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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Mischer, und genauer einen
rauscharmen Mischer.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Ein
Mischer ist ein unverzichtbarer Bestandteil für ein drahtloses Kommunikationssystem.
Der Mischer wird hauptsächlich
verwendet, um ein Basisbandsignal und ein Signal eines lokalen Oszillators zu
mischen, um ein RF-Signal zu erzeugen, oder um ein RF-Signal und
ein Signal eines lokalen Oszillators zu mischen, um ein Basisbandsignal
zu erzeugen. Im US-Patent Nr. 3,241,078 offenbart Gilbert einen
herkömmlichen
aktiven Mischer, der nun weitverbreitet als eine Gilbert-Zelle bekannt
ist. Verschiedene Verbesserungen der Gilbert-Zelle werden fortlaufend vorgeschlagen.
Der Hauptvorteil der Gilbert-Zelle ist die bessere Signalverstärkung am
Ausgangssignal; jedoch hat die Gilbert-Zelle ein ernstes Problem
mit Funkelrauschen (flicker noise). Das Funkelrauschen in einem
Mischer oder einem Oszillator kann zu einem Phasenrauschen umgewandelt
werden, wodurch die Spektralreinheit begrenzt wird.
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Eine
im US-Patent 6,865,382 offenbarte Verbesserung der Gilbert-Zelle
ist ein Mischer mit einer Gleichtakt-Rückkopplungsschaltung.
Die Gleichtakt-Rückkopplungsschaltung
kann die Gleichspannung des Ausgangsanschlusses des Mischers in
einem vorbestimmten Arbeitsbereich festlegen. Diese Art von Mischer
kann eine einstellbare Verstärkung vorsehen.
Jedoch erzeugt auch die Gleichtaktschaltung Funkelrauschen, so dass
das Ausgangssignal des Mischers gestört wird. Eine weitere Verbesserung
der Gilbert-Zelle ist ein Stromverlust-Mischer (Current Bleeding
Type mixer). Der Stromverlust-Mischer ist auf Seite 108 in „5 GHz
CMOS RF RECEIVER FRONT END CIRCUIT DESIGN" von Dr. Tang Gu Tsun, Department of
Electrical Engineering, National Taiwan Universität, offenbart,
wobei der Stromverlust-Mischer verwendet wird, um das bei der Gilbert-Zelle auftretende
Funkelrauschen zu verringern. Da das Funkelrauschen proportional
zu dem durch den Schalterschaltkreis fließenden Strom ist, sieht der
Stromverlust-Mischer deshalb einen Hilfsstrom vor, um den durch
den Schalterschaltkreis fließenden
Strom zu verringern, und dadurch das Funkelrauschen zu mildern.
Zusätzlich
sind verschiedene Arten von Stromverlust-Mischern weiterhin im US-Patent Nr. 6,889,037
sowie in „Current-Reuse Bleeding
Mixer", Electronics
Letters, 13. April 2000, Band 36, Nr. 8, IEE 2000 von Lee und Choi
offenbart. Außerdem
ist eine andere Art eines Mischeraufbaus im US-Patent Nr. 6,850,753
offenbart.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Deshalb
ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Mischer bereitzustellen,
der das Funkelrauschen-Phänomen,
das auf das Ausgangssignal wirkt, verringern kann.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Mischer bereitzustellen,
der die Gleichtaktspannung am Ausgangsanschluss des Mischers stabilisieren
kann.
