一种低电压，折叠式电流信号调制器的制造方法
一种低电压，折叠式电流信号调制器的制造方法
【专利摘要】一种低电压，折叠式电流信号调制器，提供一个低电压，折叠式电流信号的调制器来降低输出信号中的失真。信号调制器具有一个差分放大器，接收第一输入信号，并将其转换为电流，电流放大器具有一个低阻抗输入，并提供一个放大电流信号，以及一个差分对电路，接收第二输入信号并由第二信号调制放大电流信号。
【专利说明】一种低电压，折叠式电流信号调制器
【技术领域】:
[0001]本发明涉及一种用于信号调制的装置和方法。更具体地，本发明涉及一种低电压，电流折叠信号调制器电路的装置和方法。
【背景技术】:
[0002]信号调制器电路将第一信号和第二信号相乘，并可用来将第一信号的频率分量从一个频带转换到另一个频带。例如，一个信号调制器电路可用于通过一个高频载波信号(第二信号)调制低频基带信号(第一信号)，如将电话信号从约300—3400赫兹的频率分量调制到一个较高的频率载波信号(例如2兆赫的载波信号)。一个调制器也可用来在长距离传输中将一个低频声音信号转换为高频无线电载波信号。将一个信号调制为一个更高的频率载波信号的过程称为上拉转换。一个信号调制器也可用于将信号下拉转换到较低的频率。
[0003]先前已知的一个信号调制器电路10，通常称为吉尔伯特单元混频器，在图1的原理示意图表中示出。吉尔伯特单元混频器10包括:跨导放大器12和交叉耦合的差分对14。吉尔伯特单元混频器10接收差分第一信号(VIN+-VIN_)和第二信号(Vw-Vm )，并提供差分输出信号aUT+-vTOT_)。第一信号(VIN+-VIN_)可以是基带信号，且第二信号(νω-Vw )可以是由一个本机振荡器产生的高频调制信号。输出信号(Votjt+-VmjtO是调制的输出。
[0004]跨导放大器12包括电流源11，发射极电阻器13Α和13Β，晶体管15和16。交叉耦合的差分对14包括差分对晶体管17和18，差分对晶体管19和20，以及电阻器21和22。差分对晶体管17和18与差分对晶体管19和20交叉耦合。
[0005]晶体管15的集电极耦合到晶体管17和18，基极耦合到输入电压VIN+，发射极耦合到电阻器13A的第一端子。晶体管16的集电极耦合到晶体管19和20的发射极，基极耦合到输入端VIN-，发射极耦合到电阻器13B的第一端子。电阻13A和13B的第二端子通过电流源11耦合接地。晶体管17的基极耦合到输入Vw以及集电极通过电阻21耦合到电源电压\c。晶体管18的基极耦合到输AVw且集电极通过电阻器22耦合到电源电压V。。。晶体管19的基极耦合到输入Vw以及集电极通过电阻21耦合到电源电压\c。晶体管20的基极耦合到输入Vm，以及集电极通过电阻器22耦合到电源电压\c。晶体管17和20分别提供了调制输出信号Votit+和Vtot'跨导放大器12将差分信号(Vm-Vm)转换为差分电流信号Ix=(Ix+-1xOo交叉耦合差分对电路14通过第二信号(νω-νω )调制差分电流信号(Ιχ+-Ιχ_)，产生差分输出信号(VoUT+-VoUT_)。
[0006]对于许多应用程序(例如，电池供电的移动电话)，希望可以实现一个信号调制器，消耗尽可能少的功率，从而最大限度地减少其能源需求。一个信号调制器电路的功耗与给电路供能的电源电压成比例。因此，使用较低的电源电压有利地减少电路的功耗。但是，在吉尔伯特单元混频器上固有的限制设置电路上电源电压的下限值。
[0007]例如，在电路10中，电源电压Vcc可以被表示为:
(I)
[0008]其中VK_21是电阻21两端的电压降，Vra_17是晶体管17的集电极-发射极电压，Vra_15是晶体管15的集电极-发射极电压，VK_13A是电阻器两端的电压降，V1^11是电流源11的两端的电压降。当晶体管17和15的集电极-发射极电压低于VCE_SAT (例如，0.4伏)时，它们进入饱和状态。如果Vin+有一个1.4伏的直流电压和一个±0.25的摆幅电压(即，Vin+有1.65伏的一个最大值和1.15伏的一个最低值)，VCE_15应该比VCE_SAT加上摆幅电压Vin+更大。因此，Vc^15至少为0.65伏，以防止晶体管15进入饱和状态并导致Vmjt上的失真。如果Vio+有一个200mV的摆幅电压,然后VeE_17应该至少为0.60伏(即VeE_SAT200毫伏)，以防止晶体管17进入饱和状态。VK_2i可以是，例如，0.5伏Jhi通常是0.4~0.6伏，VE_13A等于Vin+ (例如，0.25伏特)的摆幅电压。对于这些示例性的信号值，Vcc必须至少为2.4-2.6伏。
[0009]如果使用较低的电源电压，输出信号Vot和Vot可能没有足够的空间来达到其峰值幅度。另外，低电源电压可能会导致电路10中的晶体管饱和，产生一个非线性的输出响应，导致输出信号的失真aUT+-vOTT_)。随着低电源电压，电路?ο上的晶体管大的饱和值为Vin+和VIN_。因此，降低电源电压导致一个权衡:节省电源，电源电压降低的越多，输出信号中出现的失真越多。因此，VIN+和Vra的峰值幅度和输出信号Votit+和Vtj‘的最大失真要求约束条件是设置电路10的电源电压的下限。
[0010]然而，提供信号调制器电路是可取的，比先前已知的吉尔伯特单元混频器电路消耗更少的功率，如电路10。特别地，提供工作在低电源电压上的低功率消耗的信号调制器电路也是可取的。
[0011]提供信号调制器电路产生一个输出信号也将是可取的，其减少低电源电压中的失真。
[0012]提供信号调制器电路还是可取的，其允许在低电源电压中更大的输入电压波动。
【发明内容】
:
[0013]本发明的一个目的是提供工作在低电源电压上的低功率消耗的信号调制器电路。
