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CN101399520B - 具有高线性度与可程序增益的混频器及其相关转导电路 - Google Patents

具有高线性度与可程序增益的混频器及其相关转导电路 Download PDF

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CN101399520B CN200810161218XA CN200810161218A CN101399520B CN 101399520 B CN101399520 B CN 101399520B CN 200810161218X A CN200810161218X A CN 200810161218XA CN 200810161218 A CN200810161218 A CN 200810161218A CN 101399520 B CN101399520 B CN 101399520B
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Abstract

本发明公开了一种具有高线性度与可程序增益的混频器及其相关转导电路，可以减少功耗与芯片面积。该混频器包含负载电路、开关电路及转导电路。开关电路具有第一、二电流路径且其与负载电路的耦接处为该混频器的输出端。转导电路包含第一及第二电阻、差动放大器、第一及第二回授电路以及第一、二晶体管。差动电压信号分别经由第一、二电阻输入到差动放大器的第一、二输入端。第一、二回授电路分别设置于差动放大器的第一、二输入端之间。第一、二晶体管的漏极分别耦接于第一、二电流路径，栅极分别耦接差动放大器的第一、二输出端，该第一、二端输出的信号分别用以控制流经第一、二晶体管的第一、二电流，该第一、二电流决定一差动电流。

Description

具有高线性度与可程序增益的混频器及其相关转导电路
技术领域
本发明涉及一种混频器(mixer)，尤指一种具高线性度与可程序增益的混频器及其相关转导电路(transconductor)。
背景技术
在无线收发器(wireless transceiver)中，混频器(mixer)是广泛使用的频率转换组件。图1是显示一典型的无线传送器(wireless transmitter)10，其包含滤波器11与12、可程序增益放大器(programmable gain amplifier)13与14、混频器15与16及功率放大器17。基频的输入信号，以基频I输入信号为例，经由滤波器11移除不需要的频率成分后，再由可程序增益放大器13放大或衰减，接着送入混频器15，藉由本地震荡器(local oscillator，图未显示)所产生震荡信号LOI，以转换至规格所定的射频频率，最后再由功率放大器17放大，以便进行无线传输。在无线传送器10中，混频器15与16所执行的频率转换攸关无线传输的信号质量
图2是显示现有的混频器电路图，其中，吉尔伯特混频器(Gilbert mixer)20包含转导电路(transconductor)21、开关电路(switch quad)22及负载电路(load circuit)23。负载电路23包含负载231、232，负载231与232的一端耦接至一电压源Vcc，负载231与232的另一端即为输出端(Out)。开关电路22包含n型晶体管M3、M4、M5、M6。其中，M3与M5的漏极耦接到负载231的另一端，M4与M6的漏极耦接到负载232的另一端。再者，M3与M6的栅极相互耦接，M4与M5的栅极相互耦接，而M3与M4的栅极可接收一本地震荡信号LO。再者，M3与M4的源极相互耦接，并成为第一电流路径；而M5与M6的源极相互耦接，并成为第二电流路径。
转导电路21包含n型晶体管M1与M2。其中，M1的漏极耦接到开关电路22的第一电流路径，M2的漏极耦接到开关电路22的第二电流路径。M1与M2的栅极可分别接收电压信号Vin+与Vin-。再者，M1与M2的源极相互耦接。而M1的源极与一接地端之间耦接一n型晶体管Ms，其栅极输入一固定电压以使Ms可形成一电流源。
