專利名稱：模擬混頻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適合用于無線接收機或收發(fā)信機的混頻器，一種包含一個混頻器的無線接收機或收發(fā)信機，以及一種包含一個混頻器的集成電路。
背景技術(shù)：
無線收發(fā)信機行業(yè)當(dāng)前正試圖通過為無線聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用例如藍牙和ZigBee嘗試標(biāo)準(zhǔn)CMOS解決方案來降低成本和功耗。功耗的一個重要分?jǐn)傉呤嵌嘞嗷祛l器，該混頻器將RF信號下變頻為零或低的IF。已知的混頻器電路配置是基于圖1所示的吉爾伯特(Gilbert)乘法器。這種混頻器的例子被公開在“模擬集成電路的分析與設(shè)計(Analysis andDesign of Analog Integrated Circuits)”，P.R.Gray，R.G.Meyer，John Wiley和Sons，593-600頁，以及公開在“一個用于不具有外部組件的GPS應(yīng)用的CMOS LNA加上混頻器的實現(xiàn)(Implementation of a CMOSLNA Plus Mixer for GPS Application with No External Components)”，IEEE Trans超大規(guī)模集成(VLSI)系統(tǒng)，第9卷，第1期，2001年2月，100-104頁。在圖1中，下部的長引線對作為A類跨導(dǎo)器工作，該跨導(dǎo)器把來自于一個低噪聲放大器(LNA)的輸入電壓轉(zhuǎn)換為一個電流。晶體管的上層(upper tier)由一個VCO信號在它們的截止和三極管區(qū)域間驅(qū)動，即，它們表現(xiàn)為轉(zhuǎn)換開關(guān)，并且周期性地翻轉(zhuǎn)來自下層(lowertier)的電流。輸出信號可以被直接取作電流或取作電阻性負載上的電壓。
圖1的電路在用于低功率、低電壓情況中時具有幾個缺陷。第一，該電路工作在A類(輸出電流必須小于尾電流(tail current)的一半)，而這導(dǎo)致高功耗。第二，大量的晶體管需要相當(dāng)數(shù)量的凈空電壓(voltage headroom)，該凈空電壓可能超過數(shù)字CMOS集成電路的不斷減少的電源電壓。第三，該輸出接近于Vdd供給，而這可使得與其后的信道濾波器的接口非常困難，因為更低的頻率對于AC耦合要求大電容器。使用MOST的替代電平移動器(level shifter)耗散更多的功率并產(chǎn)生額外的噪聲。當(dāng)用于連接到混頻器輸出的信道濾波器的電路技術(shù)為低功耗而使用AB類跨導(dǎo)器時，這種接口尤為困難，因為靜態(tài)輸入電壓通常在中軌附近。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是用來一種改進的混頻器。
依照本發(fā)明的第一個方面，提供了一個混頻器，它包含一個AB類跨導(dǎo)器，以及用來同時用第一信號調(diào)制跨導(dǎo)器的一個輸入和用第二信號調(diào)制跨導(dǎo)器的一個電源軌的裝置。
依照本發(fā)明的第二個方面，提供了包含一個根據(jù)本發(fā)明的第一個方面的混頻器的一個無線接收機。
依照本發(fā)明的第三個方面，提供了包含一個根據(jù)本發(fā)明第一個方面的混頻器的一個無線收發(fā)信機。
依照本發(fā)明的第四個方面，提供了包含一個根據(jù)本發(fā)明第一個方面的混頻器的一個集成電路。
跨導(dǎo)器的AB類操作允許減少功耗和低電壓操作。


本發(fā)明現(xiàn)在將僅通過示例的方式參照附圖進行描述，其中圖1為現(xiàn)有技術(shù)的一個混頻器的示意圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明的一個混頻器的示意圖；圖3為根據(jù)本發(fā)明的一個平衡混頻器的示意圖；圖4示出了對于一系列DC輸入信號的輸出特性圖；圖5示出了對于低頻正弦輸入信號的輸出電流的傅立葉變換圖；圖6為對于高頻正弦輸入信號的輸出信號的曲線圖，并且圖7示出了對于高頻正弦輸入信號的輸出電流的傅立葉變換圖。
具體實施例方式
參見圖2，一個混頻器包含一個具有晶體管P和N的AB類跨導(dǎo)器，該晶體管P和N在其柵極耦合以提供一個輸入節(jié)點10，在其漏極耦合以提供一個輸出節(jié)點20，晶體管P和N的源極耦合到各自的電壓軌Vss和Vdda。AB類跨導(dǎo)器具有一個跨導(dǎo)Gm＝gmp+gmn，該跨導(dǎo)取決于其偏壓電流并能受軌電壓Vdda的值控制。gmp和gmn分別是晶體管P和N的跨導(dǎo)。一個源跟隨器晶體管S被耦合在電壓軌Vdda和電壓軌Vdd之間。在節(jié)點30處的源跟隨器的漏極電壓Vd被控制來產(chǎn)生Gm所需的值。這種控制可以通過一種已知的電荷泵偏壓控制電路來施加，以建立Vd的平均電平。對于同樣的晶體管參數(shù)(一個簡化但非實質(zhì)性的條件)，在輸入節(jié)點10處的靜態(tài)輸入電壓是Vdda/2，該靜態(tài)輸入電壓在輸出節(jié)點20處不產(chǎn)生輸出電流。跨導(dǎo)器的跨導(dǎo)值可以表示如下。