[0014]本发明的另一个目的是提供信号调制器电路产生一个输出信号，减少低电源电压中的失真。
[0015]本发明的另一个目的是提供信号调制器的电路，允许在低电源电压中更大的输入电压波动。
[0016]本发明的技术解决方案:
[0017]本发明的目的和其他一些目的被一种信号调制器电路达到，包括一个跨导放大器，一个电流放大器和一个差分对电路。跨导放大器将第一电压信号转换成一个电流信号。电流放大器具有低输入阻抗且提供电流输出信号。差分对电路通过第二信号调制电流放大器的电流输出信号，产生一个最小失真的频率调制的输出信号。本发明的调制器电路可以工作在低电源电压而不破坏调制信号的完整性。
[0018]本发明的方法包括:产生一个随第一信号变化的电流信号，放大电流信号，且通过第二信号调制放大电流信号，产生一个调制的输出信号。
[0019]对比专利文献:CN202772857U脉宽调制器设备201220160793.X
【专利附图】
【附图说明】:
[0020]下面将更详尽的描述本发明的上述目的和优点，采取相应的【专利附图】
【附图说明】，各元件的参考符号都在图中标明。
[0021]图1是现有技术的吉尔伯特单元混频器信号调制器电路的一个框图；
[0022]图2是根据本发明原理的信号调制器的说明性实施例的一个方框图；
[0023]图3是根据本发明原理的信号调制器的说明性实施例的一个原理图；
[0024]图4A和图4B是图3中信号调制器的说明性波形图；
[0025]图5是根据本发明原理的信号调制器的另一个说明性实施例的一个原理图。
【具体实施方式】:
[0026]本发明改进了图1中的吉尔伯特单元混频器。参照图2，对根据本发明原理的信号调制器电路的说明性实施例进行描述。信号调制器电路30包括跨导放大器24，电流放大器26,差分对电路28。跨导放大器24将第一信号Vin从电压信号转换为电流信号IA。电流放大器26具有低输入阻抗和放大电流信号IA，为差分对电路28提供信号IB。差分对电路28通过第二信号Vuj调制放大电流信号Ib，产生一个调制的输出信号VOTT。正如下面更详细的描述，信号调制器30可以工作在低电源电压，因为电源电压施加在跨导放大器24两端，与差分对电路28和电流放大器26并联。信号调制器30也产生低失真的调制的输出信号Vout,因为电流放大器26具有低输入阻抗。
[0027]参照图3，描述了图2电路的一个说明性原理图。信号调制电路30接收差分信号Vin= (VIN+-VIN_)和第二信号 Vuj= (Vlo+-Vlo-),并提供差分输出信号 Vtot= (ν^^-ν.—)。信号 Vra可能是低频率的基带信号且信号Vm可能是一个高频载波信号。信号VIN、Vlo和Vott可能是时变信号(即交流电)。
[0028]信号调制器电路30包括跨导放大器24，电流放大器26和差分对电路28。跨导放大器24接收差分信号Vin= (Vra-Vra ),并提供差分电流Ia= (IA+-1A_)。电流放大器26具有低输入阻抗且接收电流ΙΑ=(ΙΑ+-ΙΑ0，并提供放大电流ΙΒ=(ΙΒ+-ΙΒ0。差分对电路28接收放大电流Ib= (Ib+-1bO和第二信号Vuj= (νω-νω )，并提供调制的输出信号Vot= (V0UT+-V0UT-)o
[0029]跨导放大器24包括晶体管36和38，电流源32、44和46，以及发射极电阻器34A和34B。例如，如图3所不，晶体管36和38可以是双极结型晶体管(BJTs)。另外，晶体管36和38可以是金属氧化物场效应晶体管(场效应管)或其它合适的晶体管。晶体管36的集电极通过电流源44耦合到正电源V。。，基极耦合到输入电压VIN+，发射极耦合到发射极电阻器34A的第一端子。晶体管38的集电极通过电流源46耦合到正电源V。。，基极耦合到输入Vra,发射极耦合到发射极电阻器34B的第一端子。发射极电阻34A和34B的第二端子通过电流源32耦合接地。
[0030]电流源44和46实质上输出相同的电流12。电流源32可以输出的电流I3是等于或小于电流I2 (如I3 ^ 0.9512)。跨导放大器24将差分第一信号Vin= (VIN+_VIN_)转换成差分电流 Ia= (Ia+-1a_)°
[0031]只要晶体管36和38不饱和，电流Ia随Vin线性变化。如果晶体管36或38饱和，电流信号Ia= (IA+-1A_)且输出信号Vqut可能会失真。在线性工作区中，Ia= (Ia+-1a_)和Vin之间的关系可以表示为:(I/O = Kl (VIN+-VIN_) (2)。
[0032]其中Kl是跨导放大器24的放大系数。基于电路参数的Vin在一定范围内保持这种关系。例如，如果Vin+和Vra具有最大值为1.45伏，I2 = 360 μ A, I3 = 340 μ A, I4 = I5=25 μ A，电阻34A和34B都等于2K Ω，电阻48和58都等于8K Ω，则电流Ia随Vin线性变化为Vin= (Vra-Vra)≤500mV峰-峰值。下面将讨论工作的线性范围内的电路参数的效果。
[0033]电流I1+和If是晶体管36和38的集电极电流。如果Vin+上升超过VIN_，电流I1+增加+Q且电流Ι1降低-Q。电流I1+增加+Q的响应中，电流Ia+降低-Q，因为电流源44输出的电流I2是恒定的。电流I1减少-Q的响应中，电流If增加+Q，因为电流源46输出的电流I2是恒定的。
[0034]另一方面，如果V‘增加超过VIN+，电流If增加+Q且电流I1+减小-Q。在电流I1+减少Q的响应中，因为电流源44输出的电流I2是恒定的，电流Ia+增加+Q。在电流Ι 增加+Q的响应，电流If减小-Q，因为电流源46输出的电流I2是恒定的。跨导放大器24和电流放大器26之间随Vin变化的电流源44和46的电流转移被称为电流折叠。电流IA=( IA+_IA_)是电流折叠信号。