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Das
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung offenbart einen Mischer, der umfasst:
einen Schalterschaltkreis mit einem ersten Paar von Differentialsignalknoten
und einem zweiten Paar von Differentialsignalknoten, um gemäß einem
lokalen Oszillationssignal umzuschalten; eine Verstärkerstufen-Schaltung,
die mit dem ersten Paar von Differentialsignalknoten verbunden ist,
um ein Eingangssignal zu empfangen und das Eingangssignal zu verstärken; einen Lastschaltkreis,
der mit dem zweiten Paar von Differentialsignalknoten verbunden
ist, um als Last des Mischers zu dienen und ein Ausgangssignal des
Mischers zu erzeugen; eine Gleichtakt-Rückkopplungsschaltung zum Empfangen
des Ausgangssignals und Erzeugen eines Rückkopplungssignals gemäß dem Ausgangssignal;
eine erste Stromquelle, die mit einem ersten Knoten des ersten Paars
von Differentialsignalknoten verbunden ist, um das Rückkopplungssignal
zu empfangen und einen ersten Strom gemäß dem Rückkopplungssignal zu erzeugen;
und eine zweite Stromquelle, die mit einem zweiten Knoten des ersten
Paars von Differentialsignalknoten verbunden ist, um das Rückkopplungssignal
zu empfangen und einen zweiten Strom gemäß dem Rückkopplungssignal zu erzeugen.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung offenbart einen Mischer, der umfasst:
einen Schalterschaltkreis mit einem ersten Paar von Differentialsignalknoten
und einem zweiten Paar von Differentialsignalknoten, um gemäß einem lokalen
Oszillationssignal umzuschalten; eine Verstärkerstufen-Schaltung, die mit dem ersten Paar von Differentialsignalknoten
verbunden ist, um ein Eingangssignal zu empfangen und das Eingangssignal zu
verstärken;
einen Lastschaltkreis, der mit dem zweiten Paar von Differentialsignalknoten
verbunden ist, um als die Last des Mischers zu dienen und ein Ausgangssignal
des Mischers zu erzeugen; einen Gleichtakt-Rückkopplungspfad zum Empfangen
des Ausgangssignals, Erzeugen eines Rückkopplungssignals gemäß dem Ausgangssignal
und Einstellen einer Strommenge, die durch den Schalterschaltkreis fließt, gemäß dem Rückkopplungssignal.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung offenbart einen Mischer, der umfasst:
einen Schalterschaltkreis mit einem ersten Paar von Differentialsignalknoten
und einem zweiten Paar von Differentialsignalknoten, um gemäß einem lokalen
Oszillationssignal umzuschalten; eine Verstärkerstufen-Schaltung, die mit dem ersten Paar von Differentialsignalknoten
verbunden ist, um ein Eingangssignal zu empfangen und das Eingangssignal zu
verstärken;
einen Lastschaltkreis, der mit dem zweiten Paar von Differentialsignalknoten
verbunden ist, um als die Last des Mischers zu dienen und ein Ausgangssignal
des Mischers zu erzeugen; und einen Gleichtakt-Rückkopplungspfad, der mit dem zweiten
Paar von Differentialsignalknoten verbunden ist, um das Ausgangssignal
vom zweiten Paar der Differentialsignalknoten zu empfangen, und
der mit dem ersten Paar von Differentialsignalknoten verbunden ist,
um einen Gleichstrom-Ruhezustand des ersten Paars von Differentialsignalknoten
einzustellen.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung offenbart ein Frequenzmischverfahren,
das umfasst: Empfangen eines Eingangssignals; Verstärken des
Eingangssignals; Mischen eines lokalen Oszillationssignals und eines
verstärkten
Eingangssignals unter Verwendung eines Schalterschaltkreises, um
ein Ausgangssignal zu erzeugen; und Durchführen einer Gleichtakt-Rückkopplungsoperation
auf Grundlage des verstärkten,
aber noch nicht vom Schalterschaltkreis mit dem lokalen Oszillationssignal
gemischten Eingangssignals gemäß dem Ausgangssignal.
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Diese
und andere Ziele der vorliegenden Erfindung werden ohne Zweifel
für die
Fachleute auf dem Gebiet nach dem Lesen der folgenden genauen Beschreibung
des bevorzugten Ausführungsbeispiels,
das in den verschiedenen Figuren und Zeichnungen dargestellt ist,
offensichtlich.
