專利名稱：改進(jìn)的截波混頻器的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及截波混頻器(chopping mixer)，具體地說(盡管不是排它的)涉及諸如直接變換接收器的射頻電路。
美國(guó)專利US-A-5 859 559(Raytheon公司)中描述了一種適于作為集成電路的一部分的混頻器結(jié)構(gòu)。通過引入能夠增強(qiáng)輸入差分放大器的跨導(dǎo)的涓流電流，可以避免虛假信號(hào)。
英國(guó)專利申請(qǐng)No.GB-A-2 151863(東芝公司)描述了具有第一和第二差分放大器的放大器電路。交換電路可以增加輸出信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。將第一和第二輸出應(yīng)用于負(fù)載，以獲得第一和第二信號(hào)的乘積。
本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是提供一種改進(jìn)截波混頻器性能的方法和裝置，其中，消除了上述缺點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)方面，提供了一種如權(quán)利要求13所述的、操作截波混頻器的方法。
電壓-電流(V-I)轉(zhuǎn)換器130由雙極晶體管132和134組成，雙極晶體管132和134基極共連，以接收偏壓Vb。來自輸入斷路器單元120的斷路器晶體管122-128的輸出各自連接到電壓-電流轉(zhuǎn)換器130中的雙極晶體管132和134的發(fā)射極，因此，晶體管在它們的集電極吸收與來自輸入斷路器單元120的電壓輸出信號(hào)Vip和Vin分別成比例的電流Ip和In。
射頻(RF)混頻器單元140由兩對(duì)雙極晶體管142&144和146&148組成。晶體管142和148的基極共連，以接收輸入信號(hào)LOn，晶體管144和146的基極共連，以接收輸入信號(hào)LOp，信號(hào)LOn和Lop形成將要與差分輸入信號(hào)RFp、RFn進(jìn)行混合(在RF輸入端口)的差分輸入信號(hào)。雙極晶體管142和144的發(fā)射極共同連接到雙極晶體管132的集電極，雙極晶體管146和148的發(fā)射極共同連接到電壓-電流轉(zhuǎn)換器130的雙極晶體管134的集電極。雙極晶體管142和146的集電極共同(經(jīng)電阻Rip)連接到參考電位源Vpp，雙極晶體管144和148的集電極也共同(經(jīng)電阻Rin)連接到該連接到參考電位源Vpp。
AC耦合單元150由電容器Cn和Cp組成。電容器Cn的一個(gè)電極連接到共同連接在一起的雙極晶體管142和146的集電極，電容器Cp的一個(gè)電極連接到共同連接在一起的雙極晶體管144和148的集電極。正如將在下面解釋的，可以以可編程的電容器結(jié)構(gòu)(未示出)來實(shí)現(xiàn)電容器Cn和Cp，以允許改變它們的電容量。
輸出斷路器單元160由兩對(duì)MOSFET斷路器晶體管162&164和166&168組成。連接斷路器晶體管162-168以接收斷路器時(shí)鐘信號(hào)clkp和clkn，并將它們連接到AC耦合單元150以分別地接收來自電容器Cn和Cp的電壓信號(hào)Vnc和Vpc。斷路器元件162和164的輸出交叉連接，以(在BB輸出端口)生成差分輸出信號(hào)Von和Vop，這兩個(gè)信號(hào)與差分輸出信號(hào)RFn和RFp(在RF輸入端口)和LOn和Lop(在LO輸入端口)混合。
下面分析AC截波混頻器100的性能在斷路器輸出級(jí)，差分輸出對(duì)差分輸入的關(guān)系由下式給出在clkp激活的時(shí)候(clkp＝1，clkn＝0)，Vop＝Vpc和Von＝Vnc在clkn激活的時(shí)候(clkp＝0，clkn＝1)，Vop＝Vnc和Von＝Vpc。
這得到了下列等式在clkp激活的時(shí)候，Vop-Von＝Vpc-Vnc，和在clkn激活的時(shí)候，Vop-Von＝-(Vpc-Vnc)。