[0035]如果晶体管36饱和或者晶体管38饱和，跨导放大器24可能出现失真。如果晶体管36的集电极-发射极电压下降低于晶体管36的VeE_SAT (例如,0.4伏)，晶体管36饱和。如果晶体管38的集电极-发射极电压下降低于晶体管38的Vra_SAT (例如，0.4伏)，晶体管38饱和。发射极电阻器34A和34B引入到差分放大器的射极负反馈，使电压线性转换到电流，并减少信号Ia+和IA_的失真。但是，射极电阻器34A和34B是可选择的并可以从电路30省略。
[0036]电流放大器26具有低输入阻抗且放大电流信号Ia= (Ia+-1a_)产生电流信号Ib=(IB+-1;)。电流放大器26包括晶体管50、52、60和62，电阻器48和58，电流源54和64。晶体管50、52、60和62，例如，可以是如图3所示的双极结型晶体管。另外，晶体管50、52、60和62可以是场效应管或其它合适的晶体管。如图3所示，晶体管50的集电极耦合到晶体管36的集电极，基极耦合到电阻器48的第一端子和晶体管52的基极，发射极耦合接地。电阻48的第二端子耦合到晶体管50的集电极。晶体管52的集电极耦合到差分对电路28，基极通过电流源54耦合接地，发射极耦合接地。晶体管60具有的集电极耦合到晶体管38的集电极，基极耦合到电阻器58的第一端子和晶体管62的基极，发射极耦合接地。电阻器58的第二端子耦合到晶体管60的集电极。晶体管62的集电极耦合到差分对电路28，基极通过电流源64耦合接地，发射极耦合接地。
[0037]电流放大器26具有低输入阻抗并提供电流增益。低输入阻抗，扩展了晶体管36和38的线性工作范围，以至于较大的输入信号Vin+和VIN_不引起晶体管36和38饱和。节点40和42的阻抗表示如下:
[0038]
【权利要求】
1.一种低电压，折叠式电流信号调制器，其特征是:一种电路，在输出节点处产生的一个输出信号，与第一信号节点处的第一信号成正比，其由第二节点处的第二信号调制，该电路包括:一个跨导放大器电路，它包括一个输入端稱合到第一信号节点；一个电流镜电路耦合到跨导放大器的输出，电流镜电路包括一个反馈电路；以及一个差分对电路，其包括第一输入端耦合到第二信号节点，第二输入端耦合到电流镜电路的输出，一个输出端耦合到输出节点，该电流镜像电路包括:具有第一、第二和第三端子的第一晶体管，具有第一、第二和第三端子的第二晶体管；所述第一和第二晶体管是双极结型晶体管，第二晶体管的基极-发射极结面积大于第一晶体管的基极-发射极结面积，第一和第二晶体管是金属氧化物半导体场效应晶体管，第二晶体管的栅极宽度与长度的比值大于第一晶体管的栅极宽度与长度的比值；所述第一晶体管的第一、第二和第三端子分别包括集电极、基极和发射极的端子，所述第二晶体管的第一、第二和第三端子分别包括集电极、基极和发射极的端子；所述第一晶体管的第一、第二和第三端子分别包括漏极、栅极和源极的端子，所述第二晶体管的第一、第二和第三端子分别包括漏极、栅极和源极的端子；所述反馈电路包括一个电阻，从第一晶体管的第一端子耦合到第一和第二晶体管的每个第二端子，电流镜电路还包括一个电流源，从第一和第二晶体管的每个第二端子耦合到所述第一和第二晶体管的每个第三端，所述电流镜电路还包括第三和第四晶体管，每个都包括第一、第二和第三端子。
2.根据权利要求1所述的一种低电压，折叠式电流信号调制器，其特征是:所述第一、第二、第三和第四晶体管是双极结型晶体管，第二晶体管的基极-发射极结面积大于第一晶体管的基极-发射极结面积，第四晶体管的基极-发射极结面积大于第三晶体管的基极-发射极结面积；第一、第二、第三和第四晶体管是金属氧化物半导体场效应晶体管，第二晶体管的栅极宽度与长度的比值大于第一晶体管的栅极宽度与长度的比值，第四晶体管的栅极宽度与长度的比值大于第三晶体管的栅极宽度与长度的比值；所述第一、第二、第三和第四晶体管中的每一个第一、第二和第三端子分别包括集电极、基极和发射极的端子；所述第一、第二、第三和第四晶体管中的每一个第一、第二和第三端子分别包括漏极、栅极和源极的端子；所述反馈电路包括第一和第二反馈电路，其特征在于:所述第一反馈电路包括第一电阻器，从第一晶体管的第一端子耦合到第一和第二晶体管的每个第二端子；且所述第二反馈电路包括第二电阻器，从第三晶体管的第一端子耦合到第三和第四晶体管的每个第二端子；电流镜电路还包括一个第一电流源，从第一和第二晶体管的每个第二端子耦合到第一和第二晶体管的每个第三端，第二电流源从第三和第四晶体管的每个第二端子耦合第三和第四晶体管的每个第三端子。
3.根据权利要求1所述的一种低电压，折叠式电流信号调制器，其特征是:所述差分对电路还包括:第一和第二晶体管各具有第一、第二和第三端子，所述输出端，差分对电路的第一输入端和第二输入端分别包括第一和第二晶体管的每个第一、第二和第三端子；所述第一和第二晶体管由双极结型晶体管组成，也由金属氧化物半导体场效应晶体管组成；所述差分对电路还包括:一对第二输入端分别稱合到电流镜电路的第一和第二输出端；第三和第四晶体管各具有第一、第二和第三端子，所述第三晶体管的第一端子耦合到第一晶体管的第一端子，第三晶体管的第二端子耦合到第二晶体管的第二端子，第四晶体管的第一端子耦合到第二晶体管的第一端子，第四晶体管的第二端子耦合到第一晶体管的第二端子，第一和第二晶体管的每个第三端子耦合到电流镜电路的第一输出端，第三和第四晶体管的每个第三端子耦合到电流镜电路的第二输出端；第一、第二、第三和第四晶体管是双极结型晶体管；第一、第二、第三和第四晶体管是金属氧化物半导体场效应晶体管。
