專利名稱：混頻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及混頻器，通常涉及用來混合一個(gè)射頻信號(hào)和本地振蕩器信 號(hào)以產(chǎn)生一個(gè)中頻信號(hào)的混頻器。發(fā)明背景混頻器用于頻率轉(zhuǎn)換，并且是現(xiàn)代射頻(RF)系統(tǒng)里的一個(gè)基本組件。 一個(gè)混頻器的典型RF應(yīng)用是將一個(gè)射頻(RF)信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)低中頻(IF) 信號(hào)。這種降頻(frequency reduction)允許更簡單的信號(hào)處理和/或信號(hào)的 高增益放大，而不會(huì)有不穩(wěn)定或震蕩的風(fēng)險(xiǎn)，這些風(fēng)險(xiǎn)可能在射頻的高增 益放大上發(fā)生?，F(xiàn)有RF混頻器存在許多問題。 一個(gè)問題是為了實(shí)現(xiàn)混頻器的寬頻匹 配，普遍使用晶載螺旋電感器(on-chip spiral inductor)。這些螺旋電感器 要求一個(gè)大的晶圓面積(die area),并產(chǎn)生較高的生產(chǎn)成本。使用螺旋電 感器的一個(gè)替代方案是并行使用一連串窄帶(narrowband)混頻器，以便 實(shí)現(xiàn)一個(gè)具體帶寬和寬頻匹配。但是，這種解決方法也是用一個(gè)大晶圓面 積，并產(chǎn)生較高的生產(chǎn)成本?，F(xiàn)有混頻器的另一個(gè)缺點(diǎn)是一些混頻器要求 準(zhǔn)確的預(yù)失真(pre-distortion)以消除任何非線性，來實(shí)現(xiàn)要求的性能和寬 頻匹配。由于加工偏差和低生產(chǎn)質(zhì)量，很難獲得準(zhǔn)確的預(yù)失真，從而這種 混頻器的制作成本很高昂。因此，需要一種改善的可以用于RF應(yīng)用的混頻器。 發(fā)明概述在此披露了一種混頻器，用于混合分別具有第一和第二頻率的第一和 第二輸入信號(hào)。在本混頻器里， 一個(gè)電壓-到-電流變換器與一個(gè)輸入連接， 用于將第一輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)電流信號(hào)。 一個(gè)乘法電路(multiplier circuit)與電壓-到-電流變換器連接，用來將電流信號(hào)乘以第二輸入信號(hào)以 在輸出上形成一個(gè)輸出信號(hào)。而且，提供一個(gè)匹配電路，其將電流信號(hào)的一個(gè)分量耦合回輸入。匹配電路可以包括一個(gè)反饋電阻器，用來反饋一部 分電流信號(hào)回到輸入。在第二輸入上接收到第二輸入信號(hào)，其被耦合到第 二電壓-到-電流變換器，用來將第二輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為第二信號(hào)。在一個(gè)混頻器實(shí)施例里，第二輸入是一個(gè)本地振蕩器，并且電流信號(hào) 乘以一個(gè)本地振蕩器信號(hào)以在輸出上形成一個(gè)輸出信號(hào)。優(yōu)選地，電壓-到-電流變換器包括第一電壓驅(qū)動(dòng)晶體管(voltage drive transistor),并且乘法電路包括第二電壓晶體管，其與第一電壓驅(qū)動(dòng)晶體管 串聯(lián)，用于將振蕩器信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)振蕩器電流信號(hào)，并與輸入電流信號(hào) 混合。在另一個(gè)實(shí)施例里，混頻器還包括每個(gè)所述電壓-到-電流變換器、乘 法電路和匹配電路中的一個(gè)互補(bǔ)對(duì)(complimentarypair)。輸入信號(hào)和一個(gè) 本地振蕩器信號(hào)包括具有正和負(fù)分量的差分信號(hào)，通過所述互補(bǔ)對(duì)進(jìn)行混優(yōu)選地，乘法電路包括一對(duì)由本地振蕩器信號(hào)驅(qū)動(dòng)的平行晶體管，用 于引導(dǎo)電流信號(hào)經(jīng)過一個(gè)或兩個(gè)晶體管，與本地振蕩器信號(hào)同步。優(yōu)選地，混頻器還包括一個(gè)電流-到-電壓變換器，用來將輸出信號(hào)轉(zhuǎn) 換成一個(gè)輸出電壓。優(yōu)選地，混頻器還包括電流-到-電壓變換器，是一個(gè)與混頻器連接的 電阻。叢以下僅通過范例的描述，本發(fā)明的其它方面和披露將越發(fā)明顯。


