专利名称：消除直流偏压的负载电路及使用该负载电路的混波器的制作方法
技术领域：
本发明是关于消除直流偏压的负载电路及使用该负载电路的混波器，特别是关于不需大面积的电容的消除直流偏压的负载电路及使用该负载电路的混波器。
背景技术：
图1为常见的零中频或低中频的接收器架构。如该图所示，该接收器10包括一天线11，一低噪声放大器(Low Noise Amplifier，LNA)12，混波器(Mixer)13、13′，驱动放大器(Driver)14、14′，低通滤波器(Low passfilter)15、15′，可调式增益放大器(VGA)16、16′，模拟数字转换器(ADC)17、17′，数字基频接收器(Digital base-band receiver)100，本地振荡器(Local Oscillator)19，及相位移转器(Phase shifter)18、18′。
零中频或低中频的接收器10一般需要混波器13、13′将低噪声放大器12的输出信号与相位移转器18、18′的时脉信号混合后输出。但是，低噪声放大器12的输出信号与相位移转器18、18′的时脉信号会有直流偏压(DCoffset)，尤其以零中频的接收器架构更为严重。当直流偏压发生时，会使得后续的可调式增益放大器16、16′进入饱和模式，因而无法有效发挥其放大的效果。其所造成的影响会使得接收器的位错误率(Bit Error Rate，BER)上升，甚至会造成完全无法收到信号。
图2为一般吉伯特单元(Gilbert Cell)混波器的电路。如该图所示，该混波器13的负载单元131是利用晶体管132、133来作为负载，藉以产生输出电压Voutp与Voutn。信号Vinp与Vinn为差动输入，信号Vlop与Vlon也为差动输入。因此当输入信号有直流偏压时，该负载单元131并无法消除输入信号的直流偏压，使得输出电压Voutp与Voutn也存在直流偏压。
目前有多种已知技术来消除直流偏压，例如美国第4,873,702、5,748,681、5,793,230、5,798,664等专利。第4,873,702专利主要是利用模拟数字转换器(ADC)与数字信号处理(Digital signal processing，DSP)技术将直流偏压信号分离出，接着利用数字模拟转换器(DAC)将分离出的直流偏压信号转换成模拟信号，再与原信号相减来消除直流偏压信号。此专利的缺点是须要复杂的ADC、DSP、与DAC电路设计。
第5,748,681专利主要是利用一个大电容来完成高通滤波器，因而可去除直流偏压信号。此专利的缺点是须要非常大的金属绝缘(MetalInsulation Metal，MIM)或(Poly Insulation Poly，PIP)电容，因而会占据大量的IC面积。
第5,793,230与5,798,664等专利主要是利用一个大电容来完成低通滤波器，再将此低通滤波器的输出反馈到电路的输入来形成高通滤波器，因而可去除直流偏压信号。此专利的缺点仍是须要非常大的MIM或PIP电容，因而会占据大量的IC面积。
发明内容
有鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种不需复杂的ADC、DAC、DSP电路，也不需非常大的MIM或PIP电容的消除直流偏压的负载电路及使用该负载电路的混波器。
为达成上述目的，本发明消除直流偏压的负载电路包含第一镜射单元与第二镜射单元，分别接收第一输入信号与第二输入信号，并产生与该等输入信号等比例的第一信号电流与第二信号电流；第一补偿单元与第二补偿单元，分别接收第一输入信号与第二输入信号，过滤该等输入信号的交流成分，并产生与该等输入信号的直流成分等比例的第一补偿电流与第二补偿电流；一第一负载单元，接收第一信号电流与第二补偿电流，并产生第一输出信号；以及一第二负载单元，接收第二信号电流与第一补偿电流，并产生第二输出信号。
