專利名稱：寬頻帶低噪音低互調(diào)失真接收機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于一種寬頻帶接收機，特別是一種適用于很寬的射頻信號頻率范圍的單晶集成電路接收機。
隨著高頻通信系統(tǒng)的廣泛使用，高質(zhì)量的寬頻帶接收機的需求與日俱增，而傳統(tǒng)的接收機如電視調(diào)諧器已逐漸無法完全滿足需求。另外，結(jié)合個人電腦調(diào)諧器，已往使用離散元件的設(shè)計，亦因體積太大而無法使用，取而代之的是射頻單晶集成電路寬頻帶接收機。
其于上述理由，許多使用集成電路設(shè)計的接收機應(yīng)運而生。

圖1A為一典型的電視/VCR接收機的設(shè)計，整個接收機電路包括UHF輸入濾波器20、VHF輸入濾波器21、兩個低噪音射頻放大器22與2.3、兩個中間級濾波24與25、砷化鉀調(diào)諧器集成電路26，振蕩諧振回路27、中頻濾波器28、中頻放大器外圍回路29與除法器30等。此接收機先利用兩不同的濾波回路20、21與差動式低噪音放大器22、23，配合Bu與Bv兩個波段控制信號，將射頻信號分為VHF/CATV與UHF兩種信號后分別加以放大，然后導(dǎo)入不同的中間級濾波回路24、25以完成個別的追蹤濾波動作，處理后的兩個信號又分別導(dǎo)入調(diào)諧器集成電路26內(nèi)。圖1B為調(diào)諧器集成電路26的內(nèi)部方塊圖，其中包括波段切換開關(guān)261、UHF波段用振蕩器262、VHF/CATV波段用振蕩器263、振蕩輸出緩沖器264、雙向平衡式調(diào)制器265、及中頻放大器266等回路。導(dǎo)入此集成電路26的兩個信號先進入波段切換開關(guān)261，用Bv控制信號來選擇是由VHF/CATV波段信號或是由UHF波段信號通過進入調(diào)制器265。另外，使用Bu控制信號切換使用集成電路外相對應(yīng)波段的諧振回路。頻道鎖定動作則由振蕩器輸出信號給除法器30(圖1)配合鎖相回路控制器(未顯示于圖上)來完成。將經(jīng)適當(dāng)切換輸出的射頻信號與本地振蕩信號導(dǎo)入調(diào)制器混合調(diào)制，其輸出經(jīng)集成電路26外的中頻濾波器28檢出后再導(dǎo)入集成電路內(nèi)的中頻放大器29放大，其最終的中頻輸出放大倍率則由另一個U/V增益控制信號Bm來控制。此接收機雖已使用射頻集成電路來設(shè)計，但由于該集成電路的電氣特性并不理想，特別如噪音系數(shù)大于8dB，需要在集成電路外增加許多離散元件回路來改善，因此對UHF高頻波段特性造成不浪影響。
圖2A為一個衛(wèi)星電視調(diào)諧接收機，其適宜和射頻信號頻率范圍從950MHz到2GHz。整個系統(tǒng)除了一個射頻集成電路40外，外圍電路僅有一組諧振回路41與幾個耦合電容CA與CB，組成非常簡單。此集成電路40由射頻放大器RFAMP、混波調(diào)制器MIX、本地振蕩器OSC與中頻放大器IFAMP所組成。此集成電路40的中頻輸入端IF應(yīng)有一個中頻濾波器連接于該處(圖2A中未顯示)。
此集成電路使用特殊的提升型砷化鎵金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管制程，有別于一般常用的空乏型制程；此外，圖2A所示電路的最大特色乃是使用如圖2B所示的多向振動式振蕩器，配合適當(dāng)?shù)耐饨又C振回路，可以在相當(dāng)寬的頻率范圍中得到負電阻特性，顯示其為良好的寬頻帶振蕩器，另外由于其輸出為差動式，故可以直接導(dǎo)入雙向平衡調(diào)制器。
此接收機雖然構(gòu)造簡單，但其噪音系數(shù)大于10dB而且僅適宜用于衛(wèi)星電視頻道，無法應(yīng)用于一般的有線或無線電視，實用性受到極大限制。
圖3顯示一種適用于有線電視(CATV)的集成化調(diào)諧器系統(tǒng)。此系統(tǒng)采用兩次頻率轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，先使用一個坤化鎵升頻轉(zhuǎn)換器集成電路50將輸入的50-550MHz的射頻信號經(jīng)過集成電路內(nèi)的低噪音自動增益控制放大器501的放大處理后，與集成電路內(nèi)的第一本地振蕩器503的輸出一起導(dǎo)入集成電路內(nèi)的混波器502做混波調(diào)制處理，再將其輸出導(dǎo)入集成電路外的第一中頻濾波器51，檢出升頻轉(zhuǎn)換后的第一中頻信號(如700MHz)，此信號再與集成電路外的第二本地振蕩53輸出一起導(dǎo)入集成電路外的第二混波器52做調(diào)制，其輸出導(dǎo)入第二中頻濾波器檢出降頻轉(zhuǎn)換后的45MHz中頻信號。經(jīng)過上述電路處理之后，整個系統(tǒng)大致還能滿足CATV調(diào)諧器的電氣規(guī)格。但是，此設(shè)計僅適用于CATV的頻率范圍50-550MHz。此外，由于使用晶體管的線性工作區(qū)做自動增益控制，能調(diào)制的信號強度范圍甚小，對于大的射頻信號的放大失真與中頻輸出的強度固定有不利的影響。另外，由于使用兩次頻率轉(zhuǎn)換機構(gòu)，而集成電路內(nèi)僅集成了第一次頻率轉(zhuǎn)換電路，必須耗費較多的外接元件來完成第二次頻率轉(zhuǎn)換功能，無法精簡系統(tǒng)構(gòu)裝。
