專利名稱：具有高線性度與可程序增益的混頻器及其相關轉導電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種混頻器(mixer)，尤指一種具高線性度與可程序增益的混頻 器及其相關轉導電路(transconductor)。
技術背景在無線收發器(wireless transceiver)中，混頻器(mixer)是廣泛使用的頻 率轉換組件。圖1是顯示一典型的無線傳送器(wireless transmitter) 10，其 包含濾波器11與12、可程序增益放大器(programmable gain amplifier) 13 與14、混頻器15與16及功率放大器17。基頻的輸入信號，以基頻I輸入信號 為例，經由濾波器ll移除不需要的頻率成分后，再由可程序增益放大器13放 大或衰減，接著送入混頻器15，藉由本地震蕩器(local oscillator,圖未顯 示)所產生震蕩信號LOI，以轉換至規格所定的射頻頻率，最后再由功率放大器 17放大，以便進行無線傳輸。在無線傳送器10中，混頻器15與16所執行的 頻率轉換攸關無線傳輸的信號質量圖2是顯示現有的混頻器電路圖，其中，吉爾伯特混頻器(Gilbert mixer) 20 包含轉導電路(transconductor)21、開關電路(switch quad)22及負載電路 (load circuit)23。負載電路23包含負載231、 232，負載231與232的一端 耦接至一電壓源Vcc，負載231與232的另一端即為輸出端(0ut)。開關電路22 包含n型晶體管M3、 M4、 M5、 M6。其中，M3與M5的漏極耦接到負載231的另 一端，M4與M6的漏極耦接到負載232的另一端。再者，M3與M6的柵極相互耦 接，M4與M5的柵極相互耦接，而M3與M4的柵極可接收一本地震蕩信號L0。 再者，M3與M4的源極相互耦接，并成為第一電流路徑；而M5與M6的源極相 互耦接，并成為第二電流路徑。 轉導電路21包含n型晶體管Ml與M2。其中，Ml的漏極耦接到開關電路 22的第一電流路徑，M2的漏極耦接到開關電路22的第二電流路徑。Ml與M2 的柵極可分別接收電壓信號Vin+與Vin-。再者，M1與M2的源極相互耦接。而 Ml的源極與一接地端之間耦接一 n型晶體管Ms，其柵極輸入一固定電壓以使 Ms可形成一電流源。圖3是顯示混頻器20的相關信號的示意圖。轉導電路21可將輸入電壓信 號Vin(即Vin+-Vin-)轉換成為電流信號Ib。電流信號Ib流經開關電路22的 第一電流路徑與第二電流路徑時，經由震蕩信號L0的驅動而成為一頻率轉換電 流信號(frequency-converted current signal)。接著，頻率轉換電流信號經 由負載電路23轉換，使得輸出端(Out)可輸出一輸出電壓。由于轉導電路21是由ri型晶體管Ml與M2所組成，因此其電壓-電流關是 二次曲線關系，而非線性關系。換言之，圖2所示的現有混頻器并不適用于需 要高線性混頻器的應用上，例如，無線局域網絡(WLAN)的傳送器以及分碼多重 存取(Code Division Multiple Access, CDMA)系統的傳送器。發明內容本發明所要解決的技術問題是提供一種具有高線性度與可程序增益的混頻 器，它可以避免先前技術中混頻器的轉導電路的非線性問題，并且其可結合可 程序增益放大器與混頻器的功能，達到減少功耗與芯片面積(die size)的效果。 另外，本發明所要解決的另一個技術問題是提供一種轉導電路，同樣可以解決 上述問題。