專利名稱：多級接收器結(jié)構(gòu)中使用的開關(guān)下轉(zhuǎn)換混頻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及混頻器，特別涉及在一個多級接收器結(jié)構(gòu)，例如，一個正交接收器中使用的一個下轉(zhuǎn)換混頻器電路。
今天無線通信技術(shù)的一個流行趨勢是將射頻(RF)收發(fā)器功能集成到一單個模塊的大規(guī)模集成。當(dāng)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的人員在討論該題目時所經(jīng)常使用的一個術(shù)語是“單片收發(fā)器”。盡管做到這一點(diǎn)，在技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性，但是一小群支持者相信直接轉(zhuǎn)換技術(shù)可能會提供一個商業(yè)上可行的方案。該領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，直接轉(zhuǎn)換技術(shù)指這樣一種技術(shù)，其中一個輸入RF信號被接收并且被直接轉(zhuǎn)換為一組基帶(音頻)分量，而沒有被轉(zhuǎn)換為一組中頻(IF)分量。
在上面所希望的接收器結(jié)構(gòu)中，下轉(zhuǎn)換混頻器電路起著非常重要的作用。它的速率很快并且支持高頻操作。它必須有強(qiáng)的本地振蕩(LO)隔離特性，這是因?yàn)镽F信號和LO參考信號工作在相同的頻率上。它還應(yīng)該有一個低的噪聲系數(shù)以改善接收靈敏度。另外，它必須是節(jié)能的，以幫助節(jié)省電流消耗。根據(jù)前面所描述的，提供一種改進(jìn)的、特別適合于多級直接轉(zhuǎn)換接收器的下轉(zhuǎn)換混頻器電路和方法是非常有用的。


圖1描述了使用根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的下轉(zhuǎn)換混頻器電路的一個現(xiàn)有技術(shù)接收器結(jié)構(gòu)；圖2描述了根據(jù)本發(fā)明的一個直接轉(zhuǎn)換接收器；圖3描述了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的一個現(xiàn)有Gilbert Cell混頻器電路的一個詳細(xì)電路框圖；圖4描述了根據(jù)本發(fā)明的一個開關(guān)下轉(zhuǎn)換混頻器電路的一個詳細(xì)電路框圖；和圖5描述了圖4的開關(guān)混頻器電路的一第二實(shí)施方式的一個詳細(xì)電路框圖；和圖6和7顯示了分別描述圖3的混頻器電路和圖4與5的混頻器電路操作的時間序列圖。
雖然說明書后所附的權(quán)利要求已定義了被認(rèn)為是本發(fā)明的新特征，但是通過下面的描述和附圖將能夠更好地理解本發(fā)明，附圖中類似的標(biāo)號表示相同的內(nèi)容。
現(xiàn)在參考圖1，圖1顯示了利用一個下轉(zhuǎn)換混頻電路的一個現(xiàn)有技術(shù)接收器結(jié)構(gòu)10的一個框圖。接收器10包括一個用于接收射頻(RF)信號的天線100。例如，但是沒有任何限制，被接收的RF信號的頻率是450兆赫。該信號被無源濾波器102濾波并且被預(yù)放大器104放大。被放大的信號在混頻器106處與第一本地振蕩器(LO)信號進(jìn)行混頻。例如，但是沒有任何限制，該第一LO參考信號的頻率可以是495兆赫茲，它與450兆赫茲的接收信號混頻所產(chǎn)生的結(jié)果是一頻率近似為45兆赫茲的第一中頻(IF)信號。該第一中頻IF信號被無源濾波器108濾波。一第二混頻級110將該第一IF信號與頻率為45.45兆赫茲的第二LO進(jìn)行混頻，它與45兆赫茲第一IF信號的該混頻所產(chǎn)生的結(jié)果是頻率近似為450KHz的一第二IF信號。這個下轉(zhuǎn)換第二IF信號被一第二濾波級112濾波并且被檢測器電路114解調(diào)。然后被檢測的信號被發(fā)送到揚(yáng)聲器116。
下面參考圖2，圖2描述了一個直接轉(zhuǎn)換接收器的一個框圖。該接收器20的前端與圖1的接收器10的前端類似。通過比較，可以看出它包括一個天線100，無源濾波器102和預(yù)放大器104。在混頻器206將被放大的信號與第一LO信號進(jìn)行混頻。例如，但是沒有任何限制，該第一LO參考的頻率是450兆赫茲，它與450兆赫茲的接收信號混頻的結(jié)果是產(chǎn)生I和Q分量，I和Q分量被I和Q基帶濾波器208濾波，并且被解調(diào)器電路210解調(diào)，然后被發(fā)送到揚(yáng)聲器116。該領(lǐng)域的技術(shù)人員將注意到，圖2的直接轉(zhuǎn)換接收器沒有采用圖1的兩級IF下轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)。
