TWI269521B - Harmonic mixer - Google Patents

Description

丄 269521 — 五、、發明說明（1) [發明背景] 「發明領域] 本發明主要係關於收發器，詳言之，係關於一種用於 積體射頻（RF)收發器中之諧波混合器（混頻器）。 [相關技藝說明] Μ 對於具有低價格、重量輕、體積小和改進能力之可攜 式無線電通訊裝置、之愈來愈增加需求，促進了對於新的積 體電路（1C)技術、電路配置、和收發器架構的研發。已知 包含有直接轉換混合器之寬頻帶系統之收發器裝置，符合 •述之需求，此種收發器要較根據廣泛使用之超外插原理 架構製造者優越。 於收發器之發射器級，係使用直接轉換混合器向上轉 換基頻帶類比或數位訊號成為射頻（R F )訊號，以便容易傳 輸。於接收器極，係使用直接轉換混合器向下轉換接收之 RF訊號至基頻帶，使容易訊號處理。因此，對於去除影像 和中頻（I F)濾波，不需要有高品質之濾波器和高品質之影 像去除濾波器。一般而言，要積體製造高品質的濾波器是 很困難的。如此的接收器亦可稱之為〇_IF接收器，因為所 需要的訊號是直接向下轉換至基頻帶，而IF選擇為〇。此 之混合器整流放大R F訊號和本地振盈器（l 〇 )訊號。 例如，利用根據吉伯特（Gi lbert)類比乘法器之常使用的 雙極混合器，來施行電流模式整流。 對於如此之直接轉換佈置技術，存在有像是載波漏 池、第2階交互調變、和本地振盪器與RF訊號之間干擾的

92156,ptd 第4頁 1269521 --------一 —_____ 五、發明說明（2) 問題。 尤其是，直接轉換接收器需要有高品質之線性混合器 級’因為第2階寄生產物直接落於所獲得的基頻帶頻率， 並干擾所需要的訊號。對於此種第2階混合器非線性之主 要理由係根據混合器之輸入訊號之間的訊號串音。一般而 言，此將導致造成直流（DC)偏移之訊號自混合效應。然 而，此DC偏移並非，是定值。 於收發器架構技藝狀態的進一步問題是，拉引效應。 原則上，可藉由隔離時會從所有其他的訊號產生L 0訊號之 電壓控制振盪器（VCO)而防止此種·效應。然而，對於Vc〇操 作於發射頻率，即使用VCO直接調變，或直接向上變換原 則之調頻（FM)系統之架構，隔離確是一個問題。於此種收 發斋架構，功率放大器（PA)或功率預放大器於曰曰片上VCO 操作於相同頻率時，會在晶片上產生強烈的訊號。當強烈 的訊號施加到接收（r x)輸入時，亦將發生同樣的問題。由 於不完全的隔離，即於收發器佈局中VCO執行於與發射 (Tx)輸出和接收輸入相同之頻率時，會產生VCO拉引 現象。於現今使用之收發器架構中，希望能減少此種效 應。 於接收器技藝狀態，使用從本地陣盡器（L 〇说號）取得 的正弦訊號來倍增輸入的RF訊號。可由電壓或龟流來表現 訊號。執行二個訊號相乘的混合器包括有二個實際上不完 全耦合的輸入。因此，除了所需要的訊號之外，各混合器 輸入訊號額外地包含有其他訊號之較小的交互耦合部分。

92156.ptd 第5頁 1269521 五w、發明說明（3) 由於混合器之乘法性質，輸出訊號包含了寄生訊號，該寄 生訊號正比於位於DC中心附近接收訊號之功率。這些寄生 訊號對於直接轉換原則特別不利，因為所希望之向下轉換 RF訊號亦位於中心f二0。 本發明解決，或至少減少了一些或所有之上述問題。 ΐ發明概述] 本發明提供了、一種諧波混合器，包括具有第一和第二 混合器之乘法器電路，和用來產生二個第一和二個第二控 制訊號以控制該第一和第二混合器之產生器，其中該控制 0號為平衡訊號，具有以移位7Γ /.2相位之四個相位，控制 訊號之頻率不同於混合器輸入訊號之頻率。 於本發明之一個實施例中，乘法器電路為吉伯特單 元，即交互耦接之插動放大器，於此放大器所有之電晶體 用作為開關和控制訊號產生機構包括VCO。 於本發明之另一個實施例中，控制訊號之頻率為混合器輸 入訊號頻率之一半。 於本發明之另一個實施例中，第一混合器包括一對場 效電晶體，而第二混合器包括有二對場效電晶體。 本發明進一步提供用於I /Q正交相位調變之諧波混合 •，包括具有第一和第二混合器用來產生同相位（I )成分 之第一乘法器電路，和具有第三和第四混合器用來產生正 交（Q)成分之第二乘法器電路，和用來產生二個第一和二 個第二控制訊號以控制該第一和第二混合器，和用來產生 二個第三和二個第四控制訊號以控制該第三和第四混合器

