TWI439044B

TWI439044B - 一種用於消除二階互調失真之混頻器及其相關轉導電路

Info

Publication number: TWI439044B
Application number: TW099124203A
Authority: TW
Inventors: Min Chiao Chen; Shuo Yuan Hsiao
Original assignee: Mstar Semiconductor Inc
Priority date: 2010-07-22
Filing date: 2010-07-22
Publication date: 2014-05-21
Also published as: US20120019304A1; US8330522B2; TW201206052A

Description

一種用於消除二階互調失真之混頻器及其相關轉導電路

本發明係有關於混頻器(mixer)，尤指一種用於直接轉換接收器(Direct Conversion Receiver)中，用以消除二階互調失真(Second-order Inter-Modulation Distortion;IM2)之混頻器及其相關轉導電路(transconductor)。

在無線收發器(Wireless Transceiver)中，混頻器(Mixer)是廣泛使用的頻率轉換元件。第1圖係顯示一典型之直接轉換接收器10，其包含天線11、低雜訊放大器(Low-Noise Amplifier；LNA)12、混頻器13、本地震盪器(Local Oscillator；LO)14、低通濾波器(Low Pass Filter；LPF)15及放大器16。直接轉換接收器10由天線11接收射頻(Radio Frequency)訊號，並經低雜訊放大器12將訊號放大後，再由混頻器13將射頻訊號直接降頻至基頻(Baseband)訊號(Baseband)。最後，由低通濾波器15及放大器16將基頻訊號過濾及放大後，送至後端進行類比數位轉換(Analog-Digital Conversion)(未標明在圖中)。其中本地震盪器14產生頻率為f_LO 之震盪信號，該頻率f_LO 為射頻載波頻率，用以提供給混頻器13，將射頻訊號直接轉換成基頻訊號。直接轉換接收器10不需要將射頻訊號先轉換成中頻(Intermediate Frequency)訊號，再將中頻訊號轉換成基頻訊號，所以亦有稱之零中頻接收器(Zero-IF Receiver)。除了可以省去一組混頻器，由於省去中頻級的轉換，直接轉換接收器10有兩個比較大的優點。第一個優點是沒有鏡像訊號干擾的問題，所以不需要鏡像拒斥濾波器(Image-Rejection Filter)；另一個優點是可以在單一晶片中設計低通濾波器15及放大器16以取代其它接收器所需外接的表面聲波濾波器(Surface Acoustic Wave；SAW filter)。因此，直接轉換接收器10具有較高的整合度及較低複雜度及成本。

但是，直接轉換接收器10亦會有幾個缺點，如：二階互調失真、直流偏移(DC offset)、閃光噪聲(Flick Noise)…等。其中二階互調失真主要是饋通現象(feedtrough)所造成，如第2A圖所示，兩個訊號很強的干擾訊號與直接轉換接收器10之接收頻道很接近，而且在帶通濾波器的範圍之內。這兩個干擾訊號在通過低雜訊放大器211時，會產生一個在直流附近的干擾訊號。接著，干擾訊號在通過混頻器212時，如果混頻器212為一理想的混頻器，該直流附近的干擾訊號會被變頻到很高的頻譜上，但實際上的混頻器會有饋通現象的產生，以致混頻器212的輸出包含一個在直流附近的干擾訊號；如第2B圖所示，本地震盪器的訊號洩漏(LO Leakage)至低雜訊放大器221及混頻器222中，由於元件間的隔離度不完美，產生直流偏移來干擾原本的基頻訊號。此外，混頻器中轉導電路的非線性特性及低頻率轉換增益亦強化二階互調失真造成的影響。因此，如何消除二階互調失真則成為設計直接轉換接收器一個重要課題，本發明係利用一負迴授電路以調整混頻器轉導電路輸入級訊號來解決此一問題。

第3圖係顯示習知的混頻器電路圖，其中，吉伯特混頻器(Gilbert mixer)30包含轉導電路(transconductor circuit)31、開關電路(switch quad circuit)32及負載電路(load circuit)33。負載電路33包含電阻R_C1 、R_C2 ，電阻R_C1 、R_C2 的一端耦接至一電壓源Vcc，電阻R_C1 、R_C2 的另一端即為輸出端(Out)。開關電路32包含npn雙載子接面電晶體Q3、Q4、Q5、Q6。其中，電晶體Q3與Q5的集極(Collector)耦接到電阻R_C1 的另一端，電晶體Q4與Q6的集極耦接到電阻R_C2 的另一端。再者，電晶體Q3與Q6的基極(Base)相互耦接，電晶體Q4與Q5的基極相互耦接，而電晶體Q3與Q4的基極可接收一本地震盪信號f_LO 。再者，電晶體Q3與Q4的射極(Emitter)相互耦接，並成為第一電流路徑；而電晶體Q5與Q6的射極相互耦接，並成為第二電流路徑。

