TW201442329A - 巴倫混頻器電路 - Google Patents
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Abstract
本發明提供了一種單平衡巴倫混頻器電路，其包含連接至一差動對(differential pair)的一巴倫電路，該巴倫電路具有一中央接點，而該差動對具有一尾電阻。該巴倫電路分別在一單端輸入端子與該中央接點接收一第一輸入信號與一第二信號。將一基頻信號或一中頻信號輸入到該中央接點，以及將一局部震盪器信號輸入到該單端輸入端子後，本發明所提供的一巴倫混頻器可作為升頻轉換的混頻器。
Description
本發明係關於類比信號的處理，特別係關於用於將基頻信號進行升頻轉換(up-conversion)的類比混頻器(mixer)。
如第二圖所示的吉爾伯特單元(Gilbert cell)混頻器200是目前已知的一種混合器電路。如第二圖所示，吉爾伯特單元混頻器200包含一對差動對、一電壓電流轉換級(voltage-to-current conversion stage)、和一尾電流源(tail current source)所組成。該對差動對分別包含NPN型電晶體Q1與Q2以及NPN型電晶體Q3與Q4。該電壓電流轉換級則由NPN型電晶體Q5與Q6以及電阻Rp與Rm所組成。該尾電流源由NPN型電晶體Q7以及電阻Rb所組成。吉爾伯特單元混頻器200需要較高的供應電流電壓以及來自於電壓電流轉換級中NPN型電晶體Q5與Q6的噪訊。
張氏(Chang)等人在美國專利7,308,244當中揭露了一種低電壓混頻器。更具體地說，張氏在第三圖中揭露了一種具有較少淨空電壓(voltage headroom)的混頻器。張氏並沒有揭露從一被動電路中產生正交信號。
吉氏(Ji)在美國專利6,959,180當中揭露了一種使用低溫共燒陶瓷(LTCC,low temperature co-fired ceramic)的混頻器結構。
根據本發明的一實施例，提供了一種單平衡巴倫混頻器電路，其包含連接至一差動對的一巴倫電路，該巴倫電路具有一中央接點，而該差動對具有一尾電阻。該巴倫電路分別在一單端輸入端子與該中央接點接收一第一輸入信號與一第二信號。將一基頻信號或一中頻信號輸入到該中央接點，以及將一局部震盪器信號輸入到該單端輸入端子後，本發明所提供的一巴倫混頻器可作為升頻轉換的混頻器。
根據本發明的一實施例，可以使用兩個單平衡巴倫混頻器電路組成一個雙重平衡巴倫混頻器電路。在一個雙重平衡巴倫混頻器電路當中，中央接點端子接收一基頻信號的差動信號。
根據本發明的一實施例，可以使用兩個雙重平衡巴倫混頻器電路組成一個雙重平衡鏡像抑制混頻器電路。兩個雙重平衡巴倫混頻器電路分別接收相應的局部震盪器信號與基頻差動信號的同相與正交頻道的信號。
根據本發明的一實施例，可以提供一條被動的局部震盪器信號鏈路以產生局部震盪器的多個正交信號。多相位濾波器也可以用在上述的巴倫電路上。
本發明所提供之巴倫混頻器電路的優點包含了可在低電壓與低功率環境下操作，同時還具有低噪訊。不像先前技術的吉爾伯特單元混頻器，本發明的巴倫混頻器不需要獨立的電壓電流轉換級。
本發明的內容係在以下的段落中詳細地說明，並且配合圖示。
100‧‧‧巴倫混頻器
101‧‧‧單端接收端子
103‧‧‧射頻信號輸出端子
103A‧‧‧射頻信號輸出端子
103B‧‧‧射頻信號輸出端子
104‧‧‧終端電阻
104A‧‧‧差動輸出端子
104B‧‧‧差動輸出端子
200‧‧‧吉爾伯特單元混頻器
300‧‧‧巴倫混頻器電路
300A‧‧‧巴倫混頻器電路
300B‧‧‧巴倫混頻器電路
400‧‧‧雙重平衡的鏡像抑制混頻器
501A‧‧‧電路方塊
501B‧‧‧電路方塊
600‧‧‧雙重平衡鏡像抑制巴倫混頻器
650‧‧‧局部震盪信號鏈路
