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CN101212203B - 同相正交混频器,通信装置及其方法 - Google Patents

同相正交混频器,通信装置及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明是关于一种同相正交混频器，通信装置及其方法，同相正交混频器包括一对吉伯电路单元以及衰减电感。其中每个吉伯电路单元包括一对第一电流产生器以及一对切换电路。每个第一电流产生器，分别将射频信号对转换至电流。切换电路耦接至第一电流产生器，使用振荡信号对调制转换的射频信号对，用以产生混频信号对。衰减电感耦接至第一电流产生器，使得吉伯电路单元共享衰减电感。衰减电阻，耦接到上述衰减电感。因此，本发明可以有效的降低电路占用面积，并且可以减少噪声以及增加线性度。

Description

同相正交混频器，通信装置及其方法
技术领域
本发明有关于电子电路，特别有关于吉伯电路单元(Gilbert cell)混频器和其方法。
背景技术
混频电路通常在通信系统中用来转换频率，其中一种称为直接转换(direct conversion)的频率转换技术的使用比较普遍。直接转换的频率转换技术接收进入的射频信号(Radio Frequency，RF)，并且直接将射频信号转换至基频信号，不需经过中频(Intermediate Frequency，IF)信号。目前的趋势是将射频收发器整合到一个单独的芯片上。减低电路大小和芯片面积尤其重要，因为可以减低制造费用。
图1为现有技术同相正交混频器(IQ混频器)的电路图，包括吉伯电路单元10a和10b，每个吉伯电路单元包括分开的衰减电感(degenerationinductor)。IQ混频器1使用振荡信号LO_I±和LO_Q±以调制输入信号RFin+和RFin-。吉伯电路单元10a包括相互耦接的差动放大器，双极型晶体管(BJT晶体管)110a和112a分别将输入信号RFin+和RFin-转换至电流，并将电流输入切换电路，切换电路包括晶体管102a、104a、106a、和108a。晶体管102a、104a、106a、和108a将输入信号RFin+和RFin-和本地振荡信号LO_I+和LO_I-混频，用以在中频信号IFI+和IFI-之间产生同相(in-phase)输出电压VI。类似地，吉伯电路单元10b将输入信号RFin+和RFin-和本地振荡信号LO_Q+和LO_Q-混频，用以产生正交(quadrature)输出电压VQ。使用分开的衰减电感La和Lb将造成现有技术IQ混频器中需要较大的电路面积。
发明内容
有鉴于此，需要一种混频器及其方法，用以在不牺牲电路效能的情况下提供轻便电路。
本发明提出一种同相正交混频器，包括一对吉伯电路单元以及衰减电感。其中每个吉伯电路单元包括一对第一电流产生器以及一对切换电路。第一电流产生器，分别将射频信号对转换至电流。切换电路，耦接至第一电流产生器，使用振荡信号对调制转换的射频信号对，用以产生混频信号对。衰减电感，耦接至第一电流产生器，使得吉伯电路单元共享衰减电感。衰减电阻，耦接到上述衰减电感。
本发明还提出一种同相正交混频器，包括一对吉伯电路单元，其中每个上述吉伯电路单元包括一对第一电流产生器，分别将射频信号对转换至电流；一对切换电路分别耦接至上述第一电流产生器之一，使用振荡信号对调制上述转换的射频信号对，用以产生混频信号对；衰减电感耦接至上述第一电流产生器，使得上述吉伯电路单元共享上述衰减电感；以及衰减电容耦接到上述衰减电感，且所述衰减电容和所述衰减电感所组成电路的共振频率为所述射频信号对的两倍。
本发明另提出一种通信装置，包括同相正交混频器，同相正交混频器包括一对吉伯电路单元以及衰减电感。其中每个吉伯电路单元包括一对第一电流产生器以及一对切换电路。第一电流产生器，分别将射频信号对转换至电流。切换电路，耦接至第一电流产生器，使用振荡信号对调制转换的射频信号对，用以产生混频信号对。衰减电感，耦接至第一电流产生器，使得吉伯电路单元共享衰减电感。
本发明另提出一种混频方法，用于包括混频器的通信装置内，混频器包括一对吉伯电路单元，其中每个吉伯电路单元具有一对第一电流产生器和一对接换电路，上述方法包括每对第一电流产生器分别将射频信号对转换至电流，每对切换电路使用振荡信号对调制转换的射频信号对，用以产生混频信号对，以及耦接衰减电感至所有的第一电流产生器，使得吉伯电路单元共享 衰减电感，以及将衰减电阻耦接到上述衰减电感。
