TWI337449B - Mixer and mixer circuit for the same - Google Patents

Description

1337449 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種混頻器’且特別是有關於一種應 用於全球微波互通存取（WiMAX) /超寬頻（UWB)雙模 式接收機系統的直接降頻式混頻器。 【先前技術】 全球微波互通存取（Worldwide InteroperabiHty f〇r

Microwave Access, WiMAX) ’ 是屬於 iEEE 802.16 乙太網 路介面標準的一種點到多點寬頻無線存取技術。WiMAX 的傳輸速度最高達75Mbps，傳輸範圍最遠可達5〇公里， 其中規範固定式傳輸的為802.16a，使用的頻段為 2〜11 GHz，通道頻寬為20MHz。 超寬頻（Ultra- Wideband, UWB)不同於其他通訊技 術是使用頻譜上相對較窄的特定頻段進行溝通，它是一種 使用幾GHz寬的超寬頻技術，同時它是直接產生脈衝訊 號，而非與一般通訊技術所用的載波來傳遞訊息。 請參照第1圖，其繪示為UWB頻帶分佈圖。在超寬 頻系統中以脈衝波為基礎的技術將3.1GHz〜10.6GHz的頻 譜分成13個不同的頻帶，其頻寬可達到7.5GHz，由於5.25 GHz是WLAN所使用頻段，此頻段應用於802.1 la跟 802.11g無線網路卡應用，其傳輸速率最高只達到 54Mbit/sec，所以不能為UWB頻段所使用。 混頻器（Mixer )在射頻積體電路是不可或缺的重要元 5 1337449 件，目的是扮演降低頻率與提升頻率的角色，接收機 (Receiver)運用降頻的方式將射頻頻率降低至基頻頻率進 一步做類比轉數位的解調（Demodulate);發射機 (Transmitter)則與接收機相反，目的是將基頻頻率提升至 射頻頻率，最後經由功率放大器將訊號發射出去。 在設計混頻器時，輸入端三階截斷點（Input Third-Order Intercept Point, IIP3 )、轉換增益（Conversion Gain, CG )、雜訊指數（Noise Figure )以及 ldB 壓縮點（ldB Compression Point, PldB )、隔離度（Isolation )，存在著抵 換（trade-off)的關係，所以為設計時所需考慮的重點。 請參照第2圖，其繪示一種習知的雙端平衡式吉伯特混頻 電路。採用雙端輸入的方法，本地振盥（Local Oscillation, LO )端反平行連接，射頻（RF )端平行連接，使中頻（IF) 端輸出訊號中的L0諧波分量可以被減掉，其缺點為轉換 增益與線性度低以及較大的雜訊指數且所使用電晶體數 目為兩倍，故消耗功率較大。 【發明内容】 本發明為一應用於全球微波互通存取（WiMAX)與超 寬頻（UWB)雙模式直接降頻式接收機系統之混頻器，由 於WiMAX傳輸距離相當遠（最高可達50公里），所以需 要較高之轉換增益（Conversion Gain，CG)，而UWB屬於 短距離高傳輸速率系統。本發明整合兩種系統，使其轉換 增益要達到10dB以上，而且符合WiMAX之規範其轉換 6 1337449 增益之變動量不可超過3dB，以及提升線性度（Linearity ) 和防止雜訊干擾，並將雜訊指數（Noise Figure, NF)降低。 本發明的目的在提供一種混頻器，用以於全球微波互 通存取（WiMAX)與超寬頻（UWB)之雙模式直接降頻 式接收機系統，其主要應用的頻段在2GHz〜11 GHz，可用 於WiMAX系統中固定式傳輸之802.1 6a標準，其頻帶為 2〜11〇1^，以及1；\¥6系統之3〜10〇1^，並輸出兩種中頻 (IF )訊號，為WiMAX系統所需之20MHz以及UWB系 統所需之100MHz。 