专利名称：可提高信号质量的混频器的制作方法
技术领域：
本发明涉及混频器(mixer)，尤指一种可提高信号质量的混频器。
背景技术：
(wireless transmitter)(wireless receiver) ψ, 混频器是广泛使用的频率转换组件。图1为一典型的无线传送器10，其可将基频的传送信 号转换为射频的传送讯号，以经由天线发射出去。无线传送器10包含滤波器1 1与12、可 程序增益放大器(programmable gain amplifier) 13与14、混频器15与16及功率放大器 17。基频的传送信号，以基频I传送信号为例，经由滤波器11移除不需要的频率成分后，再 由可程序增益放大器13放大，接着送入混频器15，藉由本地振荡器(local oscillator，图 未显示)所产生的振荡信号LO1,以转换为射频I信号；基频Q传送信号亦以类似方式转换 为射频Q信号，连同射频I信号送入功率放大器17进行放大，以便进行无线传输。图2为一典型的无线接收器20，其可将射频的接收信号转换为基频的接收讯号， 以便进行后续的信号处理。无线接收器20包含低噪声放大器(low n0iseamplifier)21、混 波器22与23、滤波器24与25及可程序增益放大器26与27。射频的接收信号，经由低噪 声放大器21放大后，送入混频器22与23，以分别藉由本地振荡器(图未显示)所产生的振 荡信号LO1及L0q，转换至基频的频率，再经由滤波器24与25移除不需要的频率成分以及 可程序增益放大器26与27放大后，即得到基频I接收信号与基频Q接收信号。在无线传 送器10与无线接收器20中，混频器15、16与22、23所进行的频率转换攸关无线通信的信 号质量。图3为现有的混频器电路图，其中，吉尔伯特混频器(Gilbert mixer)30包含转导 电路(transconductor)31、开关电路(switch quad) 32 及负载电路(load circuit) 33。负 载电路33包含负载331、332，负载331与332的一端耦接至一电压源Vcc，负载331与332 的另一端即为输出端(Out)。开关电路32包含η型晶体管M3、M4、M5、M6。其中，晶体管M3 与晶体管M5的漏极耦接到负载331的另一端，晶体管M4与晶体管M6的漏极耦接到负载 332的另一端。再者，晶体管M3与晶体管M6的栅极相互耦接，晶体管M4与晶体管M5的栅 极相互耦接，而晶体管M3与晶体管M4的栅极可接收一本地振荡信号L0。再者，晶体管M3 与晶体管M4的源极相互耦接，并成为第一电流路径；而晶体管M5与晶体管M6的源极相互 耦接，并成为第二电流路径。转导电路31包含η型晶体管Ml与晶体管Μ2。其中，晶体管Ml的漏极耦接到开 关电路32的第一电流路径，晶体管Μ2的漏极耦接到开关电路32的第二电流路径。晶体管 Ml与晶体管Μ2的栅极可分别接收差动电压信号Vin+与Vin_。再者，晶体管Ml与晶体管 M2的源极相互耦接。而晶体管Ml的源极与一接地端之间耦接一 η型晶体管MS，其栅极输 入一固定电压以使晶体管MS可形成一电流源。图4为吉尔伯特混频器30的相关信号的示意图。转导电路31可将输入电 压信号Vin(即Vin+-VirO转换成为电流信号lb。电流信号Ib流经开关电路32的第一电流路径与第二电流路径时，经由振荡信号LO的驱动而成为一频率转换电流信号 (frequency-converted current signal,图4系以基频转换至射频为例)。接着，频率转换 电流信号经由负载电路33转换，使得输出端(Out)可输出一输出电压。由于现有混频器中的晶体管组件并不完全理想，例如，晶体管具有非线性特性，而 导致混频器的输出有谐波干扰(harmonic interference)产生，如此会降低混频器进行频 率转换时的信号质量。此外，在现有混频器中，转导电路与开关电路两者的偏压点并非分别独立，而是具 有连动关系，如此可能会连带影响转导电路的线性度。举例而言，在图3的吉尔伯特混频器 30中，转导电路31与开关电路32两者的偏压点有连动关系，当开关电路32的偏压点偏低， 可能会造成转导电路31的偏压点过低，使得晶体管Ml与晶体管M2无法运作于饱和区，而 影响转导电路31的线性度；若为避免此问题而将转导电路31或开关电路32的偏压点拉 高，则又可能导致开关电路32运作不正常。