用于发射器的前端架构的制作方法

本公开一般地涉及发射器前端块，并且更具体地，涉及发射器前端块的“混频器-驱动器”放大器实施方式。

背景技术：

便携式无线设备的增长正在驱动对更小构建块和电子组件的需求，这需要设计面积高效的块。在无线设备的发射器中，前端块(诸如上变频混频器和驱动器放大器)被设计为以最低功率实现最高增益。然而，归因于在操作频率处的调谐的电感器-电容器(lc)负载，发射器前端块的级联级可能造成较高的增益变化和较高的面积需求。常规发射器前端块的其他配置可能被归因于共源共栅器件而可用于混频器输出的余量所限制。进一步地，转换损耗和i-q组合可能产生效率损失。

技术实现要素：

本公开描述了发射器前端块的各种实施方式。

在一个实施例中，公开了一种装置。该装置包括：混频器，被配置为将本振信号与基带信号混频并且输出射频(rf)信号；第一负载，耦合到混频器并且被调谐到操作频率；以及第二负载，耦合到混频器并且被调谐到操作频率的预定倍数。

在另一实施例中，公开了一种装置。该装置包括：混频器核，被配置为接收本振信号且将本振信号与基带信号混频并且输出差分rf信号；第一负载，耦合到混频器核并且被配置为将第一负载调谐到操作频率；以及第二负载，耦合到混频器核并且被配置为将第二负载调谐到操作频率的预定倍数。

在又另一实施例中，公开了一种装置。该装置包括：混频部件，被配置为将本振信号与基带信号混频并且输出rf信号；第一加载部件，耦合到混频部件并且被调谐到操作频率；第二加载部件，耦合到混频部件并且被调谐到操作频率的预定倍数；以及放大部件，被配置为接收和放大来自混频部件的输出rf信号。

本公开的其他特征和优点根据本描述应当是明显的，本描述通过示例的方式说明了本公开的各方面。

附图说明

本公开的细节(关于它的结构和操作两者)可以通过研究所附另外的附图而部分地被搜集，在附图中相似的参考标号指代相似的部分，并且在附图中：

图1是与无线通信系统通信的示例性无线设备；

图2是无线设备的示例性设计的功能框图，该无线设备是图1的无线设备的一个实施例；

图3是在毫米波频率处操作的发射器的简化功能框图；

图4是包括混频器块和跨导(gm)块的混频器跨导块的功能图；

图5是包括混频器块和跨导(gm)块(例如，电压至电流转换器)的示例性双平衡差分混频器的示意图；

图6a是根据本公开的一个实施例的示例性双平衡差分混频器的详细示意图；

图6b是根据本公开的一个实施例的示例性驱动器放大器的详细示意图；

图7a是根据本公开的另一实施例的示例性双平衡差分混频器的详细示意图；

图7b是根据本公开的另一实施例的示例性驱动器放大器的详细示意图；

图8a是根据本公开的又另一实施例的示例性双平衡差分混频器的详细示意图；以及

图8b是根据本公开的又另一实施例的耦合到示例性双平衡差分混频器的示例性驱动器放大器的详细示意图。

具体实施方式

如上文陈述的，无线设备的发射器前端块的常规设计造成较高的增益变化、较高的面积需求，并且被可用于混频器输出的余量所限制。

如本文描述的某些实施例提供了一种发射器前端块配置，其解决了常规设计的缺点并且提供了优点，这些优点包括更高的输出功率、更好的效率、以及跨工艺和温度的低功率输出变化。在阅读本描述之后，如何在各种实施方式和应用中实施本公开将变得明显。虽然本文将描述本公开的各种实施方式，但是要理解，这些实施方式仅通过示例而非限制的方式被提出。如此，各种实施方式的这种详细描述不应当被解释为限制本公开的范围或广度。

本文使用术语“示例性”来意指“用作示例、实例或说明”。本文中描述为“示例性”的任何设计不一定被解释为相对于其他设计是优选的或有利的。详细描述包括具体细节以用于提供对本公开的示例性设计的全面理解的目的。对本领域的技术人员将明显的是，本文描述的示例性设计可以没有这些具体细节而被实践。在一些情况下，以框图形式示出公知的结构和设备，以便避免使本文提出的示例性设计的新颖性模糊不清。

图1是与无线通信系统100通信的示例性无线设备110。无线通信系统100可以是长期演进(lte)系统、码分多址(cdma)系统、全球移动通信系统(gsm)系统、无线局域网(wlan)系统、或某种其他无线系统。cdma系统可以实施宽带cdma(wcdma)、cdma1x、演进数据优化(evdo)、时分同步cdma(td-scdma)、或某种其他版本的cdma。为了简单，图1示出了包括两个基站120和122以及一个系统控制器130的无线系统100。一般而言，无线系统可以包括任何数目的基站和任何集合的网络实体。