圖3是描述依照本發(fā)明的一個(gè)單端信號(hào)混頻器的第二實(shí)施例的示意 圖，禾口圖4是描述一個(gè)用于差分輸入信號(hào)的信號(hào)混頻器的示意圖。 典型實(shí)施例詳述現(xiàn)在將描述本發(fā)明的一個(gè)典型實(shí)施例，其被實(shí)施在一個(gè)寬頻混頻器里，通過將RF信號(hào)和一個(gè)本地振蕩器(LO)信號(hào)混合，將一個(gè)射頻(RF)信 號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)中頻(IF)信號(hào)。但是，這不是意在限制本發(fā)明的使用范圍 或功能。技術(shù)人員將會(huì)理解，本發(fā)明的混頻器是一個(gè)信號(hào)倍增器(signal multiplier),其擁有兩個(gè)具有第一和第二頻率的信號(hào)作為其輸入，以及第一 和第二頻率的和頻率和差頻作為其輸出。這種混頻器可以在不同于在RF 系統(tǒng)里RF到IF變換的領(lǐng)域里發(fā)現(xiàn)其應(yīng)用。參照圖1，其是本發(fā)明的最簡化典型實(shí)施例。混頻器電路包括一個(gè)負(fù) 載電阻(load resistor)和一對(duì)串聯(lián)的電壓驅(qū)動(dòng)的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng) 晶體管(MOSFETs) M1禾BM2。這兩個(gè)MOSFETs串聯(lián)，MOSFETM2的 漏極與MOSFET Ml的源極(source)相連。負(fù)載電阻被連接在一個(gè)電壓 源Vdd和MOSFET M2的源極之間，并且MOSFETs Ml的漏極接地以完 整電路。在MOSFETs Ml和M2的柵極(gate)上分別提供兩個(gè)電路輸入。在 RF混頻器應(yīng)用里，在M1的柵極上輸入一個(gè)LO信號(hào)，在M2的柵極上輸 入一個(gè)RF信號(hào)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解，在一個(gè)RF系統(tǒng)里本地振蕩器 可能是部分混頻器電路。為避免過度復(fù)雜，在附圖里未顯示一個(gè)完整的本 地振蕩器。根據(jù)在其柵極上各個(gè)RF和LO信號(hào)的電壓，每個(gè)MOSFETs Ml 和M2的源極到漏極的導(dǎo)電性發(fā)生變化。從而MOSFETs將輸入RF和LO 電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成MOSFETs里的源極-漏極電流信號(hào)。兩個(gè)MOSFETs Ml 和M2的串聯(lián)安排增加各自的電流信號(hào)。從MOSFET M2的源極獲得輸出 或中頻(IF)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解，IF信號(hào)包括輸入RF和LO信號(hào) 的和頻率和差頻。用于RF系統(tǒng)而獲得中頻，輸出IF信號(hào)被傳遞經(jīng)過一個(gè) 低通濾波(LPF)，其未在圖中顯示，以刪除和頻率而僅留下差頻。負(fù)載電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換回一個(gè)電壓輸出電壓信號(hào)，避免需要現(xiàn)有技 術(shù)設(shè)備的電感器，其節(jié)省了晶圓面積，并提供電路穩(wěn)定性，同時(shí)允許使用一個(gè)低供給電壓Vdd。從MOSFET M2的源極到M2的柵極提供一個(gè)反饋電阻。反饋電阻執(zhí) 行阻抗匹配功能，并用于進(jìn)行寬頻匹配。如要求的輸入RF信號(hào)阻抗匹配， 選擇反饋電阻的數(shù)值以提供一個(gè)合適的輸入電阻給M2。