切换电路、集成电路、主动混频器电路及相关方法
【专利说明】切换电路、集成电路、主动混频器电路及相关方法 【技术领域】
[0001] 本发明有关于切换电路，特别是有关于用于主动混频器电路的切换电路。 【【背景技术】】
[0002] 在射频传送器的技术领域中，混频器电路被用于将一低频的基频信号或一中频信 号提升转换为一射频信号。由混频器电路所引起的信号失真可能导致基本信号损坏，且可 能导致不乐见落在其他频带的频谱分量对其他传送单元造成不必要的干扰。因此，最小化 混频器电路的信号失真是一重要的议题。
[0003] 图1以一例子举例说明传统的一主动混频器电路结构100。不像被动混频器电路， 主动混频器电路可具有增益，并利用一放大元件来确保乘积信号所需信号强度。主动混频 器电路亦在输入埠和输出埠之间能提供良好的隔离度。具体来说，图1举例说明一双平衡混 频器电路。该双平衡混频器电路的优点在于具有相对双输入的一对对称路径，使得两输入 信号之其一输出至输出端。
[0004] 图1所示主动混频器电路结构10 0包括由两晶体管装置Mmi和Mm2组成的一跨导级 110。晶体管装置Mml和Mm2被配置以接收一第一(差动)输入频率电压信号（±)u mi，并将所接 收的第一输入频率电压信号（±)umi转换成相同频率的(差动)输入电流1。1>2,其中上述相同 频率为《 b。图1所不王动混频器电路结构1〇〇更包括由两对切换晶体官装置Mswla, lb和Msw2a, 2b 组成的一切换级120。切换晶体管装置Mswla,lb,2a, 2b将输入电流iQl,2乘上频率为c〇LC)的一第二 (差动)输入频率电压信号u p,n以形成差动输出电流iMl,2。隔尚晶体管装置Mbi和MB2被配置在 跨导级110和切换级120之间以改善输出阻抗和隔离度，使跨导级110成为更理想的跨导器。
[0005] 在Dimitrios Papadopoulos于2008年所发表论文"A Power Efficient Linear Multi-Mode CMOS radio Transmitter"之中，定义了由双平衡混频器电路结构的切换级 120所引起的失真可分为两种类型:静态重叠失真（static overlap distortion,S0D)和动 态切换失真（dynamic switching distortion，DSD)〇
[0006] 图2举例说明切换级120的一第一对切换装置Mswla,lb。对于静态重叠失真而言，考 量到在切换级120的该输入节点没有寄生电容(C S)的情形。图3以一图示表示在切换级120 的该第一对切换装置Mswla,lb发生静态重叠失真的原因。在一理想电路之中，在每一时间点， 该第一对切换装置M swia, ib之中仅只有一切换晶体管装置Mswia, ib会导通。然而，在实际应用之 中，该弟一对切换装置Mswia, lb并无法即刻切换，导致出现该弟一对切换装置Mswia, lb中两切换 晶体管装置Mswla,lb同时导通的重叠周期。如图3所示，当该第一对切换装置由]\^ 13导通转态 至1^^导通时，由于该输入频率电压信号Up,n具有一有限范围，出现两切换晶体管装置 M swla,lb同时导通的重叠周期。在两切换晶体管装置Mswla,lb同时导通的重叠周期之间，该输入 电流iol所引起的失真使该输出电流iM(iM=iMN_iMP)以非瞬时的和非线性的形式由+ i〇l,2转 换至-i〇l,2。
[0007] 对于动态切换失真而言，考量到在切换级120的该输入节点具有寄生电容(CS)的 情形。寄生电容Cs包括切换级120的该切换晶体管装置M swljPMswlb的栅极-源极间（gate- source)寄生电容和源极-基板间（source-bulk)寄生电容、以及图1所示该第一对切换装置 Mswia,ib下方隔离晶体管装置Mbi的漏极_基板间（drain-bulk)寄生电容。图4以一图示表示在 切换级120的该第一对切换装置M swla,lb发生动态切换失真的原因。如图4所示，为了使该对 切换装置由一边完全切换至另一边，不可避免的是要产生加在图2所示该切换晶体管装置 Mswla和Mswlb之间的共同节点S上的一摆云力电压Us (如图4的上图所1示)〇摆云力电压Us所1弓|起流 经寄生电容Cs的一电流取决于输入信号ica以及取决于装置非线性度，从而导致流经该第一 对切换装置M swla,lb的失真电流。
[0008] 在上述论文中，Dimitrios Papadopoulos藉由将该第一对切换装置MSwia,ib建模成 图5所示于两倍切换频率(2 〇LQ)进行转换的一源极随親器(source-follower)，以量化上述 动态切换失真。在上述模型之中可以见到，当输入电流1。:的频率为2 时，交叉乘积 (cross-product)从而导致流经寄生电容Cs的谐波频率在2 〇 LQ ± n* 〇 b的失真电流。
[0009] 在图1所示混频器电路中，上述失真电流谐波被混频至该第二（差动)输入频率电 压信号uP,n的频率《 L0之中。因此，上述谐波频率在2 ? L〇±n* ?b的失真电流变成被降频至频 率在《 lq ± n* ?b的该混频器电路的基本输出信号。