轉導電路31包含npn雙載子接面電晶體(Bipolar Junction Transistor；BJT)Q1與Q2。其中，電晶體Q1的集極耦接到開關電路32的第一電流路徑，電晶體Q2的集極耦接到開關電路32的第二電流路徑。電晶體Q1與Q2的基極可分別接收電壓信號Vin⁺ 與Vin^- 。再者，電晶體Q1與Q2的射極分別連接到電阻R_E1 和電阻R_E2 的一端。電阻R_E1 和電阻R_E2 的另一端耦接至地(ground)。

第3圖係顯示習知之混頻器30示意圖。轉導電路31可將輸入之電壓信號Vin(即差動輸入信號Vin⁺ -Vin^- )轉換成為電流信號Ib。電流信號Ib流經開關電路32的第一電流路徑與第二電流路徑時，經由本地震盪信號f_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33轉換，使得輸出端(Out)可輸出一輸出電壓。

由於轉導電路31是由npn雙載子接面電晶體Q1與Q2所組成，因此其電壓-電流關係是指數曲線關係，而非線性關係。因此，在混頻器會產生二階互調失真電流，並在電晶體Q1與Q2的射極出現額外電壓如下：

V_{E1_IM2} =1/α₁ *I_{C1_IM2} *R_E1

V_{E2_IM2} =1/α₂ *I_{C2_IM2} *R_E2

其中

α₁ ：電晶體Q1的共基極電流增益

α₂ ：電晶體Q2的共基極電流增益

可見二階互調失真現象出現會導致原本的訊號在混頻器中受到嚴重干擾，消除二階互調失真成為設計直接轉換接收器一個重要課題，本發明係利用一負迴授電路以調整混頻器轉導電路輸入級訊號，來解決此一問題。

有鑑於此，本發明的目的，係利用一負迴授電路以調整混頻器之轉導電路輸入級訊號，來解決除二階互調失真的問題。

本發明揭露一種混頻器，用於消除二階互調失真，該混頻器包含一負載電路；一開關電路，耦接於該負載電路，該開關電路具有一第一電流路徑與一第二電流路徑且該開關電路與該負載電路的耦接處為該混頻器之輸出端；以及一轉導電路。其中該轉導電路又包括一第一電晶體和一第二電晶體，其集(汲)極分別耦接於該第一電流路徑和該第二電流路徑，其基(閘)極分別耦接一第一輸入端和一第二輸入端，用於接收一差動輸入訊號；以及一負迴授電路，其輸入端耦接至該第一電晶體的射(源)極及該第二電晶體的射(源)極，其輸出端耦接至該第一電晶體的基(閘)極及該第二電晶體的基(閘)極，該負迴授電路用於依據該第一電晶體的射(源)極及該第二電晶體的射(源)極的一偵測電壓與一參考電壓的電壓差，來調整該第一電晶體的基(閘)極及該第二電晶體的基(閘)極的電壓。

本發明另揭露一種應用於混頻器之轉導電路，用於消除二階互調失真，該轉導電路包括一第一電晶體和一第二電晶體，其基(閘)極分別耦接一第一輸入端和一第二輸入端，用於接收一差動輸入訊號；以及一負迴授電路，其輸入端耦接至該第一電晶體的射(源)極及該第二電晶體的射(源)極，其輸出端耦接至該第一電晶體的基(閘)極及該第二電晶體的基(閘)極，該負迴授電路用於依據該第一電晶體的射(源)極及該第二電晶體的射(源)極的一偵測電壓與一參考電壓的電壓差，來調整該第一電晶體的基(閘)極及該第二電晶體的基(閘)極的電壓。

第4圖係本發明之混頻器的較佳實施例的電路圖。請參見第4圖，混頻器40包含一轉導電路41、一開關電路42及一負載電路43。負載電路43包含電阻R_C1 與R_C2 ，電阻R_C1 與R_C2 的一端耦接至一電壓源Vcc，電阻R_C1 與R_C2 的另一端即為輸出端(Out)。開關電路42包含npn雙載子接面電晶體Q3、Q4、Q5、Q6。其中，電晶體Q3與Q5的集極耦接到電阻R_C1 的另一端，電晶體Q4與Q6的集極耦接到電阻R_C2 的另一端。再者，電晶體Q3與Q6的基極相互耦接，電晶體Q4與Q5的基極相互耦接，而電晶體Q3與Q4的基極可接收一本地震盪信號f_LO 。再者，電晶體Q3與Q4的射極相互耦接，並成為第一電流路徑；而電晶體Q5與Q6的射極相互耦接，並成為第二電流路徑。