圖3描述了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的一個現(xiàn)有技術(shù)混頻器電路206的一個詳細(xì)電路框圖。通過仔細(xì)觀察，該領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，圖3的混頻器電路是眾所周知的Gilbert混頻器，即通常所稱的Gilbert Cell混頻器。這種類型的混頻器通常用于圖2的直接轉(zhuǎn)換接收器20中。但是，當(dāng)這種接收器被集成到一單個硅模塊上時，它產(chǎn)生了一系列嚴(yán)重的限制。首先，LO隔離被限制到在距離以微米來衡量的量級上來實(shí)現(xiàn)。第二，需要產(chǎn)生兩個基帶正交信號的晶體管的數(shù)目增加了裝置的電流消耗需求。
圖4描述了根據(jù)本發(fā)明的一個開關(guān)混頻器電路的一個詳細(xì)電路框圖。通過仔細(xì)觀察，該領(lǐng)域的技術(shù)人員可以看到，與圖3的混頻器300不同，圖4的混頻器400是一個非差分電路，由此僅需要一單個輸入路徑401。根據(jù)本發(fā)明，該混頻器400包括一單個電壓到電流轉(zhuǎn)換器402。通過比較可以看出，圖3的Gilbert Cell混頻器300是一個差分電路，有兩個并行輸入路徑，每一個輸入路徑采用兩個電壓到電流轉(zhuǎn)換器對301，303和305，309。
再來參考圖4，該電壓到電流轉(zhuǎn)換器402建立一單個電流節(jié)點(diǎn)404。通過比較可以看出，在圖3的Gilbert Cell混頻器300中，每一個電壓到電流轉(zhuǎn)換器對301，303和305，309提供了一個電流節(jié)點(diǎn)，它們在每一個相應(yīng)的并行輸入路徑中。
再參考圖4，混頻器400采用了一個包括多級的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)408。根據(jù)本發(fā)明，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)408有四級，每一級被表示為406。該領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，可以采用非四級的結(jié)構(gòu)。級的數(shù)目僅決定可以獲得的輸出狀態(tài)的數(shù)目。在該示例中，一個正交接收器采用了該混頻器400。象這樣，需要四個輸出狀態(tài)，所以開關(guān)網(wǎng)絡(luò)408采用四級。如果3，6，或者8個輸出級被認(rèn)為是有利的，然后開關(guān)網(wǎng)絡(luò)級的數(shù)目將必要地發(fā)生改變，來適應(yīng)該接收器的設(shè)計(jì)。但是，最重要的，應(yīng)該注意到，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)408的每一級406連接到該單個電流節(jié)點(diǎn)404。
通過比較，可以看出，圖3的Gilbert Cell混頻器300采用一個包括四電流節(jié)點(diǎn)302，304，306，308的分布式開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，四個電流節(jié)點(diǎn)中的每兩個位于每一個相應(yīng)的并行輸入路徑中。雖然圖4的混頻器400產(chǎn)生包括I輸出，＾I輸出，Q輸出，＾Q輸出的一個四狀態(tài)輸出，但是與現(xiàn)有技術(shù)相比，它是以一個價錢更便宜的、電流消耗更少的方式來實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)閳D4的混頻器400比圖3的混頻器300的部件數(shù)目少，所以價錢更便宜。電流效率的增強(qiáng)部分地是因?yàn)椴考?shù)目的減少，部分地是因?yàn)殚_關(guān)網(wǎng)絡(luò)408的非分布式開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過參考圖6和7，就更容易理解這一點(diǎn)了。