无线设备110也可以被称为用户设备(ue)、移动台、终端、接入终端、订户单元、站等。无线设备110可以是蜂窝电话、智能电话、平板、无线调制解调器、个人数字助理(pda)、手持设备、膝上型计算机、智能本、上网本、无绳电话、无线本地环路(wll)站、蓝牙设备等。无线设备110可以与无线系统100通信。无线设备110还可以接收来自广播站(例如，广播站124)的信号、来自一个或多个全球导航卫星系统(gnss)中的卫星(例如，卫星140)的信号，等等。无线设备110可以支持用于无线通信的一种或多种无线电技术，诸如lte、wcdma、cdma1x、evdo、td-scdma、gsm、802.11等。

图2是无线设备200的示例性设计的功能框图，无线设备200是图1的无线设备110的一个实施例。在这一示例性设计中，无线设备200包括收发器220和数据处理器210，数据处理器210具有用以存储数据和程序代码的存储器单元212。收发器220包括支持双向通信的发射器230和接收器250。一般而言，无线设备200可以包括用于任何数目的通信系统和频带的任何数目的发射器和任何数目的接收器。

发射器或接收器可以利用超外差架构或直接转换架构来实施。在超外差架构中，信号在多个级中在射频(rf)与基带之间频率转换，例如对于接收器，在一个级中从rf到中频(if)，并且然后在另一级中从if到基带。在直接转换架构中，信号在一个级中在rf与基带之间频率转换。超外差架构和直接转换架构可以使用不同的电路块和/或具有不同的要求。在图2中示出的设计中，发射器230和接收器250利用直接转换架构来实施。

在发射路径中，数据处理器210处理将被发射的数据并且向发射器230提供同相(i)和正交相位(q)模拟输出信号。在发射器230内，低通滤波器(lpf)232对i和q模拟输出信号滤波以去除由之前的数模转换引起的不期望的镜频。放大器(未示出)可以配置在lpf232之后，以放大来自lpf的信号并且提供i和q基带信号。上变频器/混频器234利用来自txlo信号发生器236的i和q发射(tx)本振(lo)信号对i和q基带信号进行上变频，并且提供上变频后的信号。驱动器放大器(da)238和功率放大器(pa)240放大来自上变频器/混频器234的信号以获得期望的输出功率电平并且提供发射rf信号。发射rf信号被路由通过天线接口电路260并且经由天线262被发射。

在接收路径中，天线262接收由基站发射的信号并且提供接收到的rf信号，该rf信号被路由通过天线接口电路260并且被提供给低噪声放大器(lna)258。接收到的rf信号由lna258放大。下变频器/混频器254利用来自rxlo信号发生器256的i和q接收(rx)lo信号对rf输入信号进行下变频，并且提供i和q基带信号。i和q基带信号由低通滤波器252滤波以获得i和q模拟输入信号，它们被提供给数据处理器210。

txlo信号发生器236生成用于上变频的i和qtxlo信号。rxlo信号发生器256生成用于下变频的i和qrxlo信号。每个lo信号是具有特定基频的周期信号。pll270从数据处理器210接收定时信息并且生成的控制信号，该控制信号用于调节来自lo信号发生器236、256的lo信号的频率和/或相位。

对于在毫米波频率处操作的无线电发射器(例如，无线设备200中使用的发射器230)，最具挑战性的任务是直接在射频处操作的前端块的设计和实施。图3是在毫米波频率处操作的发射器300的简化功能框图。将被发射的信号首先由基带(bb)块310、312处理。经处理的信号(iin，qin)然后分别由混频器330、332从基带频率上变频(例如，乘以来自本地振荡器320的ilo和qlo)到rf频率。i和q调制的rf信号由求和单元340加和在一起以形成经调制的rf信号，其然后由驱动器放大器(da)350和功率放大器(pa)360放大。放大的rf信号经由天线被发射。

图4是包括混频器块410和跨导(gm)块420的混频器跨导块400的功能图。在图4中，混频器块410被配置为将第一差分输入电压(本振信号(lo＝lop-lon))与混频器差分输入电流(i＝ip-in)混频或相乘以生成差分输出信号(out＝outp-outn)，其可以是差分电压或差分电流。差分输入电流(i)由gm块420生成，其被设计为使得差分输入电流(i)与第二差分输入电压(例如，基带信号(bb＝bbp-bbn))在适合的范围内线性地成比例。因此，混频器跨导块400有效地将第一差分输入电压(lo信号)与第二差分输入电压(bb信号)混频以生成差分输出信号(out)。out信号相对于lo信号和bb信号的幅值由混频器块410和gm块420的增益来表征。

