专利名称：低压混频器电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及混频器电路，更具体地、但不独占地，涉及适用于低压应用的混频器电路。
背景技术：
混频器电路是射频(RF)装置中的重要构成块，并合并第一和第二频率处的输入信号，以生成输出信号，该输出信号具有第一和第二频率之和处的频率、以及第一和第二频率之差处的频率的分量。
噪声和线性表示晶体管抽象等级上的混频器电路的合成期间的主要设计约束条件。影响混频器电路设计的另一因素是要求快速双极或CMOS工艺的击穿电压降低以应对工艺中所期望的转换频率增长。在一些情况下，电池操作和有限的电量将会限制可用的供电电压。
只要CMOS工艺中的阈值电压继续减小，CMOS器件就可以以比等效双极器件低的供电电压进行操作。另一方面，对于双极器件，出于量子力学原因，不能减小基极-发射极电压，在一些现代SiGe工艺中，这些电压增加了。结果，RF构成块的线性随供电电压的降低而变差，并且许多现有的RF构成块将无法满意地工作。
此外，用于近来开发的SiGe工艺的2V击穿电压需要供电电压的显著降低。
单片双极RF混频器电路的最普通形式之一是如图1所示的双均衡吉尔伯特混频器(Gilbert mixer)。混频器2具有第一差分放大器级4，该第一差分放大器级4具有第一和第二晶体管Q1和Q2，第一和第二晶体管Q1和Q2上施加差分本地振荡信号来调整负载电阻器RL中的电流量；以及输出端6，在此生成第一输出电压。差分本地振荡信号也施加于第二差分放大器级8，该第二差分放大器级8具有第三和第四晶体管Q3、Q4，负载电阻器RL和生成第二输出电压的输出端10。第二和第三晶体管Q2、Q3的集电极分别与第二和第一输出端6、10连接。
晶体管Q1、Q2、Q3和Q4的跨导取决于每个晶体管的发射极电流，通过在分别位于第一和第二放大器级4、8尾部的第五和第六晶体管Q5、Q6之间施加差分射频(RF)信号来调整该发射极电流。结果，输出端6、10上的差分电压信号具有与本地振荡和RF信号的乘积成正比的分量。作为三角恒等式的结果，出现于输出端6、10之间的差分输出信号具有频率在本地振荡器频率与RF频率之和处的频率、以及在这些频率之差处的分量。通过采用输出端6、10之间的差分输出电压，从输出信号中去除了和频率与差频率分量之外的其他项。
尽管图1中示出的吉尔伯特混频器可以提供转换增益，需要非常低的功率来驱动本地振荡器端口，提供了在信号端口之间的良好绝缘，并且在输出频谱中不具有本地振荡器信号的分量，但是如果期望以低供电电压进行操作，则具有多个缺点。具体地，在低供电电压应用中，图1混频器中示出的晶体管的堆叠(stacking)不太可能进行良好的工作操作。另外，RF输入端口不匹配，因此对信号发生器表现出高阻抗。此外，将信号处理能力限制于低于阈值电压，而不是依据阈值电流。
发明内容
本发明的优选实施例设法提供混频器电路，该混频器电路适于通过双极组件来实现，并且在低供电电压保持线性。
根据本发明，提供了一种混频器电路，包括-电流源；-第一差分放大器，与所述电流源相连，并且所述第一差分放大器具有至少一个输入端，用于接收相应的第一输入信号；至少一个输出端，用于提供相应的输出信号；以及相应的第一阻抗，与至少一个所述输出端连接，从而在每个所述第一阻抗中的电流取决于所述第一输入信号；-电流调整部分，与所述第一差分放大器中的至少一部分并联连接，并且所述电流调整部分具有至少一个第一晶体管，具有用于接收第二输入信号的相应第二输入端，从而将相应的所述第一输入信号施加于所述或每个所述第一输入端、以及将相应的所述第二输入信号施加于所述或每个所述第二输入端在所述或每个所述输出端处生成了相应的输出信号，所述输出信号包括频率在第一和第二输入信号的频率之和处、以及在所述第一和第二输入信号的频率之差处的分量；以及-线性化装置，用于减小与所述或每个所述第一输入信号相对应的相应所述输出信号的失真。