本領(lǐng)域技術(shù)人員 將會(huì)理解，此構(gòu)造里的電阻器作為一個(gè)電流到電壓的變換器，例如經(jīng)過電 阻器的電壓與經(jīng)過電阻器的電流成正比，以反饋一部分MOSFET通道電流 回到MOSFET輸入。RF輸入MOSFET M2的Miller等式輸入阻抗可以表示為 及/"=及//(1-^;)，其中及/是反饋電阻值，而^v是混頻器的開路(open-loop)電壓增益。 '在高頻應(yīng)用里，設(shè)備的質(zhì)量因子，或Q因子是一個(gè)重要特征。MOSFET Ml的Q因子由以下公式提供2= 1跟-1及m.其中co是額定運(yùn)行頻率，而C伊是Ml的柵-源極電容。對(duì)一個(gè)MOSFET而言，帶寬和Q因子之間的關(guān)系可以表示為蘿貴 =w/g。代入^和&"，可以觀察到混頻器的帶寬可以通過調(diào)整反饋電阻及/進(jìn) 行選擇。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)明白，通過使用模擬或數(shù)字可變電阻器網(wǎng)絡(luò)替換及y;可以制作一個(gè)可調(diào)和/或可編程帶寬的混頻器。依照本發(fā)明，圖2顯示一個(gè)寬頻混頻器的增益。可以看到，混頻器在頻率輸入范圍3.1 - 4.8GHz內(nèi)有一個(gè)穩(wěn)定的2dB增益。在測試電路里，反饋電阻(Rf)值大約是3000hrn，并且晶體管是幾百微米(um)。電路使用0.18um 工藝并在1.8供給電壓上運(yùn)行。參照圖3，顯示圖1電路的第二典型實(shí)施例。在此電路里，提供一個(gè)額 外反饋電容器Cl，其與MOSFETM2的源極和柵極之間的反饋電阻Rf串聯(lián)。 電容器Cl防止任何MOSFET源極電流的DC成分被反饋到柵極。以上討論了本發(fā)明的典型實(shí)施例是用于單端(single-end)信號(hào)。但是， 技術(shù)人員將會(huì)理解，大多數(shù)現(xiàn)代系統(tǒng)使用差分信號(hào)(differential signaling), 其中信號(hào)值是兩個(gè)正和負(fù)分量信號(hào)之間的差值。正和負(fù)分量信號(hào)在各個(gè)導(dǎo) 體上，其信號(hào)值是每個(gè)導(dǎo)體上的單體電壓之間的差值。技術(shù)人員將明白， 對(duì)差分信號(hào)而言，要求一對(duì)端子用于每個(gè)輸入信號(hào)和輸出信號(hào)。圖4描述 了本發(fā)明使用差分信號(hào)的一個(gè)典型實(shí)施例。圖4的實(shí)施例包括圖2所示電 路的一個(gè)互補(bǔ)對(duì)，外加額外的電流-導(dǎo)引(current-steering) MOSFETs以提 供單個(gè)輸入信號(hào)和電流源之間的跨接(cross over)，從而提供一個(gè)最小漏極電流給MOSFETs 。參照圖4，差分信號(hào)混頻器包括一對(duì)RF信號(hào)輸入MOSFETs M5和 M6，用于將單個(gè)正和負(fù)RF信號(hào)轉(zhuǎn)換成各自電流信號(hào)。正RP信號(hào)RFp被 連接到MOSFET M5的柵極，而負(fù)RF信號(hào)RFn被連接到MOSFET M6的 柵極。本地振蕩器輸入分別包括兩對(duì)互補(bǔ)的MOSFETs Ml、 M2和M3、 M4。 MOSFETs Ml-M4將本地振蕩器電壓信號(hào)LOp和Lon轉(zhuǎn)換成各自電 流信號(hào)，并作為導(dǎo)引開關(guān)以使用分量RF電流信號(hào)調(diào)制分量LO電流信號(hào)。 第一對(duì)MOSFETs Ml 、 M2的漏極連接在一起，并與RF輸入MOSFET M5 的源極相連。正的本地振蕩器信號(hào)LOp被連接到MOSFET Ml的柵極，而 負(fù)的本地振蕩器信號(hào)LOn被連接到M2的柵極。另一對(duì)振蕩器MOSFETs M3、 M4的漏極連接到負(fù)RF信號(hào)MOSFET M6的源極。正的本地振蕩器 信號(hào)LOp被連接到MOSFET M4的柵極，而負(fù)的本地振蕩器信號(hào)LOn被 連接到MOSFETM3的柵極。