由于第一负载单元与第二负载单元均有接收两个输入信号的直流成分，因此两个输出信号的电压差不会受到输入信号的直流偏压的影响。
图1为常见的零中频或低中频的接收器架构；图2为一般混波器的电路；图3为本发明的消除直流偏压的混波器的架构图；图4为本发明消除直流偏压的负载电路的第一实施例；图5为本发明消除直流偏压的负载电路的第二实施例；图6为一般没有消除直流偏压功能的混波器的输出信号；图7为本发明具有消除直流偏压的负载电路的混波器的输出信号。
具体实施例方式
以下参考图式详细说明本发明消除直流偏压的负载电路及使用该负载电路的混波器。
图3为本发明的消除直流偏压的混波器的架构图。如该图所示，本发明消除直流偏压的混波器30与已知混波器类似(参考图2)，其不同点为本发明消除直流偏压的混波器30使用一消除直流偏压的负载电路40来消除输入信号Vinp与Vinn的直流偏压，藉以产生没有直流偏压的输出信号Voutp与Voutn。亦即，本发明消除直流偏压的混波器30以消除直流偏压的负载电路40来取代已知混波器的负载单元。而该消除直流偏压的负载电路40可将信号Vp与Vn的直流偏压消除，并产生没有直流偏压的输出信号Voutp与Voutn。
图4为本发明消除直流偏压的负载电路的第一实施例。消除直流偏压的负载电路40包含一第一镜射单元41、一第二镜射单元42、一第一补偿单元43、一第二补偿单元44、一第一负载单元45、以及一第二负载单元46。
第一镜射单元41接收第一输入信号Vn，并产生与第一输入信号Vn等比例的一第一信号电流Ip3。第一补偿单元43接收第一输入信号Vn、过滤第一输入信号Vn的交流成分、并产生与第一输入信号Vn等比例的一第一补偿电流Ip5。第二镜射单元42接收第二输入信号Vp，并产生与第二输入信号Vp等比例的一第二信号电流Ip4。第二补偿单元44接收第二输入信号Vp、过滤第二输入信号Vp的交流成分、并产生与第二输入信号Vp等比例的一第二补偿电流Ip6。第一负载单元45接收第一信号电流Ip3与第二补偿电流Ip6后，产生第一输出电压Voutn。第二负载单元46接收第二信号电流Ip4与第一补偿电流Ip5后，产生第二输出电压Voutp。第一负载单元45与第二负载单元46可以是电阻。根据图4的消除直流偏压的负载电路40所示，第一负载单元45的一端除了接收第一信号电流Ip3之外，还接收根据第二输入信号Vp所产生的第二补偿电流Ip6，其另一端接地；而第二负载单元46的一端除了接收第二信号电流Ip4之外，还接收根据第一输入信号Vn所产生的第一补偿电流Ip5，其另一端接地。由于第一负载单元45与第二负载单元46分别接收对方的直流成分的补偿电流，因此，该消除直流偏压的负载电路40在第一负载单元45与第二负载单元46所产生的输出信号Voutn与Voutp的直流偏压接近于0。
第一镜射单元41为一电流镜架构，包含第一晶体管Mp1与第三晶体管Mp3。第一晶体管Mp1与第三晶体管Mp3的源极连接于电压源，而第一晶体管Mp1的闸极与汲极以及第三晶体管Mp3的闸极均连接于第一输入信号Vn。第三晶体管Mp3的汲极提供第一信号电流Ip3。第二镜射单元42也为一电流镜架构，包含第二晶体管Mp2与第四晶体管Mp4。第二晶体管Mp2与第四晶体管Mp4的源极连接于电压源，而第二晶体管Mp2的闸极与汲极以及第四晶体管Mp4的闸极均连接于第二输入信号Vp。第四晶体管Mp4的汲极提供第二信号电流Ip4。
第一补偿单元43与第一晶体管Mp1也形成电流镜架构。该第一补偿单元43包含了第一滤波单元431与一第五晶体管Mp5。第一滤波单元431接收第一输入信号Vn，并滤除交流成分后产生一第一滤波信号。第五晶体管Mp5的源极连接于电压源、闸极接收第一滤波信号、而汲极提供第一补偿电流Ip5。第二补偿单元44与第二晶体管Mp2也形成电流镜架构。该第二补偿单元44包含了第二滤波单元441与一第六晶体管Mp6。第二滤波单元441接收第二输入信号Vp，并滤除交流成分后产生一第二滤波信号。第六晶体管Mp6的源极连接于电压源、闸极接收第二滤波信号、而汲极提供第二补偿电流Ip6。