綜上所述，習(xí)知的接收機仍有許多總是待改善首先，接收機適用頻寬有待增加，否則無法擴展其應(yīng)用；接收機本身的電氣特性如低噪音系數(shù)、良好的放大器線性度、低互調(diào)失真與振蕩器的低相位噪音均須特別加以改善，以期能滿足更高畫質(zhì)數(shù)碼電視接收機的高品質(zhì)要求；再則，為了能設(shè)計攜帶型的微型接收機，不得不使用單晶射頻集成電路來取代大部分的離散元件設(shè)計，而集成電路外接電路數(shù)目必須降到最低；最后，使用單純而成熟的集成電路制程以降低生產(chǎn)成本也是不可忽略的任務(wù)。
基于以上要求，本發(fā)明提出一種可集成化的全差動式低噪音低互調(diào)失真寬頻帶接收機，其特性綜合如下(1)適宜用于很寬的射頻信號頻率范圍，可以涵蓋有線電視的50到550MHz、VHF/UHF無線電視的50到900MHz與衛(wèi)星電視的950MHz到2GHz甚至更高的頻率應(yīng)用(視微波集成電路制程的技術(shù)，可適用于例如5GHz)。
(2)在上述的頻率范圍實現(xiàn)下列功能(a)小于6dB的低噪音系數(shù)(b)低互調(diào)失真，指定頻道信號強度為60dBμV時，非指定頻道信號強度必須大于95dBμV以上，才能在中頻信號上造成1％的互調(diào)失真率；(c)輸入阻抗值幾乎為固定(典型值為75Ω或50Ω)；(3)整個系統(tǒng)采用差動式回路設(shè)計，所有高頻信號均用雙耦合走線，不易受零電位地面浮動干擾，系統(tǒng)穩(wěn)定。另外，由于雙耦合線正負兩端信號緊密結(jié)合，能量較少輻射外漏，易于通過電磁場安全檢驗；(4)系統(tǒng)內(nèi)核心部分各電路間均采用主動元件直流耦合，可以很容易的集成為晶元面積非常小的集成電路，再加上其周邊配合電路少，可以輕易的設(shè)計成高品質(zhì)微型接收機系統(tǒng)。
本發(fā)明的寬頻帶低噪音低互調(diào)失真接收機，包含差動式低噪音放大器，接收輸入的差動式或單端射頻信號而將其放大，具有低噪音系數(shù)與大信號低放大失真特性，并完成輸入阻抗匹配與輸出差動信號的功能；第一緩沖器，接收該差動式低噪音放大器的輸出信號，具有直流偏壓調(diào)整、輸出緩沖與逆流防止等功能；第一電壓/電流轉(zhuǎn)換器，接收該第一緩沖器的輸出信號，將會造成嚴(yán)重的信號放大失真的大振幅電壓信號線性地轉(zhuǎn)換成相對振幅較小的電流信號；自動增益控制放大器，接收該第一電壓/電流轉(zhuǎn)換器所輸出的電流信號，并利用中頻輸出振幅傳感器接進來的增益控制信號調(diào)整放大器的放大或縮小倍率，使得其輸出信號的振幅維持固定大??；第二緩沖器，接收該自動增益控制放大器的輸出信號，同于該第一緩沖器亦具有直流偏壓調(diào)整、輸出緩沖與逆流防止等功能；追蹤濾波器，接收該第二緩沖器的輸出信號，并根據(jù)輸入的控制信號而僅使指定頻率的射頻信號通過，而將其他信號濾掉；第二電壓/電流轉(zhuǎn)換器，接收該追蹤濾波器所輸出的具有指定頻率的射頻信號，將大振幅電壓信號線性地轉(zhuǎn)換成相對振幅較小的電流信號；壓控振蕩器核心、諧振器、第二緩沖器及鎖相回路控制器，四者共同構(gòu)成一完整的鎖相回路系統(tǒng)，其連接關(guān)系為該諧振器接收該鎖相回路控制器的控制信號以決定振蕩頻率，該壓控振蕩器核心連接于該諧振器，而振出具有該振蕩頻率的信號，然后該振出的信號再經(jīng)過該第三緩沖器而進入該鎖相回路控制器，該第二緩沖器同樣地具有直流偏壓調(diào)整、輸出緩沖與逆流防止等功能，該鎖相回路控制器接收頻道數(shù)據(jù)指令而輸出波段控制信號與頻率微調(diào)信號供該諧振器與該追蹤濾波器所用；調(diào)制器，接收來自該第二電壓/電流轉(zhuǎn)換器與該第三緩沖器的兩組信號，而輸出信號為該兩組信號的乘積；第四緩沖器，接收該調(diào)制器的輸出信號，同樣具有直流偏壓調(diào)整、輸出緩沖與逆流防止等功能；中頻濾波器，接收該第四緩沖器的輸出信號，用以檢出最終的中頻信號供爾后信號解調(diào)之用。
此外，本發(fā)明的寬頻帶低噪音低互調(diào)失真接收機還包含前置選擇濾波器，輸入的差動式或單端射頻信號進入差動式低噪音放大器之前，先進入此前置選擇濾波器，用以初步選擇指定頻道附近的信號，并視需要而完成阻抗轉(zhuǎn)換的功能。
圖1A為一習(xí)知技術(shù)的電視/VCR接收機的設(shè)計；圖1B為圖1A所示接收機中調(diào)諧器集成電路26的內(nèi)部方塊圖；圖2A為一習(xí)知技術(shù)的衛(wèi)星電視調(diào)諧接收機的設(shè)計；圖2B為與圖2A的接收機所使用的多向振動式振蕩器；圖3為一習(xí)知技術(shù)的適用于有線電視的集成調(diào)諧器系統(tǒng)；圖4A為本發(fā)明的寬頻帶低噪音低互調(diào)失真接收機的方塊圖；圖4B為本發(fā)明的寬頻帶低噪音低互調(diào)失真接收機的另一實施例的方塊圖；圖5A為圖4B中的前置選擇濾波器15在差動輸入下的實際電路；圖5B為圖4B中的前置選擇濾波器15在單端輸入下的實際電路；圖5C為圖5A或圖5B的電路應(yīng)用于多頻道波段系統(tǒng)時的接法；