第一圖顯示根據本發明一實施例的巴倫混頻器100。
第二圖顯示先前技術的吉爾伯特單元混頻器200。
第三圖顯示根據本發明一實施例的具有一雙重平衡構型的巴倫混頻器電路300。
第四圖顯示根據本發明一實施例的巴倫混頻器電路400，其包含兩個第三圖所示的雙重平衡構型的巴倫混頻器電路300。
第五圖顯示雙重平衡的鏡像抑制混頻器400之一方塊示意圖，該混頻器400包含以電路方塊501a與501b表示的雙重平衡構型的巴倫混頻器電路之核心300a與300b。
第六圖顯示根據本發明一實施例的雙重平衡鏡像抑制巴倫混頻器600的一部分，第六圖還顯示被動局部震盪信號鏈路650，其透過輸入信號IPP、IPM、IMP、IMM、QPP、QPM、QMP、與QMM連接到第五圖所示的電路方塊501a與502b(不顯示在第六圖上)，而電路方塊501a與502b提供射頻信號輸出端子103a與103b。
為了方便比較各圖之間的元件，相似的元件被賦予相似的元件符號。
請參考第一圖所示，其為根據本發明一實施例的巴倫混頻器100。如第一圖所示，巴倫混頻器100包含巴倫電路TX1，由其單端接收端子101接收一局部震盪器信號LO_in，由其中間接點接收基頻信號BB_in。巴倫電路TX1的平衡輸出信號提供給NPN型電晶體Q1與Q2的基極。而這兩個電
晶體與尾電阻R形成一組差動對。上述的尾電阻R最好是一可變電阻，可將混頻器的增益值調整到適當的值。其電阻值的調整值可以是數位離散的值，類似於可程式化增益放大器；或者可以是連續的值，類似於可變增益放大器。除此之外，巴倫電路TX1的差動輸出端子104a與104b可藉由具有適當電阻值的終端電阻104所短路，以便對局部震盪器連接埠提供一個適當的輸入阻抗。
巴倫混頻器電路100的優點之一在於其可在低電壓環境下操作。如第一圖所示，巴倫混頻器電路100的操作電壓可以低到一基底發射器電壓(Vbe，大約是0.7伏特)再加上一個峰值信號震盪(swing)電壓(Vp，例如0.3伏特)。因此，巴倫混頻器電路100可以在最小電壓為1伏特的時候操作。除此之外，如果以金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)取代NPN型雙極電晶體，其操作電壓還可以降至更低，考慮現代製程下金屬氧化物半導體場效電晶體的臨界電壓(threshold voltage)，甚至可以降到明顯低於0.7伏特。
為了減少射頻信號輸出端子103a與103b當中較強的局部震盪器信號部分(signal content)，可以使用第三圖所示的巴倫混頻器電路300。巴倫混頻器電路300具有一雙重平衡構型以減少在射頻信號輸出端子103a與103b當中的局部震盪器信號部分。如第三圖所示，平行連接的巴倫電路TX1與TX2在其共同的單端端子接收局部震盪器信號LO_in，以及在其各自的中央接點接收差動的基頻信號BBP_in與BBN_in。巴倫電路TX1與TX2的平衡輸出信號驅動由NPN型電晶體Q1、Q2、可變電阻Rp所組成的差動對，以及驅動由NPN型電晶體Q3、Q4、可變電阻Rm所組成的差動對。耦合電容Cka提供NPN型電晶體Q2與Q3集極接合電容值(collector-base
junction capacitances)(C μ )的「動態中和」(netrodynization)。同樣地，耦合電容Ckb提供NPN型電晶體Q1與Q4集極接合電容值(C μ )的「動態中和」。因此，可以在局部震盪器信號的連接埠與射頻信號連接埠之間提供較好的隔離效果。耦合電容Cka與Ckb減少了局部震盪器信號在射頻信號輸出端子103a與103b當中的漏電流，進而改善了混頻器的線性性能。
在第三圖當中，可以在局部震盪器信號連接埠提供可變的電容CLO。其額外提供的電容可以允許局部震盪器信號LO_in在更低頻時操作。假設電路是在較高頻的局部震盪器信號LO_in環境下操作時，可以減少電容CLO的電容量以增進性能。