92156.ptd 第6頁 1269521 五、發明說明（4) 之產生器，其中該第一、第二、第三和第四控制訊號為平 衡訊號，在該第一和第二控制訊號之間具有7Γ / 2相位移， 和該第三和第四控制訊號之間具有7Γ / 2相位移，在該第一 和第二控制訊號與該第三和第四控制訊號之間具有7Γ /4相 位移，該控制訊號之頻率為混合器輸入訊號之頻率的一 半。 於本發明之一個實施例中，第一和第二乘法器電路包 括吉伯特單元，其中所有的電晶體用作為開關，而控制訊 號產生器包括VCO和濾波器庫。 於本發明之另一個實施例中，控制訊號之頻率為混合器輸 入訊號之頻率的一半。 於本發明之又一個實施例中，第一和第三混合器包括一對 之場效電晶體，第二和第四混合器包括二對之場效電晶 體。 於本發明之另一個實施例中，濾波器庫包括起始7Γ / 4 移相器和用來產生八個控制訊號之二個多相濾波器，而7Γ / 4移相器具有二個提供二個移位7Γ / 4之差動訊號的全通濾 波器。 本發明之接收器利用VCO振盪器操作於接收之RF訊號 一半的頻率。雖然控制訊號最好是由VCO機構所產生，但 是本發明並不受限於包含VCO之佈置技術。控制訊號亦可 以由此技藝方面已知之其他裝置所產生。VCO產生二個具 有相同頻率、相位移位9 0度之平衡訊號。依照本發明，此 二個訊號實質上彼此相乘，由此產生了平衡訊號之二倍頻

92156.ptd 第7頁 1269521 瓦、發明說明⑸ 咕μ換成 率之頻譜成分。可使用此頻譜成分將所需要之訊成处 '於 需要之頻譜範圍。由於此產生方法，本發明之原理犯轉 大變化之混合器，例如直接轉換接收器之混合器或直接 換發射器之混合器。 本發明係使用下列數學關係原理。茲考慮二個a號移 Uvcoi^u^os ω xt^u uvc〇2 = u2cos ω φ。此等訊號 uvc〇i 和 Uvco2 位φ度角。若此二個訊號相乘，則可導得下列訊號Umix一 GMIX · uvcol · uvco2，其中 GMIX是放大因子：

Um=GmUiC〇s( ω it) · u2cos( ω !t+ φ ) • = 1 / 2GmixU!U2( cos φ +cos(26j xt.+ φ )) (” 從式子（1)中我們能看出，二個VCO訊號之間之P = 90 度相位移位，去除了直流（DC )成分。如此簡化了電路設 計。 使用實際的類比乘法器將可使用正弦訊號，而因此’ 可藉由施行下列之函數而直接執行同相位（inPhase) (I)和 正交（quadrature)(Q)訊號：

Imix^UmixCOS ω !t · sin6Jit = l/2 s i n2 ω ! t .(2)

Qmix=(uMiX/2)cos26j it-sin2^ ^ = (1/2)0032 6；^ (3) 於現代收發器架構中需要用到此二個相依因素，用於 g位調變設計，獲得訊號合成作用的優點。然而，由於表 現出不良的雜訊，例如相較於使用在本發明中而實施之交 換，則幾乎很少用到如此之類比施行方式。 本發明解決了混合器實施對於直接向上和向下轉換架 構之存在的問題，藉此沒有其他的實施方式會導致相對於