圖6表示圖4中的低噪音放大器1的較佳實施例；圖7表示圖6所示電路在相當(dāng)寬的頻域范圍內(nèi)所測量的輸入阻抗；圖8為圖4中的緩沖器2的較佳實施例；圖9為圖4中的電壓/電流轉(zhuǎn)換器3與自動增益控制放大器4的較佳實施例；圖10為射頻信號經(jīng)圖4中的1至6部分的處理后，所得到的噪音系數(shù)值；圖11A為圖4中的壓控振蕩器核心8的較佳實施例；圖11B為圖4中的諧振器9的較佳實施例；圖12表示利用圖11A與圖11B所共同構(gòu)成的壓控振蕩器電路進行自由振蕩的結(jié)構(gòu)，其中圖12A與圖12B分別表示80MHz以下與4GHz以上的自由振蕩輸出；圖13A與圖13B表示對圖11A與圖11B所共同構(gòu)成的壓控蕩器電路進行頻率切換所得結(jié)果；圖14為圖4中調(diào)制器11、轉(zhuǎn)換器7部分的較佳實施例；圖15為互調(diào)失真測量的示意圖；圖16用以表示本發(fā)明的接收機具有非常低的互調(diào)失真；圖17為本發(fā)明的接收機用于有線電視與一般無線電視的情況下所需的實際硬件圖；圖18為本發(fā)明的接收機用于衛(wèi)星電視的情況下所需的實際硬件圖。
圖4A表示本發(fā)明的系統(tǒng)方塊圖，其中包括差動式低噪音低失真寬頻帶放大器1(簡稱差動式低噪音放大器或LNA)；直流耦合緩沖器2(簡稱緩沖器或BUF)；電壓/電流線性轉(zhuǎn)換器3(簡稱轉(zhuǎn)換器或V/I)；差動式低失真自動增益控制放大器4(簡稱自動增益控制放大器或AGC)；直流耦合緩沖器5(簡稱緩沖器或BUF)；差動式追蹤濾波器6(簡稱IF)；電壓/電流線性轉(zhuǎn)換器7(簡稱轉(zhuǎn)換器或V/I)；差動式壓控振蕩器核心8(簡稱壓控振蕩器或VCOC)；可調(diào)整差動式諧振器9(簡稱諧振器或DCR)；直流耦合緩沖器10(簡稱緩沖器或BUF)；低失真雙向平衡式調(diào)制器11(簡稱調(diào)制器或MIX)；直流耦合緩沖器12(簡稱緩沖器或BUF)；中頻濾波器13(簡稱IFF)；及鎖相回路控制器14(簡稱PLLC)，其中虛線所包圍的部分表示作在同一顆集成電路上。
圖4B表示本發(fā)明的另一實施例的系統(tǒng)方塊圖，其不同于圖4A之處僅在于多了一個前置選擇濾波器。
此接收機的適用射頻頻率范圍極寬，從40MHz到3GHz或更高，其輸入信號為天線所截下的信號或有線同軸電纜所送至的信號，可以是單端或差動信號輸入。
圖4B的接收機系統(tǒng)中，輸入的射頻信號以差動或單端(RFin-端接地)方式先進入差動前置選擇濾波器15，此前置選擇濾波器15為一帶通濾波器，其頻帶及中心頻率由來自鎖相回路控制器144頻率微調(diào)信號VTu與頻道波段切換信號BSs控制，以使選定的頻道信號通過，而盡可能將不用的頻道信號濾掉，以降低其他頻道干擾正常信號的可能，此前置選擇濾波器15的輸出信號進入低噪音放大器1。
另一方面，圖4A的接收機系統(tǒng)中，輸入的射頻信號以差動或單端方式直接進入低噪音放大器1。
低噪音放大器1用以作信號放大，其除了具有低噪音系數(shù)外，并具有大信號低放大失真特性，且完成輸入阻抗匹配及輸出差動信號二項功能。低噪音放大器1的差動信號輸出經(jīng)過緩沖器2的直流偏壓調(diào)整、輸出緩沖與逆流防止等處理之后，依平衡的方式用雙耦合線接至轉(zhuǎn)換器3，然后再經(jīng)過自動增益控制放大器4作自動增益控制放大，其中轉(zhuǎn)換器3的作用在于將會造成嚴(yán)重信號放大失真的大振幅電壓信號線性地轉(zhuǎn)換成相對振幅較小的電流信號，然后經(jīng)自動增益控制放大器4再將此電流信號以最小的失真程度轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)碾妷狠敵鲂盘?。另外，自動增益控制放大?利用由中頻輸出振幅傳感器接進來的增益控制信號GCs調(diào)整放大器的放大或縮小倍率，使得不管射頻輸入的信號振幅如何變化，自動增益控制放大器4的輸出信號振幅均能維持固定大小。
自動增益控制放大器4的輸出信號經(jīng)過緩沖器5處理后進入追蹤濾波器6，它根據(jù)從鎖相回路控制器14輸出的頻率微調(diào)信號VTu作為追蹤控制信號與頻道波段切換信號BSs改變其頻率選擇特性，令其只追蹤欲通過的指定頻率的射頻信號而將不要的信號濾掉，其輸出RFout+與RFout-做為調(diào)制器11的一組輸入(先經(jīng)過轉(zhuǎn)換器7)。
調(diào)制器11的另一組輸入從壓控振蕩器核心8輸出經(jīng)緩沖器10進入，該組信號亦輸出至鎖相回路控制器14作頻道鎖定之用，而壓控振蕩器核心8所需的諧振回路則由諧振器9提供。由外部介面回路所提供的頻道數(shù)據(jù)DCs輸入鎖相回路控制器14，使其產(chǎn)生相對應(yīng)的頻率微調(diào)信號VTu，用來調(diào)整諧振器9內(nèi)可變電容的適當(dāng)諧振電容值，同時藉由回路壓控振蕩器核心8、諧振器9、緩沖器10及鎖相回路控制器14之間的鎖相回路動作以鎖定精確的振蕩信號輸出。