轉導電路41包含npn雙載子接面電晶體Q1、Q2、電阻R_E1 、R_E2 、電容C_B1 、C_B2 及一負迴授電路411。其中，電晶體Q1的集極耦接到開關電路42的第一電流路徑，電晶體Q2的集極耦接到開關電路42的第二電流路徑。電晶體Q1與Q2的基極可分別連接至電容C_B1 與C_B2 的一端，電容C_B1 與C_B2 的另一端則分別接收差動輸入信號Vin⁺ 與Vin^- 。電容C_B1 與C_B2 係用於隔離直流成分進入混頻器。再者，電晶體Q1與Q2的射極分別連接到電阻R_E1 和R_E2 的一端，電阻R_E1 和電阻R_E2 的另一端耦接至地(ground)。

負迴授電路411包含一運算放大器4111、一參考電壓產生電路4112、一迴授電壓產生電路4113及一偏壓電路4114。其中運算放大器4111的正輸入端連接至參考電壓產生電路4112所產生之參考電壓V_REF ，負輸入端連接至迴授電壓產生電路4113，而輸出端連接至偏壓電路4114。

參考電壓產生電路4112用於產生一參考電壓V_REF ，在元件匹配(match)的情況下，亦即電晶體Q1與Q2轉換特性相同，電阻R_E1 和R_E2 的電阻值亦相同的情況下，參考電壓V_REF 等於電晶體Q1的射極電壓及電晶體Q2的射極電壓，即V_REF =V_E1 =V_E2 。在本較佳實施例中，參考電壓產生電路4112由一參考電流源I_REF 和一電阻R_REF 串接組成，而參考電流源I_REF 另一端接電壓源Vcc，而電阻R_REF 另一端接地。此時，參考電壓V_REF =I_REF *R_REF ，在考量功率損耗(Power Consumption)的情形下，本實施例使用較大的電阻R_REF ，例如：R_REF =nR_E1 =nR_E2 ，可降低參考電流源I_REF =1/n*I_E1 =1/n*I_E2 的預定電流。

迴授電壓產生電路4113用於偵測電晶體Q1的射極電壓和電晶體Q2的射極電壓間的平均電壓，並濾除射頻訊號，包含電阻R_CC1 、R_CC2 、一電容C_CC 。電阻R_CC1 一端連接至電晶體Q1的射極，另一端連接至迴授電壓端V_EE 。電阻R_CC2 一端連接至電晶體Q2的射極，另一端亦連接至迴授電壓端V_EE 。電容C_CC 一端接地，另一端也連接至迴授電壓端V_EE 。最後，迴授電壓端連接至運算放大器4111。在R_CC1 ,R_CC2 >>R_E1 ,R_E2 的情況下，迴授電壓V_EE 如下：

V_EE =1/2*(V_{E1_IM2} +V_{E2_IM2} )

其中

V_{E1_IM2} =1/α₁ *I_{C1_IM2} *R_E1

V_{E2_IM2} =1/α₂ *I_{C2_IM2} *R_E2

偏壓電路4114用於提供混頻器輸入訊號偏壓調整，以消除二階互調失真的影響，包含電阻R_B1 、R_B2 。電阻R_B1 一端連接至電晶體Q1的基極，另一端連接至運算放大器4111的輸出端；電阻R_B2 一端連接至電晶體Q2的基極，另一端連接至運算放大器4111的輸出端，接收調整訊號，用以調整差動輸入訊號。

因此，假設運算放大器4111在二階互調失真頻段放大增益為A_v ，電晶體Q1和電晶體Q2的共射極電流增益β相同，R_E1 =R_E2 =R_E ，R_B1 =R_B2 =R_B ，則運算放大器4111造成在電晶體Q1和電晶體Q2的集極電流變化如下：

I_{C1_IM2_Cancellation} =(-A_v β_fb /(1+A_v β_fb ))*I_{C1_IM2}

I_{C2_IM2_Cancellation} =(-A_v β_fb /(1+A_v β_fb ))*I_{C2_IM2}

其中

B_fb =((β+1)R_E )/(R_B +(β+1)(R_E +r_e ))