本发明另提出一种混频方法，用于包括混频器的通信装置内，所述的混频器包括一对吉伯电路单元，其中每个吉伯电路单元具有一对第一电流产生器和一对接换电路，上述方法包括上述每对第一电流产生器分别将射频信号对转换至电流；上述每对切换电路使用振荡信号对调制上述转换的射频信号对，用以产生混频信号对；耦接衰减电感至上述所有的第一电流产生器，使得上述吉伯电路单元共享上述衰减电感；以及将衰减电容耦接到上述衰减电感，且所述衰减电容和所述衰减电感所组成电路的共振频率为所述射频信号对的两倍。
本发明可以有效的降低电路占用面积，并且可以减少噪声以及增加线性度。
附图说明
图1为现有技术IQ混频器的电路图。
图2为本发明实施例的接收器的方块图。
图3为图2实施例中的吉伯电路单元IQ混频器的电路图。
图4为本发明另一实施例的吉伯电路单元混频器的电路图。
图5为本发明另一实施例的吉伯电路单元混频器的电路图。
图6为本发明另一实施例的吉伯电路单元混频器的电路图。
具体实施方式
图2显示本发明实施例的接收器的方块图，使用直接转换技术。接收器包括天线200、滤波器202、前置放大器(pre-amplifier)204、混频器206、滤波器208、后期放大器(post-amplifier)210、模数转换器(analog-to-digitalconverter)212、和基频模块214。天线200耦接到滤波器202、前置放大器204、混频器206、滤波器208、后期放大器210、模数转换器212，然后耦接到基频模块214。
天线200接收输入信号对RFin+、RFin-，经由滤波器202滤波和前置放大器204放大信号后，放大后的信号在混频器206内由本地振荡信号对LO_I±和LO_Q±调制用以产生同相输出电压VI和正交输出电压VQ，同相输出电压VI和正交输出电压VQ再由滤波器208滤波和后期放大器210放大之后由模数转换器212转换到数字信号，并且送到基频模块214用以执行后续基频动作。滤波器202可以为高频带通(band-pass)滤波器。混频器206可以是吉伯电路单元混频器。滤波器208可以为频道滤波器，选择数据频道来执行数据处理。后期放大器210可以是可编程增益放大器(Programmable GainAmplifier，PGA)，可编程增益放大器可以改变放大增益来放大滤波后的输出电压VI和VQ，使得模数转换器212接收的信号够强并且可以将其转换成数字信号。
图3为图2实施例中的吉伯电路单元IQ混频器的电路图，包括吉伯电路单元30a和30b，以及衰减电感Ldeg。吉伯电路单元30a使用本地振荡信号对LO_I±调制输入信号对RFin+、RFin-用以在同相中频信号对IFI+和IFI-间产生同相输出信号VI。同样地，吉伯电路单元30b在正交中频信号对IFQ+和IFQ-间产生正交输出信号VQ。衰减电感Ldeg耦接在吉伯电路单元30a和30b之间并且由吉伯电路单元30a和30b所共享。输入信号对RFin+和RFin- 是一对射频差动信号对。本地振荡信号对LO_I±和LO_Q±包括由本地振荡器(未显示)产生的同相和正交成分信号。
吉伯电路单元30a包括切换电路300a、电流产生器310a、晶体管302a、304a、306a、308a以及偏压电阻R1a和R2a。电流产生器310a包括两个独立的电压到电流转换器312a和314a，分别将输入信号对RFin+、RFin-从电压转换到电流。每个电压到电流转换器提供高增益和低噪声指数(noise figure)，并且可以由双极型晶体管(Bipolar Junction Transistor，以下简称BJT晶体管)或金属氧化物半导体场效应晶体管(以下简称MOSFET晶体管)实现。切换电路300a使用本地振荡信号对LO_I+和LO_I-调制从电流产生器310a和电压 到电流转换器312a而来的线性电流信号对。
吉伯电路单元30b包括切换电路300b、电流产生器310b、晶体管302b、304b、306b、308b以及偏压电阻R1b和R2b。吉伯电路单元30b使用和吉伯电路单元30a完全相同的电路，并且使用本地振荡信号对LO_I+和LO_I-调制输入信号对RFin+和RFin-，用以产生输出正交电压VQ。本地振荡信号对LO_I+和LO_I-，以及LO_Q+和LO_Q-各自在相位上相差90°。衰减电感Ldeg由电流产生器310a和电流产生器310b共享，在电压到电流的转换过中减低噪声并且增加信号线性度，电流产生器310b包括两个独立的电压到电流转换器312b和314b。和现有技术比较，共享的衰减电感Ldeg减低电路对于同相和正交组成信号的不匹配(mismatch)，降低电路面积，并且以设计和制造费用来说提供了一种更经济的解决方案。