此外，為了擴大壓控振蕩器的振蕩頻率范圍，諧振器9被設(shè)計成可調(diào)整差動式諧振回路，它接收從鎖相回路控制器14進入的頻道波段切換信號BSs來改變不同的諧振電感值，藉以切換不同的頻道波段。除此之外，鎖相回路控制器14還利用信號VTu做為追蹤濾波控制信號，使其進入追蹤濾波器6改變該回路內(nèi)的可變電容的電容值與切換對應(yīng)波段的電感值，以完成追蹤濾波的功能。此外，追蹤濾波器6的頻率選擇特性也能降低系統(tǒng)的噪音系數(shù)與互調(diào)失真率。
轉(zhuǎn)換器7與調(diào)制器11構(gòu)成一低互調(diào)失真調(diào)制器，其中轉(zhuǎn)換器7接收來自追蹤濾波器6的輸出信號(電壓信號)，將此振幅甚大的電壓信號轉(zhuǎn)換成相對振幅較小的電流信號，調(diào)制器11將此組電流信號與來自壓控蕩器核心8、經(jīng)過緩沖器10的信號做雙向平衡式信號混合調(diào)制。由于轉(zhuǎn)換器7的事先處理再加上差動式低噪音放大器1、緩沖器2、轉(zhuǎn)換器3、自動增益控制放大器4及緩沖器5等回路的低放大失真特性，調(diào)制器11的互調(diào)失真可以降到最低程度。調(diào)制之后的信號再經(jīng)過緩沖器12的緩沖處理后，輸出至中頻濾波器13，檢出所需的差動中頻信號IFout+與IFout-。
由于從外界輸入的射頻信號涵蓋所有頻道，為了盡可能減少非指定頻道信號對指定頻道信號的干擾，可采取如圖4 B所示的方塊圖構(gòu)造，其中在低噪音放大器1之前使用一個前置選擇濾波器15，其僅容許指定頻道附近的頻帶的信號通過。圖5A與圖5B分別為差動式輸入與單端輸入的情況下前置選擇濾波器15的實際電路的較佳實施例，以下說明圖5A所示電路的動作圖5A為一切換差動式前置選擇濾波器，其輸入信號為全頻道的射頻差動信號，切換二極管D1、D2受波段切換信號Bx為高值時才能進入雙諧振式帶通濾波器(圖5A中虛線包圍的部分)，其中包含兩組諧振回路L1、L2、L3為第一組諧振回路的電感，對應(yīng)于不同的頻道波段有不同的等效電感，這些電感還提供阻抗轉(zhuǎn)換的功能，其中L2電感自中間抽頭接一大電阻R5到地，以提供切換二極管D1、D2的直流偏壓路徑；C、C2與可變電容VD1為第一組諧振回路的電容，透過頻率微調(diào)信號VTu可改變VD1的電容值，因而改變等效電容值。同理，第二組諧振回路的電感為L1a、L2a與L3a，而電容為C1a、C2a與VD1a。此外，C3與VD2為兩組諧振回路間的耦合電容，可通過微調(diào)VD2的電容值而改變其耦合量。經(jīng)由以上說明，可知通過波段切換信號Bx與頻率微調(diào)信號VTu的共同作用，可改變?yōu)V波器的中心頻率，而可調(diào)式濾波選擇功能。同理，切換二極管D3與D4受波段切換信號Bx的控制，僅當(dāng)Bx為高值時濾波所得的信號才能進入下一級的低噪音放大器1。圖5B為單端輸入情況下的實際電路，其操作原理類似于圖5A，在此不加贅述。
圖5C為圖5A或圖5B的電路應(yīng)用于多頻道波段系統(tǒng)時的接法，其中每一方塊均表示一個如圖5A或圖5B的濾波器。每一濾波器接受的頻率微調(diào)信號VTu相同，但波段切換信號Bx則彼此獨立，由于各濾波器具有不同的等效電感，因此形成中心頻率各不相同的帶通濾波器?？梢曅枰獙⒍鄠€濾波器如圖5C的方式接在一起，而在需要的頻帶處(單一或多個)產(chǎn)生帶通濾波效果。
此外，基于前置選擇濾波器15之噪音系數(shù)對于整個系統(tǒng)之噪音系數(shù)影響甚大，在設(shè)計上要放寬前置選擇濾波器15的頻率選擇性，以保證其損耗在1dB以下。
經(jīng)過前置選擇濾波器15處理后的信號在進入混波器之前，必須先經(jīng)過低噪音放大器1、緩沖器2、轉(zhuǎn)換器3、自動增益控制放大器4、緩沖器5及追蹤濾波器6的前置處理，其主要功能包括低噪音低失真放大、自動增益控制及信號選擇追蹤等。首先，由于前置選擇濾波器15損耗的極小處理，整個系統(tǒng)的噪音系數(shù)幾乎由低噪音放大器1決定，為了追求最低噪音系數(shù)，此電路一般無采用數(shù)量最少的低噪音主動元件，并且避免在射頻信號路徑上直接串接電阻元件作輸入阻抗匹配，而改用電感或電容反饋回路來同時完成噪音與輸入阻抗匹配的最佳化設(shè)計。然而，此放大器若未作特殊線性化處理，往往造成較大的非線性失真。另一方面，在此頻率范圍下，最佳化的電感或電容反饋值往往因為太大而無法集成于IC之內(nèi)。另外，由于自動增益控制放大器4通常接收較大的輸入信號，為了防止嚴(yán)重的放大失真，必須做特殊的線性化處理。
為了同時實現(xiàn)低噪音與低失真兩個相互矛盾的特性，本發(fā)明采用低噪音放大器與自動增益控制放大器電路分離的思路，請參考圖4中的1、2、3、4及5的部分，其中如前所述，將低噪音放大器1設(shè)計成具有非常低的噪音系數(shù)，而將自動增益控制放大器4設(shè)計成具有低失真特性。