因此，差分輸入信號(hào)Vp-Vn乘以時(shí)鐘信號(hào)clk，這樣信號(hào)Vp-Vn就從clk向下轉(zhuǎn)換到DC，這樣，Vop-Von＝(clkp-clkn)(Vpc-Vnc)。
然而，對(duì)于共模來說，情況是不同的，即共模輸出對(duì)共模輸入的關(guān)系由下式給出在clkp激活的時(shí)候，Vop+Von＝Vpc+Vnc，和在clkn激活的時(shí)候，Vop+Von＝Vpc+Vnc。
因此，在共模中，斷路器級(jí)的輸出與輸入相同，這樣Vop+Von＝Vpc+Vpn。
因此，可以看到，斷路器級(jí)沒有改變共模信號(hào)輸入。
同樣，應(yīng)當(dāng)理解，RF混頻器的特征類似于斷路器級(jí)，即，差分輸出對(duì)差分輸入的關(guān)系由下式給出當(dāng)LOn激活時(shí)，(LOn＝1，LOp＝0)，則Vp-Vcc＝-Rip·Ip，且Vn-Vcc＝-Rin·In，和當(dāng)LOp激活時(shí)，(LOn＝0，LOp＝1)，則
Vp-Vcc＝-Ri·Ip，和Vn-Vcc＝-Rin·Ip。
于是，在LOn激活的時(shí)候，Vp-Vn＝Ri(In-Ip)，和當(dāng)LOp激活的時(shí)候，Vp-Vn＝Ri(Ip-In)。
因此，Vp-Vn＝(LOp-LOn)Ri(Ip-In)。
同樣，共模輸出對(duì)共模輸入的關(guān)系由下式給出在LOn激活的時(shí)候，Vp+Vn＝-Ri(Ip+In)+2Vcc，和當(dāng)LOp激活的時(shí)候，Vp+Vn＝-Ri(Ip+In)+2Vcc。
這樣，應(yīng)當(dāng)理解，RF混頻器級(jí)沒有改變共模信號(hào)輸入。
盡管將V-I轉(zhuǎn)換器理想化為線性級(jí)，事實(shí)上，對(duì)輸出電流引入了非線性特征，這種模型可以表示為電壓輸入Vip和Vin多項(xiàng)式關(guān)系。只考慮二次輸出電流，并且拋棄有用的信號(hào)，得到下面的關(guān)系式Ip＝a2p(Vip)2，和In＝a2n(Vin)2所生成的二次電流成分將在低頻呈現(xiàn)。這些二次電流生成共模電流信號(hào)Ip+In＝a2p(Vip)2+a2n(Vin)2這將導(dǎo)致在RF混頻器輸出共模電壓信號(hào)，即Vp+Vn＝-Ri(a2p(Vip)2+a2n(Vin)2)+2Vcc這占用了與電流信號(hào)相同的頻譜，即在低頻上，因此AC耦合網(wǎng)絡(luò)將減少在這些低頻上的信號(hào)(可以在截波時(shí)鐘頻率的大約2.5％到5％的范圍內(nèi)選擇AC耦合轉(zhuǎn)角頻率，并可以通過使用前面提及的可編程的電容器結(jié)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)在這個(gè)范圍內(nèi)變化)。
同樣，考慮到在用于那些二極成分的RF混頻器輸出處的單端電壓(single ended voltage)(假設(shè)現(xiàn)在Rip不同于Rin，(即電阻不匹配))，得到如下關(guān)系式在LOn激活的時(shí)候，Vp＝Vcc-Ripa2p(Vip)2，和當(dāng)LOp激活的時(shí)候，Vp＝Vcc-Ripa2n(Vin)2。
Vp可以這樣表示Vp＝Vcc-Rip(a2p(Vip)2+a2n(Vin)2)/2+(LOp-LOn)Rip(a2p(Vip)2-a2n(Vin)2)/2Vn可以這樣表示Vn＝Vcc-Rin(a2p(Vip)2+a2n(Vin)2)/2-(LOp-LOn)Rin(a2p(Vip)2-a2n(Vin)2)/2對(duì)于Vp和Vn，項(xiàng)Rix(a2p(Vip)2+a2n(Vin)2)/2為由于通過電容器DC阻斷減少的二極成分而導(dǎo)致的低頻共模變量。項(xiàng)(LOx-LOn)Rix(a2p(Vip)2-a2n(Vin)2)/2將通過本地震蕩器頻率而移去，這樣就容易將其濾掉，從而就使其影響最小化。