图3是显示混频器20的相关信号的示意图。转导电路21可将输入电压信号Vin(即Vin+-Vin-)转换成为电流信号Ib。电流信号Ib流经开关电路22的第一电流路径与第二电流路径时，经由震荡信号LO的驱动而成为一频率转换电流信号(frequency-converted current signal)。接着，频率转换电流信号经由负载电路23转换，使得输出端(Out)可输出一输出电压。
由于转导电路21是由n型晶体管M1与M2所组成，因此其电压-电流关是二次曲线关系，而非线性关系。换言之，图2所示的现有混频器并不适用于需要高线性混频器的应用上，例如，无线局域网络(WLAN)的传送器以及分码多重存取(Code Division Multiple Access，CDMA)系统的传送器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有高线性度与可程序增益的混频器，它可以避免先前技术中混频器的转导电路的非线性问题，并且其可结合可程序增益放大器与混频器的功能，达到减少功耗与芯片面积(die size)的效果。另外，本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种转导电路，同样可以解决上述问题。
为了解决以上技术问题，本发明提供了如下技术方案：
本发明提供了一种混频器，它包含：一负载电路；一开关电路，耦接于该负载电路，该开关电路具有第一电流路径与第二电流路径且该开关电路与该负载电路的耦接处为该混频器输出端；以及一转导电路，包含：第一电阻及第二电阻；一差动放大器，具有第一输入端、第二输入端、第一输出端及第二输出端，其中，一差动电压信号分别经由第一电阻及第二电阻输入到第一输入端及第二输入端；一第一回授电路，设置于第一输出端与第一输入端之间；一第二回授电路，设置于第二输出端与第二输入端之间；第一晶体管，其漏极耦接于第一电流路径，第一晶体管的栅极耦接该差动放大器第一输出端，第一输出端输出第一输出信号是用以控制流经第一晶体管的第一电流；以及第二晶体管，其漏极耦接于第二电流路径，第二晶体管的栅极耦接该差动放大器第二输出端，第二输出端输出第二输出信号是用以控制流经第二晶体管的第二电流；其中该第一电流与该第二电流决定一差动电流。
本发明还提供了一种应用于混频器的转导电路，它包含：第一电阻及第二电阻；一差动放大器，具有第一输入端、第二输入端、第一输出端及第二输出端，其中，一差动电压信号分别经由第一电阻及第二电阻输入到第一输入端及第二输入端；第一回授电路，设置于第一输出端与第一输入端之间；第二回授电路，设置于第二输出端与第二输入端之间；第一晶体管，其栅极耦接该差动放大器的第一输出端，第一输出端输出的第一输出信号是用以控制流经第一晶体管的第一电流；以及第二晶体管，其栅极耦接该差动放大器的第二输出端，第二输出端输出的第二输出信号是用以控制流经第二晶体管的第二电流；其中该第一电流与该第二电流决定一差动电流。
其中所述转导电路的第一回授电路包含第三晶体管，该第三晶体管的栅极耦接该差动放大器的第一输出端并与第一晶体管形成一第一电流镜。转导电路的第二回授电路包含一第四晶体管，该第四晶体管的栅极耦接该差动放大器的第二输出端并与该第二晶体管形成一第二电流镜。
本发明公开的混频器及其相关转导电路，不但可以解决非线性问题，而且可结合可程序增益放大器与混频器的功能，达到减少功耗与芯片面积的效果。
附图说明
图1是一典型的无线传送器的示意图。
图2是现有混频器的电路图。
图3是现有混频器的相关信号的示意图。
图4是本发明混频器的第一实施例的电路图。
图5是第一实施例的差动小信号模型的等效电路图。
图6是本发明混频器的第二实施例的电路图。
图7是本发明混频器的第三实施例的电路图。
图8是本发明混频器的第四实施例的电路图。
图9是本发明混频器的第五实施例的电路图。
图10是本发明混频器的第六实施例的电路图。
图式的图号说明：
10：无线传送器       11、12：滤波器
13、14：可程序增益放大器
15、16、40、60、70、90：混频器
17：功率放大器       20：吉尔伯特混频器
21、41、61、71、91：转导电路
22、42：开关电路     23、43：负载电路
231、232、431、432：负载
411、412：电流镜     413：差动放大器
具体实施方式