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Kurze
Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Darstellung eines rauscharmen Mischers gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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2 ist
eine schematische Darstellung einer Gleichtakt-Rückkopplungsschaltung
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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3 ist
eine schematische Darstellung einer Gleichtakt-Rückkopplungsschaltung
gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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Ausführliche
Beschreibung
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Bestimmte
Begriffe werden in der Beschreibung und den nachfolgenden Ansprüchen durchgängig verwendet,
um auf bestimmte Komponenten zu verweisen. Wie Fachleute auf dem
Gebiet anerkennen werden, kann es sein, dass Hersteller von Haushalts-
und Unterhaltungselektronikgeräten
eine Komponente mit verschiedenen Namen bezeichnen. Dieses Dokument
beabsichtigt nicht, zwischen Komponenten zu unterscheiden, die sich
im Namen, aber nicht in der Funktion unterscheiden. In der nachfolgenden
Beschreibung und in den Ansprüchen
werden die Begriffe „einschließen" und „umfassen" in einer offenen
Weise verwendet und sollten somit so interpretiert werden, dass
sie „einschließend, aber nicht
beschränkt
auf ..." bedeuten
sollen. Der Begriff „verbinden" soll entweder eine
indirekte oder eine direkte elektrische Verbindung bedeuten. Wenn
somit eine Vorrichtung mit einer anderen Vorrichtung verbunden ist,
kann diese Verbindung durch eine direkte elektrische Verbindung
oder durch eine indirekte elektrische Verbindung über andere
Vorrichtungen und Verbindungen vorgenommen werden.
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Es
sei auf 1 Bezug genommen. 1 ist eine
schematische Darstellung eines rauscharmen Mischers 100 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Wie in 1 gezeigt,
weist der rauscharme Mischer 100 eine Differentialstruktur auf,
die eine Verstärkerstufen-Schaltung 102,
einen Schalterschaltkreis 104 und einen Lastschaltkreis 106 einschließt. In diesem
Ausführungsbeispiel
besteht die Verstärkerstufen-Schaltung 102 aus NMOS-Transistoren
M1 und M2, um die Signalverstärkungsfähigkeit
des Mischers 100 bereitzustellen (dargestellt durch die
Transkonduktanz gmn von M1, M2). Der Schalterschaltkreis 104 ist
mit der Verstärkerstufen-Schaltung 102 verbunden
und umfasst in diesem Ausführungsbeispiel
NMOS-Transistoren M5, M6, M7 und M8. Der Lastschaltkreis 106 ist
in diesem Ausführungsbeispiel
mit dem Schalterschaltkreis 104 verbunden und umfasst Widerstände R3 und
R4. Der Schalterschaltkreis 104 wird durch ein periodisches
lokales Oszillationssignal (LO+, LO-) gesteuert, um die Verbindung
zwischen der Verstärkerstufen-Schaltung 102 und
dem Lastschaltkreis 106 zu bestimmen; auf diese Weise wird
das Eingangssignal (Vip, Vin), das durch die Kapazitäten C1, C2
in die Verstärkerstufe
eingegeben wird, in das Ausgangssignal (Vop,
Von) in einem anderen Frequenzband umgewandelt.
Nach dem Verständnis
der Offenbarung und der Lehre des vorliegenden Ausführungsbeispiels
und der beigefügten
Zeichnung können
diejenigen, die mit der Gilbert-Zelle
vertraut sind, die Funktion und Wirkungsweise der Verstärkerstufen-Schaltung 102,
des Schalterschaltkreises 104 und des Lastschaltkreises 106 leicht
verstehen, und deshalb wird eine genauere Beschreibung zugunsten der
Kürze hier
weggelassen.