當(dāng)晶體管P和N處于飽和時，漏極-源極電流可以用平方律公式描述Ids=kVgt2---(1)]]>其中k＝μCoxW/(2L)并且Vgt＝Vgs-Vt，其中μ是遷移率，Cox是特定的柵極氧化電容，W是溝道寬度，L是溝道長度，Vgs是柵極-源極電壓，Vt是柵極門限電壓?？鐚?dǎo)通過下式給出Gm=gmp+gmn=2kVgt=2k(Vdda2-Vt)---(2)]]>從式中可以看出，Gm與Vdda的數(shù)值是成比例的。當(dāng)一個輸入信號vin被施加到輸入節(jié)點10，并且Vdda的值在節(jié)點30被一個信號vd所調(diào)制時，那么Gm也被調(diào)制Gm(v)=2k(Vdda+vd2-Vt)---(3)]]>以及輸出電流被給出iout=Gm(v)·vin]]>=2kvin(Vdda+vd2-Vt)]]>=Gmvin+kvinvd---(4)]]>在公式(4)中，輸出電流iout具有是與vin成比例的第一項，以及與vin和vd的乘積成比例的第二項。
圖3是一個包含兩個如圖2所示的跨導(dǎo)器的平衡混頻器的示意圖，這兩個跨導(dǎo)器都耦合在電壓軌Vdda和Vss之間。在圖3中，Vb1和Vb2是通過電阻器R1和R2分別施加給節(jié)點10和30的偏壓。差分輸入電壓±vin/2通過AC耦合電容器C1被提供給輸入節(jié)點10。圖4至圖7所示的結(jié)果已經(jīng)從圖3所示的混頻器的模擬中得到。
圖4是一個圖，示出了對于范圍在-250mV至+250mV之間、步長為50mV的源跟隨器S的柵極電壓vd的值，在輸出節(jié)點20處的輸出電流iout如何隨一個DC輸入電壓vin而變化的圖。從圖4中可以看出DC特性是線性的。
設(shè)置vin和vd為正弦曲線，這樣vin＝vinpeaksin(ω1t)和vd＝vdpeaksin(ω2t)公式4變成iout＝Gmvinpeaksin(ω1t)+kvinpeaksin(ω1t)vdpeaksin(ω2t)＝I1sin(ω1t)+I2(cos(ω1+ω2)t-cos(ω1-ω2)t)(5)公式(5)中和頻率與差頻的存在論證了電路的混頻功能。
圖5是一個示出了當(dāng)vin被設(shè)置為1.5MHz而vd被設(shè)置為0.5MHz時輸出電流iout的傅立葉變換的圖。與公式(5)中的3個項相對應(yīng)的、在1.5MHz、2MHz和1MHz的輸出信號成份的存在是顯而易見的。
圖6是一個曲線圖，示出了當(dāng)vin被設(shè)置為1GHz而vd被設(shè)置為1.001GHz時，在電阻性負載上監(jiān)視到的輸出電流iout，且圖7的曲線圖中示出了同樣條件下的輸出電流iout的傅立葉變換。理想地，這樣的條件將產(chǎn)生1GHz、1MHz和2.001GHz處的成份。圖6和7展示了一個1MHz處的成份和由超高頻失真所導(dǎo)致的1組全奇次諧波。這對于RF混頻器而言是正常的。
當(dāng)混頻器被用在一個無線接收機或一個無線收發(fā)信機的接收機級時，輸入電壓vin是通過一個低噪聲放大器(LNA)提供的接收到的信號，且電壓vd是通過例如一個壓控振蕩器(VCO)提供的本地振蕩器信號?？蛇x地，LNA和VCO可以被分別耦合來提供vd和vin。
LNA和VCO提供的電壓可以被AC耦合到混頻器輸入，因為它們是處在非常高的頻率上。AC耦合通過電容器C1和C2被示出在圖3中。
低頻輸出電流iout可以被直接耦合到該混頻器之后的一個信道濾波器的輸入端接跨導(dǎo)器，因此避免了對大耦合電容器的需求。
在當(dāng)前的說明書和權(quán)利要求中，在一個元件之前的單詞“一個”并不排除多個這種元件的存在。而且，單詞“包含”并不排除那些被列舉的之外的其它元件或步驟的存在。
通過閱讀當(dāng)前的公開內(nèi)容，其它的修正對于本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員而言將是顯然的。這樣的修改可以包括其它特征，這些特征在CMOS電路領(lǐng)域中和無線收發(fā)信機領(lǐng)域中是已知的以及可以被用來代替或附加到這里已經(jīng)描述的特征。
權(quán)利要求
1.一種混頻器(100)，包含一個AB類跨導(dǎo)器(P，N)，及用來同時用第一信號(vin)調(diào)制該跨導(dǎo)器的一個輸入(10)和用第二信號(vd)調(diào)制該跨導(dǎo)器的一個電壓軌(Vdda)的裝置(10，30)。
2.一種包含如權(quán)利要求1所述的混頻器的無線接收機。
3.一種包含如權(quán)利要求1所述的混頻器的無線收發(fā)信機。
4.一種包含如權(quán)利要求1所述的混頻器的集成電路。
全文摘要
一種混頻器，適合于在低電壓、低功率CMOS中實施，它使用一個AB類跨導(dǎo)器來通過跨導(dǎo)輸入和它的內(nèi)部電壓軌(voltage rail)的同時調(diào)制而實現(xiàn)模擬相乘。
文檔編號H03D7/14GK1656670SQ03811780
公開日2005年8月17日 申請日期2003年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月24日
發(fā)明者J·B·休斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司