在设计上，第一晶体管Mp1与第二晶体管Mp2的外观比(appearanceratio)或长宽比(W/L ratio)相同；而第三晶体管Mp3、第四晶体管Mp4、第五晶体管Mp5与第六晶体管Mp6的外观比相同，且为第一晶体管Mp1的外观比的N倍。
下列公式用来证明本发明消除直流偏压的负载电路40的功效。首先，假设在无直流偏压讯号存在的情形之下，Ip1及Ip2的讯号可以表示为Ip1＝Ibias-Iac...(1)Ip2＝Ibias+Iac...(2)Vp与Vn的讯号可以表示为Vn＝Vbias-Vac ...(3)Vp＝Vbias+Vac ...(4)同时，由于R1、R2与Cv的电路组合对于Vp与Vn的讯号而言是具有低通滤波器的效果，因此Va与Vb的讯号可以表示为Va＝Vb＝Vbias ...(5)因此，流经Mp3、Mp4、Mp5、Mp6的电流Ip3、Ip4、Ip5、Ip6可分别表示为Ip3＝N*Ip1＝N*(Ibias-Iac) ...(6)Ip4＝N*Ip2＝N*(Ibias+Iac) ...(7)Ip5＝N*Ibias...(8)Ip6＝N*Ibias...(9)最后，输出信号Voutp与Voutn可以表示为Voutn＝(Ip3+Ip6)*Rload＝N*(2Ibias-Iac)*Rload...(10)Voutp＝(Ip4+Ip5)*Rload＝N*(2Ibias+Iac)*Rload...(11)ΔVout＝Voutp-Voutn＝2N*Iac*Rload ...(12)而当讯号存在直流偏压Idc_offset的情形之下，Ip1及Ip2的讯号可以表示为Ip1＝Ibias-Iac ...(13)Ip2＝Ibias+Iac+Idc_offset ...(14)Vp与Vn的讯号可以表示为Vn＝Vbias-Vac ...(15)Vp＝Vbias+Vac+Vdc_offset...(16)同时，由于R1、R2与Cv的电路组合对于Vp与Vn的讯号而言是具有低通滤波器的效果，因此Va与Vb的讯号可以表示为Va＝Vbias ...(17)Vb＝Vbias+Vdc_offset...(18)因此，流经Mp3、Mp4、Mp5、Mp6的电流Ip3、Ip4、Ip5、Ip6可分别表示为Ip3＝N*Ip1＝N*(Ibias-Iac) ...(19)Ip4＝N*Ip2＝N*(Ibias+Iac+Idc_offset)...(20)Ip5＝N*Ibias...(21)
Ip6＝N*(Ibias+Idc_offset)...(22)最后，输出信号Voutp与Voutn可以表示为Voutn＝(Ip3+Ip6)*Rload＝N*(2Ibias-Iac+Idc_offset)*Rload ...(23)Voutp＝(Ip4+Ip5)*Rload＝N*(2Ibias+Iac+Idc_offset)*Rload ...(24)ΔVout＝Voutp-Voutn＝2N*Iac*Rload...(25)由于ΔVout并没有包含直流偏压Idc_offset，因此直流偏压Idc_offset并不会对输出信号Voutp与Voutn的压差ΔVout造成影响。而且，即使在图4的电路有使用到的电容，但该电容均可利用MOS电容来完成，因此可以大幅减少所需要的芯片面积。
图5则为本发明消除直流偏压的负载电路的第二实施例。该第二实施例的消除直流偏压的负载电路40′的组件与第一实施例的消除直流偏压的负载电路40的组件相同，也包含一第一镜射单元41′、一第二镜射单元42′、一第一补偿单元43′、一第二补偿单元44′、一第一负载单元45、以及一第二负载单元46。只是第一实施例的消除直流偏压的负载电路40所使用的晶体管是PMOS晶体管(Mp1～Mp6)，因此负载电流是先经过晶体管后再流过负载单元；而第二实施例的消除直流偏压的负载电路40′是使用NMOS晶体管(Mn1～Mn6)，因此负载电流是先经过负载单元后再流过晶体管。因此，第二实施例的消除直流偏压的负载电路40′与第一实施例的消除直流偏压的负载电路40的动作原理是相同的。其中第一镜射单元包含一第一晶体管，其源极接地，汲极连接于第一输入信号，闸极与汲极互相连接产生前述第一输入信号；一第三晶体管，其源极接地，闸极连接于前述第一输入信号，汲极产生第一信号电流。