[0010] 因此，有需要最小化在主动混频器电路结构100的输出电流iM1,2上静态重叠失真 和动态切换失真的效应。
[0011 ] 在上述论文中，Dimitrios Papadopoulos提出在该两切换对之间引入一开关Q以 应对(coping)静态重叠失真和动态切换失真的效应，其中开关Q关闭于该第一对切换装置 Mswla, lb中两切换晶体管装置Mswla,lb同时导通的重叠周期。在此情形下，开关Q强迫电流i〇 3相 等于电流i。4，从而淬灭(quench ing)在该重叠周期间输出端的差动电流。然而，上述解决方 案的问题在于产生上述淬灭信号(quenching signal)，上述淬灭信号需要非常精确且能正 确定时（信号延迟需为接近零或同步）以至于仅作用在重叠周期之中。只要淬灭装置 (quenching device)启用(active)时，将会短路该混频器，因此若淬灭装置比需要的启用 还久时，会明显恶化该混频器的操作(减少增益）。在实际应用上产生一淬灭信号很困难，且 产生该淬灭信号的电路通常需要很高的功耗。 【
【发明内容】
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[0012] 根据本发明第一方面，提供一种适用于主动混频器的切换电路，该切换电路包括 一第一对切换装置(Mla、M lb)以及一第二对切换装置(M2a、M2b)，该第一对切换装置和该第二 对切换装置被配置以使得：
[0013] -该第一对切换装置的一第一切换装置(Mla)与该第二对切换装置的一第一切换装 置(M2a)串联于该切换电路的一输入节点和该切换电路的一第一差动输出节点之间，其中该 输入节点用以接收包括一第一输入频率信号的一输入电流；
[0014] -该第一对切换装置的一第二切换装置(Mlb)与该第二对切换装置的一第二切换装 置(M2b)串联于该切换电路的该输入节点和该切换电路的一第二差动输出节点之间；
[0015] -该第一对切换装置(Mla、Mlb)受控于一第二输入频率信号，该第二输入频率信号 包括一对差动信号，以及该第一对切换装置的该第一和第二切换装置(M la、Mlb)分别受控于 该第二输入频率信号的该对差动信号的各别互补信号分量；
[0016] -该第二对切换装置(M2a、M2b)受控于该第二输入频率信号的一对应相位偏移信 号，以及该第二对切换装置的该第一和第二切换装置(M2a、M2b)分别受控于该第二输入频率 信号的该对应相位偏移信号的一对差动信号的各别互补信号分量;以及
[0017]-位于该第一切换装置(Mla)与该第一切换装置(M2a)之间的一共同节点被电性连 接至位于该第二切换装置(Mlb)与该第二切换装置(M2b)之间的一共同节点。
[0018]藉由以下更详尽说明的这种方式，堆叠两对切换装置以及将每对切换装置的第一 切换装置的共同节点电性连接至每对切换装置的第二切换装置的共同节点，显著地减少动 态切换失真对该混频器所欲得到的基本输出信号的影响。
[0019] 在本发明的一自选实施例中，位于该第一和第二对切换装置的第一切换装置(Mla) 与第一切换装置(M 2a)之间的该共同节点通过一电容(CP)电性连接至位于该第一和第二对 切换装置的第二切换装置(M lb)与第二切换装置(M2b)之间的该共同节点。
[0020] 在本发明的一自选实施例中，电容（CP)的电容值大于该切换电路的一寄生电容 (Cs)的电容值。
[0021] 在本发明的一自选实施例中，该第二输入频率信号的该对应相位偏移信号是90度 相位偏移的该第二输入频率信号。
[0022] 根据本发明第二方面，提供一种包括一跨导级和一切换级的主动混频器电路;该 跨导级被配置以接收一第一输入信号，且被配置以将该第一输入信号应用至该切换级的至 少一输入电流;该切换级包括具有一第一对切换装置(M la、Mlb)和一第二对切换装置(M2a、 M2b)的至少一第一切换电路，该第一对切换装置和该第二对切换装置被配置以使得：
[0023] -该第一对切换装置的一第一切换装置(Mla)与该第二对切换装置的一第一切换装 置(M2a)串联于该切换级的一输入节点和该切换级的一第一差动输出节点之间，其中该输入 节点用以接收包括一第一输入频率信号的一输入电流；
[0024] -该第一对切换装置的一第二切换装置(Mlb)与该第二对切换装置的一第二切换装 置(M2b)串联于该切换级的该输入节点和该切换级的一第二差动输出节点之间；
[0025] -该第一对切换装置(Mla、Mlb)受控于一第二输入频率信号，该第二输入频率信号 包括一对差动信号，以及该第一对切换装置的该第一和第二切换装置(M la、Mlb)分别受控于 该第二输入频率信号的该对差动信号的各别互补信号分量；
[0026] -该第二对切换装置(M2a、M2b)受控于该第二输入频率信号的一对应相位偏移信 号，以及该第二对切换装置的该第一和第二切换装置(M 2a、M2b)分别受控于该第二输入频率 信号的该对应相位偏移信号的一对差动信号的各别互补信号分量