β為共射極電流增益

r_e 為電晶體Q1及Q2射極小訊號等效電阻

經由上述方程式推導可證明本發明的混頻器40，可利用迴授電壓產生電路4113抵銷二階互調失真所導致的額外輸入電流，消除二階互調失真所造成的影響。

注意，上述實施例中的電晶體係以npn雙載子接面電晶體(npn BJT)為例進行說明，亦可使用pnp雙載子接面電晶體(BJT)、N型場效電晶體(N-type FET)或P型場效電晶體(P-type FET)以替代。因應不同的類型的電晶體導致相關電路的些微變化，為熟知此類技藝人士皆能明瞭。故本發明不限於由npn雙載子接面電晶體(npn BJT)組成的混頻器。

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。凡熟知此類技藝人士皆能明瞭，可根據以上實施例之揭示而做出諸多可能變化，仍不脫離本發明之精神和範圍。

本案圖式中所包含之各元件列示如下：

10．．．直接轉換接收器

11．．．天線

12．．．低雜訊放大器

13．．．混頻器

14．．．本地震盪器

15．．．低通濾波器

16．．．放大器

211、221．．．低雜訊放大器

212、222．．．混頻器

30．．．吉伯特混頻器

40‧‧‧混頻器

31、41‧‧‧轉導電路

32、42‧‧‧開關電路

33、43‧‧‧負載電路

411‧‧‧負迴授電路

4111‧‧‧運算放大器

4112‧‧‧參考電壓產生電路

4113‧‧‧迴授電壓產生電路

4114‧‧‧偏壓電路

本案得藉由下列圖式及說明，俾得一更深入之了解：

第1圖係一直接轉換接收器的示意圖。

第2A、2B圖係二階互調失真的示意圖。

第3圖係習知之混頻器的電路圖。

第4圖係本發明之混頻器之一實施例的電路圖。

40．．．混頻器

41．．．轉導電路

42．．．開關電路

43．．．負載電路

411．．．負迴授電路

4111．．．運算放大器

4112．．．參考電壓產生電路

4113．．．迴授電壓產生電路

4114．．．偏壓電路

Claims

一種用於混頻器之轉導電路，用於消除二階互調失真，該轉導電路包括：一第一電晶體和一第二電晶體，該第一電晶體的基(閘)極耦接一第一輸入端，該第二電晶體的基(閘)極耦接一第二輸入端，用於接收一差動輸入訊號；以及一負迴授電路，具有一輸入端與一輸出端，該輸入端耦接至該第一電晶體的射(源)極及該第二電晶體的射(源)極，該輸出端耦接至該第一電晶體的基(閘)極及該第二電晶體的基(閘)極，該負迴授電路用於依據該第一電晶體的射(源)極及該第二電晶體的射(源)極的一偵測電壓與一參考電壓的電壓差，來調整該第一電晶體的基(閘)極及該第二電晶體的基(閘)極的電壓；其中，該負迴授電路包含：一參考電壓產生電路，用於產生該參考電壓，該參考電壓與無二階互調失真時的該第一電晶體的射(源)極及該第二電晶體的射(源)極的電壓有關；一迴授電壓產生電路，用於偵測該第一電晶體的射(源)極及該第二電晶體的射(源)極的電壓，以產生該偵測電壓；一運算放大器，其正輸入端耦接至該參考電壓產生電路，其負輸入端耦接至該迴授電壓產生電路，用於比較該參考電壓及該偵測電壓，並輸出一調整訊號；以及一偏壓電路，耦接至該運算放大器，用於依據該調整訊號，來調整該差動輸入訊號。
如申請專利範圍第1項所述之轉導電路，該轉導電路更包含：一第一輸入電容，耦接於該第一電晶體與該第一輸入端之間；以及一第二輸入電容，耦接於該第二電晶體與該第二輸入端之間。
如申請專利範圍第1項所述之轉導電路，其中該迴授電壓產生電路包含：一第一電阻，其一端連接至該第一電晶體的射(源)極，另一端連接至該運算放大器的負輸入端；一第二電阻，其一端連接至該第二電晶體的射(源)極，另一端連接至該運算放大器的負輸入端；以及一電容，其一端接地，另一端連接至該運算放大器的負輸入端。
如申請專利範圍第1項所述之轉導電路，其中該偏壓電路包含：一第一偏壓電阻，其一端連接至該第一電晶體的基(閘)極，另一端連接至該運算放大器的輸出端；以及一第二偏壓電阻，其一端連接至該第二電晶體的基(閘)極，另一端連接至該運算放大器的輸出端。