本發明的另一目的是在提供一種混頻器，該混頻器採 用吉伯特混頻電路（Gilbert Cell)的基本架構，但其基本 架構無法同時提供較佳的線性度（Linearity )與轉換增益 (Conversion Gain)以及較低的雜訊指數（Noise Figure， NF )，所以加入電流重複使用犧牲技術（Current-reuse bleeding)、電感電容槽（LC Tank)以及雜訊終止技術， 來同時達到降低雜訊指數、提升線性度與轉換增益。 根據本發明之上述目的，提出一種混頻器，包含有輸 入匹配裝置、混頻電路以及緩衝電路。混頻電路包含有轉 導放大級（Transconductor Stage)、電流切換級（Current Commutating Stage )、負載級、電感電容槽（LC Tank)裝 置、電流重覆使用犧牲（Current-reuse bleeding)裝置以 及雜訊終止（Noise Cancellation)裝置0 該輸入匹配裝置係用以連接於混頻電路之輸入端，以 選擇需要的頻率通過使其進入混頻電路，並匹配輸入阻抗 7 1337449 到50歐姆附近’以及防止直流偏壓來影響輸入訊號。 混·頻電路利用金氧半場效電晶體 (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)差動對來實現轉導放大級，將輸入訊號加以放 大，經由兩對反相切換的電流切換級電路，使RF電流訊 號降頻至基頻，並利用電流重複使用犧牲（Current-reuse Bleeding )裝置，採用動態電流注入之方式來消除雜訊， 使得輸入三階截斷點（Input Third-Order Intercept Point, IIP3)提升，進而提升整體線性度（Linearity)。 為了使轉換增益可以提升到10dB以上，將負載級之 電阻增加，並加入電感電容槽（LC Tank)裝置來消除寄 生電容雜訊來降低雜訊指數（NF)，讓線性度增加，以及 雜訊終止裝置來消除寄生電容所儲存的電荷，使雜訊指數 (NF)可大量下降’也能提升輸入三階截斷點（πρ3 )， 最後經交叉耦合至負载級差動輸出’輸出經過緩衝電路來 驅動50歐姆之負載，使轉換增益上升，並經由調整寬度 W的大小來完成匹配，讓中頻（ip)輸出端之折返損失 (Return Loss)能達到_i〇dB以下，讓訊號能夠完整輸出。 本發明提出了 一可用於全球微波互通存取（WiMAX ) 與超寬頻（UWB )雙模式直接降頻式接收機系統之混頻 器’使其輸出兩種中頻（IF)訊號，為WiMAX系統所需 之20MHZ以及UWB系統所需之100MHz，並具有良好的 隔離度、低的雜訊指數以及高的線性度與轉換增益之功效 且其射頻訊號（RF)端輸入反射係數S11、中頻訊號（IF) 8 1337449 端輸入反射係數S22與本地振盪（l〇)端輸入反射係數 S33的折返損失（Return Loss )均在-1 〇dB以下。 式 方 施 實 請參照第3圖，其繪示依照本發明的一種直接降頻式 接收機系統示意圖。直接降頻式接收機接受一個 2GHz〜11 GHz的高頻射頻（rf)訊號進來，經由帶通濾波 器（Band Pass Filter，BPF)選擇所需要頻率 2GHz〜11GHz， 接著射頻訊號經由低雜訊放大器（L〇w Noise Amplifier, LNA)來放大功率，再經由巴倫（BALUN)平衡式電路轉 成差動信號’分成RF+和RF-兩個訊號，然後經由本發明 所提出的混頻器200進行混頻，因為rf信號為差動，所 以LO信號也必須為差動’經由混頻器2〇〇混出2〇MHz或 是100MHz之中頻（IF)信號，因為採差動的方式進行混 頻’所以會有兩個IF信號，分別為丨跟q信號，再經由自 動增益控制（AGC)電路，將IF信號加強，再送到低通濾 波器（LPF)濾除不必要的雜訊，最後輸出訊號到數位信 號處理器（DSP)中進行後端的處理。 請參照第4圖，其繪示依照本發明一較佳實施例的一 種混頻器電路圖。