通过提供与第一差分放大器的至少一部分并联连接的电流调整部分、以及用于减小与所述或每个所述第一输入信号相对应的相应输出信号的失真的线性化装置，提供了避免如图1所示的吉尔伯特混频器中所必需的晶体管堆叠的优点，其结果是，混频器在比现有技术低的供电电压时也进行满意地操作。具体地，通过提供与第一差分放大器并联的晶体管，可以在不需要图1的吉尔伯特单元的大压降的情况下，通过第二输入信号来调整差分放大器电流。
线性化装置可以包括至少一个第二晶体管，所述至少一个第二晶体管与所述第一差分放大器中的至少一部分并联连接，并具有用于接收所述第一输入信号的至少一部分的相应第三输入端。
通过提供与第一差分放大器的至少一部分并联连接、并具有用于接收所述第一输入信号的至少一部分的相应第三输入端的至少一个第二晶体管，提供了可以以相对简单的方式改进混频器的线性、并可以以低供电电压进行操作的优点。
第一差分放大器可以包括一对第三晶体管，每个第三晶体管包括相应的所述第一输入端。
晶体管可以是双极结型晶体管，并且所述线性化装置可以包括与每个所述双极结型晶体管的发射极相连的相应的第二阻抗。
所述或每个所述第一输入端可以通过相应的第三阻抗与相应的所述第三输入端连接。
第一差分放大器可以具有一对所述第一输入端，横跨所述一对第一输入端可以施加所述第一输入信号；并且具有一对所述输出端，横跨所述一对输出端可以提供所述输出信号。
混频器还可以包括与所述电流源连接的第二差分放大器，并且所述第二差分放大器具有用于接收相应的所述第一输入信号的至少一个输入端、用于提供相应的输出信号的至少一个输出端、以及与至少一个所述输出端连接的相应第四阻抗，从而在每个所述第四阻抗中的电流取决于所述第一输入信号。
这提供了提供双均衡混频器的优点，其中，在第一差分放大器的输出端与第二差分放大器的输出端之间采用的输出信号具有比单均衡混频器的情况少的多余分量(即，与在第一和第二输入信号的频率之和和这些频率之差不同的频率处的分量)。
混频器还可以包括另一电流调整部分，所述电流调整部分与所述第二差分放大器的至少一部分并联连接，并包括至少一个第四晶体管，所述第四晶体管具有用于接收第二输入信号的第二输入端，从而在使用种施加第二输入信号横跨所述第一和第四晶体管的第二输入端。
参照附图，仅通过示例并不具有任何限制意义，对本发明的优选实施例进行描述，其中图1是现有技术混频器电路的电路图；图2是本发明第一实施例的电路图；图3是本发明第二实施例的电路图；图4是本发明第三实施例的电路图；图5是本发明第四实施例的电路图；图6是本发明第五实施例的电路图；以及图7是本发明第六实施例的电路图。
具体实施例方式
首先参照图2，本发明第一实施例的单均衡射频(RF)混频器102包括具有双极晶体管Q1、Q2的差分放大器，向晶体管Q1、Q2的基极差动地施加RF信号RF+、RF-。晶体管Q1、Q2的集电极经由相应的输出端IF-、IF+与相应的输出电阻器RL连接，以及晶体管Q1、Q2的发射极具有衰退(degeneration)电阻器R1来提高混频器的线性。
电流源Io与差分放大器连接，由于提供通过发射极电阻R1和集电极电阻RL的电流，并且还通过提供与差分放大器并联的晶体管Q4来进一步提高混频器的线性，从而电流源Io使晶体管Q1、Q2和Q4偏置在宽带操作和低失真所必需的电流处。为此，晶体管Q4的发射极面积因子n应当大于2。通过将非线性项和dc电流Io的一部分传递至电源的晶体管Q4，来实现差分晶体管对Q1、Q2的跨导的线性化。