為了提供正和負(fù)差分信號(hào)之間的電流導(dǎo)引， 在兩對(duì)本地振蕩器MOSFETs之間有源極跨接。MOSFET M2的源極連接 到MOSFET M4的源極，并且MOSFET M3的源極連接到MOSFET Ml的 源極。有一對(duì)負(fù)載電阻Rl和R2分別在電壓源Vdd和MOSFETs Ml 、 M3和M4、 M2的各個(gè)源端之間。從各個(gè)MOSFETs Ml, M3和M4, M2的源 極端，獲得差分的正和負(fù)輸出中頻信號(hào)IFp和IFn。 RF輸入MOSFETs M5 和M6的漏極端通過一個(gè)電流源Ib連接到地面。電流源Ib保持一個(gè)最小 漏極電路在MOSFETs內(nèi)。和先前的典型實(shí)施例一樣，在每個(gè)RF輸入MOSFETs M5和M6的源 極和柵極之間提供一個(gè)反饋電阻器Rf，以及可選地提供一個(gè)電容器Cl/C2， 用于寬頻信號(hào)匹配。依照本發(fā)明的寬頻混頻器有許多優(yōu)點(diǎn)優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的混頻器，包括不 需要螺旋電感器，節(jié)省空間和制造成本。本發(fā)明使用全CMOS技術(shù)和單個(gè) 反饋電阻器，提供簡單的寬頻匹配。同樣，本發(fā)明能夠提供穩(wěn)定的高增益 控制，意味著可以使用單個(gè)混頻器，在RF系統(tǒng)里產(chǎn)生較少能耗。由于寬 頻混合，混頻器直接連接到RF電路的一個(gè)低噪聲放大器輸出。已經(jīng)描述了本發(fā)明的典型格式，但這不是意在限制本發(fā)明的使用范圍 和功能。應(yīng)該理解，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員明顯的修改和替換沒有超出本發(fā)明 的范圍。
權(quán)利要求
1.一種混頻器，用于混合分別具有第一和第二頻率的第一和第二輸入信號(hào)，混頻器包括一個(gè)輸入和一個(gè)輸出，一個(gè)與輸入連接的電壓-到-電流變換器，用于將第一輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)電流信號(hào)，一個(gè)與電壓-到-電流變換器連接的乘法電路，用于將電流信號(hào)乘以第二輸入信號(hào)以在輸出上形成一個(gè)輸出信號(hào)，和一個(gè)匹配電路，將電流信號(hào)的一個(gè)分量連接到輸入。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的混頻器，還包括第二輸入，用于接收第二輸 入信號(hào)，和第二電壓-到-電流變換器，其與第二輸入連接，用于將第二輸 入信號(hào)轉(zhuǎn)換成第二信號(hào)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的混頻器，其中電壓-到-電流變換器包括一個(gè) 電壓驅(qū)動(dòng)晶體管，其具有一個(gè)與輸入連接的基極。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的混頻器，其中匹配電路包括一個(gè)反饋電阻，用于反饋一部分電流信號(hào)回到輸入。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的混頻器，還包括每個(gè)所述電壓-到-電流變換 器、乘法電路和匹配電路中的一個(gè)互補(bǔ)對(duì)，并且其中第一和第二輸入信號(hào) 包括差分信號(hào)，每個(gè)差分信號(hào)有正和負(fù)分量，通過所述互補(bǔ)對(duì)進(jìn)行混合。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的混頻器，還包括一個(gè)電流-到-電壓變換器， 用于將輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)輸出電壓。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的混頻器，其中電流-到-電壓變換器是一個(gè)與 混頻器連接的電阻。