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可提高信号质量的混频器，以提高混频器 进行频率转换时的信号质量。为了解决以上技术问题，本发明提供了如下技术方案本发明提供了一种混频器，包含转导电路、第一开关电路、第一负载电路、第二开 关电路以及第二负载电路。转导电路接收差动电压信号，并输出差动电流信号；第一开关电 路耦接至转导电路，用以依据第一本地振荡信号对差动电流信号进行频率转换；第一负载 电路包括第一晶体管、第二晶体管、第一电阻及第二电阻，第一晶体管及第二晶体管两者的 漏极耦接至第一开关电路，以形成第一差动输出端，第一电阻耦接于第一晶体管的栅极与 漏极间，第二电阻耦接于第二晶体管的栅极与漏极间；第二开关电路耦接至转导电路，用以 依据第二本地振荡信号对差动电流信号进行频率转换；第二负载电路包括第三晶体管、第 四晶体管、第三电阻及第四电阻，第三晶体管及第四晶体管两者的漏极耦接至第二开关电 路，以形成第二差动输出端，第三电阻耦接于第三晶体管的栅极与漏极间，第四电阻耦接于 第四晶体管的栅极与漏极间。其中，第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管及第四晶体管四 者的栅极相耦接。本发明另提供了一种混频器，包含转导电路，接收差动电压信号，并输出差动电 流信号；第一偏压电路，用以对转导电路提供偏压；开关电路，耦接至转导电路，用以依据 一本地振荡信号对差动电流信号进行频率转换；第二偏压电路，耦接至开关电路，用以对开 关电路提供偏压；以及负载电路，耦接于开关电路，用以提供一输出端。在一实施例中，上述的混频器更包含电容单元，耦接于转导电路与开关电路之间， 用以使第一偏压电路与第二偏压电路所提供的偏压相互独立。本发明更提供了一种混频器，包含转导电路，接收一差动电压信号，并输出一差 动电流信号；开关电路，用以依据一本地振荡信号对该差动电流信号进行频率转换；电容 单元，耦接于该转导电路与该开关电路之间，用以隔离该转导电路与该开关电路之间的直 流信号，以使该转导电路与该开关电路各自具有独立偏压；以及负载电路，耦接于该开关电 路用以提供一输出端。
本发明采用的可提高信号质量的混频器，可减少谐波干扰，亦可使内部的转导电 路与开关电路分别独立进行偏压，以确保转导电路的线性度，提高混频器进行频率转换时 的信号质量。
图1为一典型的无线传送器的示意图。
图2为一典型的无线接收器的示意图。图3为现有的混频器的电路图。图4为现有混频器的相关信号的示意图。图5为本发明的混频器的第一实施例的电路图。图6为本发明的混频器的第二实施例的电路图。图7为本发明的混频器的第三实施例的电路图。附图的图号说明10:无线传送器11、12、24、25 滤波器13、14、26、27 可程序增益放大器15、16、22、23、50、60、70 混频器17 功率放大器21 低噪声放大器30:吉尔伯特混频器31、51、61 转导电路32、62 开关电路33、63:负载电路 331、332:负载511、611、65、72 偏压电路52:第一开关电路 53:第一负载电路54:第二开关电路 55:第二负载电路64、71:电容单元
具体实施例方式图5为本发明的混频器的第一实施例的电路图，其中，混频器50包含转导电路51、 第一开关电路52、第一负载电路53、第二开关电路54以及第二负载电路55。转导电路51， 接收差动电压信号Vin+与VirT，并输出差动电流信号I+与Γ (下文分别称为第一电流信号 与第二电流信号)。第一开关电路52包含四个开关，分别为ρ型晶体管Ml、M2、M3、M4，晶 体管Ml与晶体管M2依据本地振荡信号LO1,控制是否让第一电流信号通过；晶体管M3与 晶体管M4则依据本地振荡信号LO1,控制是否让第二电流信号通过。藉此，第一开关电路 52可对差动电流信号进行频率转换，转换后的频率即为原差动电流信号的频率与本地振荡 信号LO1的频率两者之和。同样地，第二开关电路54亦包含四个开关，分别为ρ型晶体管 M7、M8、M9、M10，晶体管M7与晶体管M8依据本地振荡信号L0Q，控制是否让第二电流信号通 过；晶体管M9与晶体管MlO则依据本地振荡信号LOq，控制是否让第一电流信号通过。藉 此，第二开关电路54可对差动电流信号进行频率转换，转换后的频率即为原差动电流信号 的频率与本地振荡信号LOq的频率两者之和。应注意，本地振荡信号LO1与LOq的相位差为 90度。