在RF端口处的输入阻抗和线性几乎是分离的，因而可以单独地进行优化。晶体管Q1、Q2的基极经由相应的输入电阻器R2与晶体管Q4的基极连接。电阻器R2创建了与提供RF信号的平衡-不平衡转换器(BALUN)或者低噪放大器(LNA)(未示出)的输出阻抗相匹配的2R2的差分输入阻抗，。这确保了LNA或BALUN与混频器之间的最佳功率转移。
晶体管Q3与差分放大器并联，从而将上至300mV的峰峰幅值的本地振荡信号LO施加至晶体管Q3的基极，来调整晶体管Q1、Q2的发射极中的电流。由于晶体管Q1、Q2的跨导取决于相应的发射极电流，所以输出端IF-、IF+中的每个处的电压信号具有取决于RF和具有增益缩放因子的本地振荡信号的乘积的分量。
本领域技术人员将会理解，作为三角恒等式的结果，在输出端IF-、IF+处的信号具有频率在RF信号的频率处、本地振荡器信号的频率处、以及这些信号的频率之和和之差的频率处的分量。通过将跨接输出信号的信号施加于差分放大器(未示出)，去除了本地振荡器频率处的信号分量，其结果是，差分输出信号具有RF频率、本地振荡器和RF频率之和、以及本地振荡器和RF频率之差处的分量。
为了提高混频器的线性行为，另一晶体管Q4的基极通过相应的输入电阻器R2、R2与晶体管Q1、Q2的基极连接。为了正确的操作，晶体管Q4的发射极面积因子至少是2，并通过将非线性项传递至电源、并使DC电流的一部分转至正电源VCC的晶体管Q4来提高混频器102的线性化。
晶体管Q1、Q2的基极处的输入阻抗和混频器102的线性几乎是分离的，因而可以单独地被优化。串联输入电阻器R2、R2创建了与混频器102与之进行操作的BALUN或低噪放大器(未示出)的输出阻抗相匹配的2R2的差分输入阻抗。这确保了低噪放大器与混频器102之间的最佳功率转移。
现在参照图3(其中与图2的实施例公共的部分由类似的参考数字表示，但是增加了100)，示出了图2混频器的MOS变体202。不再为线性而需要源极衰减电阻(与图2的发射极衰减电阻R1相对应)。
图2和3的混频器不是以电压空间(voltage room)为代价来实现线性，所以这两种设置可以以低供电电压进行操作。
为了在没有本地振荡器或RF馈通(feedthrough)的情况下实现比图2的混频器大的转换增益，如图4所示，使用双均衡混频器302。图4的混频器302包括具有晶体管Q1、Q2的第一差分放大器304，以及具有晶体管Q3、Q4的第二差分放大器306。晶体管Q2、Q3的基极连接在一起，并分别经由输入电阻R2与晶体管Q1、Q4的基极连接。RF信号分别差动地施加于晶体管Q1、Q4的基极，并且本地振荡器信号差动地施加于在正电轨VCC和相应线性化晶体管312、314的基极之间连接的晶体管308、310的基极，其中线性化晶体管312、314与相应的差分放大器304、306并联连接。
晶体管Q2、Q3的集电极分别与晶体管Q4、Q1的集电极连接，并且跨接输出端IF-、IF+来提供均衡输出信号。差分输出信号不具有RF和本地振荡器频率处的分量，并且图4的双均衡混频器302的转换增益比图2的对应单均衡混频器的转换增益大因子2。
类似地，参照图5，示出了双均衡混频器的MOS形式402，其中与图4的实施例公共的部分由类似的参考数字表示，但是增加了100。再次，不再需要与图4的电阻R1相对应的源极衰减电阻。
本领域的技术人员将会理解，仅通过示例而不具有任何意义的限制来描述以上的实施例，并且在不偏离由所附权利要求所限定的本发明范围的情况下，可以有不同的改变和修改。例如，尽管将会实现较小的线性，但是可以应用图2中示出的线性增益级的各种可选项。例如，图6示出了本发明的另一实施例，其中，通过引起发射极衰减的电阻R1来实现线性化；以及图7使用“1至n”级作为RF线性级。本领域技术人员还会理解，还可以提供图6和7的实施例的双均衡形式。