不考慮第二項(xiàng)，Vpc和Vnc就可以這樣表示Vpc＝Hpc*Vcc-Rip(a2p(Vip)2+a2n(Vin)2)/2*Hpc示中，Hpc是正向通路上的高通濾波器，*表示卷積運(yùn)算，和Vnc＝Hnc*Vcc-Rin(a2p(Vip)2+a2n(Vin)2)/2*Hnc示中，Hnc是負(fù)向通路上的高通濾波器，*表示卷積運(yùn)算。
在輸出斷路器處，可以滿足下列關(guān)系式Vop+Von＝Vpc+Vnc，和Vop-Von＝(clkp-clkn)(Vpc-Vnc)，
導(dǎo)出下列關(guān)系式Vop+Von＝(Hpc+Hnc)*Vcc-(a2p(Vip)2+a2n(Vin)2)/2*(Rip Hpc+Rin Hnc)，AC耦合降低了二次共模成分，且Vop-Von＝(clkp-clkn)(Hpc-Hnc)*Vcc+(clkp-clkn)(a2p(Vip)2+a2n(Vin)2)/2*(Rin Hnc-Rip Hpc)。
這假設(shè)了輸出斷路器級(jí)是完全匹配的，即{clkp}＝{clkn}。然而，不完全匹配的輸出斷路器將限制差分二次成分的削減，并將產(chǎn)生等于如下的項(xiàng)值(例如，由于非50％的占空系數(shù)(duty cycle)時(shí)鐘或不相似的開關(guān)造成)(占空系數(shù)-50％)(a2p(Vip)2+a2n(Vin)2)/2*(Rin Hnc-Rip Hpc)。
在這種情況下，如果在低頻區(qū)域(0-200KHz)，(Rin Hnc-RipHpc)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于(Rin-Rip)，AC耦合將提供相對(duì)于非AC耦合網(wǎng)絡(luò)的、附加的IP2的增益改善。然而，輸出斷路器引入的二次非線性因素將限制IM2的差分性能。
現(xiàn)在參考圖3，(可能作為上述AC截波混頻器100的替換的)第二AC截波混頻器200與混頻器100共用許多組件，在圖3中，這些共用的組件的參考序號(hào)與

圖1中的相同。
第二AC截波混頻器200與混頻器100的區(qū)別在于(盡管在第一混頻器100中，LO輸入直接連接到混頻器單元140，RF輸入經(jīng)截波單元120和電壓-電流轉(zhuǎn)換器單元130連接到混頻器單元140)在第二混頻器200中，LO輸入經(jīng)由MOSFET斷路器晶體管222、224、226和228組成的斷路器單元220連接到混頻器單元140，RF輸入經(jīng)電壓-電流轉(zhuǎn)換器單元130連接到混頻器單元140?？梢钥吹?，在第二混頻器200中，如同在混頻器100中一樣，混頻器單元140的輸出經(jīng)AC耦合單元150連接到輸出截波單元160，而輸出截波單元160的輸出又連接到BB輸出。
應(yīng)當(dāng)理解，第二混頻器200的功能類似于前述混頻器100的功能。同樣應(yīng)當(dāng)理解，第一和第二混頻器都將以非理想的方式對(duì)RF輸入端口的信號(hào)作出響應(yīng)，這個(gè)信號(hào)與LO輸入端口的本地震蕩器頻率的區(qū)別在于，它的頻率是截波時(shí)鐘信號(hào)clkn和clkp的頻率fclk的整數(shù)倍。然而，應(yīng)當(dāng)理解，在第二混頻器200中，通過將輸入截波級(jí)從第一混頻器的RF輸入端口轉(zhuǎn)移到第二混頻器的LO輸入端口，這種非理想信號(hào)響應(yīng)相對(duì)于第一混頻器100減小了。按照這種方法，可以理解，通過通過較高的虛擬響應(yīng)隔離(spurious response isolation)，第二混頻器200提供了好于第一混頻器100的性能。
應(yīng)當(dāng)理解，上述用于改善截波混頻器性能的方法和裝置帶來了如下好處●通過對(duì)雙極混頻器輸出的AC耦合，當(dāng)在截波模式下運(yùn)行時(shí)，由于在輸出截波級(jí)之前，將信號(hào)集中在截波時(shí)鐘頻率而不是在DC中，從而獲得好處。
●同樣，AC耦合能夠?qū)⒐材Ｐ盘?hào)從0-200KHz的所需頻率范圍中除去。