图4是本发明混频器的第一实施例的电路图，其中，混频器40包含一转导电路41、一开关电路42及一负载电路43。负载电路43包含负载431、432，负载431与432的一端耦接至一电压源Vcc，负载431与432的另一端即为输出端(Out)。在开关电路42中，M11与M12的源极相互耦接，并成为第一电流路径；而M13与M14的源极相互耦接，并成为第二电流路径。
转导电路41包含电阻R1、R2、RB、R1’、R2’、RB’、一差动放大器413及电流镜411、412。电流镜411包含n型晶体管M2、M4。M2与M4的栅极相互耦接；M2的漏极为电流镜411的控制电流端，M4的漏极则为电流镜411的镜射电流端M2与M4的源极皆耦接至接地端。M2与M4的长宽比为1:N，N为正数。运作上，M2的栅极作为电流镜411的输入端，可接收一控制信号(即差动放大器413的正极输出端的输出信号)，使控制电流端(即M2的漏极)产生对应的控制电流，而镜射电流端(即M4的漏极)即产生一镜射电流，其大小为控制电流的N倍。
对称地，电流镜412包含n型晶体管M1、M3。M1与M3的栅极相互耦接；M1的漏极为电流镜412的控制电流端，M3的漏极则为电流镜412的镜射电流端；M1与M3的源极皆耦接至接地端。M1与M3的长宽比为1:N，N为正数。运作上，M1的栅极作为电流镜412的输入端，可接收一控制信号(即差动放大器413的负极输出端的输出信号)，使控制电流端(即M1的漏极)产生对应的控制电流，而镜射电流端(即M3的漏极)即产生一镜射电流，其大小为控制电流的N倍。
电阻R1与R1’的一端分别耦接于差动放大器413的正极输入端与负极输入端，电阻R1与R1’的另一端接收一输入差动电压信号Vin。电阻R2耦接于差动放大器413的正极输入端与晶体管M2的漏极间，电阻R2’耦接于差动放大器413的负极输入端与晶体管M1的漏极间。电阻RB耦接于M2的漏极与电压源VB之间，电阻RB’耦接于M1之漏极与电压源VB之间。晶体管M2与M1之栅极分别耦接至差动放大器413之正极输出端与负极输出端，晶体管M4与M3的漏极则分别耦接至开关电路42的第一电流路径与第二电流路径，藉由差动放大器413正极输出端及负极输出端所输出的控制信号，分别控制晶体管M4与M3的栅极，使得流经晶体管M4与M3的电流形成一差动电流。在转导电路41中，差动放大器413的正极输出端与正极输入端之间形成一第一回授电路，其包含晶体管M2及电阻RB、R2；负极输出端与负极输入端之间形成一第二回授电路，其包含晶体管M1及电阻RB’、R2’。第一回授电路及第二回授电路皆为负回授，其目的为使转导电路41具有线性转导值，如下文所述。由于混频器40为全差动式(fully differential)的电路，因此R1＝R1’、R2＝R2’、RB＝RB’、M1＝M2、M3＝M4。
图5为图4的第一实施例的差动小信号模型(differential small signalmodel)等效电路图，其是将图4的电压源VB视同接地，电阻RB与RB’合为2RB(其中点即为交流接地端(AC ground))。图5的电路可分析如下：
C点电压
Figure G200810161218XD00061
D点电压
Figure G200810161218XD00062
由于A与E点是差动放大器413的两输入端，所以A点电压VA可视为等同E点电压VE；另外Vin＝Vin+—Vin-，因此
Figure G200810161218XD00063
再者，iM2＝i2+iB且iM1＝i1—iB，因此
Figure G200810161218XD00064
Figure G200810161218XD00065
所以，转导电路41的输出电流Ib与输入电压Vin呈线性关系，亦即，转导电路41具有线性的转导值。并且，只要电阻R1、R2、RB至少其一为可变电阻，转导电路41即具有一可程序增益
Figure G200810161218XD00066
因此，藉由使用转导电路41，混频器40具有高线性度及可程序增益，并可同时执行混频器与可程序增益放大器的功能，以减少功耗与芯片面积。
图6是本发明混频器的第二实施例的电路图，其中，混频器60与第一实施例的混频器40的差异在于电阻RB与RB’的偏压组态不同。在转导电路61中，电阻RB耦接于M2的漏极与电流源Id之间，电阻RB’则耦接于M1的漏极与电流源Id之间。将图6的混频器60转换成差动小信号模型的等效电路，亦即将电流源Id视为断路，电阻RB与RB’合为2RB，则可得到与图5相同的小信号电路。因此，图6的第二实施例中，转导电路61的输出电流Ib与输入电压Vin的关系与第一实施例相同，亦即，混频器60具有高线性度及可程序增益。