第一负载电路53包括η型晶体管Μ5、Μ6以及电阻Rl、R2。晶体管Μ5、Μ6两者的 栅极相耦接；晶体管Μ5的漏极耦接至晶体管Ml与晶体管Μ3的漏极，晶体管Μ6的漏极耦接 至晶体管Μ2与晶体管Μ4的漏极，耦接处即为混频器50的第一差动输出端，所输出的差动 电压表示为V1W1-；电阻Rl耦接于晶体管Μ5的栅极与漏极间，电阻R2耦接于晶体管Μ6的 栅极与漏极间。同样地，第二负载电路55包括η型晶体管Μ11、Μ12以及电阻R3、R4。晶体 管M11、M12两者的栅极相耦接；晶体管Mll的漏极耦接至晶体管M7与晶体管M9的漏极，晶 体管M12的漏极耦接至晶体管M8与晶体管MlO的漏极，耦接处即为混频器50的第二差动 输出端，所输出的差动电压表示为VQ+、VQ_ ；电阻R3耦接于晶体管Mll的栅极与漏极间，电阻 R4耦接于晶体管M12的栅极与漏极间。在第一负载电路53中，直流信号(即偏压信号)仅会流经晶体管M5而不会流经 电阻R1，因此输出电压V/、V1-(包含直流与交流部分)的大小只要分别能使晶体管M5与 晶体管M6运作于饱和区即可，不需太大，以避免因电压值过大而挤压到第一开关电路52乃 至转导电路51所能具有的压降，影响整个混频器50的运作；另一方面，由于仅有交流信号 (即偏压信号上承载的数据信号)会流经电阻R1、R2，所以电阻R1、R2可选取较大的阻值， 以使交流信号具有较大的增益值。同理，第二负载电路55中，电阻R3、R4亦可选取较大的 阻值，以使交流信号具有较大的增益值。因此，第一负载电路53与第二负载电路55具有可 提供较大的信号增益值而又不会占去太多压降的优点。请注意，在图5中，晶体管M5、M6、M11、M12四者的栅极为相互耦接的，如此可减少 混频器50的谐波干扰，原因分析如下假设输出电压V/、V「、VQ\ VQ_的交流部分分另Ij为cos cot、-cos cot、 COS(cot+90° )、-COS(cot+90° )，其中ω为本地振荡信号LO1与LOq的频率。由于晶体管 Μ5、Μ6、Mil、Μ12具有非线性特性，导致前述各输出电压会在各晶体管的栅极产生具有谐波 的电压，以傅立叶级数(Fourier series)对V/、Vf、VQ+、VQ_展开如下V1+ — alcos ω t+a2cos2 ω t+a3cos3 ω t+..·
V1^ — -alcos ω t+a2cos2 ω t_a3cos3 ω t+..·VQ+— alcos(cot+90° )+a2cos (2 ω t+180° )+a3cos (3 ω t+270° )+...V^ —-alcos(cot+90° )+a2cos (2 ω t+180° ) _a3cos (3 ω t+270° )+...其中，al、a2、a3…为各谐波分量的加权系数。这些谐波分量若未能除去，会使晶 体管M5、M6、M11、M12的栅-源极电压(即VGS)受到严重的谐波干扰，连带影响到输出电 压V/、ViWqWq-，而损及混频器50的信号质量。因此，在图5中，由于晶体管M5、M6、M11、 M12四者的栅极相耦接，所以Y点的电压为Vy = [alcos ω t+a2cos2 ω t+a3cos3 ω t+..·]+ [-alcos ω t+a2cos2 ω t_a3cos3 ω t+..·]+[alcos(cot+90° )+a2cos (2 ω t+180° )+a3cos (3 ω t+270° )+...]+[-alcos(cot+90° )+a2cos (2 ω t+180° ) _a3cos (3 ω t+270° )+...]= 2a2cos2 ω t+2a2cos (2 ω t+180 ° ) +2a4cos4 ω t+2a4cos(4cot+360° )+2a6cos6 ω t+2a6cos (6 ω t+540° )+..·