●同樣，耦合電容器同樣DC阻斷了在每個(gè)信號(hào)末端輸出呈現(xiàn)的二次成分，導(dǎo)致二次IP2得到改善。
●斷路器混頻器和RF雙極混頻器具有相似的特征，它們的共模輸出對(duì)共模輸入等于1，并不會(huì)導(dǎo)致任何頻率轉(zhuǎn)移；然而，差分輸入的頻率將轉(zhuǎn)移。這意味著只有在整個(gè)混頻器設(shè)備中生成的低頻共模信號(hào)(0-200KHz)將以低頻共模信號(hào)出現(xiàn)在輸出端。大部分這種低頻共模信號(hào)主要在V-I轉(zhuǎn)換器級(jí)中，由混頻器設(shè)備的二次非線性生成，但是AC耦合將阻斷這些成分，并降低它們的量級(jí)。
權(quán)利要求
1.一種截波混頻器(100)，包括混頻器裝置(140)，其對(duì)接收到的信號(hào)(Ip、In、LOp、LOn)進(jìn)行混頻，并從生成混頻信號(hào)(Vp、Vn)；輸出截波裝置(160)；和耦合裝置(150)，其將所述混頻信號(hào)耦合到所述輸出截波裝置的，其特征為所述耦合裝置包括AC耦合裝置(Cn、Cp)。
2.如權(quán)利要求1中所述截波混頻器，其中所述AC耦合裝置包括用于使AC信號(hào)通過而阻斷DC信號(hào)的電容器裝置(Cn、Cp)。
3.如權(quán)利要求1或2中所述截波混頻器，其中所述混頻器裝置包括雙極晶體管混頻器(142、144、146、148)。
4.如權(quán)利要求1、2或3中所述截波混頻器，其中所述輸出截波裝置(160)包括MOSFET晶體管(162-168)。
5.如前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求中所述的截波混頻器，還包括輸入截波裝置(120，220)，用于對(duì)輸入到其上的輸入信號(hào)進(jìn)行截?cái)?，并將所述截波的輸入信?hào)耦合到所述混頻器裝置。
6.如權(quán)利要求1-4中任意之一的所述截波混頻器，還包括連接到所述混頻器裝置的輸入端的電壓-電流轉(zhuǎn)換器裝置(130)，用于將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)以應(yīng)用于所述混頻器裝置。
7.如權(quán)利要求1-4中任意之一的所述截波混頻器，還包括輸入截波裝置(120)，用于對(duì)輸入到其上的輸入信號(hào)進(jìn)行截波，和用于生成已截波的輸入電壓信號(hào)；和在所述輸入截波裝置和所述混頻器裝置之間連接的電壓-電流轉(zhuǎn)換器裝置(130)，用于將代表所述已截波的輸入電壓信號(hào)的電流信號(hào)。
8.如權(quán)利要求1-4中任意之一的所述截波混頻器，還包括連接到所述混頻器裝置的第一輸入端的輸入截波裝置(220)，用于將應(yīng)用于所述輸入截波裝置的已截波的輸入信號(hào)加到其上；和連接到所述混頻器裝置的第二輸入端的電壓-電流轉(zhuǎn)換器裝置(130)，用于將代表應(yīng)用于所述電壓-電流轉(zhuǎn)換器裝置的電壓信號(hào)的電流信號(hào)加到其上。
9.如權(quán)利要求5、7或8中的所述截波混頻器，其中所述輸入截波裝置(120、220)包括MOSFET晶體管(122-128、222-228)。
10.如前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求中的所述截波混頻器，其中所述信號(hào)是差分信號(hào)。
11.如前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求中的所述截波混頻器，其中所述AC耦合裝置具有大約在所述截波裝置的頻率的2.5％到5％的范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)角頻率。
12.一種直接轉(zhuǎn)換無線接收器(110)，其包括如權(quán)利要求1-11中任意之一中的所述截波混頻器。