92156.ptd 第8頁 1269521 五、 發明說明 (6) 線 性 和 壓 縮 L0訊 號 的 此 種 性 能 〇 再 者 由 系 統 架 構 的 觀 點 9 可 合 理 地 改 善 相 關 於 從 功 率 放 大 器 來 之 訊 號 之 VCO訊 號 的 硬 體 〇 雖 缺 本 發 明 可 容 易 作 各 種 之 修 飾 和 替 代 形 式 ， ο 已 用 參 考 圖 式 舉 例 說 明 之 方 式 而 詳 細 說 明 了 本 發 明 之 特 定 實 施 例 Ο 缺 而 應 暸 解 到 此 處 特 定 實 施 例 之 說 明 並 不 欲 作 為 限 制 本 發 明 為 所 揭 示 之 特 定 形 式 反 之 ， 本 發 明 將 涵 蓋 所 有 落 於 所 附 中 請 專 利 範 圍 内 所 界 定 之 本 發 明 之 精 神 和 範 圍 内 之 修 飾 等 效 和 替 換 〇 [較佳實施例之詳細說明] 下 文 中 將 說 明 本 發 明 之 示 範 實 施 例 〇 為 了 清 楚 起 見 , 本 說 明 書 中 並 非 將 所 有 實 際 施 行 本 發 明 之 特 徵 均 作 了 說 明 〇 當 缺 應 瞭 解 到 J 在 開 發 任 何 此 種 真 實 的 實 施 例 時 5 必 須 作 出 許 多 相 關 之 決 定 以 便 達 到 發 明 者 的 特 定 B 標 ， 譬 如 符 合 隨 著 實 施 例 的 不 同 而 有 所 變 化 的 與 系 統 相 關 及 與 商 業 相 關 之 限 制 條 件 〇 此 外 我 們 應 當 瞭 解 到 ， 此 種 開 發 工 作 可 能 是 複 雜 且 耗 時 的 J 缺 而 J 仍 將 是 一 種 對 此 項 技 藝 具 有 一 般 知 識 者 在 參 閱 本 發 明 揭 示 事 項 之 後 可 從 事 之 例 行 工 作 〇 現 將 參 昭 i 附 圖 而 說 明 本 發 明 〇 雖 ο'、 半 導 體 之 各 種 不 同 區 域 和 結 構 已 經 很 正 確 而 輪 廓 鮮 明 地 描 繪 其 配 置 秋 此 技 藝 方 面 之 一 般 技 術 人 員 當 認 知 到 實 際 上 這 些 區 域 和 結 構 並 非 如 圖 式 中 所 示 般 精 確 〇 此 外 各 種 特 徵 之 相 對 大 小 和 圖 式 中 描 繪 之 摻 雜 區 域 J 當 與 製 造 之 裝 置 上 之 特 徵 和 大

92156.ptd 第 9 頁 1269521 五、發明說明（7) ---- 小相比較時，可予擴大或縮小。而且，所附 於本發明之例示性範例所作之說明和解釋。θ > # # ί 第1圖顯不了依照本發明之直接轉換混合器 之較佳實施例之電路概圖。如第丨圖中所示，此電路包括 換網路10、控制訊號產生機構20、和二個輸出運算放 1二二 制訊號產生機構20可以是VC0。輸入訊號 1 9疋RF矾號。所示、之交換佈置技術為吉伯特單元，提供了 對於四個控制訊號21、22、23和24之平衡架構。於下列說 明中，術語"吉伯特單元"為用於吉伯特單元狀之交換佈置 參術：此處所有的電晶體用作開關。如第1圖中所示，吉 伯特單元混合器包括了第一混合級和第二混合級，該第一 混合級包括有二個場效電晶體（FET )丨3和i 6， 合級包括有四個FET n、12、14和15。詳言之而，吉第伯一:單 元包括一個場效電晶體（F E T ) 1 1和1 2其源極連接到J? e T 13 ’和二個FET 14和15，其源極連接到FET 16。L0訊號施 加到FET之所有閘極。施加到FET 13和16之閘極之⑶訊號 21和22為平衡訊號。同樣地，施加到FET u、12和14、Η 之間極之L0訊號23和24為平衡訊號。應注意者訊號23施加 到FET 11和14之閘極，而訊號24施加到FET 12和15之閘 •。此外，從第1圖中可看出，施加到第一混合級之FET閘 極之L0訊號和施加到第二混合級之feT閘極之L0訊號，係 移位9 0度相位。所有的L0訊號具有相同的頻率，然而，該 頻率為輸入όίΐ號19頻率之一半’以及各L0訊號係移位q q声 相位。FET 14之没極連接到FET 1 1之汲極，該FET 1 1之沒