第四圖顯示根據本發明一實施例之由兩個第三圖示出的平衡輸出巴倫混頻器電路300所組合的巴倫混頻器電路400。巴倫混頻器電路400是一種雙重平衡的鏡像抑制混頻器。如第四圖所示，巴倫混頻器電路400是由雙重平衡混頻器電路300a與300b所組成，這兩個電路可以由第三圖所示的平衡巴倫混頻器電路300來實現。巴倫混頻器400分別透過巴倫混頻器電路300a與300b的單端輸入端子來接收同相與正交的局部震盪器信號LOI_in與LOQ_in(兩者相差90度的相位)。更具體地說，同相局部震盪器信號LOI_in是由巴倫電路TX1與TX2的單端輸入端子來接收，正交局部震盪器信號LOQ_in是由巴倫電路TX3與TX4的單端輸入端子來接收。同相與正交的差動基頻信號BBIP_in、BBIM_in、BBQP_in、與BBQM_in分別透過巴倫電路TX1、TX2、TX3、與TX4的中央接點輸入。透過同時改變可變電阻Rip、Rim、Rqp、與Rqm的電阻值，可以改變巴倫混頻器電路400的增益值。具體地說，同相信號的增益值(I-gain)可以透過改變可變電阻Rip與Rim的電阻值來設
定，正交信號的增益值(Q-gain)可以透過改變可變電阻Rqp與Rqm的電阻值來設定。再者，同相信號的增益值與正交信號的增益值可以互相參考調整，以校正同相正交增益值之間的誤差並且改善旁頻帶(sideband)信號的抑制。由以下三種原因造成在射頻信號輸出端子103a與103b的局部震盪器信號之漏電流，可以經由改動可變電阻Rip與Rim以及可變電阻Rqp與Rqm的電阻值比加以最小化。上述的原因包含(一)同相頻道或正交頻道的直流電偏移；(二)局部震盪器信號的直接穿透(feedthrough)；以及(三)上述原因的任意組合。
第五圖顯示雙重平衡的鏡像抑制混頻器400之一方塊示意圖，該混頻器400包含以電路方塊501a與501b表示的雙重平衡構型的巴倫混頻器電路之核心300a與300b(即該差動對、該可變電阻、該耦合電容)。
第六圖顯示根據本發明一實施例的雙重平衡鏡像抑制巴倫混頻器600的一部分，第六圖還顯示被動局部震盪信號鏈路650，其透過輸入信號IPP、IPM、IMP、IMM、QPP、QPM、QMP、與QMM連接到第五圖所示的電路方塊501a與502b(不顯示在第六圖上)，而電路方塊501a與502b提供射頻信號輸出端子103a與103b。在第六圖當中，信號IPP、IPM、IMP、IMM、QPP、QPM、QMP、與QMM是巴倫混頻器600的核心電路501a與501b的輸入端子。可以理解的是，第五圖所示的核心電路501a與501b是雙重平衡鏡像抑制巴倫混頻器600的一部分，但第六圖並未顯示出來以避免混淆。局部震盪信號鏈路650包含多相位的電阻電容濾波器，其由R1到R8等電阻與C1到C8等可變電容所組成。在一實施例中，電阻R1到R8的每一個電阻值均相同，且可變電容C1到C8的每一個電容值也都相同。在另一實施例中，可變電容的電容值可以使用二元權重的比例加以調整，其可以利用金屬氧化
物半導體電容的陣列加以實施，或是與金屬氧化物半導體開關串連的電容陣列加以實施。電容C1到C8允許提供到正交信號的局部震盪器信號之頻率是可變的，因此可以在某一特定的頻率下最大地抑制鏡像信號。電感LLO與電容CLO組成了一簡單雙工器電路(diplexer)，其可以從具有某一特定頻率的單一局部震盪器輸入信號產生出多個正交信號。儘管電感L_LO與電容C_LO可以是固定值，所產生出來的正交局部震盪器信號之品質主要還是由多相位濾波器所決定。因為由電阻R1到R8與電容C1到C8所組成的多相位濾波器可以在工廠進行調校，加以設定到想要的局部震盪器信號頻率而無須改變任何硬體設計。然而，為了改善單調性(monotonicity)，最好只讓多個電容的電容值或多個電阻的電阻值的其中之一種是可變的。最好不要讓兩種值都是可變的。