4.根据权利要求1所述的一种低电压，折叠式电流信号调制器，其特征是:用于产生正比于第一电压信号的输出信号的方法，其由第二信号调制，所述方法包括:使用一个跨导放大器将第一电压信号转换为第一电流信号；使用具有一个反馈电路的一个电流镜电路放大第一电流信号来提供第二电流信号；且第二信号使用一个差分对电路来放大第二电流信号；将第一电压信号转换到第一电流信号的方法还包括使用跨导放大器与差分对晶体管将差分的第一电压信号转换为差分的第一电流信号；所述电流镜电路包括:具有第一、第二和第三端子的第一晶体管以及具有第一、第二和第三端子的第二晶体管；所述第一和第二晶体管是双极结型晶体管，第二晶体管的基极-发射极结面积大于第一晶体管的基极-发射极结面积；第一和第二晶体管是金属氧化物半导体场效应晶体管，第二晶体管的栅极宽度与长度的比值大于第一晶体管的栅极宽度与长度的比值；所述第一晶体管的第一、第二和第三端子分别包括集电极、基极和发射极的端子，所述第二晶体管的第一、第二和第三端子分别包括 集电极、基极和发射极端子；所述第一晶体管的第一、第二和第三端子分别包括漏极、栅极和源极的端子，所述第二晶体管的第一、第二和第三端子分别包括漏极、栅极和源极的端子；所述反馈电路包括一个电阻，从第一晶体管的第一端子耦合到第一和第二晶体管的每个第二端子，电流镜电路还包括一个电流源，从第一和第二晶体管的每个第二端子耦合到第一和第二晶体管的每个第三端。
5.根据权利要求1所述的一种低电压，折叠式电流信号调制器，其特征是:所述电流镜电路还包括第三和第四晶体管，每一个都包括第一、第二和第三端子；第一、第二、第三和第四晶体管是双极结型晶体管，第二晶体管的基极-发射极结面积大于第一晶体管的基极-发射极结面积，第四晶体管的基极-发射极结面积大于第三晶体管的基极-发射极结面积；第一、第二、第三和第四晶体管是金属氧化物半导体场效应晶体管，第二晶体管的栅极宽度与长度的比值大于第一晶体管的栅极宽度与长度的比值，第四晶体管的栅极宽度与长度的比值是大于第三晶体管的栅极宽度与长度的比值；所述第一、第二、第三和第四晶体管的每个第一、第二和第三端子分别包括集电极、基极和发射极的端子；所述第一、第二、第三和第四晶体管的每个第一、第二和第三端子分别包括漏极、栅极和源极的端子；所述反馈电路包括第一和第二反馈电路，其特征在于，所述第一反馈电路包括第一电阻器，从第一晶体管的第一端子耦合到第一和第二晶体管的每个第二端子；其中，所述第二反馈电路包括第二电阻器，从第三晶体管的第一端子耦合到第三和第四晶体管的每个第二端子；所述电流镜电路，还包括第一电流源，从第一和第二晶体管的每个第二端子耦合到第一和第二晶体管的每个第三端子，第二电流源，从第三和第四晶体管的第二端子耦合到第三和第四晶体管的每个第三端子。
6.根据权利要求1所述的一种低电压，折叠式电流信号调制器，其特征是:所述差分对电路还包括:第一和第二晶体管各具有第一、第二和第三端子；所述第一和第二晶体管由双极结型晶体管组成，也由金属氧化物半导体场效应晶体管组成；所述差分对电路还包括:一对第二输入端分别I禹合到电流镜电路的第一和第二输出端；第三和第四晶体管各具有第一、第二和第三端子，所述第三晶体管的第一端子耦合到第一晶体管的第一端子，第三晶体管的第二端子耦合到第二晶体管的第二端子，第四晶体管的第一端子耦合到第二晶体管的第一端子，第四晶体管的第二端子耦合到第一晶体管的第二端子，第一和第二晶体管的每个第三端子耦合到电流镜电路的第一输出端，第三和第四晶体管的每个第三端子耦合到电流镜电路的第二输出端；第一、第二、第三和第四晶体管是双极结型晶体管；第一、第二、第三和第四晶体管是金属氧化物半导体场效应晶体管。
7.根据权利要求1所述的一种低电压，折叠式电流信号调制器，其特征是:产生一个正比于第一时变电压信号的输出信号的方法，其由第二时变信号调制，该方法包括:将第一时变电压信号转换为第一电流信号；折叠第一电流信号来产生一个折叠式电流信号；给电流折叠信号提供负反馈放大来限制电流折叠信号中的失真；放大折叠式电流信号来产生一个放大电流信号；通过第二时变信号乘以放大电流信号来产生输出信号；所述将第一时变电压信号转换为第一电流信号的方法，还包括使用一个具有输出的跨导放大器将第一时变电压信号转换为一个第一电流信号；为折叠式电流信号提供负反馈，还包括限制跨导放大器的输出摆幅电压的峰-峰值振幅；所述折叠式电流信号放大的方法，还包括使用一个电流镜电路来放大折叠式电流信号；所述放大电流信号乘以第二时变信号的方法，还包括使用一个差分对电路将放大电流信号乘以第二时变信号。
8.根据权利要求1所述的一种低电压，折叠式电流信号调制器，其特征是:一种改进的信号调制器电路，该电路在输出节点处产生一个与第一信号节点处的第一信号成正比的输出信号，其由第二节点处的第二信号调制，信号调制器具有的(I)跨导放大器电路耦合到第一信号节点，(2) 一个差分对电路耦合到第二信号节点和输出节点，其改进包括:一个电流放大器电路包括一个电流镜电路稱合到跨导放大器和差分对的输出端，电流镜电路包括一个反馈电路耦合到跨导放大器的输出；所述电流镜电路包括第一和第二晶体管；所述第一和第二晶体管是双极结型晶体管，第二晶体管的基极-发射极结面积大于第一晶体管的基极-发射极结面积；第一和第二晶体管是金属氧化物半导体场效应晶体管，第二晶体管的栅极宽度与长度的比值大于 第一晶体管的栅极宽度与长度的比值；所述电流镜电路还包括第三和第四晶体管；所述差分对电路还包括两个交叉耦合的差分对，每个差分对由两个晶体管组成。
【文档编号】H03K7/08GK103647532SQ201310612797
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年11月26日 优先权日:2013年11月26日
【发明者】不公告发明人 申请人:苏州贝克微电子有限公司