= 4a4cos4 ω t+4a8cos8 ω t+.·· 其中，奇数次谐波分量相互抵销，而偶数次谐波分量中，二、六…次谐波分量亦可相互抵销，仅剩四、八…次谐波分量。这些剩余的谐波分量皆不大，因此晶体管M5、M6、M11、 M12四者的VGS仅会受到极少量的谐波干扰，可使输出电压V/、N;、VQ+、Vq-保持稳定，而提 高混频器50的信号质量。图6为本发明的混频器的第二实施例的电路图，其中，混频器60包含转导电路61、开关电路62、负载电路63、电容单元64以及偏压电路65，其中，转导电路61包含偏压电路 611，电容单元64包含电容Cl、C2。混频器60可依据一本地振荡信号LO对输入电压Vin 进行频率转换，以产生输出电压Vout。混频器60的主要特征在于，转导电路61与开关电 路62具有各自的偏压电路，以分别独立进行偏压，亦即，可各自决定所需的偏压点，以避免 现有技术中因转导电路与开关电路两者的偏压点并非独立而损及转导电路线性度的问题。 再者，电容单元64的电容Cl、C2耦接于转导电路61与开关电路62之间，使得两者间的直 流信号无法互通，以确保偏压电路611与65所提供的偏压能相互独立。在一实施例中，偏 压电路611亦可设置于转导电路61的外部，而偏压电路611与65可为电流源，亦可为电压 源。图7为本发明的混频器的第三实施例的电路图，其系将第二实施例的主要技术特 征应用于第一实施例。与第一实施例的混频器50相较，第三实施例的混频器70增设了偏 压电路511与72、电容单元71。偏压电路511可对转导电路51提供偏压。偏压电路72包 含电流源11、12，可对第一开关电路52与第二开关电路54提供偏压，其中，电流源Il耦接 至晶体管M3、M4、M7、M8，电流源12耦接至晶体管M1、M2、M9、M10。转导电路51包含两电流 输出端，用以输出差动电流讯号。电容单元71包含电容C3、C4，其中电容C3的一端耦接于 转导电路51的一电流输出端，另一端耦接于晶体管M1、M2、M9、M10 ；电容C4的一端耦接于 转导电路51的另一电流输出端，另一端耦接于晶体管M3、M4、M7、M8。电容单元71可使偏 压电路511与72所提供的偏压相互独立。在实际应用上，前述图5的混频器50与图7的混频器70可应用于图1的无线传 送器10与图2的无线接收器20，以取代其中的混频器，而达到提高信号质量的目的。以上所述系利用较佳实施例详细说明本发明，而非限制本发明的范围。凡熟知此 类技艺人士皆能明了，可根据以上实施例的揭示而做出诸多可能变化，仍不脱离本发明的 精神和范围。
权利要求
一种混频器，其特征在于，包含一转导电路，接收一差动电压信号，并输出一差动电流信号；一第一开关电路，耦接至该转导电路，用以依据一第一本地振荡信号对该差动电流信号进行频率转换；一第一负载电路，包括一第一晶体管及一第二晶体管，该第一晶体管及该第二晶体管两者的漏极耦接至该第一开关电路，以形成一第一差动输出端；以及一第一电阻及一第二电阻，该第一电阻耦接于该第一晶体管的栅极与漏极间，该第二电阻耦接于该第二晶体管的栅极与漏极间；一第二开关电路，耦接至该转导电路，用以依据一第二本地振荡信号对该差动电流信号进行频率转换；以及一第二负载电路，包括一第三晶体管及一第四晶体管，该第三晶体管及该第四晶体管两者的漏极耦接至该第二开关电路，以形成一第二差动输出端；以及一第三电阻及一第四电阻，该第三电阻耦接于该第三晶体管的栅极与漏极间，该第四电阻耦接于该第四晶体管的栅极与漏极间；其中，该第一晶体管、该第二晶体管、该第三晶体管及该第四晶体管四者的栅极相耦接。
2.如权利要求1所述的混频器，其特征在于，该差动电流信号包含一第一电流信号及 一第二电流信号，该第一开关电路包含一第一开关、一第二开关、一第三开关及一第四开 关，该第一开关与该第二开关系用以控制是否让该第一电流信号通过；该第三开关与该第 四开关系用以控制是否让该第二电流信号通过。
3.如权利要求2所述的混频器，其特征在于，该第一晶体管的漏极耦接至该第一开关 与该第三开关，该第二晶体管的漏极耦接至该第二开关与该第四开关。
4.如权利要求2所述的混频器，其特征在于，该第一开关、该第二开关、该第三开关及 该第四开关为晶体管。