圖6和7顯示了分別描述圖3的混頻器電路和圖4與5的混頻器電路的操作的兩個時間序列圖。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解的，圖3的混頻器電路300的操作需要在任何時刻至少兩個混頻電路級是激活的，以產(chǎn)生一個輸出狀態(tài)I輸出，＾I輸出，Q輸出，＾Q輸出。通過比較，可以看出，該混頻器400需要僅一個混頻電路級406是激活的，以產(chǎn)生一個輸出狀態(tài)I輸出，＾I輸出，Q輸出，＾Q輸出。圖7中控制開關(guān)網(wǎng)絡(luò)408的操作的空閑周期的發(fā)生源是一個時鐘信號發(fā)生器電路(沒有顯示)。圖7的時鐘脈沖被發(fā)送來控制標(biāo)志為A，B，C，D的行，并且被連接到相應(yīng)的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)408的級406。在一個時鐘信號出現(xiàn)在一個控制線A，B，C，或者D上時，僅接收級406是激活的(即，被使能并且被打開)。
這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使一個混頻電路大大地減少了采用它的裝置的費(fèi)用和電流消耗需求。在用電池供電的、手持消費(fèi)電子裝置，和通信裝置，例如雙向無線，蜂窩電話，PCS電話，尋呼機(jī)等裝置中，這相當(dāng)于延長了電池的壽命并且減少了裝置費(fèi)用，這兩點(diǎn)是有很強(qiáng)的競爭優(yōu)勢的。
圖5描述了圖4的開關(guān)混頻器電路的一第二實(shí)施方式的一個詳細(xì)電路框圖。如將要被該領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解的，圖5的混頻器電路500是圖4所公開的電路400的一個差分實(shí)施方式。結(jié)果，它采用并行輸入路徑。最重要的是，應(yīng)該注意到，每一個相應(yīng)輸入路徑僅有一個電壓到電流轉(zhuǎn)換器501和505。每一個輸入路徑僅有一個電流節(jié)點(diǎn)502和506。每一個輸入路徑僅有一個開關(guān)網(wǎng)絡(luò)510和515。每一個開關(guān)網(wǎng)絡(luò)與一單個相應(yīng)電流節(jié)點(diǎn)相連。應(yīng)該注意到，在操作期間，在任何時刻僅來自相應(yīng)開關(guān)網(wǎng)絡(luò)510和515中的一個開關(guān)網(wǎng)絡(luò)級是激活的。
總之，本發(fā)明的混頻器電路400和500的特征是具有一單個RF晶體管，該RF晶體管工作在線性模式，以產(chǎn)生與一個接收的RF輸入信號的信號強(qiáng)度成正比的一個電流。然后該晶體管的輸出電流被發(fā)送到一個直接轉(zhuǎn)換開關(guān)網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)本發(fā)明，該開關(guān)網(wǎng)絡(luò)是一個能夠支持正交接收器工作的四級網(wǎng)絡(luò)。
在該網(wǎng)絡(luò)中，該四級，它們中每一個晶體管，例如NPN晶體管，將電流切換到四個負(fù)載電阻上，這四個電阻產(chǎn)生兩個差分基帶信號I輸出，＾I輸出，Q輸出，＾Q輸出。這四個開關(guān)網(wǎng)絡(luò)級有標(biāo)志為A，B，C，D的時鐘信號控制，這四個時鐘信號之間的關(guān)系表示在圖7中，并且其頻率與接收的RF輸入信號的載波頻率相等。產(chǎn)生兩個基帶I和Q信號的四級的開關(guān)動作由下述方程控制X=Σn=1xanCOS(nωLOt)]]>an=4nπSIN(nπ2)COS(nπ4)---1)]]>Y=Σn=1xbnSIN(nωLOt)]]>bn=4nπSIN(nπ2)SIN(nπ4)---2)]]>當(dāng)將這個混頻器電路集成到一個集成電路(IC)上時，這個混頻器電路有幾個優(yōu)點(diǎn)，并且與目前的集成混頻器，例如一個Gilbert Cell混頻器相比，其性能優(yōu)異。例如，但是沒有任何限制，一單個RF晶體管決定了混頻器的噪聲因子，允許設(shè)計(jì)出費(fèi)用更便宜的、更可靠的接收器。與一個Gilbert Cell混頻器相比，一單個晶體管產(chǎn)生I和Q兩個基帶信號，這大大減少了其裝置的電流消耗。減少電流消耗，就意味著延長了用電池進(jìn)行工作的通信裝置的電池壽命。
權(quán)利要求
1.一個用于接收器的混頻器電路，包括一個電壓到電流轉(zhuǎn)換器，與一個輸入相連以提供一單個電流節(jié)點(diǎn)；和一個具有多級的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，每一個級與該單個電流節(jié)點(diǎn)相連并且每一級有一個選擇控制，以使在任何時刻僅有一個級是被選擇的。
2.如權(quán)利要求1的混頻器電路，進(jìn)一步包括一個時鐘發(fā)生器。