混頻器200包含有輸入匹配裝置21〇、 混頻電路220以及緩衝電路230。輸入匹配裝置21〇包含 有本地振盪匹配裝置211與射頻匹配裝置212。混頻電路 220包含有轉導放大級（Transconductor Stage ) 221、電流 切換級（Current Commutating Stage) 222、負載級 223、 9 1337449 電感電容槽（LC Tank )裝置224、電流重覆使用犧牲 (Currept-reuse bleeding)裝置 225 以及雜訊終止（Noise Cancellation)裝置 226。 請進一步參照第5圖，其繪示第4圖中的一種輸入匹 配裝置示意圖。輸入匹配（Input Match)裝置210包含有 射頻（RF)匹配裝置212與本地振盪（LO)匹配裝置211。 由於混頻電路220是以差動的方式來混頻，因此本地振盪 匹配電路211與射頻匹配電路212必須分別外接巴倫 (BALUN )平衡式電路，才能產生互差180 °的正負訊號 (RF+和RF-以及LO+和LO-)輸入混頻電路220。 請進一步參照第6a圖，其繪示第5圖中的一種射頻端 之輸入匹配電路。其中的射頻（RF)匹配裝置212包含有 兩組射頻（RF)匹配電路300 ( —組為RF+訊號端使用， 另一組為RF-訊號端使用），每一組射頻（RF )匹配電路 300包含有第一帶通濾波器（Band Pass Filter) 301以及第 一直流阻隔器（DC Block) 302。 請進一步參照第6b圖，其繪示第5圖中的一種本地 振盪端之輸入匹配電路。本地振盪（L0)匹配裝置211包 含有兩組本地振盪（L0 )匹配電路400 ( —組為L0+訊號 端使用，另一組為L0-訊號端使用），每一組本地振盪（L0) 匹配電路400包含有第二帶通濾波器（Band Pass Filter ) 401以及第二直流阻隔器（DC Block) 402。 射頻（RF)匹配電路300與本地振盪（L0)匹配電路 400利用電阻、電感和電容組成帶通濾波器（Band Pass 10

Claims (1)

1. 正本 99年11月24日修正替換頁 十、申請專利範圍： 1 · 一種混頻器，包含： 一輸入匹配裝置； 一混頻電路，包含： 一轉導放大級，接收該輸入匹配裝置之電壓訊 號’並放大轉換該電壓訊號成電流訊號； 一電流切換級，接收該電流訊號並將其降頻至基 頻’經交叉耦合差動輸出； 一負載級，接收該電流切換級之電流訊號，並轉 換該電流訊號為差動輸出電壓訊號後輸出； 一電感電容槽裝置，係用以消除在該電流切換級 中之寄生電容雜訊； 一電流重覆使用犧牲裝置，係以動態電流注入方 式消除在該轉導放大級中之寄生雜訊電流；以及 一雜訊終止裝置’係用以消除該電流切換級中寄 生電容所儲存的電荷，該雜訊終止裝置之動態電流注入點 為該電流切換級之共汲極處，且該雜訊終止裝置並聯該負 載級；以及 —緩衝電路，接收該差動輸出電壓訊號，用以阻抗匹 配並驅動負載； 其中該輸入匹配裝置連接於該混頻電路，用以可選擇 地通過一預定頻率使其進入該混頻電路，並匹配輸入阻 抗’同時防止直流偏壓影響輸入訊號。 1337449 99年11月24日修正替換頁 2·如申凊專利範圍第1項所述之混頻器，其中該輸入 匹配裝置包含： 一射頻匹配裝置，包含： 兩組射頻匹配電路，其中每一組射頻匹配電路包 含： 一第一帶通濾波器；以及 一第一直流阻隔器（DC Block );以及 一本地振盪匹配裝置，包含： 兩組本地振盪匹配電路，其中每一組本地振盪匹 配電路包含： 一第二帶通濾波器；以及 一第二直流阻隔器； 其中該些射頻匹配電路與本地振盪匹配電路之帶通 濾波包含複數電阻、電感和電容，藉此使2〜UgHz之頻 率通過並匹配到約50歐姆，在其匹配電路輸出端加入電 容當作直流阻隔器（DC Block)，防止直流偏壓來影響混 頻電路輸入訊號。 3. 如申請專利範圍第丨項或第2項所述之混頻器，其 中該緩衝電路包含兩N型金氧半場效電晶體（Nm〇s)，該 些N型金氧半場效電晶體係用以調整寬度w以調整電流 大小來匹配輸出阻抗到50歐姆以驅動5〇歐姆之負載。 