图5是包括混频器块510和跨导(gm)块530(例如，电压至电流转换器)的示例性双平衡差分混频器500的示意图。在一个实施例中，图4的混频器跨导块400可以被配置作为图5的双平衡差分混频器跨导块500。

在图5中，gm块530包括被配置为分别接收bb信号bbp和bbn并且将它们转换为电流ip和in的晶体管532和534。电流ip被提供给包括晶体管512、514的第一差分对，而电流in被提供给包括晶体管516、518的第二差分对。第一和第二差分对共同形成混频器块510，并且将输入lo信号lop和lon与由gm块530生成的电流ip和in相乘。第一和第二差分对的输出被交叉耦合以生成差分输出电流(iout＝ioutp-ioutn)。因此，输出包括边带以及源自混频过程的其他频率这两者。

图6a是根据本公开的一个实施例的示例性双平衡差分混频器600的详细示意图。在图6a中，混频器600被配置为放置在将中频(if)信号上变频为射频(rf)信号的发射器前端中。然而，混频器600可以被配置为放置在接收器中以将rf信号下变频为if信号。

在图6a的所图示的实施例中，混频器600包括混频器块610、gm块630、共源共栅块640、以及调谐的负载650。进一步地，混频器600被配置为将lo信号的同相分量和正交相位分量两者与bb信号的同相分量和正交相位分量进行混频。混频器块610包括第一差分晶体管对612、614、第二差分晶体管对616、618、第三差分晶体管对622、624、以及第四差分晶体管对626、628。gm块630包括用以处理bb信号的同相分量的晶体管对632、634和用以处理bb信号的正交相位分量的晶体管对636、638。共源共栅块640包括晶体管对642、644。调谐的负载650包括电感器652和电容器654。

在图6a中，bb信号的同相分量bb_ip和bb_in分别被施加到gm块630的晶体管对632、634的栅极端子以生成成对的同相电流信号iip和iin，而bb信号的正交相位分量bb_qp和bb_qn分别被施加到gm块630的晶体管对638、636的栅极端子以生成成对的正交相位电流信号iqp和iqn。晶体管632、634、636、638的漏极端子分别耦合到第一差分晶体管对612、614、第二差分晶体管对616、618、第三差分晶体管对622、624、以及第四差分晶体管对626、628的源极端子。

所生成的同相(iip和iin)和正交相位电流信号(iqn和iqp)分别通过节点w、x、y、z流入混频器块610。第一差分晶体管对612、614的源极端子耦合到节点w。第二差分晶体管对616、618的源极端子耦合到节点x。第三差分晶体管对622、624的源极端子耦合到节点y。第四差分晶体管对626、628的源极端子耦合到节点z。lo信号的正同相分量(lo_ip)被施加到晶体管612、618的栅极端子，而lo信号的负同相分量(lo_in)被施加到晶体管614、616的栅极端子。lo信号的正的正交相位分量(lo_qp)被施加到晶体管622、628的栅极端子，而lo信号的负的正交相位分量(lo_qn)被施加到晶体管624、626的栅极端子。由于晶体管612-628的栅极端子由轨到轨lo信号驱动，所以晶体管表现为开关。晶体管612-628中的每个晶体管的漏极端子耦合到节点k1、k2之一，节点k1、k2耦合到共源共栅块640中的晶体管642、644的源极端子。晶体管614、618、624、628的漏极端子耦合到节点k1，而晶体管612、616、622、626的漏极端子耦合到节点k2。共源共栅块640中的晶体管642、644的栅极端子接收第一偏置电压(v偏置1)。晶体管642、644的漏极端子分别耦合到节点m1、m2，它们是调谐的负载650的输入端子。调谐的负载650包括被配置为将电感器-电容器(lc)负载调谐到操作频率的电感器652和电容器654。节点m1、m2耦合到发射器前端(例如，图2中示出的块230)的下一级的驱动器放大器660(图6b的；类似于图2中的块238)中的节点b1、b2。在一个实施例中，共源共栅块640中的晶体管642、644被配置为隔离随后级的加载。

图6b是根据本公开的一个实施例的示例性驱动器放大器660的详细示意图。在图6b的所图示的实施例中，(图6a的)混频器600的输出节点m1、m2分别耦合到驱动器放大器660中的节点b1、b2。在图6b的所图示的实施例中，驱动器放大器660包括放大器块670和调谐的lc负载690。放大器块670包括成对的差分晶体管672、674，其被配置为通过交流(ac)耦合电容器680、682在栅极端子处接收上变频器/混频器600的输出。ac耦合电容器680、682也分别耦合到节点b1、b2。共源共栅晶体管676、678与调谐的负载690组合地用作输入晶体管672、674的负载。调谐的负载690包括电容器692、694和巴伦696，巴伦696将差分输出转换为单端输出(out)。