8. —種混頻器，用于混合一個(gè)輸入信號(hào)和一個(gè)本地振蕩器信號(hào)以在輸 出上提供一個(gè)輸出信號(hào)，混頻器包括一個(gè)輸入和一個(gè)輸出，一個(gè)與輸入連接的電壓-到-電流變換器，用于將一個(gè)輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換 成以一個(gè)輸入電流信號(hào)，一個(gè)與電壓-到-電流變換器連接的乘法電路，用于將電流信號(hào)乘以 一個(gè)本地振蕩器信號(hào)以在輸出上形成一個(gè)輸出信號(hào)，和一個(gè)匹配電路，連接電流信號(hào)的一個(gè)分量到輸入。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的混頻器，其中電壓-到-電流變換器包括第一 電壓驅(qū)動(dòng)晶體管，乘法電路包括第二電壓晶體管，其與第一電壓驅(qū)動(dòng)晶體 管串聯(lián)，用于將振蕩器信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)振蕩器電流信號(hào)，并將它與輸入電 流信號(hào)混合。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的混頻器，其中匹配電路包括一個(gè)反饋電阻，用于反饋一部分電流信號(hào)回到輸入。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的混頻器，還包括每個(gè)所述電壓-到-電流變換器、乘法電路和匹配電路中的一個(gè)互補(bǔ)對(duì)，其中輸入信號(hào)和本地振蕩器 包括一個(gè)差分信號(hào)，其具有正和負(fù)的分量，通過所述互補(bǔ)對(duì)進(jìn)行混合。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的混頻器，其中乘法電路包括一對(duì)由本地振蕩器信號(hào)驅(qū)動(dòng)的平行晶體管，用于導(dǎo)引電流信號(hào)經(jīng)過一個(gè)或兩個(gè)晶體管， 與本地振蕩器信號(hào)同步。
13. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的混頻器，還包括一個(gè)電流-到-電壓變換器， 用于將輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成一^出電壓。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的混頻器，其中電流-到-電壓變換器是一個(gè)與混頻器連接的電阻。
全文摘要
一種混頻器，用于混合分別具有第一和第二頻率的第一和第二輸入信號(hào)。一個(gè)電壓-到-電流變換器與一個(gè)輸入連接，用來將第一輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)電流信號(hào)。一個(gè)乘法電路與電壓-到-電流變換器連接，用于將電流信號(hào)乘以第二輸入信號(hào)以在輸出上形成一個(gè)輸出信號(hào)。提供一個(gè)匹配電路，其將電流信號(hào)的一個(gè)分量連接回輸入。匹配電路可以包括一個(gè)反饋電阻，用來反饋一部分電流信號(hào)回到輸入。在第二輸入上接收到第二輸入信號(hào)，其被連接到第二電壓-到-電流變換器，用于將第二輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成第二電流信號(hào)。在混頻器的一個(gè)實(shí)施例里，第二輸入是一個(gè)本地振蕩器，并且電流信號(hào)乘以一個(gè)本地振蕩器信號(hào)以在輸出上形成一個(gè)輸出信號(hào)。
文檔編號(hào)H03D7/00GK101542896SQ200880000015
公開日2009年9月23日 申請日期2008年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月20日
發(fā)明者丹 王, 鄭淵澈 申請人:香港應(yīng)用科技研究有限公司