图7是本发明混频器的第三实施例的电路图，其中，混频器70与第一实施例的混频器40的差异在于电阻RB与RB’的偏压组态不同。在转导电路71中，电阻RB与RB’合为2RB，其一端耦接于M2的漏极与电流源I1耦接之处，另一端则耦接于M1的漏极与电流源I2耦接之处。将图7的混频器70转换成差动小信号模型的等效电路，亦即将电流源I1与I2视为断路，则可得到与图5相同的小信号电路。因此，图7的第三实施例中，转导电路71的输出电流Ib与输入电压Vin的关系与第一实施例相同，亦即，混频器70具有高线性度及可程序增益。
图8为本发明混频器的第四实施例的电路图，其是以特定电路来实现图4的混频器40中的差动放大器413，其包含电流源I1、n型晶体管M5、M6、p型晶体管M7、M8、电阻RF与RF’以及补偿电容C1、C1’。M8与M7源极耦接至电流源I1，M8与M7的栅极分别为差动放大器413的正极输入端与负极输入端，M8与M7的漏极分别为差动放大器413的负极输出端与正极输出端，且分别耦接至电流镜412的输入端与电流镜411的输入端，M8的漏极耦接至M5的漏极，M7的漏极耦接至M6的漏极，M6的栅极与M5的栅极相互耦接，M6与M5的源极皆耦接至接地端；RF耦接于M6的栅极与漏极间，RF’耦接于M5的栅极与漏极间；补偿电容C1耦接于M6的漏极与接地端之间，C1’耦接于M5的漏极与接地端之间，以使差动放大器413可稳定运作。由于差动放大器413为全差动式的电路，因此RF＝RF’、C1＝C1’、M5＝M6、M7＝M8。
在图8的差动放大器413中，共模电压是藉由大电阻RF与RF’来实现，其优点在于，以这种自我偏压(self-bias)的方式实现，可使电路运作维持稳定，且不需再另接共模回授电路，如此可简化电路及节省硬件成本；并且，大电阻RF与RF’还可提高差动放大器413的增益。
图9为本发明混频器的第五实施例的电路图，其是以特定电路来实现图7的混频器70中的差动放大器413。图9中，差动放大器413的电路与图8的差动放大器413相同。
图10为本发明混频器的第六实施例的电路图，其是以特定电路来实现图9的混频器70中的电流源I2与I3，并接上一共模回授电路，以设定转导电路输出的直流操作点。在图10的混频器90中，转导电路91使用n型晶体管M10、M9作为电流源I2、I3，并将一运算放大器A1的输出端耦接至M10与M9的栅极，A1的正极输入端耦接至电阻RB和RB’耦接之处，负极输入端则输入直流共模电压VCM，以形成共模回授电路。
请注意，前述第一至第六实施例中的转导电路，亦可应用于非混频器的其它电路。因此，其它电路若有应用如第一至第六实施例所述的转导电路，亦在本发明的范围内。
以上所述是利用较佳实施例详细说明本发明，而非限制本发明的范围。凡本领域的技术人员，可根据以上实施例的揭示而做出诸多可能变化，仍不脱离本发明的精神和权利要求的保护范围。

Claims (16)

1.一种应用于混频器的转导电路，其特征在于，它包括：
一第一电阻及一第二电阻；
一差动放大器，具有一第一输入端、一第二输入端、一第一输出端及一第二输出端，其中，一差动电压信号分别经由该第一电阻及该第二电阻输入到该第一输入端及该第二输入端；
一第一回授电路，设置于该第一输出端与该第一输入端之间，它包含：一第三晶体管，该第三晶体管的栅极耦接该差动放大器的该第一输出端并与该第一晶体管形成一第一电流镜；和一第三电阻，耦接于该第三晶体管与该第一输入端之间；
一第二回授电路，设置于该第二输出端与该第二输入端之间，它包含：一第四晶体管，该第四晶体管的栅极耦接该差动放大器的该第二输出端并与该第二晶体管形成一第二电流镜；和一第四电阻，耦接于该第四晶体管与该第二输入端之间；
一第一晶体管，其栅极耦接该差动放大器的该第一输出端，该第一输出端输出的一第一输出信号用以控制流经该第一晶体管的第一电流；以及
一第二晶体管，其栅极耦接该差动放大器的该第二输出端，该第二输出端输出的一第二输出信号用以控制流经该第二晶体管的第二电流；其中该第一电流与该第二电流决定一差动电流；