92156.ptd 第10頁 1269521 ·~·-------------_____ 五、發明說明（8) 極連接到輸出放大器丨7之正輸入。同樣地，FET丨2之汲極 連接到FET 15之汲極，該FET 15之汲極連接到輸出放大器 ^之負輸入。運算玫大器17之負輸入和運算放大器“之正 輸入相連接並耦接至地。吉伯特單元的輸出訊號由這些全 4差動運异放大器^ 7、丨8所偵測，藉由其共態抑制比 (CMRR)來抑制於進一步訊號通路之RF。雖然，此處僅顯示 了使用FET來實現本發明，是但依於所使用之技術，該等 開關亦可以使用雙極電晶體。 兹參照第2圖，顯示了二個4訊號之圖示，該等訊號施 加到第一和第二交換機構。所有的訊號具有相同的波形 (係藉由使用諧波平衡模擬器而產生振鈐波），但是移位了 9 0度相位。當低時間相等於高時間時，在這些訊號中旅沒 有包含搞次諸波。 兹參照第3圖，顯示了混波器輸出之導電性特徵之圖 示。其中，於二倍VCO訊號頻率處頻譜成分主控了頻譜特 徵。此將用來轉換輸入之RF訊號。於二倍頻處，VC〇訊號 其本身或其衍生的成分不會出現在不同的模式中輪出，而 且輸入的RF訊號亦不會出現在不同的模式中輸出，此為本 發明架構中原有之特性。依照本發明之電路，操作於電壓 模式。因此，需要較小之開關電晶體、低阻抗射頻源極和 高輸入阻抗之運算放大器。於電流模式，需要較大的開 關、較高的阻抗射頻源極和低輸入阻抗之運算放大器。 最新的收發器架構需要複雜的訊號處理。因此，必須 提供對於同相位成分（I )和對於正交相位成分（Q)之訊號通

92156.ptd 第11頁 1269521 五、 路 其 之 此 ，電 個 號 特 I 和 和 平 之 四 第 有 入 # 然 置 發明說明（9) ' ^ ------ 因此’必須提供相關於第一訊號具有4 5度相位移位之 他的四個讯號。因為此4 5度相位移位導致於本發明裝置 一=通路之間9 〇度之相位移位，而滿足了架構之需要。 、4圖顯示混合器之施行此種I /Q正交相位的電路圖。 "Q通路實現包括提供I -訊號40、41之第一吉伯特單元 提供Q-訊號42、43之第二吉伯特單元電路3〇 ;四 2^)之^ =放大器17、18、31和32 ;以及用來產生控制訊 單元電路。吉伯特單元電路1〇和30相等於第1圖之吉伯 2〇的機構;因此可參照相對應的說明。用來產生控制訊 一吉伯特1包括vc〇和最好有漉波器庫。他們提供用於 用於第二2元混合器之四個控制訊號21、22、23和24， 2 8。訊滎？吉伯特單元混合器之四個控制訊號2 5、2 6、2 7 衡的。因f!和22、23和24、25和26、27和28於各情況是 四個押制I ’提供了對於第一吉伯特單元移位9〇度相位 個控制訊Ϊ號，和對於第二吉伯特單元移位90度相位之 一吉伯特^。此外，第二吉伯特單元之控制訊號相對於 相同的頻I元之控制訊號移位45度。所有之控制訊號具 訊號的一走，然而，控制訊號和VC〇操作頻率最好是輸 號，以及頻率。運算放大器17和18提供1+ 17和卜18 :%ετ之♦運算放大器31和32提供Q+ 31和Q— 32訊號。雖 技術。A施已顯示於第4圖中，但各開關亦可為雙極佈 庫 可藉由配取 ，而提供置全通濾波器和9 0度多相濾波器之濾波器 個不同之控制訊號。然而，其他的實施方式