如申請專利範圍第1項所述之轉導電路，該轉導電路更包含：一第一射(源)極電阻，一端耦接於該第一電晶體的射(源)極，另一端耦接至地；以及一第二射(源)極電阻，一端耦接於該第二電晶體的射(源)極，另一端耦接至地。
如申請專利範圍第5項所述之轉導電路，其中該參考電壓產生電路包含：一參考電阻，一端接地，另一端連接至該運算放大器的正輸入端；以及一參考電流源，連接至該運算放大器的正輸入端，提供一預設電流，以產生該參考電壓。
如申請專利範圍第6項所述之轉導電路，其中該參考電阻值及該預設電流與無二階互調失真時的該第一電晶體的射(源)極及該第二電晶體的射(源)極的電壓有關。
如申請專利範圍第6項所述之轉導電路，其中該參考電阻值大於該第一射(源)極電阻及該第二射(源)極電阻。
如申請專利範圍第1項所述之轉導電路，其中該第一電晶體和該第二電晶體係是雙載子接面電晶體和場效電晶體其中之一。
一種混頻器，用於消除二階互調失真，該混頻器包含：一負載電路；一開關電路，耦接於該負載電路，該開關電路具有一第一電流路徑與一第二電流路徑且該開關電路與該負載電路的耦接處為該混頻器之輸出端；以及一轉導電路，包括：一第一電晶體和一第二電晶體，該第一電晶體的集(汲)極耦接該第一電流路徑，該第二電晶體的集(汲)極耦接該第二電流路徑，該第一電晶體的基(閘) 極耦接一第一輸入端，該第二電晶體的基(閘)極耦接一第二輸入端，用於接收一差動輸入訊號；以及一負迴授電路，具有一輸入端與一輸出端，該輸入端耦接至該第一電晶體的射(源)極及該第二電晶體的射(源)極，該輸出端耦接至該第一電晶體的基(閘)極及該第二電晶體的基(閘)極，該負迴授電路用於依據該第一電晶體的射(源)極及該第二電晶體的射(源)極的一偵測電壓與一參考電壓的電壓差，來調整該第一電晶體的基(閘)極及該第二電晶體的基(閘)極的電壓；其中，該負迴授電路包含：一參考電壓產生電路，用於產生該參考電壓，該參考電壓與無二階互調失真時的該第一電晶體的射(源)極及該第二電晶體的射(源)極的電壓有關；一迴授電壓產生電路，用於偵測該第一電晶體的射(源)極及該第二電晶體的射(源)極的電壓，以產生該偵測電壓；一運算放大器，其正輸入端耦接至該參考電壓產生電路，其負輸入端耦接至該迴授電壓產生電路，用於比較該參考電壓及該偵測電壓，並輸出一調整訊號；以及一偏壓電路，耦接至該運算放大器，用於依據該調整訊號，來調整該差動輸入訊號。
如申請專利範圍第10項所述之混頻器，其中該轉導電路更包含：一第一輸入電容，耦接於該第一電晶體與該第一輸入端之間；以及一第二輸入電容，耦接於該第二電晶體與該第二輸入端之間。
如申請專利範圍第10項所述之混頻器，其中該迴授電壓產生電路包含：一第一電阻，其一端連接至該第一電晶體的射(源)極，另一端連接至該運算放大器的負輸入端；一第二電阻，其一端連接至該第二電晶體的射(源)極，另一端連接至該運算放大器的負輸入端；以及一電容，其一端接地，另一端連接至該運算放大器的負輸入端。
如申請專利範圍第10項所述之混頻器，其中該偏壓電路包含：一第一偏壓電阻，其一端連接至該第一電晶體的基(閘)極，另一端連接至該運算放大器的輸出端；以及一第二偏壓電阻，其一端連接至該第二電晶體的基(閘)極，另一端連接至該運算放大器的輸出端。
如申請專利範圍第10項所述之混頻器，該轉導電路更包含：一第一射(源)極電阻，一端耦接於該第一電晶體的射(源)極，另一端耦接至地；以及一第二射(源)極電阻，一端耦接於該第二電晶體的射(源)極，另一端耦接至地。
如申請專利範圍第14項所述之混頻器，其中該參考電壓產生電路包含：一參考電阻，一端接地，另一端連接至該運算放大器的正輸入端；以及一參考電流源，連接至該運算放大器的正輸入端，提供一預設電流，以產生該參考電壓。
如申請專利範圍第15項所述之混頻器，其中該參考電阻值及該預設電流與無二階互調失真時的該第一電晶體的射(源)極及該第二電晶體的射(源)極的電壓有關。
如申請專利範圍第15項所述之混頻器，其中該參考電阻值大於該第一射(源)極電阻及該第二射(源)極電阻。
如申請專利範圍第10項所述之混頻器，其中該第一電晶體和該第二電晶體係是雙載子接面電晶體和場效電晶體其中之一。