图4为本发明另一实施例的吉伯电路单元混频器的电路图。图4比图3更添加了和衰减电感Ldeg串联的衰减电阻Rdeg，两者一起形成由吉伯电路单元30a和30b共享的衰减装置(degeneration device)42。衰减电阻Rdeg和衰减电感Ldeg的组合可以由吉伯电路单元混频器4的芯片(die)和地极之间的结合线(bonding wire)实现。和现有技术以及吉伯电路单元混频器3相比，吉伯电路单元混频器4提供较佳的共模抑制(common mode reject)，在电压到电流的 转换过中产生较少的噪声信号以及增加信号的线性度。
图5为本发明另一实施例的吉伯电路单元混频器的电路图。图5比图3更添加了和衰减电感Ldeg并联的衰减电容Cdeg，两者一起形成由吉伯电路单元30a和30b共享的电感电容槽(LC tank)52。衰减电容Cdeg和衰减电感Ldeg 的数值可以选择为使得其共振频率是输入信号对RFin+、RFin-的两倍，用以减低二阶谐波失真(second-order harmonic distortion)以及增加电流转换的线性度。当多频段共享一个吉伯电路单元混频器时，电感电容槽52就特别有用，因为由输入信号对RFin+和RFin-内多频段带有的二阶寄生信号(spuriousproduct)，也称为二阶输入断点(intercept point)，被大幅减低。
图6为本发明另一实施例的吉伯电路单元混频器的电路图，另外在图3的原有的吉伯电路单元混频器上增加电流产生器310c和电流产生器310d。吉伯电路单元混频器6能够执行双频带(dual-band)调制。电流产生器310c和电流产生器310a并联耦接，并且和切换电路300a串联耦接，电流产生器310d和电流产生器310b并联耦接，并且和切换电路300b串联耦接。电流产生器310c和电流产生器310d接收第二本地振荡信号对RFin2+、RFin2-，第二本地振荡信号对RFin2+、RFin2-与第一本地振荡信号对RFin1+、RFin1-占据不同频带。例如，第一本地振荡信号对RFin1+、RFin1-可以占据850～900MHz的频带，用于全球移动通信系统(Global System for Mobile communication，GSM)，第二本地振荡信号对RFin2+、RFin2-可以占据用于数字行动电话系统(Digital Cellular System，DCS)的1800MHz的频带或用于个人行动通信系统(Personal Communication System，PCS)的1900MHz的频带。当接收GSM信号时，本地振荡器(未图示)产生对应850MHz或900MHz的本地振荡信号对LO_I±和LO_Q±，并且吉伯电路单元混频器6根据本地振荡信号对LO_I±和LO_Q±调制第一本地振荡信号对RFin1+、RFin1-用以产生解调制的GSM信号VI和VQ。对于DCS或PCS相关应用，本地振荡器(未图示)产生对应DCS(1800MHz)或PCS(1900MHz)的本地振荡信号对LO_I±和LO_Q±，并 且吉伯电路单元混频器6根据本地振荡信号对LO_I±和LO_Q+调制第二本地振荡信号对RFin2+、RFin2-，用以产生解调制的DCS或PCS信号VI和VQ。根据这里提供的设计精神，吉伯电路单元混频器6可以更包括多电流产生器来执行多频带调制。

Claims (23)

1.一种同相正交混频器，包括：
一对吉伯电路单元，其中每个上述吉伯电路单元包括：
一对第一电流产生器，分别将射频信号对转换至电流；
一对切换电路，分别耦接至上述第一电流产生器之一，使用振荡信号对调制转换的上述射频信号对，用以产生混频信号对；
衰减电感，耦接至所有的上述第一电流产生器，使得上述吉伯电路单元共享上述衰减电感；以及
衰减电阻，耦接到上述衰减电感。
2.根据权利要求1所述的同相正交混频器，其特征在于，所述衰减电阻和所述衰减电感的耦合由所述同相正交混频器的芯片和地极之间的结合线实现。