在图6a和图6b中，发射器前端包括混频器600(图6a)和驱动器放大器(da)660(图6b)。混频器600包括对应的调谐的lc负载650，而da660包括对应的调谐的lc负载690。发射器前端中的混频器-da组合的级联级提供了良好的效率。然而，归因于到操作频率的调谐的lc负载，发射器前端的级联级造成更高的增益变化和更高的面积需求。因此，提出了另一种示例性发射器前端设计。这种设计包括直接驱动输出负载和驱动器放大器的混频器。进一步地，负跨导单元被用来将功率电平提升到最大以补偿巴伦损耗。

图7a是根据本公开的另一实施例的示例性双平衡差分混频器700的详细示意图。在图7a的所图示的实施例中，混频器700包括混频器块710、gm块730、以及共源共栅块740。然而，与混频器600相比，从混频器700缺失的是调谐的负载650，因为混频器700被配置为直接驱动输出负载。节点m1、m2耦合到发射器前端(例如，图2中的块230)的下一级的驱动器放大器760(图7b的；类似于图2中的块238)中的节点d1、d2。混频器模块710、gm块730和共源共栅块740内的元件与图6a的块内的对应元件类似被配置和/或操作。

图7b是根据本公开的另一实施例的示例性驱动器放大器760的详细示意图。在图7b的所图示的实施例中，混频器700的输出节点m1、m2分别耦合到驱动器放大器760中的节点d1、d2。在图7b的所图示的实施例中，驱动器放大器760包括放大器块770和调谐的lc负载790。调谐的负载790包括电容器792、794和巴伦796，巴伦796将差分输出转换为单端输出(out)。放大器块770被配置作为负跨导(gm)单元，其包括被配置作为共源共栅结构的成对的差分输入晶体管772、774和成对的交叉耦合晶体管776、778。如上文陈述的，负gm单元被用来将功率电平提升到最大以补偿巴伦损耗。

输入晶体管772、774的栅极端子被配置为在接地电压与供电电压(vdd)之间切换。开关s2和s3允许接地电压与供电电压之间的切换。交叉耦合的共源共栅晶体管对776、778与电容器792、794和电感器(巴伦796的初级绕组和次级绕组)组合地用作输入晶体管772、774的负载。共源共栅晶体管776、778的栅极端子通过电容器780、782交叉耦合。进一步地，电阻器784、786与交叉耦合的电容器780、782并联放置。电阻器784、786通过偏置电压(v偏置2)耦合到彼此。然而，电阻器784、786可以分别利用开关s4，s5被旁路。

尽管图7a和图7b中示出的发射器前端的配置提供了低输出功率变化和良好的噪声性能，但是这种配置可能被归因于级联器件而可用于混频器输出的余量所限制。进一步地，转换损耗和i-q组合产生效率损失。因此，提出了又另一种示例性发射器前端配置(图8a和图8b)。这种配置提供了包括更高输出功率和更好效率的优点，这可以利用噪声折中动态地对于相同的输出功率被实现。优点还包括跨工艺和温度的低功率输出变化，因为与功率混频器相比，附加增益变化因子是良好控制的跨导比率。

图8a是根据本公开的又另一实施例的示例性双平衡差分混频器800的详细示意图。在图8a的所图示的实施例中，混频器800包括混频器块(或混频器核)810、gm块830、以及共源共栅块840。再次地，与混频器600相比，从混频器800缺失的是调谐的负载650，因为混频器800被配置为直接驱动输出负载。节点m1、m2耦合到发射器前端(例如，图2中的块230)的下一级的驱动器放大器860(图8b的；类似于图2中的块238)中的节点d1、d2。