第二镜射单元包含一第二晶体管，其源极接地，汲极连接于第二输入信号，闸极与汲极互相连接产生前述第二输入信号；一第四晶体管，其源极接地，闸极连接于前述第二输入信号，汲极产生第二信号电流。
第一补偿单元包含一第一低通滤波器，系接收前述第一输入信号，并产生一第一滤波信号；一第五晶体管，其源极接地，闸极连接于前述第一输入信号，汲极产生第一补偿电流。
第二补偿单元包含一第二低通滤波器，系接收前述第二输入信号，并产生一第二滤波信号；一第六晶体管，其源极接地，闸极连接于前述第二输入信号，汲极产生第二补偿电流。
第一负载单元可为电阻，且一端接收前述第一信号电流与前述第二补偿电流并产生第一输出电压，另一端连接电压源。
第二负载单元可为电阻，且一端接收前述第二信号电流与前述第一补偿电流并产生第二输出电压，另一端连接电压源。
同样，在设计上，第一晶体管与第二晶体管的外观比相同，而第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管与第六晶体管的外观比相同，同时该等晶体管的外观比为第一晶体管的外观比的N倍。
图6为一般没有消除直流偏压功能的混波器的输出信号，其中在t＝2微秒(us)有直流偏压产生。图7为本发明具有消除直流偏压的负载电路的混波器的输出信号，其中在t＝2微秒时有直流偏压产生，而在t＝6微秒时直流偏压被消除了。因此，根据图7所示，本发明具有消除直流偏压负载电路的混波器可有效消除直流偏压。
以上虽以实施例说明本发明，但并不因此限定本发明的范围，只要不脱离本发明的要旨，该行业者可进行各种变形或变更。
权利要求
1.一种消除直流偏压的负载电路，接收第一输入信号与第二输入信号，并产生没有直流偏压的第一输出信号与第二输出信号，其特征在于包含一第一镜射单元，接收前述第一输入信号，并产生与该第一输入信号等比例的一第一信号电流；一第一补偿单元，接收前述第一输入信号，过滤该第一输入信号的交流成分，并产生与该第一输入信号的直流成分等比例的一第一补偿电流；一第二镜射单元，接收前述第二输入信号，并产生与该第二输入信号等比例的一第二信号电流；一第二补偿单元，接收前述第二输入信号，过滤该第二输入信号交流成分，并产生与该第二输入信号的直流成分等比例的一第二补偿电流；一第一负载单元，接收前述第一信号电流与前述第二补偿电流，并产生前述第一输出信号；以及一第二负载单元，接收前述第二信号电流与前述第一补偿电流，并产生前述第二输出信号。
2.如权利要求1所记载的消除直流偏压的负载电路，其特征在于，其中前述第一镜射单元包含一第一晶体管，其源极连接于一电压源，汲极连接于前述第一输入信号，闸极与汲极互相连接；以及一第三晶体管，其源极连接于前述电压源，闸极连接于前述第一输入信号，汲极产生前述第一信号电流。
3.如权利要求2所记载的消除直流偏压的负载电路，其特征在于，其中前述第二镜射单元包含一第二晶体管，其源极连接于前述电压源，汲极连接于前述第二输入信号，闸极与汲极互相连接；以及一第四晶体管，其源极连接于前述电压源，闸极连接于前述第二输入信号，汲极产生前述第二信号电流。
4.如权利要求3所记载的消除直流偏压的负载电路，其特征在于，其中前述第一补偿单元包含一第一低通滤波器，接收前述第一输入信号，并产生一第一滤波信号；以及一第五晶体管，其源极连接于前述电压源，闸极连接于前述第一输入信号，汲极产生前述第一补偿电流。