為了解決以上技術問題，本發明提供了如下技術方案本發明提供了一種混頻器，它包含 一負載電路； 一開關電路，耦接于該 負載電路，該開關電路具有第一電流路徑與第二電流路徑且該開關電路與該負 載電路的耦接處為該混頻器輸出端；以及一轉導電路，包含第一電阻及第二 電阻； 一差動放大器，具有第一輸入端、第二輸入端、第一輸出端及第二輸出 端，其中， 一差動電壓信號分別經由第一電阻及第二電阻輸入到第一輸入端及 第二輸入端； 一第一回授電路，設置于第一輸出端與第一輸入端之間； 一第二 回授電路，設置于第二輸出端與第二輸入端之間；第一晶體管，其漏極耦接于 第一電流路徑，第一晶體管的柵極耦接該差動放大器第一輸出端，第一輸出端 輸出第一輸出信號是用以控制流經第一晶體管的第一電流；以及第二晶體管， 其漏極耦接于第二電流路徑，第二晶體管的柵極耦接該差動放大器第二輸出端， 第二輸出端輸出第二輸出信號是用以控制流經第二晶體管的第二電流；其中該 第一電流與該第二電流決定一差動電流。本發明還提供了一種應用于混頻器的轉導電路，它包含第一電阻及第二 電阻； 一差動放大器，具有第一輸入端、第二輸入端、第一輸出端及第二輸出 端，其中， 一差動電壓信號分別經由第一電阻及第二電阻輸入到第一輸入端及 第二輸入端；第一回授電路，設置于第一輸出端與第一輸入端之間；第二回授 電路，設置于第二輸出端與第二輸入端之間；第一晶體管，其柵極耦接該差動 放大器的第一輸出端，第一輸出端輸出的第一輸出信號是用以控制流經第一晶 體管的第一電流；以及第二晶體管，其柵極耦接該差動放大器的第二輸出端， 第二輸出端輸出的第二輸出信號是用以控制流經第二晶體管的第二電流；其中 該第一 電流與該第二電流決定一差動電流。其中所述轉導電路的第一回授電路包含第三晶體管，該第三晶體管的柵極 耦接該差動放大器的第一輸出端并與第一晶體管形成一第一電流鏡。轉導電路 的第二回授電路包含一第四晶體管，該第四晶體管的柵極耦接該差動放大器的 第二輸出端并與該第二晶體管形成一第二電流鏡。本發明公開的混頻器及其相關轉導電路，不但可以解決非線性問題，而且 可結合可程序增益放大器與混頻器的功能，達到減少功耗與芯片面積的效果。
圖1是一典型的無線傳送器的示意圖。圖2是現有混頻器的電路圖。圖3是現有混頻器的相關信號的示意圖。
圖4是本發明混頻器的第一實施例的電路圖。圖5是第一實施例的差動小信號模型的等效電路圖。圖6是本發明混頻器的第二實施例的電路圖。圖7是本發明混頻器的第三實施例的電路圖。圖8是本發明混頻器的第四實施例的電路圖。圖9是本發明混頻器的第五實施例的電路圖。圖IO是本發明混頻器的第六實施例的電路圖。圖式的圖號說明10:無線傳送器 11、 12:濾波器13、 14:可程序增益放大器15、 16、 40、 60、 70、 90:混頻器17:功率放大器 20:吉爾伯特混頻器21、 41、 61、 71、 91:轉導電路22、 42:開關電路 23、 43:負載電路 231、 232、 431、 432:負載411、 412:電流鏡 413:差動放大器具體實施方式
圖4是本發明混頻器的第一實施例的電路圖，其中，混頻器40包含一轉導 電路41、 一開關電路42及一負載電路43。負載電路43包含負載431、 432， 負載431與432的一端耦接至一電壓源Vcc，負載431與432的另一端即為輸 出端(Out)。在開關電路42中，M11與M12的源極相互耦接，并成為第一電流 路徑；而M13與M14的源極相互耦接，并成為第二電流路徑。轉導電路41包含電阻R1、 R2、 RB、 Rl，、 R2'、 RB，、 一差動放大器413及 電流鏡411、 412。電流鏡411包含n型晶體管M2、 M4。 M2與M4的柵極相互耦 接；M2的漏極為電流鏡411的控制電流端，M4的漏極則為電流鏡411的鏡射電