1269521 五、發明說明（10) ~ --〜 亦為可能。 、於第5圖中，顯示了依照本發明之濾波器庫裝置5 0。 於圖中’起始訊號施加到4 5度移相器6 〇，該移相器6 〇提供 了二個移位45度之不同的訊號。接著，9〇度多相濾波器7’〇 產生所需要之八個訊號。 口口 兹參照第6圖，描繪了 45度移相器6〇之可能的結構。 f相器60包括二個全通濾波器，失調而造成輸出訊號之間 度相位差。由參考號碼7丨、72指示輪入端，而由參考號 碼73 ' 74、75和76指示輸出端。 〜 第7圖中描繪第5圖之90度多相濾波器7〇之實施情況。 由參考號碼81、82、83和84指示輸入端，而由參考號碼 85、86、87和88指示輸出端。 ^ 選擇描繪於第6和7圖之電路中之電阻器和電容器之特 疋值’作為希望之操作目標頻率之函數。於此技藝方面之 一般技術人員，對於任何所需要的操作頻率，將可很容易 地選擇適當的電阻器和電容器值。例如，於第6和7圖之電 路之範例實施例中，對於操作丨· 2 GHz之目標頻率.，可以 使用下列之值： 電阻器 73A、 74A、 75A、 76A 二 0.6e + 3 歐姆 電阻器 85A、86A、85A、88A=1.0e + 3 歐姆 電容器73B、7 4B=126e-15法拉 電容器75B、76B = 4. Oe-1 5法拉 電容器 85B、86B、87B、88B =130e - 15 法拉 茲參照第8圖，顯示具有4 5度相位偏移和可共振振幅

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1269521 五、發明說明（11) 平衡之八個濾波器庫輸出訊號之相位曲線圖。 * 兹參照第9圖，顯示了依照本發明具有產生I /Q訊號用 於1200MHz/1200MHz頻率比之施行rf前端之方塊圖。rf前 端包括接收器部、發射器部、和控制訊號產生部。接收器 部包括接收240 0MHz訊號之接收器輸入Rx、Rx緩衝器、四 •個開關機構51、52、53和54、和提供卜和q —訊號之接收器 輸出。開關機構控、制訊號之個別的相位移示之於第9圖 中。控制訊號產生部具有濾波器庫5〇。二個平衡的12〇〇 Μ Η z V C 0訊5虎施加到滤波|§庫。發射哭邱句虹 过铁夕恭妨吳W山τ τ„ 包括發射240 0ΜΗΖ 暴號之發射is輸出Tx、Tx緩衝器、四個開關機 57和58、和接收I -和Q-資料之發射器輸入。 揭示於上之特殊實施例僅作說明用， 正以及以不同之方式實施，，是對於此技藝方：明可：修 術人員而言於閱讀習得本說明書後，舍二面之一般技 諸多等效方式實施。例…以不同：：：：本發明可以 述提出之製程步驟。再者，除了以下申往=施本發明上 明之外，並不欲對其中所示之構造或設^ έ利範圍中說 因此’當可明證以上揭露之特定實施例；作、：部作限制。 而所有此等變化皆係考慮在本發明之精神和J =或修飾， •，本發明提出下列之申請專利範圍請求保嚷圍内。由

1269521 圖式簡單說明 [圖式之簡單說明] 由參照下列之詳細說明，配合所附圖式，而可瞭解本 發明，各圖中相同之參考號碼係表示相同之元件，其中： 第1圖為依照本發明之混合器之電路圖； 第2圖為施加到第一和第二交換機構之控制電壓之圖 不 ， 第3圖為混合器輸出之導電性特徵之圖示； 第4圖為依照本發明之混合器之I /Q正交相位實施之電 路圖； 第5圖為依照本發明用來提供.各移位45度相位之控制 訊號之濾波器庫的電路圖； 第6圖為依照本發明提供起始4 5度相位移位之二個全 通濾波器之電路圖； 第7圖為依照本發明提供四個彼此相關移位9 0度訊號 之多相濾波器之電路圖； 第8圖為濾波器庫輸出訊號之相位曲線圖；以及 第9圖為依照本發明具有對於1 2 0 0MHz/ 1 2 0 0MHz頻率比 之I/Q訊號產生RF前端之方塊圖。 [圖號說明] 10 交換網路（吉伯特單元電路） 11、12、13、14、15、16 場效電晶體（FET) 17、18、31、32 運算放大器 19 輸入訊號 20 控制訊號產生機構