【专利摘要】一种低电压，折叠式电流信号调制器，提供一个低电压，折叠式电流信号的调制器来降低输出信号中的失真。信号调制器具有一个差分放大器，接收第一输入信号，并将其转换为电流，电流放大器具有一个低阻抗输入，并提供一个放大电流信号，以及一个差分对电路，接收第二输入信号并由第二信号调制放大电流信号。
【专利说明】一种低电压，折叠式电流信号调制器
【技术领域】:
[0001]本发明涉及一种用于信号调制的装置和方法。更具体地，本发明涉及一种低电压，电流折叠信号调制器电路的装置和方法。
【背景技术】:
[0002]信号调制器电路将第一信号和第二信号相乘，并可用来将第一信号的频率分量从一个频带转换到另一个频带。例如，一个信号调制器电路可用于通过一个高频载波信号(第二信号)调制低频基带信号(第一信号)，如将电话信号从约300—3400赫兹的频率分量调制到一个较高的频率载波信号(例如2兆赫的载波信号)。一个调制器也可用来在长距离传输中将一个低频声音信号转换为高频无线电载波信号。将一个信号调制为一个更高的频率载波信号的过程称为上拉转换。一个信号调制器也可用于将信号下拉转换到较低的频率。
[0003]先前已知的一个信号调制器电路10，通常称为吉尔伯特单元混频器，在图1的原理示意图表中示出。吉尔伯特单元混频器10包括:跨导放大器12和交叉耦合的差分对14。吉尔伯特单元混频器10接收差分第一信号(VIN+-VIN_)和第二信号(Vw-Vm )，并提供差分输出信号aUT+-vTOT_)。第一信号(VIN+-VIN_)可以是基带信号，且第二信号(νω-Vw )可以是由一个本机振荡器产生的高频调制信号。输出信号(Votjt+-VmjtO是调制的输出。
[0004]跨导放大器12包括电流源11，发射极电阻器13Α和13Β，晶体管15和16。交叉耦合的差分对14包括差分对晶体管17和18，差分对晶体管19和20，以及电阻器21和22。差分对晶体管17和18与差分对晶体管19和20交叉耦合。
[0005]晶体管15的集电极耦合到晶体管17和18，基极耦合到输入电压VIN+，发射极耦合到电阻器13A的第一端子。晶体管16的集电极耦合到晶体管19和20的发射极，基极耦合到输入端VIN-，发射极耦合到电阻器13B的第一端子。电阻13A和13B的第二端子通过电流源11耦合接地。晶体管17的基极耦合到输入Vw以及集电极通过电阻21耦合到电源电压\c。晶体管18的基极耦合到输AVw且集电极通过电阻器22耦合到电源电压V。。。晶体管19的基极耦合到输入Vw以及集电极通过电阻21耦合到电源电压\c。晶体管20的基极耦合到输入Vm，以及集电极通过电阻器22耦合到电源电压\c。晶体管17和20分别提供了调制输出信号Votit+和Vtot'跨导放大器12将差分信号(Vm-Vm)转换为差分电流信号Ix=(Ix+-1xOo交叉耦合差分对电路14通过第二信号(νω-νω )调制差分电流信号(Ιχ+-Ιχ_)，产生差分输出信号(VoUT+-VoUT_)。
[0006]对于许多应用程序(例如，电池供电的移动电话)，希望可以实现一个信号调制器，消耗尽可能少的功率，从而最大限度地减少其能源需求。一个信号调制器电路的功耗与给电路供能的电源电压成比例。因此，使用较低的电源电压有利地减少电路的功耗。但是，在吉尔伯特单元混频器上固有的限制设置电路上电源电压的下限值。
[0007]例如，在电路10中，电源电压Vcc可以被表示为:
(I)
[0008]其中VK_21是电阻21两端的电压降，Vra_17是晶体管17的集电极-发射极电压，Vra_15是晶体管15的集电极-发射极电压，VK_13A是电阻器两端的电压降，V1^11是电流源11的两端的电压降。当晶体管17和15的集电极-发射极电压低于VCE_SAT (例如，0.4伏)时，它们进入饱和状态。如果Vin+有一个1.4伏的直流电压和一个±0.25的摆幅电压(即，Vin+有1.65伏的一个最大值和1.15伏的一个最低值)，VCE_15应该比VCE_SAT加上摆幅电压Vin+更大。因此，Vc^15至少为0.65伏，以防止晶体管15进入饱和状态并导致Vmjt上的失真。如果Vio+有一个200mV的摆幅电压,然后VeE_17应该至少为0.60伏(即VeE_SAT200毫伏)，以防止晶体管17进入饱和状态。VK_2i可以是，例如，0.5伏Jhi通常是0.4~0.6伏，VE_13A等于Vin+ (例如，0.25伏特)的摆幅电压。对于这些示例性的信号值，Vcc必须至少为2.4-2.6伏。
[0009]如果使用较低的电源电压，输出信号Vot和Vot可能没有足够的空间来达到其峰值幅度。另外，低电源电压可能会导致电路10中的晶体管饱和，产生一个非线性的输出响应，导致输出信号的失真aUT+-vOTT_)。随着低电源电压，电路?ο上的晶体管大的饱和值为Vin+和VIN_。因此，降低电源电压导致一个权衡:节省电源，电源电压降低的越多，输出信号中出现的失真越多。因此，VIN+和Vra的峰值幅度和输出信号Votit+和Vtj‘的最大失真要求约束条件是设置电路10的电源电压的下限。
[0010]然而，提供信号调制器电路是可取的，比先前已知的吉尔伯特单元混频器电路消耗更少的功率，如电路10。特别地，提供工作在低电源电压上的低功率消耗的信号调制器电路也是可取的。
[0011]提供信号调制器电路产生一个输出信号也将是可取的，其减少低电源电压中的失真。
[0012]提供信号调制器电路还是可取的，其允许在低电源电压中更大的输入电压波动。
【发明内容】
:
[0013]本发明的一个目的是提供工作在低电源电压上的低功率消耗的信号调制器电路。
[0014]本发明的另一个目的是提供信号调制器电路产生一个输出信号，减少低电源电压中的失真。