3.根据权利要求1所述的同相正交混频器，其特征在于，更包括和两对上述第一电流产生器并联的两对第二电流产生器，分别将第二射频信号对转换至电流，上述切换电路更使用第二振荡信号对调制转换的上述第二射频信号对，用以产生第二混频信号对。
4.根据权利要求1所述的同相正交混频器，其特征在于，上述混频信号对包括同相信号和正交信号。
5.根据权利要求1所述的同相正交混频器，其特征在于，上述射频信号对和上述振荡信号对都是差动信号对。
6.根据权利要求1所述的同相正交混频器，其特征在于，上述第一电流产生器是金属氧化物半导体场效应晶体管或双极型晶体管。
7.一种同相正交混频器，包括：
一对吉伯电路单元，其中每个上述吉伯电路单元包括：
一对第一电流产生器，分别将射频信号对转换至电流；
一对切换电路，分别耦接至上述第一电流产生器之一，使用振荡信号对调制转换的上述射频信号对，用以产生混频信号对；
衰减电感，耦接至所有的上述第一电流产生器，使得上述吉伯电路单元共享上述衰减电感；以及
衰减电容，耦接到上述衰减电感，且所述衰减电容和所述衰减电感所组成电路的共振频率为所述射频信号对的两倍。
8.根据权利要求7所述的同相正交混频器，其特征在于，更包括和两对上述第一电流产生器并联的两对第二电流产生器，分别将第二射频信号对转换至电流，上述切换电路更使用第二振荡信号对调制转换的上述第二射频信号对，用以产生第二混频信号对。
9.根据权利要求7所述的同相正交混频器，其特征在于，上述混频信号对包括同相信号和正交信号。
10.根据权利要求7所述的同相正交混频器，其特征在于，上述射频信号对和上述振荡信号对都是差动信号对。
11.根据权利要求7所述的同相正交混频器，其特征在于，上述第一电流产生器是金属氧化物半导体场效应晶体管或双极型晶体管。
12.一种通信装置，包括同相正交混频器，所述的同相正交混频器包括如权利要求1、2、3、7、8中任意一项所述。
13.一种混频方法，用于包括混频器的通信装置内，所述的混频器包括一对吉伯电路单元，其中每个吉伯电路单元具有一对第一电流产生器和一对切换电路，上述方法包括：
每对第一电流产生器分别将射频信号对转换至电流；
每对切换电路使用振荡信号对调制转换的上述射频信号对，用以产生混频信号对；
耦接衰减电感至所有的第一电流产生器，使得上述吉伯电路单元共享上述衰减电感；以及
将衰减电阻耦接到上述衰减电感。
14.根据权利要求13所述的混频方法，其特征在于，所述衰减电阻和所述衰减电感的耦合由所述混频器的芯片和地极之间的结合线实现。
15.根据权利要求13所述的混频方法，其特征在于，更包括：
提供和两对上述第一电流产生器并联的两对第二电流产生器；
上述两对第二电流产生器分别将第二射频信号对转换至电流；以及
上述切换电路使用第二振荡信号对调制转换的上述第二射频信号对，用以产生第二混频信号对。
16.根据权利要求13所述的混频方法，其特征在于，上述混频信号对包括同相信号和正交信号。
17.根据权利要求13所述的混频方法，其特征在于，上述射频信号对和上述振荡信号对都是差动信号对。
18.根据权利要求13所述的混频方法，其特征在于，上述第一电流产生器是金属氧化物半导体场效应晶体管或双极型晶体管。
19.一种混频方法，用于包括混频器的通信装置内，所述的混频器包括一对吉伯电路单元，其中每个吉伯电路单元具有一对第一电流产生器和一对切换电路，上述方法包括：
每对第一电流产生器分别将射频信号对转换至电流；
每对切换电路使用振荡信号对调制转换的上述射频信号对，用以产生混频信号对；
耦接衰减电感至所有的第一电流产生器，使得上述吉伯电路单元共享上述衰减电感；以及
将衰减电容耦接到上述衰减电感，且所述衰减电容和所述衰减电感所组成电路的共振频率为所述射频信号对的两倍。
20.根据权利要求19所述的混频方法，其特征在于，更包括：
提供和两对上述第一电流产生器并联的两对第二电流产生器；
上述两对第二电流产生器分别将第二射频信号对转换至电流；以及
上述切换电路使用第二振荡信号对调制转换的上述第二射频信号对，用以产生第二混频信号对。
21.根据权利要求19所述的混频方法，其特征在于，上述混频信号对包括同相信号和正交信号。
22.根据权利要求19所述的混频方法，其特征在于，上述射频信号对和上述振荡信号对都是差动信号对。
23.根据权利要求19所述的混频方法，其特征在于，上述第一电流产生器是金属氧化物半导体场效应晶体管或双极型晶体管。
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