在一个实施例中，开关s1连接到共源共栅块840中的晶体管842、844的栅极端子。当开关s1被启用时，共源共栅块840的共源共栅晶体管842、844用作混频器块810的负载。在图8a的所图示的实施例中，混频器800包括附加项目，诸如开关s1、和混频器负载850。开关s1、是互补开关，以使得当一个被启用时，另一个被禁用，并且反之亦然。开关s1或的选择取决于发射器前端设计的功率电平。这一段落中未讨论的混频器块810、gm块830和共源共栅块840内的元件与图6a的块内的对应元件类似地被配置和/或操作。当开关被启用(晶体管852、854被激活)并且开关s1被禁用(晶体管842、844被去激活)时，混频器块810的输出(节点n1、n2)被发送到混频器负载850的输入节点(p1、p2)，混频器负载850被配置作为成对的共源共栅晶体管852、854和陷波滤波器820。陷波滤波器820包括成对的电容器822、826和电感器824以调谐混频器负载850。电容器822、826和电感器824的值被选择以将混频器负载850调谐到操作频率的预定倍数(例如，三倍)。将陷波滤波器820调谐到操作频率的三倍(3x)，例如，改进了由于驱动器放大器860中的谐波混频引起的失真。由于陷波滤波器820被配置为在3x操作频率处调谐混频器负载850(其允许电感器值的九倍减少)，所以可以使得电感器面积为小。在其他实施例中，陷波滤波器可以被调谐到操作频率的任何倍数，只要其允许电感器面积的减小。

混频器块810的节点n1、n2的输出还分别被发送到驱动器放大器860的节点e2、e1。当开关被禁用(晶体管852、854被去激活)并且开关s1被启用(晶体管842、844被激活)时，混频器块810的输出(节点n1、n2)被发送到共源共栅块840的输入节点(o1、o2)。

图8b是根据本公开的又另一实施例的耦合到(图8a中示出的)示例性双平衡差分混频器800的示例性驱动器放大器860的详细示意图。在图8b的所图示的实施例中，混频器800的输出节点m1、m2分别耦合到驱动器放大器860中的节点d1、d2。在图8b的所图示的实施例中，驱动器放大器860包括放大器块870和调谐的lc负载890。调谐的负载890包括电容器892、894和巴伦896，巴伦896将差分输出转换为单端输出(out)。放大器块870被配置作为负跨导(gm)单元，其包括被配置作为共源共栅结构的成对的差分输入gm晶体管872、874和成对的高压交叉耦合晶体管876、878。如上文陈述的，负gm单元被用来将功率电平提升到最大以补偿巴伦损耗。

输入晶体管872、874的栅极端子被配置为分别在接地电压、供电电压(vdd)、以及在节点e1、e2处接收的混频器块810的输出n2、n1之间切换。对晶体管872、874的栅极端子的输入分别由开关s2、s3选择。成对的交叉耦合的共源共栅晶体管876、878与电容器892、894和电感器(巴伦896的初级绕组和次级绕组)组合地用作输入晶体管872、874的负载。共源共栅晶体管876、878的栅极端子通过电容器880、882交叉耦合。进一步地，电阻器884、886与交叉耦合的电容器880、882并联放置。电阻器884、886通过偏置电压(v偏置3)耦合到彼此。然而，电阻器884、886可以分别利用开关s4、s5被旁路。

图8a和图8b的配置提供了包括更高输出功率和更好效率的优点，这可以利用噪声折中对于相同的输出功率动态地被实现。优点还包括跨工艺和温度的低功率输出变化，因为与功率混频器相比，附加增益变化因子是良好控制的跨导比率。尽管上文描述了本公开的若干实施例，但是本公开的许多变化是可能的。例如，尽管图8a和图8b中示出的发射器前端的所图示的实施例示出了若干块，包括混频器块810、gm块830、共源共栅块840、混频器负载850、放大器块870和调谐的lc负载890，但是可以省略块中的一些块。进一步地，各种实施例的特征可以按与上文描述的那些组合不同的组合被组合。此外，为了清楚和简要的描述，对系统和方法的许多描述已经被简化。许多描述使用特定标准的术语和结构。然而，所公开的系统和方法更广泛地可适用。

技术人员将明白，关于本文公开的实施例所描述的各种说明性块和模块可以按各种形式被实施。一些块和模块已经在上文一般地按照它们的功能被描述。如何实施这样的功能取决于对整个系统施加的设计约束。技术人员可以针对每个特定应用以不同的方式实施所描述的功能，但是这样的实施决定不应当被解释为引起从本公开的范围的偏离。另外，对模块、块或步骤中的功能的分组是为了便于描述。特定的功能或步骤可以从一个模块或块被移除而不偏离本公开。

所公开的实施例的上文描述被提供以使得本领域的任何技术人员能够制作或使用本公开。对这些实施例的各种修改对本领域的技术人员将容易是明显的，并且本文描述的一般原理可以应用到其他实施例而不偏离本公开的精神或范围。因此，将理解，本文提出的描述和附图代表本公开的目前优选的实施例并且因此是本公开广泛考虑的主题的代表。要进一步理解，本公开的范围完全涵盖对本领域的技术人员可能变得明显的其他实施例，并且本公开的范围因此仅由所附权利要求限定。