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Es
sei angemerkt, dass, auch wenn in dem oben erwähnten Ausführungsbeispiel NMOS-Transistoren
verwendet werden, um die Verstärkerstufen-Schaltung 102 zu
implementieren, die Verwendung von NMOS-Transistoren den Umfang
der vorliegenden Erfindung nicht einschränken soll. Ein Fachmann auf
dem Gebiet kann einfach andere aktive Vorrichtungen, wie MOS-Transistoren
oder BJT-Transistoren an Stelle der NMOS-Transistoren verwenden.
Außerdem
soll die Anwendung von NMOS-Transistoren den Umfang der vorliegenden Erfindung
nicht einschränken,
auch wenn in dem oben erwähnten
Ausführungsbeispiel
NMOS-Transistoren
verwendet werden, um den Schalterschaltkreis 104 zu implementieren.
Ein Fachmann kann stattdessen andere bekannte Schalterkonfigurationen
verwenden. Zusätzlich
soll die Verwendung von Widerständen
den Umfang der vorliegenden Erfindung nicht einschränken, auch
wenn in dem oben erwähnten
Ausführungsbeispiel
Widerstände
verwendet werden, um den Lastschaltkreis 106 zu implementieren.
Ein Fachmann auf dem Gebiet kann einfach andere Lastvorrichtungen,
bestehend aus passiven Vorrichtungen und/oder aktiven Vorrichtungen, an
Stelle der Widerstände
einsetzen. Die oben genannten, alternativen Konstruktionen liegen
alle innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung.
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Wie
all denjenigen mit durchschnittlichen Kenntnissen auf dem Gebiet
des Mischerdesigns bekannt ist, kann der Mischer 100 gemäß dem oben
erwähnten
Ausführungsbeispiel
sowohl für
die Abwärtskonvertierung
als auch die Aufwärtskonvertierung
verwendet werden. Im Falle der Abwärtskonvertierung kann das Eingangssignal
(Vip, Vin) das von einer Antenne empfangene RF-Signal sein, und das aus dem Mischen
des lokalen Signals LO und des Eingangssignals (Vip, Vin) entstehende
Ausgangssignal (Vop, Von) wird ein Zwischenfrequenzsignal IF. Andererseits,
im Falle der Aufwärtskonvertierung, kann
das Eingangssignal (Vip, Vin) ein verarbeitetes Zwischenfrequenzsignal
IF sein, und das aus dem Mischen des lokalen Signals LO und der
Eingangssignale (Vip, Vin) entstehende Ausgangssignal (Vop, Von)
wird das auszugebende RF-Signal.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
umfasst der Mischer 100 ferner PMOS-Transistoren M3, M4,
die als zwei Stromquellen dienen, wobei die PMOS-Transistoren M3,
M4 jeweils mit der Versorgungsspannung VDD und den Drains der NMOS-Transistoren
M1 und M2 verbunden sind und jeweils die Differentialkomponenten
des Eingangssignals Vip, Vin über
die Kapazitäten
C3, C4 an den Gates empfangen. Gemäß diesem Aufbau können zwei
Ziele erreicht werden. Vom Gesichtspunkt des Gleichstrom-Biasing
können
die Ströme
I3, I4, die durch die Transistoren M3, M4 fließen, die durch den Schalterschaltkreis 104 fließenden Ströme verringern,
wodurch in der Tat ein Stromverlust bewirkt wird. Dadurch kann das
vom Schalterschaltkreis 104 beigesteuerte Funkelrauschen
deutlich verringert werden. Vom Gesichtspunkt der Analysierung von kleinen
Wechselstromsignalen tragen die Transistoren M3, M4 neben der Verstärkung des
Eingangssignals (Vip, Vin) mit den Transistoren M1, M2 auch zum Verstärkungseffekt
bei. Mit anderen Worten, die äquivalente
Transkonduktanz der verstärkerstufe
des Mischers 100 wird die Summe der M1/M2-Transkonduktanz gmn
und der M3/M4-Transkonduktanz gmp, was zu einer Verbesserung der
Verstärkung
des Mischers 100 führt,
die auf das Eingangssignal wirkt.