3.如權(quán)利要求2的混頻器電路，其中該時鐘信號發(fā)生器在任何時刻產(chǎn)生一單個時鐘信號。
4.如權(quán)利要求2的混頻器電路，其中該時鐘信號發(fā)生器與該開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的選擇控制相連。
5.具有混頻器電路的一個正交接收器，所述混頻器包括一個輸入；一個電壓到電流轉(zhuǎn)換器，與該輸入相連以提供一單個電流節(jié)點(diǎn)；具有多級的一個開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，每級與該單個電流節(jié)點(diǎn)相連并且進(jìn)一步有一個選擇控制線；和一個時鐘發(fā)生器，與每一個開關(guān)網(wǎng)絡(luò)級的選擇控制線相連，以使在任何時刻僅一個開關(guān)網(wǎng)絡(luò)級是激活的。
6.用于一個正交接收器的一個差分混頻器電路，包括一第一電壓到電流轉(zhuǎn)換器，與一第一輸入相連以提供一第一電流節(jié)點(diǎn)；一第二電壓到電流轉(zhuǎn)換器，與一第二輸入相連以提供一第二電流節(jié)點(diǎn)；具有多級的一第一開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，該第一開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的每一級與該第一電流節(jié)點(diǎn)相連并且進(jìn)一步有一個選擇控制線；和具有多級的一第二開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，該第二開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的每一級與該第二電流節(jié)點(diǎn)相連并且進(jìn)一步有一個選擇控制線；和一個時鐘發(fā)生器，與每一個第一和第二開關(guān)網(wǎng)絡(luò)級的選擇控制線相連，以使在任何時刻僅一個第一開關(guān)網(wǎng)絡(luò)和一個第二開關(guān)網(wǎng)絡(luò)級是激活的。
7.包括一個正交接收器的一個通信裝置，所述正交接收器進(jìn)一步包括一單個RF晶體管，與一個輸入相連，以提供與一個接收RF輸入信號成正比的一個輸出電流；具有多級的一個開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，用于接收該輸出電流并且用與該接收的RF輸入信號的頻率相等的頻率來切換該輸出電流；和一個時鐘信號發(fā)生器，與每一個相應(yīng)開關(guān)網(wǎng)絡(luò)級的一個控制線相連，以提供頻率與該接收的RF輸入信號的頻率相等的時鐘信號。
8.一個正交接收器所使用的一個差分混頻器電路，包括一第一RF晶體管，與一個輸入相連，以提供與一個接收RF輸入信號成正比的一第一輸出電流；一第二RF晶體管，與該輸入相連，以提供與一個接收RF輸入信號成正比的一第二輸出電流；具有多級的一第一開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，用于接收該第一輸出電流并且用與該接收的RF輸入信號的頻率相等的頻率來切換該第一輸出電流；具有多級的一第二開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，用于接收該第二輸出電流并且用與該接收的RF輸入信號的頻率相等的頻率來切換該第二輸出電流；和一個時鐘信號發(fā)生器，與每一個相應(yīng)開關(guān)網(wǎng)絡(luò)級的一個控制線相連，以提供頻率與該接收的RF輸入信號的頻率相等的時鐘信號。
9.如權(quán)利要求8的該差分混頻器電路，其中該第一和該第二輸入的相位差異是180°。
全文摘要
一個多級接收器中所使用的一個混頻器電路接收一單端或者差分(即平衡)輸入。一個電壓到電流轉(zhuǎn)換器包括與該輸入相連的一單個RF晶體管,并且提供其電流正比于一個接收輸入的一個單個電流節(jié)點(diǎn)。一個開關(guān)網(wǎng)絡(luò)有多級。每一級與該電流節(jié)點(diǎn)相連并且進(jìn)一步有一個控制線(A,B,C,D)。與該開關(guān)網(wǎng)絡(luò)級的控制線(A,B,C,D)相連的一個時鐘信號發(fā)生器產(chǎn)生其頻率與該接收RF輸入信號的頻率相等的時鐘信號。
文檔編號H04B1/26GK1272004SQ9910502
公開日2000年11月1日 申請日期1999年4月23日 優(yōu)先權(quán)日1999年4月23日
發(fā)明者凱文·B·特雷勒 申請人:摩托羅拉公司