92156.ptd 第15頁 1269521 圖式簡單說明 21 > 22 ' 23 30 40 50 60 7 0 71 73 90 • 41 2 4、2 5、2 6、2 7和2 8控制訊號 吉伯特單元電路 42、43 Q-訊號 5 5、5 6、5 7、5 8開關機構 I -訊號 濾波器庫裝置 4 5度移相器 9 0度多相濾波器 81 、 82 、 83 、 84 74 、 75 、 76 、 85 、 86 全通濾波器 72 87 ^ 88 輸入端 輸出端 拳

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Claims (1)

1. {i269521| 六、申請專利範圍 1. 一種譜波混合器，包括： 乘法器電路，包含有第一和第二混合器；和 產生器，用來產生二個第一和二個第二控制訊 號，以控制該第一和第二混合器； 其中該二個第一和二個第二控制訊號為平衡訊 號，提供移位了 7Γ / 2相位之四個相位；以及 該控制訊號之頻率不同於混合器輸入訊號之頻 率。 2. 如申請專利範圍第1項之諧波混合器，其中該乘法器電 路為具有複數個電晶體之吉伯.特單元，其中所有之該 等電等晶體係用作為開關。 3. 如申請專利範圍第1項之諧波混合器，其中該產生器包 括電壓控制振盪器（VCO)。 4. 如申請專利範圍第1項之諧波混合器，其中該控制訊號 之該頻率為該混合器輸入訊號之頻率的一半。 5 ·如申請專利範圍第1項之諧波混合器，其中該第一混合 器具有一對場效電晶體，而該第二混合器具有·二對場 效電晶體。 6 · —種用於I / Q正交相位調變之諧波直接轉換混合器，包 括： 第一乘法器電路，包含有第一和第二混合器，用 來產生同相位（I )成分； 第二乘法器電路，包含有第三和第四混合器，用 來產生正交（Q)成分；以及

   92156.ptd 第17頁 1269521______ 六、申請專利範圍 產生器，用來產生二個第一和二個第二控制訊 ' 號，以控制該第一和第二混合器，和二個第三和二個 *第四控制訊號，以控制該第三和第四混合器； • 其中該二個第一、二個第二、二個第三和二個第 四控制訊號為平衡訊號； ' 提供了該二個第一和二個第二控制訊號之間之7Γ / 2相位移； 提供了該二個第三和二個第四控制訊號之間之7Γ / 2相位移； φ 提供了該二個第一和二個.第二控制訊號與該二個 第三和二個第四控制訊號之間之7Γ / 4相位移；以及 該控制訊號之頻率不同於混合器輸入訊號之頻 率ο 7. 如申請專利範圍第6項之諧波混合器，其中該第一和第 二乘法器電路各包括具有複數個電晶體之吉伯特單元 ，其中所有之該等電等晶體係用作為開關。 8. 如申請專利範圍第6項之諧波混合器，其中該產生器包 括電壓控制振盪器（VCO)和濾波器庫。 9. 如申請專利範圍第6項之諧波混合器，其中該控制訊號 $ 之該頻率為該混合器輸入訊號之頻率的一半。 I 〇 ·如申請專利範圍第6項之諧波混合器，其中該第一和第 三混合器各包括一對之場效電晶體，而該第二和第四 混合器各包括二對之場效電晶體。 II ·如申請專利範圍第8項之諧波混合器，其中該濾波器庫

   92156.ptd 第18頁 1269521 六、申請專利範圍 包括： 起始7Γ / 4移相器；以及 第一和第二多相濾波器，用來產生該八個控制訊 號。 1 2.如申請專利範圍第1 1項之諧波混合器，其中該7Γ /4移 相器具有第一和第二全通濾波器，用來提供移位了 7Γ /4之第一和第二差動訊號。

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