圖6為圖4中之低噪音放大器1的較佳實施例，主動元件Q1與Q2構(gòu)成一組差動配對，此差動配對結(jié)合輸出電組對R1與R2、需要的電流源Is1及適當(dāng)?shù)钠珘築ias組合成差動放大器，此外，在電流電壓有余裕度(head room)下，可以在Q1與Q2上層疊另一組差動配對Q3與Q4來增加差動器的放大倍率。射頻信號以差動方式(晶體管Q1、Q2的柵極電壓分別為RFin+、Rfin-)或單端(晶體管Q1、Q2的柵極電壓分別為RFin+、GND)輸入Q1與Q2的柵極，經(jīng)過放大之后，由Q3與Q4的漏極(若未接Q3與Q4，則由Q1與Q2的漏極)以差動方式輸出。除此之外，為了增加電路的穩(wěn)定性與線性度，使用兩組負反饋被動回路Zf1與Zf2由輸出端接至輸入端，而此被動回路可為電阻與電容的串接回路或其它類似回路，同時它們亦提供此差動放大器所須的寬頻域固定輸入阻抗特性(典型值為75Ω)。圖7表示圖6所示電路在相當(dāng)寬的頻域范圍內(nèi)(約50MHz-3GHz)所測得的輸入阻抗，其大小均在75Ω-87Ω之間。
低噪音放大器1的輸出進入自動增益控制放大器4之前先經(jīng)過如圖8所示的直流耦合緩沖器(相當(dāng)于圖4中的緩沖器2)，其中Q5與Q6配合適當(dāng)?shù)碾娏髟碔s2與Is3分別作為正向與負向輸出的源極追隨器，它們具有防止信號逆流的功能，而由其源極輸出的等倍信號經(jīng)過適當(dāng)數(shù)目的二極管做直流降壓后，提供下一級電路的輸入信號與適當(dāng)?shù)妮斎爰壘w管偏壓。
圖9為一般常用的全向差動式自動增益控制放大器電路，其增益大小可由上方兩個差動控制信號電壓差ΔV來決定，持續(xù)減少此差值以得到-40dB以上的增益抑制倍率。請注意下半部由晶體管Q7與Q8、電阻RfIs3與Is4所組成的電路用以將電壓轉(zhuǎn)成電流(相當(dāng)于圖4中的轉(zhuǎn)換器3)，如前所述，此電路大大地改善放大器的線性度。
參考圖4，自動增益控制放大器4的輸出亦經(jīng)過直流緩沖器5處理后再接出到下一級的追蹤濾波器6。追蹤濾波器6的功能與前置選擇濾波器15相同，其實際電路亦如圖5所示。但由于其損耗對系統(tǒng)的噪音系數(shù)影響甚小，故設(shè)計上著重于其頻率選擇性，換而言之，雖然追蹤濾波器6與前置選擇濾波器15均可用圖5所示的電路來完成，但兩者具有不同的電路元件主值，將追蹤濾波器6設(shè)計成具有較窄的通過頻帶。追蹤濾波器6的作用除了減小頻道互擾外，并改善噪音系數(shù)。
圖10為射頻信號經(jīng)上述電路處理之后，在相當(dāng)寬的頻域范圍內(nèi)(約50MHz-3GHz)所得到的噪音系數(shù)值(使用pseudo-morphic High Electfon Mobility Transistor，PHEMT元件)，清楚地顯示出此電路結(jié)構(gòu)的噪音系數(shù)甚低(小于4.8dB)。由于整個接收機(圖4所示系統(tǒng))其它電路增加的噪音系數(shù)甚小，故整個系統(tǒng)的噪音系數(shù)值應(yīng)可維持在6dB以下。
圖4的壓控振蕩器核心8、諧振器9、緩沖器10及鎖相回路控制器14構(gòu)成一組完整的鎖相回路系統(tǒng)，而圖11A與圖11B所組合而成的電路為本發(fā)明所提出的可切換差動式壓控振蕩電路。圖11A(相當(dāng)于圖4中的8)為此壓控振蕩電路的核心，屬多向振蕩器結(jié)構(gòu)，包括一組差動配對Q9與Q10(亦可如圖6般層疊另一組差動對Q17、Q18以增加放大倍率)，再配合一組輸出電阻及電流源，構(gòu)成一個差動放大器，而其兩個輸入端由相對應(yīng)的正向輸出經(jīng)兩組(Cdg與Cgg)電容分壓交差反饋接入，如此產(chǎn)生一多向振蕩器回路，當(dāng)其封閉回路增益等于1而相位移動為360度時，便產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出。圖11B為此壓控振蕩電路的諧振回路，用來決定振蕩頻率，由圖11A晶體管及漏極端進入的信號(參考圖11A與圖11B中的箭頭方向)先經(jīng)過兩個直流阻隔電容Cbk1將直流隔開，兩個接地的大電阻Rgnd提供諧振器所須的直流路徑，而可變電容VD1配合大電容Cbk2的直流阻隔作用構(gòu)成諧振器的可變電容，鎖相回路控制器14產(chǎn)生的頻率控制電壓VTu經(jīng)過Rc對VD1產(chǎn)生逆向偏壓，使VD1呈現(xiàn)適當(dāng)電容值。另一方面，諧振器的電感則由兩組La、Lb、Lc電感配對與兩組切換二級管配對Da與Db所構(gòu)成。