流端；M2與M4的源極皆耦接至接地端。M2與M4的長寬比為1:N， N為正數。 運作上，M2的柵極作為電流鏡411的輸入端，可接收一控制信號(即差動放大 器413的正極輸出端的輸出信號)，使控制電流端(即M2的漏極)產生對應的控 制電流，而鏡射電流端(即M4的漏極)即產生一鏡射電流，其大小為控制電流的 N倍。對稱地，電流鏡412包含n型晶體管Ml、 M3。 Ml與M3的柵極相互耦接； Ml的漏極為電流鏡412的控制電流端，M3的漏極則為電流鏡412的鏡射電流端 ;M1與M3的源極皆耦接至接地端。M1與M3的長寬比為1:N， N為正數。運作 上，Ml的柵極作為電流鏡412的輸入端，可接收一控制信號(即差動放大器413 的負極輸出端的輸出信號)，使控制電流端(即Ml的漏極)產生對應的控制電流， 而鏡射電流端(即M3的漏極)即產生一鏡射電流，其大小為控制電流的N倍。電阻Rl與Rl'的一端分別耦接于差動放大器413的正極輸入端與負極輸 入端，電阻R1與R1，的另一端接收一輸入差動電壓信號Vin。電阻R2耦接于 差動放大器413的正極輸入端與晶體管M2的漏極間，電阻R2'耦接于差動放 大器413的負極輸入端與晶體管Ml的漏極間。電阻RB耦接于M2的漏極與電壓 源VB之間，電阻RB'耦接于M1之漏極與電壓源VB之間。晶體管M2與M1之 柵極分別耦接至差動放大器413之正極輸出端與負極輸出端，晶體管M4與M3 的漏極則分別耦接至開關電路42的第一電流路徑與第二電流路徑，藉由差動放 大器413正極輸出端及負極輸出端所輸出的控制信號，分別控制晶體管M4與 M3的柵極，使得流經晶體管M4與M3的電流形成一差動電流。在轉導電路41 中，差動放大器413的正極輸出端與正極輸入端之間形成一第一回授電路，其 包含晶體管M2及電阻RB、 R2 ;負極輸出端與負極輸入端之間形成一第二回授電路，其包含晶體管M1及電阻RB'、 R2'。第一回授電路及第二回授電路皆為 負回授，其目的為使轉導電路41具有線性轉導值，如下文所述。由于混頻器 40為全差動式(fully differential)的電路，因此R1:R1，、 R2=R2，、 RB二RB，、 M1=M2、 M3二M4。圖5為圖4的第一實施例的差動小信號模型(differential small signal model)等效電路圖，其是將圖4的電壓源VB視同接地，電阻RB與RB，合為2RB(其 中點即為交流接地端(AC ground))。圖5的電路可分析如下C點電壓<formula>formula see original document page 11</formula>凡D點電壓<formula>formula see original document page 11</formula>兄由于A與E點是差動放大器413的兩輸入端，所以A點電壓VA可視為等同 E點電壓VE ;另外Vin=Vin+—Vin-，因此2幾 2凡 K" 2凡幾再者，iM2-i2 + iB且iMl = il — iB，因此<formula>formula see original document page 11</formula>所以，轉導電路41的輸出電流Ib與輸入電壓Vin呈線性關系，亦即，轉 導電路41具有線性的轉導值。并且，只要電阻R1、 R2、 RB至少其一為可變電阻，轉導電路41即具有一可程序增益N(i + ^ ^)。因此，藉由使用轉導電 路41，混頻器40具有高線性度及可程序增益，并可同時執行混頻器與可程序