4. 如申請專利範圍第3項所述之混頻器，其中該電感 17 99年11月24日修正替換頁 電合槽裝置為一 ΡΙ( π )型濾波器，連接於該轉導放大級 與該電流切換級之間。 5. 如申請專利範圍第4項所述之混頻器，其中該負載 級包含兩P型金氧半場效電晶體（pM〇s)與兩電阻該 兩P型金氧半場效電晶體之内阻係相近於該兩電阻之值， 以使輸出至該緩衝電路之訊號不會產生雜訊。 6. 如申請專利範圍第5項所述之混頻器其中該雜訊 終止（Noise Cancellation )裝置包含一第一 p型金氧半場 效電晶體、一第二P型金氧半場效電晶體以及一第三p型 金氧半場效電晶體，其中該第—p型金氧半場效電晶體之 源極端連接一操作電壓，閘極端加入一偏壓使其工作在飽 和區，該第一 P型金氧半場效電晶體之汲極端與該第二p 型金氧半場效電晶體以及該第三P型金氧半場效電晶體之 源極端連接，該第二P型金氧半場效電晶體之汲極端與閉 極端和該第三P型金氧半場效電晶體之汲極端與閘極端交 叉連接，係用以導入兩個電流’藉由該兩電流消除寄生在 该電流切換級電晶體之源極端的寄生電容所儲存之電荷。 7·如中請專利範圍第6項所述之混頻器，其中該電流 重覆使用犧牲（Current-reuse bleeding)裝置包含兩個p 型金氧半場效電晶體（PMOS)，該兩P型金氧半場效電晶 體（PMOS)之閉極端分別加入一偏壓使其工作在飽和區％ 1337449 99年11月24曰修正替換頁 並分別與轉等放大級連接以消除在該轉導放大級中電晶 體之汲極電流所寄生的雜訊電流。 8. —種混頻電路，包含： 一轉導放大級，係用以接收電壓訊號，並放大轉換該 電壓訊號成電流訊號； 一電流切換級’接收該電流訊號並將其降頻至基頻， 經交叉耦合差動輸出； 一負載級’接收該電流切換級之電流訊號，並轉換該 電流訊號為差動輸出電壓訊號後輸出； 一電感電容槽裝置，係用以消除在該電流切換級中之 寄生電容雜訊； 一電流重覆使用犧牲裝置，係以動態電流注入方式消 除在該轉導放大級中之寄生雜訊電流；以及 一雜訊終止裝置，係用以消除該電流切換級中寄生電 容所儲存的電荷，該雜訊終止裝置之動態電流注入點為該 電流切換級之共汲極處，且該雜訊終止裝置並聯該負載 級0 9.如申請專利範圍第8項所述之混頻電路，其中該電 感電容槽（LC Tank)裝置為一 Ρ1 ( π )型濾波器，連接 於該轉導放大級與該電流切換級之間。 1 〇·如申請專利範圍第9項所述之混頻電路，其中該負 19 1337449 99年11月24日修正替換頁 載級包含有兩p型金氧半場效電晶體（PMOS )與兩電阻， 該兩P型金氧半場效電晶體之内阻係相近於該兩電阻之 值’以使輪出訊號不會產生雜訊。 • n.如申請專利範圍第10項所述之混頻電路，其中該 雜訊終止（Noise Cancellation )裝置包含第一 P型金氡半 場效電晶體、一第二P型金氧半場效電晶體以及一第三p 型金氧半場效電晶體，其中該第一 p型金氧半場效電晶體 之源極端連接一操作電壓，閘極端加入一偏壓使其工作在 飽和區，該第一 P型金氧半場效電晶體之汲極端與該第二 P型金氧半場效電晶體以及該第三p型金氧半場效電晶體 之源極端連接，該第二p型金氧半場效電晶體之汲極端與 閘極端和該第三P型金氧半場效電晶體之汲極端與閘極端 交叉連接，係用以導入兩個電流，藉由該兩電流消除寄生 在忒電流切換級中的電晶體汲極端的寄生電容所儲存之 電荷》 12·如申請專利範圍第u項所述之混頻電路，其争該 電流重覆使用犧牲(Cuirem-reuse bleeding) |置包含雨 個P型金氧半場效電晶體（⑽s)，該兩p型金氧== 電晶體一 1極端分別加入一偏壓使其= 和區’並分職職導放大級連接以消除在該轉導放大級 中的電晶體汲極電流所寄生的雜訊電流。 20 1337449 ^9. 9. 2Γ3 年月日修正替換頁 ΒΏπ6ι66