13.一種用于操縱截波混頻器(100)的方法，所述方法包括提供混頻器裝置(140)，所述混頻器裝置用于對(duì)其接收到的信號(hào)(Ip、In、LOp、LOn)進(jìn)行混頻，并用于生成混頻信號(hào)(Vp、Vn)；提供輸出截波裝置(160)；和提供用于將所述混頻信號(hào)耦合到所述輸出截波裝置的耦合裝置(150)，其特征為所述耦合裝置包括AC耦合裝置(Cn、Cp)。
14.如權(quán)利要求13中的所述方法，其中所述AC耦合裝置包括用于使AC信號(hào)通過而阻斷DC信號(hào)的電容器裝置(Cn、Cp)。
15.如權(quán)利要求13或14中的所述方法，其中所述混頻器裝置包括雙極晶體管混頻器(142、144、146、148)。
16.如權(quán)利要求13、14或15中的所述方法，其中所述輸出截波裝置(160)包括MOSFET晶體管(162-168)。
17.如權(quán)利要求13-16中任意之一的所述方法，還包括提供輸入截波裝置(120、220)，以對(duì)輸入到其上的輸入信號(hào)進(jìn)行截波，并且將已截波的輸入信號(hào)耦合到所述混頻器
18.如權(quán)利要求13-16中任意之一的所述方法，還包括提供連接到所述混頻器裝置的輸入端的電壓-電流轉(zhuǎn)換器裝置(130)，以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，應(yīng)用于所述混頻器裝置中。
19.如權(quán)利要求13-16中任意之一的所述方法，還包括提供輸入截波裝置(120)，其用于對(duì)加到其上的輸入信號(hào)進(jìn)行截波，和用于生成已截波的輸入電壓信號(hào)，和提供電壓-電流轉(zhuǎn)換器裝置(130)，其連接于所述輸入截波裝置和所述混頻器裝置之間，以將代表所述已截波的輸入電壓信號(hào)的電流信號(hào)加到其上。
20.如權(quán)利要求13-16中任意之一的所述方法，還包括提供輸入截波裝置(220)，其連接到所述混頻器裝置的第一輸入端，用于將應(yīng)用于所述輸入截波裝置的已截波的輸入信號(hào)加到其上；和提供電壓-電流轉(zhuǎn)換器裝置(130)，其連接到所述混頻器裝置的第二輸入端，用于將代表應(yīng)用于所述電壓-電流轉(zhuǎn)換器裝置的輸入電壓信號(hào)的電流信號(hào)加到其上。
21.如權(quán)利要求17、19或20中的所述方法，其中所述輸入截波裝置(120、220)包括MOSFET晶體管(122-128、222-228)。
22.如權(quán)利要求13-21中任意之一的所述方法，其中所述信號(hào)是差分信號(hào)。
23.如權(quán)利要求13-22中任意之一的所述方法，其中所述AC耦合裝置具有大約在所述截波裝置的頻率的2.5％到5％的范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)角頻率。
全文摘要
本文公開了一種用于改進(jìn)截波混頻器(100)的裝置和方法，所述截波混頻器具有用于對(duì)其接收到的信號(hào)(Ip、In、LOp、LOn)進(jìn)行混頻的雙極混頻器級(jí)(140)；輸出截波級(jí)(160)；和用于將所述混頻信號(hào)耦合到所述輸出截波級(jí)的AC耦合級(jí)(150)。在截波輸出級(jí)之前，將所述信號(hào)集中在截波時(shí)鐘頻率而不是在DC中。AC耦合能夠?qū)⒐材Ｐ盘?hào)從所希望的頻率范圍中除去。同樣，耦合電容器同樣對(duì)在每個(gè)信號(hào)末端輸出呈現(xiàn)的二次成分進(jìn)行DC截波，導(dǎo)致二次IP2性能得到改善。
文檔編號(hào)H04B1/30GK1448006SQ01814137
公開日2003年10月8日 申請(qǐng)日期2001年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月17日
發(fā)明者納迪姆·哈拉特, 埃迪·洛倫森－盧阿塞斯, 巴巴克·巴斯塔尼 申請(qǐng)人:摩托羅拉公司