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Es
ist denjenigen mit durchschnittlichen Kenntnissen auf dem Gebiet
des Designs von elektronischen Schaltkreisen bekannt, dass die Kapazitäten C1,
C2, C3 und C4 verwendet werden, um zu verhindern, dass der Gleichspannungsanteil
der Differentialeingangsspannung (Vip, Vin) in den Mischer 100 eintritt,
d.h. dies dient dem Zweck einer Wechselstromverbindung.
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Zusätzlich zu
den oben erwähnten
Komponenten umfasst der Mischer 100 ferner einen Gleichtakt-Rückkopplungspfad
zum Stabilisieren des Gleichtakt-Spannungspegels (oder der Gleichspannungs-Vorspannung
bzw. -Ruhespannung) des Ausgangsanschlusses des Mischers 100.
In diesem Ausführungsbeispiel
umfasst der Gleichtakt-Rückkopplungspfad
eine Gleichtakt-Rückkopplungsschaltung 108,
Widerstände
R1, R2 und die oben erwähnten PMOS-Transistoren
M3, M4. Die Gleichtakt-Rückkopplungsschaltung 108 empfängt das
Ausgangssignal (Vop, Von) und eine Referenzspannung Vref, um eine
Rückkopplungsspannung
Vfb auszugeben. Die Rückkopplungsspannung
Vfb wird dann über
die Widerstände
R1, R2 mit den Gates der Transistoren M3, M4 verbunden, um die Ströme I3, I4
zu steuern, die durch die Transistoren M3, M4 in die Drains der
Transistoren M1, M2 eingeleitet werden. Da die Mengen oder Beträge der Ströme I3, I4
die Ströme
I1, I2, die durch den Schalterschaltkreis 104 fließen, beeinflussen,
wird so der Zweck der Stabilisierung des Gleichtakt-Spannungspegels
erreicht. Im Allgemeinen wird der Widerstand der Widerstände R1,
R2 relativ groß gewählt, um
zu verhindern, dass der Hochfrequenzanteil der Rückkopplungsspannung Vfb, die von
der Gleichtakt-Rückkopplungsschaltung 106 ausgegeben
wird, die Eingangsspannung (Vip, Vin) beeinträchtigt.
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Es
sei auf 2 Bezug genommen. 2 ist eine
schematische Darstellung einer Gleichtakt-Rückkopplungsschaltung gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Wie in 2 gezeigt,
umfasst die Gleichtakt-Rückkopplungsschaltung 108 eine
Gleichtakt-Spannungserfassungsvorrichtung, bestehend aus Widerständen R5, R6.
Wenn die Widerstände
R5 und R6 auf den gleichen Widerstandswert gesetzt sind, wird der
Spannungspegel am Verbindungsknoten zwischen R5 und R6 gemäß der Spannungsteilungsregel
der Durchschnitt des Ausgangssignals (Vop, Von), d. h. die Gleichtaktspannung.
Diese Gleichtaktspannung wird an einen Eingangsanschluss einer Operationsverstärkerschaltung,
bestehend aus Transistoren M9, M10, M11 und M12, gekoppelt. Zusätzlich empfängt ein
weiterer Eingangsanschluss der Operationsverstärkerschaltung die Referenzspannung
Vref und ein Ausgangsanschluss der Operationsverstärkerschaltung
gibt die Rückkopplungsspannung
Vfb aus. Mit diesem Aufbau kann der Gleichtakt-Rückkopplungspfad
eine Gleichtaktspannung des Ausgangsanschlusses des Mischers innerhalb
eines festgelegten Bereichs stabilisieren, indem ein negativer Rückkopplungsmechanismus
aufgebaut wird. Es ist den Fachleuten auf dem Gebiet des elektronischen Schaltkreisdesigns
bekannt, dass der Schaltkreis der 2 äquivalent
zur Schaltkreiskonfiguration, die einen Operationsverstärkeraufbau
mit einer negativen Rückkopplungsverbindung
darstellt, wie in 3 gezeigt, ist, und das jedes
Schaltkreisdesign, das äquivalent
zu der in 3 gezeigten ist, das gleiche
Ziel erreichen kann.