通過控制二級管的波段切換信號B1與B2(對應(yīng)于圖4中的頻道波段切換信號BSs)，可以實現(xiàn)波段切換功能，其動作舉例說明如下(以VHF-Low/VHF-high/UHF三波段切換為例)由振蕩理論得到諧振頻率fosc=12πLC------(1)]]>可藉由于適當(dāng)?shù)剡x定電感值La、Lb、Lc，使得f1=12πLaC]]>屬于UHF波段f2=12π(La+Lb)C]]>屬于VHF-high波段f3=12π(La+Lb+Lc)C]]>屬于VHF-1ow波段(1)當(dāng)希望產(chǎn)生UHF波段頻率時，控制B1信號使兩個Da二極管導(dǎo)通，而Chnd為大電容提供交流信號到地路徑，因此只有La與VD1構(gòu)成諧振回路(Lb與Lc被地線隔離)，故能提供UHF波段所需的壓控振蕩器功能；(2)當(dāng)希望產(chǎn)生VHF-high波段頻率時，控制B1使Da不導(dǎo)通而控制B2使Db導(dǎo)通則能使(La+Lb)與VD1構(gòu)成VHF-high波段諧振回路；(3)當(dāng)希望產(chǎn)生VHF-1ow波段頻率時，控制B1與B2使Da與Db均不導(dǎo)通時，(La+Lb+Lc)與VD1構(gòu)成VHF-1ow波段諧振回路(本圖系以三波段諧振器為例，不同波段數(shù)的諧振器只要根據(jù)圖11B增加電感與二極管組數(shù)即可輕易地完成)。
圖12表示利用圖11A與圖11B所共同構(gòu)成的壓控振蕩器電路進行自由振蕩的結(jié)果，其中圖12A與圖12B分別表示80MHz以下與4GHz以上的自由振蕩輸出，證明此壓控振蕩電路可以有極寬頻域的振蕩特性。
圖13A與圖13B則顯示頻率切換的功能，通過控制圖11B所示電路中的B1與B2信號，完成頻率在UHF/VHF-1ow/VHF-high波段間切換。圖13A為其時域波形(上方為控制信號B1與B2)，而圖13B則為其相對應(yīng)的頻譜輸出，由此圖可看出振蕩頻率由591MHz(UHF)變?yōu)?12MHZ(VHF-1ow)，再切換至257MHz(VHF-high)的結(jié)果。
參考圖4，壓控振蕩器核心8的輸出經(jīng)過緩沖器10處理后接至兩處，其一外接至鎖相回路控制器14做頻率檢測與鎖定之用；其二則輸入調(diào)制器11與放大后的射頻信號混波調(diào)制。鎖相回路控制器14使用一般常用的IC，它接收頻道數(shù)據(jù)的指令CDs控制，輸出一組波段控制信號(B1、B2、…、Bn)與頻率微調(diào)信號VTu供諧振器所用。另外，它將接收到的壓控振蕩器振蕩信號經(jīng)內(nèi)部除法器降頻后與基準(zhǔn)頻率比較，產(chǎn)生修正的頻率微調(diào)信號輸出供頻道鎖定之用。
圖14為一低失真全向式混波調(diào)制器，可作為圖4中調(diào)制器11、轉(zhuǎn)換器7部分的較佳實施例。經(jīng)過放大與追蹤濾波處理器的信號(圖4中追蹤濾波器6的輸出信號)進入此電路下方(由Q11、Q12、Rf與兩個電流源組成)的線性電流轉(zhuǎn)換器(相當(dāng)于圖4中的轉(zhuǎn)換器7)，而振蕩信號則進入電路上半部由Q13、Q14、Q15與Q16所組成的差動器以調(diào)制射頻信號強度，其輸出則由電阻R1與R2將電流信號轉(zhuǎn)成電壓信號而得。此輸出信號再經(jīng)緩沖電路(圖4中的12)的處理后進入下一級中頻濾波器(圖4中的13)。中頻濾波器13通常使用表面聲波元件濾波器，可以檢出最終中頻信號(如美規(guī)定的45.75MHz)供爾后信號解調(diào)之用。
圖15為互調(diào)失真測量的示意圖，將指定頻道fd的信號與非指定頻道fu的信號同時輸入接收機處理，其中有線電視系統(tǒng)非指定頻道fu系為fd的隔頻道，即fu＝fd±12Mhz；而一般廣播電視非指定頻道fu則為fd的鄰頻道，即fu＝fd±6Mhz。理想狀況下最終中頻IFout應(yīng)只含fd的信號消息，但由于接收機互調(diào)失真的緣故，會有少許fu信號能量干擾IFout，當(dāng)fu能量愈來愈強時，此干擾能量亦愈來愈強，直到此干擾能量在中頻頻道上呈現(xiàn)的振幅達到未受干擾的IFout振幅1％時，此時輸入的fu能量即為1％互調(diào)失真的指標(biāo)，通常以dBμV表示，此值愈大代表接收機的互調(diào)失真愈小。
圖16用以表示本發(fā)發(fā)明具有非常低的互調(diào)失真。該圖中虛線表示在1％互調(diào)失真狀況下的接收機規(guī)范，實線則表示在fd＝789.25MHz，fu＝801.25MHz之下，就各種不同的fd信號強度，根據(jù)本發(fā)明的接收機進行實驗，其相應(yīng)AGC控制信號的強度亦隨之變化(以使IFout強度維持一定值)。圖16中，橫軸為fu信號強度，而縱軸為AGC為維持IFout強度所做的衰減倍率，換言之，即為fd的強度的增加倍率。由此圖可知本發(fā)明的接收機的互調(diào)失真率在各種不同的fd信號強度下均優(yōu)于規(guī)范很多，尤其當(dāng)fd信號極弱(60dBμV)時，fu信號強度必須大于95dBμV，才會在中頻信號造成1％的互調(diào)失真率。整體而言，在各種不同fd信號強度下，雖然1％互調(diào)失真率略有不同，但均維持在90-95dBμV之間。另外值得注意的是，此圖為UHF高頻波段的特性，顯示本發(fā)明的接收機即使在高頻操作下亦能保持低互調(diào)失真率，是其他接收機無法比擬的。