在第六圖所示的連接線路當中，對基頻輸入信號而言，由雙重多相位濾波器(double poly-phase filters)的電阻R1到R8與電容C1到C8在基頻信號上所感應的電容性負載被等化(equalized)了。只有四種可能的線路連接方式可使此基頻信號達到電容性平衡，又同時具有正確的正交信號相位。
和先前技術當中張氏所揭露的技術相比，本發明達到了較佳的噪訊性能以及較佳的直流電匹配性能，由於在變壓器貳次側的直流電阻抗遠遠地小於張氏第三圖所示的電阻R1到R4，因此具有較少的局部震盪器信號的漏電流。較低的直流電阻抗減少了因NPN型電晶體Q1到Q4的基本電流不匹配與電阻的熱噪訊所造成的影響。再者，如同第六圖所示與其相關的說明指出，本發明提供的混頻器利用一被動電路的單一局部震盪器信號
輸入端可以產生多個正交的局部震盪器信號。
以上的詳細說明係用來提供本發明的特定實施例，而非用於限定本發明。在本發明的範圍內可以進行許多修改與改型。本發明的內容係根據以下權利要求範圍所定義。
100‧‧‧巴倫混頻器
101‧‧‧單端接收端子
103‧‧‧射頻信號輸出端子
103A‧‧‧射頻信號輸出端子
103B‧‧‧射頻信號輸出端子
104‧‧‧終端電阻
104A‧‧‧差動輸出端子
104B‧‧‧差動輸出端子
Claims (10)
- 一種混頻器電路，包含：一第一巴倫電路，包含一第一單端輸入端子與一第一中央接點輸入端子，該第一巴倫電路用於提供一第一平衡輸出信號；以及一第一差動對，包含一第一電晶體、一第二電晶體、與連接到該第一電晶體與第二電晶體的一第一尾電阻，其中該第一平衡輸出信號提供至該第一電晶體與第二電晶體的控制端。
- 如申請專利範圍第1項的混頻器電路，其中上述之第一尾電阻包含一可變電阻值的電阻。
- 如申請專利範圍第1項的混頻器電路，其中於該第一單端輸入端子提供一局部震盪器信號，於該第一中央接點輸入端子提供一基頻信號。
- 如申請專利範圍第1項的混頻器電路，更包含：一第二巴倫電路，其包含連接至該第一巴倫電路之該第一單端輸入端子的一第二單端輸入端子，以及一第二中央接點輸入端子，該第二巴倫電路係用於提供一第二平衡輸出信號；以及一第二差動對，包含一第三電晶體、一第四電晶體、與連接到該第三電晶體與第四電晶體的一第二尾電阻；以及多個耦合電容，用於連接在該第一巴倫電路與第二巴倫電路的平衡輸出信號端子，其中該第二巴倫電路的平衡輸出信號係用於控制第二差動對所含電晶體的控制端，其中該第一巴倫電路與該第二巴倫電路的該(第一與第二)單端輸入端子自一局部震盪器接收一信號，以及該第一巴倫電路與該第二巴倫電路的該(第一與第二)中央接點輸入端子接收一差動基頻信號，藉此 該混頻器電路提供一第一雙重平衡巴倫混頻器。
- 如申請專利範圍第4項的混頻器電路，更包含與該第一雙重平衡巴倫混頻器具有實質相同配置的一第二雙重平衡巴倫混頻器，其中該第一雙重平衡巴倫混頻器的該多個單端輸入端子與該第二雙重平衡巴倫混頻器的該多個單端輸入端子接收該局部震盪器的同相與正交信號，其中該第一雙重平衡巴倫混頻器的該多個中央接點輸入端子與該第二雙重平衡巴倫混頻器的該多個中央接點輸入端子分別接收該基頻信號的同相與正交差分信號。
- 如申請專利範圍第1項的混頻器電路，更包含一電感與一電容所組成的一電感電容濾波器，其用於提供該局部震盪器的該同相與正交信號。
- 如申請專利範圍第6項的混頻器電路，更包含在該第一巴倫電路之平衡輸出端子間與相應的第一差動對之電晶體的控制端子間的多相位濾波器。
- 如申請專利範圍第7項的混頻器電路，其中該多相位濾波器包含多個電阻與電容。
- 如申請專利範圍第8項的混頻器電路，其中該多相位濾波器包含可變電阻值的電阻。
- 如申請專利範圍第8項的混頻器電路，其中該多相位濾波器包含可變電容值的電容。
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