第四電晶體之閘極；該第二輸 出端輸出之信號係分別藉由該第四隔離電路及 該第三隔離電路而分別與該第一控制信號及該 第二控制信號保持相互獨立。 10. 如申請專利範圍第9項所述之混頻器，其中當 該第一控制信號與該第二控制信號為高頻信 號，該第二輸出端輸出之信號為低頻信號時， 該第三隔離電路包含一第三高通濾波器與一第 三低通濾波器，該第三高通濾波器耦接於該第 二控制信號與該第三電晶體之閘極間，該第三 低通濾波器耦接於該第二輸出端與該第三電晶 體之閘極間；該第四隔離電路包含一第四高通 濾波器與一第四低通濾波器，該第四高通濾波 器耦接於該第一控制信號與該第四電晶體之閘 18 201042908 極間，該第四低通濾波器耦接於該第二輸出端 與該第四電晶體之閘極間。 11·如申請專利範圍第10項所述之混頻器，其中該 第三低通濾波器與該第四低通濾波器分別包含 一電阻。 12. 如申請專利範圍第10項所述之混頻器，其中該 第四高通濾波器與該第四高通濾波器分別包含 〇 一電容。 13. 如申請專利範圍第4項所述之混頻器，其中該 差動放大器係依據該第一電晶體、該第二電晶 體、該第三電晶體或該第四電晶體之一汲極飽 和電壓與一臨界電壓以及該差動放大器之一共 模輸入電壓及訊號大小，來決定該差動放大器 之一共模輸出電壓。 〇 14.如申請專利範圍第13項所述之混頻器，其中該 共模輸入電壓係依據該第一電流源或該第二電 流源之壓降而決定。 15.如申請專利範圍第14項所述之混頻器，其中該 第一電流源與該第二電流源為電晶體電流源。 19