以上說明，根據(jù)本發(fā)明的接收機可以在極寬的頻域中展現(xiàn)良好的低噪音與低互調(diào)的失真特性，而且整個電路設(shè)計完全適合于集成化的結(jié)構(gòu)。圖4中虛線中所包含的電感部分均能集成為一顆單晶射頻IC，而整個接收機僅須非常少的零件便能完成，圖17為使用本發(fā)明的有線電視與一般無線電視接收機系統(tǒng)所需的實際硬件圖，構(gòu)造簡單，極適合做為攜帶型的微型接收機。此外，圖18為將本發(fā)明使用于衛(wèi)星直播電視系統(tǒng)的方法，由于本接收機可以操作到2GHz以上，從衛(wèi)星接收天線截下的微波信號，經(jīng)第一級差動式低噪音放大器與第一次降頻電路處理后的950MHz到2GHz的射頻信號可以直接進入本接收機系統(tǒng)。除此多外，由于本系統(tǒng)采用一次頻率轉(zhuǎn)換機構(gòu)，省去兩次轉(zhuǎn)換系統(tǒng)所須的昂貴高頻濾波器與第二次轉(zhuǎn)換電路元件，減少零件數(shù)目與成本。
在發(fā)明詳細說明中所提出的具體的實施樣本或?qū)嵤├齼H為了易于說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，而并非將本發(fā)明狹義地限制于該實施例，在不超出本發(fā)明的精神及以下的申請專利范圍的情況，可作種種變化實施。
權(quán)利要求
1.一種寬頻帶低噪音低互調(diào)失真接收機，包含低噪音放大器，接收輸入的差動式或單端射頻信號而將其放大，具有低噪音系數(shù)與大信號低放大失真特性，并完成輸入阻抗匹配與輸出差動信號的功能；第一緩沖器，接收該低噪音放大器的輸出信號，具有直流偏壓調(diào)整、輸出緩沖與逆流防止等功能；第一電壓/電流轉(zhuǎn)換器，接收該第一緩沖器的輸出信號，將會造成嚴(yán)重的信號放大失真的大振幅電壓信號線性地轉(zhuǎn)換成相對振幅較小的電流信號；自動增益控制放大器，接收該第一電壓/電流轉(zhuǎn)換器所輸出的電流信號，將該電流信號以最小失真程度轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)碾妷狠敵鲂盘?，并利用中頻輸出振幅傳感器接進來的增益控制信號調(diào)整放大器的放大或縮小倍率，使得其輸出信號的振幅維持固定大?。坏诙彌_器，接收該自動增益控制放大器的輸出信號，同于該第一緩沖器，亦具有直流偏壓調(diào)整、輸出緩沖與逆流防止等功能；追蹤濾波器，接收該第二緩沖器的輸出信號，并根據(jù)輸入的控制信號而僅使指定頻率的射頻信號通過，而將其他信號濾掉；第二電壓/電流轉(zhuǎn)換器，接收該追蹤濾波器所輸出的具有指定頻率的射頻信號，將大振幅電壓信號線性地轉(zhuǎn)換成相對振幅較小的電流信號；壓控振蕩器核心、諧振器、第三緩沖器及鎖相回路控制器，四者共同構(gòu)成一完整的鎖相回路系統(tǒng)，其連接關(guān)系為該諧振器接收該鎖相回路控制器的控制信號以決定振蕩頻率，該壓控振蕩器核心連接于該諧振器，而振出具有該振蕩頻率的信號，然后該振出的信號再經(jīng)過該第三緩沖器而進入該鎖相回路控制器，該第三緩沖器同地具有直流偏壓調(diào)整、輸出緩沖與逆流防止等功能，該鎖相回路控制器接收頻道數(shù)據(jù)指令而輸出波段控制信號與頻率微調(diào)信號供該諧振器與該追蹤濾波器所用；調(diào)制器，接收來自該第二電壓/電流轉(zhuǎn)換器與該第三緩沖器的兩組信號，而輸出信號為該兩組信號的乘積；第四緩沖器，接收該調(diào)制器的輸出信號，同樣具有直流偏壓調(diào)整、輸出緩沖與逆流防止等功能；中頻濾波器，接收該第四緩沖器的輸出信號，用以檢出最終中頻信號供爾后信號解調(diào)之用，接收機整體的噪音系數(shù)主要由該低噪音放大器來決定，故該低噪音放大器的低噪音系數(shù)可保證接收機整體的噪音系數(shù)甚低；然后再經(jīng)由該第一緩沖器、該第一電壓/電流轉(zhuǎn)換器與該自動增益控制放大器三者以保證高線性度的放大功能，并使得該自動增益控制放大器的輸出信號的振幅維持一定；再者，由于接收機的各部份均采取差動式的設(shè)計，故保證系統(tǒng)的穩(wěn)定與減低輻射外泄的能量。
2.如權(quán)利要求1項的寬頻帶低噪音低互調(diào)失真接收機，還包含前置選擇濾波器，輸入的差式或單端射頻信號進入該差動式低噪音放大器之前，先進入該前置選擇濾波器，用以初步選擇指定頻道附近的信號，并根據(jù)需要而完成阻抗轉(zhuǎn)換的功能。
3.如權(quán)利要求1或2項的寬頻帶低噪音低互調(diào)失真接收機，其中該低噪音放大器的實際電路包含成差動配對的晶體管Q1與Q2，其共源極端連接一個定電流源，輸入的射頻信號加在該Q1與Q2的柵極處；輸出電阻R1與R2，該電阻R1接在電源Vdd與該Q1的漏極之間，該電阻R2接在電源Vdd與該Q2的漏極之間，輸出的差動信號為該Q2的漏極電位與該Q1的漏極電位的電位差；負反饋被動回路Zf1與Zf2，該Zf1由該Q1的漏極接至其柵極，該Zf2由該Q2的漏極接至其柵極，用以提供寬頻域固定輸入阻抗特性。