[0015]本发明的另一个目的是提供信号调制器的电路，允许在低电源电压中更大的输入电压波动。
[0016]本发明的技术解决方案:
[0017]本发明的目的和其他一些目的被一种信号调制器电路达到，包括一个跨导放大器，一个电流放大器和一个差分对电路。跨导放大器将第一电压信号转换成一个电流信号。电流放大器具有低输入阻抗且提供电流输出信号。差分对电路通过第二信号调制电流放大器的电流输出信号，产生一个最小失真的频率调制的输出信号。本发明的调制器电路可以工作在低电源电压而不破坏调制信号的完整性。
[0018]本发明的方法包括:产生一个随第一信号变化的电流信号，放大电流信号，且通过第二信号调制放大电流信号，产生一个调制的输出信号。
[0019]对比专利文献:CN202772857U脉宽调制器设备201220160793.X
【专利附图】
【附图说明】:
[0020]下面将更详尽的描述本发明的上述目的和优点，采取相应的【专利附图】
【附图说明】，各元件的参考符号都在图中标明。
[0021]图1是现有技术的吉尔伯特单元混频器信号调制器电路的一个框图；
[0022]图2是根据本发明原理的信号调制器的说明性实施例的一个方框图；
[0023]图3是根据本发明原理的信号调制器的说明性实施例的一个原理图；
[0024]图4A和图4B是图3中信号调制器的说明性波形图；
[0025]图5是根据本发明原理的信号调制器的另一个说明性实施例的一个原理图。
【具体实施方式】:
[0026]本发明改进了图1中的吉尔伯特单元混频器。参照图2，对根据本发明原理的信号调制器电路的说明性实施例进行描述。信号调制器电路30包括跨导放大器24，电流放大器26,差分对电路28。跨导放大器24将第一信号Vin从电压信号转换为电流信号IA。电流放大器26具有低输入阻抗和放大电流信号IA，为差分对电路28提供信号IB。差分对电路28通过第二信号Vuj调制放大电流信号Ib，产生一个调制的输出信号VOTT。正如下面更详细的描述，信号调制器30可以工作在低电源电压，因为电源电压施加在跨导放大器24两端，与差分对电路28和电流放大器26并联。信号调制器30也产生低失真的调制的输出信号Vout,因为电流放大器26具有低输入阻抗。
[0027]参照图3，描述了图2电路的一个说明性原理图。信号调制电路30接收差分信号Vin= (VIN+-VIN_)和第二信号 Vuj= (Vlo+-Vlo-),并提供差分输出信号 Vtot= (ν^^-ν.—)。信号 Vra可能是低频率的基带信号且信号Vm可能是一个高频载波信号。信号VIN、Vlo和Vott可能是时变信号(即交流电)。
[0028]信号调制器电路30包括跨导放大器24，电流放大器26和差分对电路28。跨导放大器24接收差分信号Vin= (Vra-Vra ),并提供差分电流Ia= (IA+-1A_)。电流放大器26具有低输入阻抗且接收电流ΙΑ=(ΙΑ+-ΙΑ0，并提供放大电流ΙΒ=(ΙΒ+-ΙΒ0。差分对电路28接收放大电流Ib= (Ib+-1bO和第二信号Vuj= (νω-νω )，并提供调制的输出信号Vot= (V0UT+-V0UT-)o
[0029]跨导放大器24包括晶体管36和38，电流源32、44和46，以及发射极电阻器34A和34B。例如，如图3所不，晶体管36和38可以是双极结型晶体管(BJTs)。另外，晶体管36和38可以是金属氧化物场效应晶体管(场效应管)或其它合适的晶体管。晶体管36的集电极通过电流源44耦合到正电源V。。，基极耦合到输入电压VIN+，发射极耦合到发射极电阻器34A的第一端子。晶体管38的集电极通过电流源46耦合到正电源V。。，基极耦合到输入Vra,发射极耦合到发射极电阻器34B的第一端子。发射极电阻34A和34B的第二端子通过电流源32耦合接地。
[0030]电流源44和46实质上输出相同的电流12。电流源32可以输出的电流I3是等于或小于电流I2 (如I3 ^ 0.9512)。跨导放大器24将差分第一信号Vin= (VIN+_VIN_)转换成差分电流 Ia= (Ia+-1a_)°
[0031]只要晶体管36和38不饱和，电流Ia随Vin线性变化。如果晶体管36或38饱和，电流信号Ia= (IA+-1A_)且输出信号Vqut可能会失真。在线性工作区中，Ia= (Ia+-1a_)和Vin之间的关系可以表示为:(I/O = Kl (VIN+-VIN_) (2)。
[0032]其中Kl是跨导放大器24的放大系数。基于电路参数的Vin在一定范围内保持这种关系。例如，如果Vin+和Vra具有最大值为1.45伏，I2 = 360 μ A, I3 = 340 μ A, I4 = I5=25 μ A，电阻34A和34B都等于2K Ω，电阻48和58都等于8K Ω，则电流Ia随Vin线性变化为Vin= (Vra-Vra)≤500mV峰-峰值。下面将讨论工作的线性范围内的电路参数的效果。
[0033]电流I1+和If是晶体管36和38的集电极电流。如果Vin+上升超过VIN_，电流I1+增加+Q且电流Ι1降低-Q。电流I1+增加+Q的响应中，电流Ia+降低-Q，因为电流源44输出的电流I2是恒定的。电流I1减少-Q的响应中，电流If增加+Q，因为电流源46输出的电流I2是恒定的。
[0034]另一方面，如果V‘增加超过VIN+，电流If增加+Q且电流I1+减小-Q。在电流I1+减少Q的响应中，因为电流源44输出的电流I2是恒定的，电流Ia+增加+Q。在电流Ι 增加+Q的响应，电流If减小-Q，因为电流源46输出的电流I2是恒定的。跨导放大器24和电流放大器26之间随Vin变化的电流源44和46的电流转移被称为电流折叠。电流IA=( IA+_IA_)是电流折叠信号。