增益放大器的功能，以減少功耗與芯片面積。圖6是本發明混頻器的第二實施例的電路圖，其中，混頻器60與第一實施 例的混頻器40的差異在于電阻RB與RB，的偏壓組態不同。在轉導電路61中， 電阻RB耦接于M2的漏極與電流源Id之間，電阻RB'則耦接于Ml的漏極與電 流源Id之間。將圖6的混頻器60轉換成差動小信號模型的等效電路，亦即將 電流源Id視為斷路，電阻RB與RB'合為2RB，則可得到與圖5相同的小信號 電路。因此，圖6的第二實施例中，轉導電路61的輸出電流Ib與輸入電壓Vin 的關系與第一實施例相同，亦即，混頻器60具有高線性度及可程序增益。圖7是本發明混頻器的第三實施例的電路圖，其中，混頻器70與第一實施 例的混頻器40的差異在于電阻RB與RB'的偏壓組態不同。在轉導電路71中， 電阻RB與RB，合為2RB，其一端耦接于M2的漏極與電流源II耦接之處，另一 端則耦接于M1的漏極與電流源12耦接之處。將圖7的混頻器70轉換成差動小 信號模型的等效電路，亦即將電流源I1與I2視為斷路，則可得到與圖5相同 的小信號電路。因此，圖7的第三實施例中，轉導電路71的輸出電流Ib與輸 入電壓Vin的關系與第一實施例相同，亦即，混頻器70具有高線性度及可程序 增益。圖8為本發明混頻器的第四實施例的電路圖，其是以特定電路來實現圖4 的混頻器40中的差動放大器413，其包含電流源Il、 n型晶體管M5、 M6、 p型 晶體管M7、 M8、電阻RF與RF，以及補償電容C1、 Cl， 。 M8與M7源極耦接至電 流源II， M8與M7的柵極分別為差動放大器413的正極輸入端與負極輸入端， M8與M7的漏極分別為差動放大器413的負極輸出端與正極輸出端，且分別耦 接至電流鏡412的輸入端與電流鏡411的輸入端，M8的漏極耦接至M5的漏極，M7的漏極耦接至M6的漏極，M6的柵極與M5的柵極相互耦接，M6與M5的源極 皆耦接至接地端；RF耦接于M6的柵極與漏極間，RF，耦接于M5的柵極與漏極 間；補償電容C1耦接于M6的漏極與接地端之間，Cl'耦接于M5的漏極與接地 端之間，以使差動放大器413可穩定運作。由于差動放大器413為全差動式的 電路，因此RF二RF，、 C1=C1，、 M5=M6、 M7二M8。在圖8的差動放大器413中，共模電壓是藉由大電阻RF與RF，來實現， 其優點在于，以這種自我偏壓(self-bias)的方式實現，可使電路運作維持穩定， 且不需再另接共模回授電路，如此可簡化電路及節省硬件成本；并且，大電阻 RF與RF，還可提高差動放大器413的增益。圖9為本發明混頻器的第五實施例的電路圖，其是以特定電路來實現圖7 的混頻器70中的差動放大器413。圖9中，差動放大器413的電路與圖8的差 動放大器413相同。圖IO為本發明混頻器的第六實施例的電路圖，其是以特定電路來實現圖9 的混頻器70中的電流源I2與I3，并接上一共模回授電路，以設定轉導電路輸 出的直流操作點。在圖10的混頻器90中，轉導電路91使用n型晶體管M10、 M9作為電流源12、 13，并將一運算放大器Al的輸出端耦接至M10與M9的柵極， Al的正極輸入端耦接至電阻RB和RB'耦接之處，負極輸入端則輸入直流共模 電壓VCM，以形成共模回授電路。請注意，前述第一至第六實施例中的轉導電路，亦可應用于非混頻器的其 它電路。因此，其它電路若有應用如第一至第六實施例所述的轉導電路，亦在 本發明的范圍內。以上所述是利用較佳實施例詳細說明本發明，而非限制本發明的范圍。凡