其中，该第一回授电路及该第二回授电路使该转导电路具有线性转导值。
2.如权利要求1所述的应用于混频器的转导电路，其特征在于，其中该第一晶体管与该第三晶体管的长宽比为N∶1，该第二晶体管与该第四晶体管的长宽比为N∶1，N为正数。
3.如权利要求1所述的应用于混频器的转导电路，其特征在于，其中该第一回授电路更包含一第五电阻，该第五电阻的一端耦接于该第三晶体管与该第三电阻耦接节点上，该第五电阻的另一端用以接收一电源；该第二回授电路更包含一第六电阻，该第六电阻的一端耦接于该第四晶体管与该第四电阻耦接的节点上，该第六电阻的另一端用以接收该电源。
4.如权利要求3所述的应用于混频器的转导电路，其特征在于，其中该电源为一电压源。
5.如权利要求3所述的应用于混频器的转导电路，其特征在于，其中该电源为一电流源。
6.如权利要求1所述的应用于混频器的转导电路，其特征在于，更包括一第一电流源、一第二电流源及一第五电阻，其中，该第一电流源输入至该第三晶体管与该第三电阻耦接的节点上，该第二电流源输入至该第四晶体管与该第四电阻耦接的节点上，该第五电阻设置于该第三晶体管与该第三电阻耦接的节点与该第四晶体管与该第四电阻耦接的节点间。
7.如权利要求3所述的应用于混频器的转导电路，其特征在于，其中该第一电阻、该第三电阻及该第五电阻至少其一为可变电阻。
8.如权利要求1所述的应用于混频器的转导电路，其特征在于，其中该第一回授电路及该第二回授电路皆为负回授电路。
9.一种混频器，其特征在于，它包含：
一负载电路；
一开关电路，耦接于该负载电路，该开关电路具有一第一电流路径与一第二电流路径且该开关电路与该负载电路的耦接处为该混频器的输出端；以及
一转导电路，包括：
一第一电阻及一第二电阻；
一差动放大器，具有一第一输入端、一第二输入端、一第一输出端及一第二输出端，其中，一差动电压信号分别经由该第一电阻及该第二电阻输入到该第一输入端及该第二输入端；
一第一回授电路，设置于该第一输出端与该第一输入端之间，它包含：一第三晶体管，该第三晶体管的栅极耦接该差动放大器的该第一输出端并与该第一晶体管形成一第一电流镜；和一第三电阻，耦接于该第三晶体管与该第一输入端之间；
一第二回授电路，设置于该第二输出端与该第二输入端之间，它包含：一第四晶体管，该第四晶体管的栅极耦接该差动放大器的该第二输出端并与该第二晶体管形成一第二电流镜；和一第四电阻，耦接于该第四晶体管与该第二输入端之间；
一第一晶体管，其漏极耦接于该第一电流路径，该第一晶体管的栅极耦接该差动放大器的该第一输出端，该第一输出端输出的一第一输出信号用以控制流经该第一晶体管的第一电流；以及
一第二晶体管，其漏极耦接于该第二电流路径，该第二晶体管的栅极耦接该差动放大器的该第二输出端，该第二输出端输出的一第二输出信号用以控制流经该第二晶体管的第二电流；其中该第一电流与该第二电流决定一差动电流；
其中，该第一回授电路及该第二回授电路使该转导电路具有线性转导值。
10.如权利要求9所述的混频器，其特征在于，其中该第一晶体管与该第三晶体管的长宽比为N∶1，该第二晶体管与该第四晶体管的长宽比为N∶1，N为正数。
11.如权利要求9所述的混频器，其特征在于，其中该第一回授电路更包含一第五电阻，该第五电阻的一端耦接于该第三晶体管与该第三电阻耦接的节点上，该第五电阻的另一端用以接收一电源；该第二回授电路更包含一第六电阻，该第六电阻的一端耦接于该第四晶体管与该第四电阻耦接的节点上，该第六电阻的另一端用以接收该电源。
12.如权利要求11所述的混频器，其特征在于，其中该电源为一电压源。
13.如权利要求11所述的混频器，其特征在于，其中该电源为一电流源。
14.如权利要求9所述的混频器，其特征在于，更包括一第一电流源、一第二电流源及一第五电阻，其中，该第一电流源输入至该第三晶体管与该第三电阻耦接的节点上，该第二电流源输入至该第四晶体管与该第四电阻耦接的节点上，该第五电阻设置于该第三晶体管与该第三电阻耦接的节点与该第四晶体管与该第四电阻耦接的节点间。
15.如权利要求11所述的混频器，其特征在于，其中该第一电阻、该第三电阻及该第五电阻至少其一为可变电阻。
16.如权利要求9所述的混频器，其特征在于，其中该第一回授电路及该第二回授电路皆为负回授电路。
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