权利要求
1.一种混频器电路，包括-电流源(Io)；-第一差分放大器，与所述电流源相连，并且所述第一差分放大器具有至少一个输入端(RF+、RF-)，用于接收相应的第一输入信号；至少一个输出端(IF+、IF-)，用于提供相应的输出信号；以及相应的第一阻抗(RL)，与至少一个所述输出端连接，从而在每个所述第一阻抗中的电流取决于所述第一输入信号；-电流调整部分(Q3)，与所述第一差分放大器中的至少一部分并联连接，并且所述电流调整部分具有至少一个第一晶体管，具有用于接收第二输入信号的相应第二输入端(LO)，从而将相应的所述第一输入信号施加于所述或每个所述第一输入端、以及将相应的所述第二输入信号施加于所述或每个所述第二输入端在所述或每个所述输出端处生成了相应的输出信号，所述输出信号包括频率在所述第一和第二输入信号的频率之和处、以及在所述第一和第二输入信号的频率之差处的分量；以及-线性化装置(Q4、R1)，用于减小与所述或每个所述第一输入信号相对应的相应所述输出信号的失真。
2.如权利要求1所述的电路，其中，所述线性化装置包括至少一个第二晶体管(Q4)，所述至少一个第二晶体管与所述第一差分放大器并联连接，并具有用于接收所述第一输入信号的至少一部分的相应第三输入端。
3.如权利要求2所述的电路，其中，所述或每个所述第一输入端通过相应的第三阻抗(R2)与相应的所述第三输入端连接。
4.如权利要求1所述的电路，其中，所述第一差分放大器包括一对第三晶体管(Q1、Q2)，其中每个晶体管包括相应的所述第一输入端。
5.如权利要求4所述的电路，其中，所述晶体管是双极结型晶体管，以及所述线性化装置包括分别与每个所述双极结型晶体管的发射极连接的相应第二阻抗(R1)。
6.如权利要求1所述的电路，其中，所述第一差分放大器具有一对所述第一输入端，横跨所述一对第一输入端施加所述第一输入信号；并且具有一对所述输出端，横跨所述一对输出端提供所述输出信号。
7.如权利要求1所述的电路，还包括与所述电流源连接的第二差分放大器，并且所述第二差分放大器具有至少一个输入端(RF-)，用于接收相应的所述第一输入信号；至少一个输出端(IF+)，用于提供相应的输出信号；以及相应的第四阻抗(RL)，与至少一个所述输出端连接，从而在每个所述第四阻抗中的电流取决于所述第一输入信号。
8.如权利要求7所述的电路，还包括另一电流调整部分，所述电流调整部分与所述第二差分放大器的至少一部分并联连接，并包括至少一个第四晶体管，所述第四晶体管具有用于接收第二输入信号的第二输入端(LO-)，从而在使用中施加第二输入信号横跨所述第一和第四晶体管的第二输入端。
全文摘要
公开了用于射频(RF)装置中的混频器电路(102)。混频器包括电流源(Io)；以及差分放大器(Q1、Q2)，所述差分放大器与电流源连接，并具有用于接收RF输入信号的输入端(RF+、RF－)、以及用于提供中频信号的输出端(IF+、IF－)。本地振荡器信号(LO)施加于与差分放大器并联连接的晶体管(Q3)，以调整差分放大器中的电流，从而差分输出信号包含频率在RF和本地振荡信号的和频率与差频率处的分量。用于将电流的一部分转向电源的发射极衰减电阻(R1)和晶体管Q4提高了混频器的线性。
文档编号H03D7/14GK101065895SQ200580040411
公开日2007年10月31日 申请日期2005年11月24日 优先权日2004年11月26日
发明者米哈伊·A·T·森杜拉努, 爱德华·F·斯蒂克福特 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司