本領域的技術人員，可根據以上實施例的揭示而做出諸多可能變化，仍不脫離 本發明的精神和權利要求的保護范圍。
權利要求
1. 一種應用于混頻器的轉導電路，其特征在于，它包括一第一電阻及一第二電阻；一差動放大器，具有一第一輸入端、一第二輸入端、一第一輸出端及一第二輸出端，其中，一差動電壓信號分別經由該第一電阻及該第二電阻輸入到該第一輸入端及該第二輸入端；一第一回授電路，設置于該第一輸出端與該第一輸入端之間；一第二回授電路，設置于該第二輸出端與該第二輸入端之間；一第一晶體管，其柵極耦接該差動放大器的該第一輸出端，該第一輸出端輸出的一第一輸出信號用以控制流經該第一晶體管的第一電流；以及一第二晶體管，其柵極耦接該差動放大器的該第二輸出端，該第二輸出端輸出的一第二輸出信號用以控制流經該第二晶體管的第二電流；其中該第一電流與該第二電流決定一差動電流。
2. 如權利要求l所述的應用于混頻器的轉導電路，其特征在于，其中該第 一回授電路包含一第三晶體管，該第三晶體管的柵極耦接該差動放大器的該第 一輸出端并與該第一晶體管形成一第一電流鏡；該第二回授電路包含一第四晶 體管，該第四晶體管的柵極耦接該差動放大器的該第二輸出端并與該第二晶體 管形成一第二電流鏡。
3. 如權利要求2所述的應用于混頻器的轉導電路，其特征在于，其中該第 一晶體管與該第三晶體管的長寬比為N:l，該第二晶體管與該第四晶體管的長 寬比為N:1， N為正數。
4. 如權利要求2所述的應用于混頻器的轉導電路，其特征在于，其中該第 一回授電路更包含一第三電阻，耦接于該第三晶體管與該第一輸入端之間；該 第二回授電路更包含一第四電阻，耦接于該第四晶體管與該第二輸入端之間。
5. 如權利要求4所述的應用于混頻器的轉導電路，其特征在于，其中該第 一回授電路更包含一第五電阻，該第五電阻的一端耦接于該第三晶體管與該第 三電阻耦接節點上，該第五電阻的另一端用以接收一電源；該第二回授電路更 包含一第六電阻，該第六電阻的一端耦接于該第四晶體管與該第四電阻耦接的 節點上，該第六電阻的另一端用以接收該電源。
6. 如權利要求5所述的應用于混頻器的轉導電路，其特征在于，其中該電 源為一電壓源。
7. 如權利要求5所述的應用于混頻器的轉導電路，其特征在于，其中該電 源為一電流源。
8. 如權利要求4所述的應用于混頻器的轉導電路，其特征在于，更包括一 第一電流源、 一第二電流源及一第五電阻，其中，該第一電流源輸入至該第三 晶體管與該第三電阻耦接的節點上，該第二電流源輸入至該第四晶體管與該第四電阻耦接的節點上，該第五電阻設置于該第三晶體管與該第三電阻耦接的節 點與該第四晶體管與該第四電阻耦接的節點間。
9. 如權利要求5所述的應用于混頻器的轉導電路，其特征在于，其中該第 一電阻、該第三電阻及該第五電阻至少其一為可變電阻。
10. 如權利要求l所述的應用于混頻器的轉導電路，其特征在于，其中該 第一回授電路及該第二回授電路皆為負回授電路。