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Es
sei angemerkt, dass in dem oben erwähnten Ausführungsbeispiel der Gleichtakt-Rückkopplungspfad
das Ausgangssignal (Vop, Von) des Mischers verwendet, um als sein
Eingangssignal zu dienen, und das Rückkopplungssignal Vfb nutzt,
um die Ströme
I3, I4 zu steuern, die durch die Transistoren M3, M4 fließen, um
somit die durch den Schalterschaltkreis 104 fließenden Ströme I1, I2
anzupassen, wodurch die Gleichtaktrückkopplung realisiert wird. Ein
solches Verfahren, die Gleichtakt-Rückkopplungsregelung zu erreichen, „bevor" der Schalterschaltkreis 104 die
Mischoperation durchführt,
bietet besondere Vorteile, insbesondere für Anwendungen mit Abwärtskonvertierung.
Für Anwendungen
mit Abwärtskonvertierung
hat das Ausgangssignal (Vop, Von) normalerweise eine ziemlich niedrige
Betriebsfrequenz, so dass es leicht von einem Funkelrauschen (flicker
noise) beeinträchtigt
wird, was einen deutlichen Einfluss auf Niederfrequenzsignale hat. Gemäß dem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird der Zeitpunkt der Regelung für die Gleichtaktrückkopplung
festgelegt, bevor die Mischoperation vom Schalterschaltkreis 104 durchgeführt wird.
Mit anderen Worten, das Ausgangssignal (Vop, Von) und der Ausgangsanschluss
des Rückkopplungspfads
werden unter Verwendung des Schalterschaltkreises 104 getrennt.
Ein solcher Aufbau kann verhindern, dass Funkelrauschen, das vom
Gleichtakt-Rückkopplungspfad
erzeugt wird, das Ausgangssignal verunreinigt, da der Rauscheffekt,
der bei niedriger Frequenz am deutlichsten ist, durch die Mischoperation
mit dem lokalen Signal LO am Schalterschaltkreis 104 in
ein höheres
Frequenzband verschoben wird.
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Es
sei ferner angemerkt, dass das oben erwähnte Ausführungsbeispiel Widerstände R1,
R2 nutzt, um das Ziel der Signalblockierung (für Anwendungen mit Abwärtskonvertierung:
RF-Blockierung) zu erreichen, und dass dies den Umfang der vorliegenden
Erfindung nicht einschränken
soll. Fachleute auf dem Gebiet können
wählen,
andere Schaltvorrichtungen oder Strukturen zu verwenden, um das gleiche
Ziel zu erreichen. Auch wenn in den oben erwähnten Ausführungsbeispielen PMOS-Transistoren M3,
M4 verwendet werden, um die Ströme
I1 und I2 anzupassen, so können
die Fachleute auf dem Gebiet außerdem
wählen,
NMOS-Transitoren oder andere Schaltvorrichtungen zu verwenden, um
die Gleichtakt-Rückkopplungsschaltung 108 anzupassen,
um das gleiche Ergebnis zu erzielen. Deshalb sollen diese PMOS-Transistoren
M3, M4, welche die Ströme
I1 und I2 anpassen, die vorliegende Erfindung nicht einschränken. Diese
alternativen Konstruktionen fallen in den Umfang der vorliegenden
Erfindung.
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Die
Fachleute auf dem Gebiet werden leicht beobachten, dass viele Modifikationen
und Abänderungen
der Vorrichtung und des Verfahrens durchgeführt werden können, während die
Lehre der Erfindung beibehalten wird. Dementsprechend soll die obige
Offenbarung so ausgelegt werden, dass sie nur durch die beigefügten Ansprüche beschränkt wird.