4.如權(quán)利要求1或2項的寬頻帶低噪音低互調(diào)失真接收機，其中該低噪音放大器的實際電路包含成差動配對的晶體管Q1與Q2，其共源極端連接一個定電流源，輸入的射頻信號加在該Q1與Q2的柵極處；成差動配對的晶體管Q3與Q4，該Q3的源極接于該Q1的漏極，該Q4的源極接于該Q2的漏極，偏壓電壓加在該Q1與Q2的柵極處；輸出電阻R1與R2，該電阻R1接在電源Vdd與該Q3的漏極之間，該電阻R2接在電源Vdd與該Q4的漏極之間，輸出的差動信號為該Q4的漏極電位與該Q3的漏極電位的電位差；負反饋被動回路Zf1與Zf2，該Zf1由該Q3的漏極接至其柵極，該Zf2由該Q4的漏極接至Q2的柵極，用以提供寬頻域固定輸入阻抗特性。
5.如權(quán)利要求1或2項的寬頻帶低噪音低互調(diào)失真接收機，其中該該壓控振蕩器核心的實際電路包含成差動配對的晶體Q9與Q10，其共源極接至一定電流源，該Q9與Q10的柵極分別經(jīng)過兩相等的電容Cgg而接地，該Q9的漏極連接電容Cdg然后接到該Q10的柵極，該Q10的漏極連接另一電容Cdg然后接至該Q9的柵極；兩電阻RL，分別接在該Q9與該Q10的漏極與電源Vdd之間，使產(chǎn)生一多向振蕩器回路，當(dāng)封閉回路增益等于1且相位移動為360度時產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出。
6.如權(quán)利要求1或2項的寬頻帶低噪音低互調(diào)失真接收機，其中該壓控振蕩器核心的實際電路包含成差動配對的晶體Q9與Q10，其共源極接至一定電流源，該Q9與Q10的柵極分別經(jīng)過兩相等的電容Cgg而接地；成差動配對的晶體管Q17與Q18，該Q17的源極接至該Q9的漏極，該Q18的源極接至該Q10的漏機，該Q17的漏極連接電容Cdg然后接到該至Q10的柵極，該Q18的漏極連接另一電容Cdg然后接至該Q9的柵極；兩電阻RL，分別接在該Q17與該Q18的漏極與電源Vdd之間，使產(chǎn)生一多向振蕩器回路，當(dāng)封閉回路增益等于1且相位移動為360度時產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出。
7.如權(quán)利要求5或6項的寬頻帶低噪音低互調(diào)失真接收機，其中該諧振器接受來自該鎖相回路控制器的波段控制信號與頻率微調(diào)信號而決定振蕩頻率，其實際電路包含第一與第二直流阻隔電容，兩電容的第一端分別接至該壓控振蕩器核心中該Q9與Q10的漏極，用以將直流隔開；第一與第二接地大電阻，分別接至該第一與第二阻隔電容的第二端，提供該諧振器所須的直流路徑；可變電容，連接于該可變電容的第二端與該第二阻隔電容的第二端；電阻Rc，其第一端處加上來自該鎖相回路控制器的頻率微調(diào)信號，其第二端接于該可變電容的第二端，使得頻率微調(diào)信號經(jīng)過該電阻Rc對該可變電容產(chǎn)生逆向偏壓，使之呈現(xiàn)適當(dāng)電容值；第一對電感與第一對切換二極管，該第一對電感的第一端分別接至該第一與第二阻隔電容的第二端，該第一對二極管的負端分別接至該第一對電感的第二端，該第一對二極管的正端分別接至第一波段控制信號與第一接地電容；第二對電感與第二對切換二極管，該第二對電感的第一端分別接至該第一對電感的第二端，該第二對二極管的負端分別接至該第二對電感的第二端，該第二對二極管的正端分別接至第二波段控制信號與第二接地電容；第三對電感，該第三對電感的第一端分別接至該第三對電感的第二端，該第三對電感的第二端均接地。使藉由該第一與第二波段控制信號而控制產(chǎn)生三種不同波段信號如下(1)當(dāng)?shù)谝徊ǘ慰刂菩盘枮楦邥r，產(chǎn)生高波段信號；(2)當(dāng)?shù)谝徊ǘ慰刂菩盘枮榈投诙ǘ慰刂菩盘枮楦邥r，產(chǎn)生中波段信號；(3)當(dāng)?shù)谝慌c第二波段控制信號均為低時，產(chǎn)生低波段信號，在藉由頻率微調(diào)信號控制各波段中信號的精確頻率。
8.如權(quán)利要求1或2項的寬頻帶低噪音低互調(diào)失真接收機，其中該追蹤濾波器由單一或多個帶通濾波器并聯(lián)而成，且由頻道波段切換信號決定哪一個帶通濾波器發(fā)生作用，使產(chǎn)生所希望的帶通濾波效果。
9.如權(quán)利要求2的寬頻帶低噪音低互調(diào)失真接收機，其中該前置選擇濾波器由單一或多個帶通濾波器并聯(lián)而成，且由頻道波段切換信號決定哪一個帶通濾波器發(fā)生作用，使產(chǎn)生所希望的帶通濾波效果。
全文摘要
本發(fā)明關(guān)于一種可集成化的寬頻帶低噪音低互調(diào)失真接收機,其適用于很寬的射頻信號頻率范圍,且具有低噪音系數(shù)、低互調(diào)失真、寬頻域之固定輸入阻抗、信號穩(wěn)定且輻射能量少(由于整個系統(tǒng)采用全差動式設(shè)計)、可集成為很小的晶元面積(系統(tǒng)內(nèi)核心部分各電路間均采主動元件直流耦合)等特色。
文檔編號H04B1/10GK1196615SQ9710377
公開日1998年10月21日 申請日期1997年4月11日 優(yōu)先權(quán)日1997年4月11日
發(fā)明者莊睛光, 林鎮(zhèn)華, 林贊西 申請人:莊睛光, 林鎮(zhèn)華, 林贊西