5.如权利要求1所述的混频器，其特征在于，该差动电流信号包含一第一电流信号及 一第二电流信号，该第二开关电路包含一第五开关、一第六开关、一第七开关及一第八开 关，该第五开关与该第六开关系用以控制是否让该第二电流信号通过；该第七开关与该第 八开关系用以控制是否让该第一电流信号通过。
6.如权利要求5所述的混频器，其特征在于，该第三晶体管的漏极耦接至该第五开关 与该第七开关，该第四晶体管的漏极耦接至该第六开关与该第八开关。
7.如权利要求5所述的混频器，其特征在于，该第五开关、该第六开关、该第七开关及 该第八开关为晶体管。
8.如权利要求1所述的混频器，其特征在于，该第一本地振荡信号与该第二本地振荡 信号的一相位差为90度。
9.如权利要求1所述的混频器，其特征在于，该转导电路包含一第一偏压电路，用以对 该转导电路提供偏压；该混频器更包含一第二偏压电路，用以对该第一开关电路与该第二 开关电路提供偏压。
10.如权利要求9所述的混频器，其特征在于，更包含一电容单元，耦接于该转导电路、该第一开关电路及该第二开关电路之间，用以使该第 一偏压电路与该第二偏压电路所提供的偏压相互独立。
11.一种混频器，其特征在于，包含一转导电路，接收一差动电压信号，并输出一差动电流信号； 一第一偏压电路，用以对该转导电路提供偏压；一开关电路，耦接至该转导电路，用以依据一本地振荡信号对该差动电流信号进行频 率转换；一第二偏压电路，耦接至该开关电路，用以对该开关电路提供偏压；以及 一负载电路，耦接于该开关电路用以提供一输出端。
12.如权利要求11所述的混频器，其特征在于，更包含一电容单元，耦接于该转导电路与该开关电路之间，用以使该第一偏压电路与该第二 偏压电路所提供的偏压相互独立。
13.如权利要求12所述的混频器，其特征在于，该转导电路包含一第一电流输出端及 一第二电流输出端，该第一电流输出端及该第二电流输出端系用以输出该差动电流信号， 该电容单元包含一第一电容，耦接于该第一电流输出端与该开关电路之间；以及 一第二电容，耦接于该第二电流输出端与该开关电路之间。
14.如权利要求11所述的混频器，其特征在于，该第一偏压电路系包含于该转导电路。
15.如权利要求11所述的混频器，其特征在于，该第二偏压电路系为一电流源。
16.一种混频器，其特征在于，包含一转导电路，接收一差动电压信号，并输出一差动电流信号； 一开关电路，用以依据一本地振荡信号对该差动电流信号进行频率转换； 一电容单元，耦接于该转导电路与该开关电路之间，用以隔离该转导电路与该开关电 路之间的直流信号，以使该转导电路与该开关电路各自具有独立偏压；以及 一负载电路，耦接于该开关电路用以提供一输出端。
17.如权利要求16所述的混频器，其特征在于，该转导电路包含一第一电流输出端及 一第二电流输出端，该第一电流输出端及该第二电流输出端系用以输出该差动电流信号， 该电容单元包含一第一电容，耦接于该第一电流输出端与该开关电路之间；以及 一第二电容，耦接于该第二电流输出端与该开关电路之间。
18.如权利要求16所述的混频器，其特征在于，更包含 一第一偏压电路，用以对该转导电路提供偏压；以及 一第二偏压电路，用以对该开关电路提供偏压。
19.如权利要求18所述的混频器，其特征在于，其中该第一偏压电路系包含于该转导 电路。
20.如权利要求18所述的混频器，其特征在于，该第二偏压电路系为一电流源。
全文摘要
本发明公开了一种可提高信号质量的混频器，以提高混频器进行频率转换时的信号质量。混频器，包含转导电路、第一与第二开关电路及第一与第二负载电路。第一负载电路包括第一与第二晶体管及第一与第二电阻，第一与第二晶体管的漏极耦接至第一开关电路，以形成第一差动输出端，第一电阻耦接于第一晶体管的栅极与漏极间，第二电阻耦接于第二晶体管的栅极与漏极间；第二负载电路包括第三与第四晶体管及第三与第四电阻，第三与第四晶体管的漏极耦接至第二开关电路，以形成第二差动输出端，第三电阻耦接于第三晶体管的栅极与漏极间，第四电阻耦接于第四晶体管的栅极与漏极间。第一～四晶体管的栅极相耦接，以减少谐波干扰。
文档编号H03D7/12GK101826842SQ20091000874
公开日2010年9月8日 申请日期2009年3月6日 优先权日2009年3月6日
发明者周忠昀, 杨朝栋 申请人:晨星软件研发(深圳)有限公司;晨星半导体股份有限公司