[0035]如果晶体管36饱和或者晶体管38饱和，跨导放大器24可能出现失真。如果晶体管36的集电极-发射极电压下降低于晶体管36的VeE_SAT (例如,0.4伏)，晶体管36饱和。如果晶体管38的集电极-发射极电压下降低于晶体管38的Vra_SAT (例如，0.4伏)，晶体管38饱和。发射极电阻器34A和34B引入到差分放大器的射极负反馈，使电压线性转换到电流，并减少信号Ia+和IA_的失真。但是，射极电阻器34A和34B是可选择的并可以从电路30省略。
[0036]电流放大器26具有低输入阻抗且放大电流信号Ia= (Ia+-1a_)产生电流信号Ib=(IB+-1;)。电流放大器26包括晶体管50、52、60和62，电阻器48和58，电流源54和64。晶体管50、52、60和62，例如，可以是如图3所示的双极结型晶体管。另外，晶体管50、52、60和62可以是场效应管或其它合适的晶体管。如图3所示，晶体管50的集电极耦合到晶体管36的集电极，基极耦合到电阻器48的第一端子和晶体管52的基极，发射极耦合接地。电阻48的第二端子耦合到晶体管50的集电极。晶体管52的集电极耦合到差分对电路28，基极通过电流源54耦合接地，发射极耦合接地。晶体管60具有的集电极耦合到晶体管38的集电极，基极耦合到电阻器58的第一端子和晶体管62的基极，发射极耦合接地。电阻器58的第二端子耦合到晶体管60的集电极。晶体管62的集电极耦合到差分对电路28，基极通过电流源64耦合接地，发射极耦合接地。
[0037]电流放大器26具有低输入阻抗并提供电流增益。低输入阻抗，扩展了晶体管36和38的线性工作范围，以至于较大的输入信号Vin+和VIN_不引起晶体管36和38饱和。节点40和42的阻抗表示如下:
[0038]
【权利要求】
1.一种低电压，折叠式电流信号调制器，其特征是:一种电路，在输出节点处产生的一个输出信号，与第一信号节点处的第一信号成正比，其由第二节点处的第二信号调制，该电路包括:一个跨导放大器电路，它包括一个输入端稱合到第一信号节点；一个电流镜电路耦合到跨导放大器的输出，电流镜电路包括一个反馈电路；以及一个差分对电路，其包括第一输入端耦合到第二信号节点，第二输入端耦合到电流镜电路的输出，一个输出端耦合到输出节点，该电流镜像电路包括:具有第一、第二和第三端子的第一晶体管，具有第一、第二和第三端子的第二晶体管；所述第一和第二晶体管是双极结型晶体管，第二晶体管的基极-发射极结面积大于第一晶体管的基极-发射极结面积，第一和第二晶体管是金属氧化物半导体场效应晶体管，第二晶体管的栅极宽度与长度的比值大于第一晶体管的栅极宽度与长度的比值；所述第一晶体管的第一、第二和第三端子分别包括集电极、基极和发射极的端子，所述第二晶体管的第一、第二和第三端子分别包括集电极、基极和发射极的端子；所述第一晶体管的第一、第二和第三端子分别包括漏极、栅极和源极的端子，所述第二晶体管的第一、第二和第三端子分别包括漏极、栅极和源极的端子；所述反馈电路包括一个电阻，从第一晶体管的第一端子耦合到第一和第二晶体管的每个第二端子，电流镜电路还包括一个电流源，从第一和第二晶体管的每个第二端子耦合到所述第一和第二晶体管的每个第三端，所述电流镜电路还包括第三和第四晶体管，每个都包括第一、第二和第三端子。
2.根据权利要求1所述的一种低电压，折叠式电流信号调制器，其特征是:所述第一、第二、第三和第四晶体管是双极结型晶体管，第二晶体管的基极-发射极结面积大于第一晶体管的基极-发射极结面积，第四晶体管的基极-发射极结面积大于第三晶体管的基极-发射极结面积；第一、第二、第三和第四晶体管是金属氧化物半导体场效应晶体管，第二晶体管的栅极宽度与长度的比值大于第一晶体管的栅极宽度与长度的比值，第四晶体管的栅极宽度与长度的比值大于第三晶体管的栅极宽度与长度的比值；所述第一、第二、第三和第四晶体管中的每一个第一、第二和第三端子分别包括集电极、基极和发射极的端子；所述第一、第二、第三和第四晶体管中的每一个第一、第二和第三端子分别包括漏极、栅极和源极的端子；所述反馈电路包括第一和第二反馈电路，其特征在于:所述第一反馈电路包括第一电阻器，从第一晶体管的第一端子耦合到第一和第二晶体管的每个第二端子；且所述第二反馈电路包括第二电阻器，从第三晶体管的第一端子耦合到第三和第四晶体管的每个第二端子；电流镜电路还包括一个第一电流源，从第一和第二晶体管的每个第二端子耦合到第一和第二晶体管的每个第三端，第二电流源从第三和第四晶体管的每个第二端子耦合第三和第四晶体管的每个第三端子。
3.根据权利要求1所述的一种低电压，折叠式电流信号调制器，其特征是:所述差分对电路还包括:第一和第二晶体管各具有第一、第二和第三端子，所述输出端，差分对电路的第一输入端和第二输入端分别包括第一和第二晶体管的每个第一、第二和第三端子；所述第一和第二晶体管由双极结型晶体管组成，也由金属氧化物半导体场效应晶体管组成；所述差分对电路还包括:一对第二输入端分别稱合到电流镜电路的第一和第二输出端；第三和第四晶体管各具有第一、第二和第三端子，所述第三晶体管的第一端子耦合到第一晶体管的第一端子，第三晶体管的第二端子耦合到第二晶体管的第二端子，第四晶体管的第一端子耦合到第二晶体管的第一端子，第四晶体管的第二端子耦合到第一晶体管的第二端子，第一和第二晶体管的每个第三端子耦合到电流镜电路的第一输出端，第三和第四晶体管的每个第三端子耦合到电流镜电路的第二输出端；第一、第二、第三和第四晶体管是双极结型晶体管；第一、第二、第三和第四晶体管是金属氧化物半导体场效应晶体管。