11. 一種混頻器，其特征在于，它包含 一負載電路；一開關電路，耦接于該負載電路，該開關電路具有一第一電流路徑與一第 二電流路徑且該開關電路與該負載電路的耦接處為該混頻器的輸出端；以及 一轉導電路，包括 一第一電阻及一第二電阻；一差動放大器，具有一第一輸入端、 一第二輸入端、 一第一輸出端及一第 二輸出端，其中， 一差動電壓信號分別經由該第一電阻及該第二電阻輸入到該 第一輸入端及該第二輸入端； 一第一回授電路，設置于該第一輸出端與該第一輸入端之間； 一第二回授電路，設置于該第二輸出端與該第二輸入端之間； 一第一晶體管，其漏極耦接于該第一電流路徑，該第一晶體管的柵極耦接該差動放大器的該第一輸出端，該第一輸出端輸出的一第一輸出信號用以控制流經該第一晶體管的第一電流；以及一第二晶體管，其漏極耦接于該第二電流路徑，該第二晶體管的柵極耦接該差動放大器的該第二輸出端，該第二輸出端輸出的一第二輸出信號用以控制流經該第二晶體管的第二電流；其中該第一電流與該第二電流決定一差動電流。
12. 如權利要求ll所述的轉導電路，其特征在于，其中該第一回授電路包 含一第三晶體管，該第三晶體管的柵極耦接該差動放大器的該第一輸出端并與 該第一晶體管形成一第一電流鏡；該第二回授電路包含一第四晶體管，該第四 晶體管的柵極耦接該差動放大器的該第二輸出端并與該第二晶體管形成一第二 電流鏡。
13. 如權利要求12所述的轉導電路，其特征在于，其中該第一晶體管與該 第三晶體管的長寬比為N:1，該第二晶體管與該第四晶體管的長寬比為N:1， N 為正數。
14. 如權利要求12所述的轉導電路，其特征在于，其中該第一回授電路更 包含一第三電阻，耦接于該第三晶體管與該第一輸入端之間；該第二回授電路 更包含一第四電阻，耦接于該第四晶體管與該第二輸入端之間。
15. 如權利要求14所述的轉導電路，其特征在于，其中該第一回授電路更 包含一第五電阻，該第五電阻的一端耦接于該第三晶體管與該第三電阻耦接的 節點上，該第五電阻的另一端用以接收一電源；該第二回授電路更包含一第六 電阻，該第六電阻的一端耦接于該第四晶體管與該第四電阻耦接的節點上，該 第六電阻的另一端用以接收該電源。
16. 如權利要求15所述的轉導電路，其特征在于，其中該電源為一電壓源。
17. 如權利要求15所述的轉導電路，其特征在于，其中該電源為一電流源。
18. 如權利要求14所述的轉導電路，其特征在于，更包括一第一電流源、 一第二電流源及一第五電阻，其中，該第一電流源輸入至該第三晶體管與該第 三電阻耦接的節點上，該第二電流源輸入至該第四晶體管與該第四電阻耦接的 節點上，該第五電阻設置于該第三晶體管與該第三電阻耦接的節點與該第四晶 體管與該第四電阻耦接的節點間。
19. 如權利要求15所述的轉導電路，其特征在于，其中該第一電阻、該第 三電阻及該第五電阻至少其一為可變電阻。
20. 如權利要求ll所述的轉導電路，其特征在于，其中該第一回授電路及 該第二回授電路皆為負回授電路。
全文摘要
本發明公開了一種具有高線性度與可程序增益的混頻器及其相關轉導電路，可以減少功耗與芯片面積。該混頻器包含負載電路、開關電路及轉導電路。開關電路具有第一、二電流路徑且其與負載電路的耦接處為該混頻器的輸出端。轉導電路包含第一及第二電阻、差動放大器、第一及第二回授電路以及第一、二晶體管。差動電壓信號分別經由第一、二電阻輸入到差動放大器的第一、二輸入端。第一、二回授電路分別設置于差動放大器的第一、二輸入端之間。第一、二晶體管的漏極分別耦接于第一、二電流路徑，柵極分別耦接差動放大器的第一、二輸出端，該第一、二端輸出的信號分別用以控制流經第一、二晶體管的第一、二電流，該第一、二電流決定一差動電流。
文檔編號H03D7/14GK101399520SQ200810161218
公開日2009年4月1日 申請日期2008年9月18日 優先權日2007年9月27日
發明者楊朝棟, 王富正, 蕭碩源 申請人:晨星軟件研發(深圳)有限公司;晨星半導體股份有限公司