5.如权利要求4所记载的消除直流偏压的负载电路，其特征在于，其中前述第二补偿单元包含一第二低通滤波器，接收前述第二输入信号，并产生一第二滤波信号；以及一第六晶体管，其源极连接于前述电压源，闸极连接于前述第二输入信号，汲极产生前述第二补偿电流。
6.如权利要求1或5所记载的消除直流偏压的负载电路，其特征在于，其中前述第一负载单元为电阻，且一端接收前述第一信号电流与前述第二补偿电流并产生前述第一输出电压，另一端接地。
7.如权利要求1或5所记载的消除直流偏压的负载电路，其特征在于，其中前述第二负载单元为电阻，且一端接收前述第二信号电流与前述第一补偿电流并产生前述第二输出电压，另一端接地。
8.如权利要求5所记载的消除直流偏压的负载电路，其特征在于，其中前述第一晶体管与第二晶体管的外观比相同，且前述第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管与第六晶体管的外观比相同，同时该等晶体管的外观比为前述第一晶体管的外观比的N倍。
9.如权利要求1所记载的消除直流偏压的负载电路，其特征在于，其中前述第一镜射单元包含一第一晶体管，其源极接地，汲极连接于前述第一输入信号，闸极与汲极互相连接产生前述第一输入信号；以及一第三晶体管，其源极接地，闸极连接于前述第一输入信号，汲极产生前述第一信号电流。
10.如权利要求9所记载的消除直流偏压的负载电路，其特征在于，其中前述第二镜射单元包含一第二晶体管，其源极接地，汲极连接于前述第二输入信号，闸极与汲极互相连接产生前述第二输入信号；以及一第四晶体管，其源极接地，闸极连接于前述第二输入信号，汲极产生前述第二信号电流。
11.如权利要求10所记载的消除直流偏压的负载电路，其特征在于，其中前述第一补偿单元包含一第一低通滤波器，系接收前述第一输入信号，并产生一第一滤波信号；以及一第五晶体管，其源极接地，闸极连接于前述第一输入信号，汲极产生前述第一补偿电流。
12.如权利要求11所记载的消除直流偏压的负载电路，其特征在于，其中前述第二补偿单元包含一第二低通滤波器，系接收前述第二输入信号，并产生一第二滤波信号；以及一第六晶体管，其源极接地，闸极连接于前述第二输入信号，汲极产生前述第二补偿电流。
13.如权利要求12所记载的消除直流偏压的负载电路，其特征在于，其中前述第一负载单元为电阻，且一端接收前述第一信号电流与前述第二补偿电流并产生前述第一输出电压，另一端连接前述电压源。
14.如权利要求12所记载的消除直流偏压的负载电路，其特征在于，其中前述第二负载单元为电阻，且一端接收前述第二信号电流与前述第一补偿电流并产生前述第二输出电压，另一端连接前述电压源。
15.如权利要求12所记载的消除直流偏压的负载电路，其特征在于，其中前述第一晶体管与第二晶体管的外观比相同，且前述第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管与第六晶体管的外观比相同，同时该等晶体管的外观比为前述第一晶体管的外观比的N倍。
16.如权利要求1所记载的消除直流偏压的负载电路，其特征在于，该负载电路使用于混波器。
全文摘要
一种消除直流偏压的负载电路及使用该负载电路的混波器。该负载电路包含第一镜射单元与第二镜射单元，分别接收第一输入信号与第二输入信号，并产生与该等输入信号等比例的第一信号电流与第二信号电流；第一补偿单元与第二补偿单元，分别接收第一输入信号与第二输入信号，过滤该等输入信号的交流成分，并产生与该输入信号的直流成分等比例的第一补偿电流与第二补偿电流；一第一负载单元，接收第一信号电流与第二补偿电流，并产生第一输出信号；以及一第二负载单元，接收第二信号电流与第一补偿电流，并产生第二输出信号。
文档编号H04L25/06GK1797937SQ20041010165
公开日2006年7月5日 申请日期2004年12月20日 优先权日2004年12月20日
发明者钟元鸿 申请人:凌阳科技股份有限公司