4.根据权利要求1所述的一种低电压，折叠式电流信号调制器，其特征是:用于产生正比于第一电压信号的输出信号的方法，其由第二信号调制，所述方法包括:使用一个跨导放大器将第一电压信号转换为第一电流信号；使用具有一个反馈电路的一个电流镜电路放大第一电流信号来提供第二电流信号；且第二信号使用一个差分对电路来放大第二电流信号；将第一电压信号转换到第一电流信号的方法还包括使用跨导放大器与差分对晶体管将差分的第一电压信号转换为差分的第一电流信号；所述电流镜电路包括:具有第一、第二和第三端子的第一晶体管以及具有第一、第二和第三端子的第二晶体管；所述第一和第二晶体管是双极结型晶体管，第二晶体管的基极-发射极结面积大于第一晶体管的基极-发射极结面积；第一和第二晶体管是金属氧化物半导体场效应晶体管，第二晶体管的栅极宽度与长度的比值大于第一晶体管的栅极宽度与长度的比值；所述第一晶体管的第一、第二和第三端子分别包括集电极、基极和发射极的端子，所述第二晶体管的第一、第二和第三端子分别包括 集电极、基极和发射极端子；所述第一晶体管的第一、第二和第三端子分别包括漏极、栅极和源极的端子，所述第二晶体管的第一、第二和第三端子分别包括漏极、栅极和源极的端子；所述反馈电路包括一个电阻，从第一晶体管的第一端子耦合到第一和第二晶体管的每个第二端子，电流镜电路还包括一个电流源，从第一和第二晶体管的每个第二端子耦合到第一和第二晶体管的每个第三端。
5.根据权利要求1所述的一种低电压，折叠式电流信号调制器，其特征是:所述电流镜电路还包括第三和第四晶体管，每一个都包括第一、第二和第三端子；第一、第二、第三和第四晶体管是双极结型晶体管，第二晶体管的基极-发射极结面积大于第一晶体管的基极-发射极结面积，第四晶体管的基极-发射极结面积大于第三晶体管的基极-发射极结面积；第一、第二、第三和第四晶体管是金属氧化物半导体场效应晶体管，第二晶体管的栅极宽度与长度的比值大于第一晶体管的栅极宽度与长度的比值，第四晶体管的栅极宽度与长度的比值是大于第三晶体管的栅极宽度与长度的比值；所述第一、第二、第三和第四晶体管的每个第一、第二和第三端子分别包括集电极、基极和发射极的端子；所述第一、第二、第三和第四晶体管的每个第一、第二和第三端子分别包括漏极、栅极和源极的端子；所述反馈电路包括第一和第二反馈电路，其特征在于，所述第一反馈电路包括第一电阻器，从第一晶体管的第一端子耦合到第一和第二晶体管的每个第二端子；其中，所述第二反馈电路包括第二电阻器，从第三晶体管的第一端子耦合到第三和第四晶体管的每个第二端子；所述电流镜电路，还包括第一电流源，从第一和第二晶体管的每个第二端子耦合到第一和第二晶体管的每个第三端子，第二电流源，从第三和第四晶体管的第二端子耦合到第三和第四晶体管的每个第三端子。
6.根据权利要求1所述的一种低电压，折叠式电流信号调制器，其特征是:所述差分对电路还包括:第一和第二晶体管各具有第一、第二和第三端子；所述第一和第二晶体管由双极结型晶体管组成，也由金属氧化物半导体场效应晶体管组成；所述差分对电路还包括:一对第二输入端分别I禹合到电流镜电路的第一和第二输出端；第三和第四晶体管各具有第一、第二和第三端子，所述第三晶体管的第一端子耦合到第一晶体管的第一端子，第三晶体管的第二端子耦合到第二晶体管的第二端子，第四晶体管的第一端子耦合到第二晶体管的第一端子，第四晶体管的第二端子耦合到第一晶体管的第二端子，第一和第二晶体管的每个第三端子耦合到电流镜电路的第一输出端，第三和第四晶体管的每个第三端子耦合到电流镜电路的第二输出端；第一、第二、第三和第四晶体管是双极结型晶体管；第一、第二、第三和第四晶体管是金属氧化物半导体场效应晶体管。
7.根据权利要求1所述的一种低电压，折叠式电流信号调制器，其特征是:产生一个正比于第一时变电压信号的输出信号的方法，其由第二时变信号调制，该方法包括:将第一时变电压信号转换为第一电流信号；折叠第一电流信号来产生一个折叠式电流信号；给电流折叠信号提供负反馈放大来限制电流折叠信号中的失真；放大折叠式电流信号来产生一个放大电流信号；通过第二时变信号乘以放大电流信号来产生输出信号；所述将第一时变电压信号转换为第一电流信号的方法，还包括使用一个具有输出的跨导放大器将第一时变电压信号转换为一个第一电流信号；为折叠式电流信号提供负反馈，还包括限制跨导放大器的输出摆幅电压的峰-峰值振幅；所述折叠式电流信号放大的方法，还包括使用一个电流镜电路来放大折叠式电流信号；所述放大电流信号乘以第二时变信号的方法，还包括使用一个差分对电路将放大电流信号乘以第二时变信号。
8.根据权利要求1所述的一种低电压，折叠式电流信号调制器，其特征是:一种改进的信号调制器电路，该电路在输出节点处产生一个与第一信号节点处的第一信号成正比的输出信号，其由第二节点处的第二信号调制，信号调制器具有的(I)跨导放大器电路耦合到第一信号节点，(2) 一个差分对电路耦合到第二信号节点和输出节点，其改进包括:一个电流放大器电路包括一个电流镜电路稱合到跨导放大器和差分对的输出端，电流镜电路包括一个反馈电路耦合到跨导放大器的输出；所述电流镜电路包括第一和第二晶体管；所述第一和第二晶体管是双极结型晶体管，第二晶体管的基极-发射极结面积大于第一晶体管的基极-发射极结面积；第一和第二晶体管是金属氧化物半导体场效应晶体管，第二晶体管的栅极宽度与长度的比值大于 第一晶体管的栅极宽度与长度的比值；所述电流镜电路还包括第三和第四晶体管；所述差分对电路还包括两个交叉耦合的差分对，每个差分对由两个晶体管组成。
【文档编号】H03K7/08GK103647532SQ201310612797
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年11月26日 优先权日:2013年11月26日
【发明者】不公告发明人 申请人:苏州贝克微电子有限公司
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