CN109361361B - 一种超宽带高线性度上变频电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超宽带高线性度上变频电路，属于模拟射频集成电路技术领域。其包括多个顺次级联的I/Q两路有源双平衡混频电路，I/Q两路有源双平衡混频电路包括第一负载电阻对、第二负载电阻对、I路有源双平衡混频对以及Q路有源双平衡混频对，I路、Q路有源双平衡混频对均包括两个带有尾电流源的差分放大对，每个尾电流源均连接有一对互补的开关管。本发明能够同时完成I/Q两路信号的上变频调制，实现超宽带范围的高线性化的信号变频转换，并提高了电路的集成度，增大了输出信号的功率，降低了整体电路功耗，有效减小了芯片面积。

Description

一种超宽带高线性度上变频电路
技术领域
本发明涉及模拟射频集成电路技术领域，特别是指一种超宽带高线性度上变频电路。
背景技术
上变频器和功率放大器属于发射机中的核心模块，这两个模块为独立的模块，上变频器实现基带信号到射频信号的频谱搬移，功率放大器实现信号的功率放大。
通常情况下，上变频器为了提高增益和输出功率，一般采用电感和电容组成的Tank做负载，但是电感和电容面积较大，同时Tank的选频特性降低了上变频器的工作带宽，使电路的工作带宽受限，从而限制了使用模式。
另一方面，传统上变频器的输出功率不高，其输出饱和功率一般在0dBm左右，不能满足绝大部分通信***对发射功率的使用需求，需要后级引入功率放大器的放大射频信号，才能满足***对发送功率的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种超宽带高线性度上变频电路，其能够同时完成I/Q两路信号的上变频调制，实现超宽带范围的高线性化的信号变频转换，具有输出功率大，电路集成度高的特点。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种超宽带高线性度上变频电路，其包括多个顺次级联的I/Q两路有源双平衡混频电路，前一I/Q两路有源双平衡混频电路的输出作为后一I/Q两路有源双平衡混频电路的输入，所述I/Q两路有源双平衡混频电路包括第一负载电阻对、第二负载电阻对、I路有源双平衡混频对以及Q路有源双平衡混频对，I路、Q路有源双平衡混频对均包括两个带有尾电流源的差分放大对，每个尾电流源均连接有一对互补的开关管；
每个I/Q两路有源双平衡混频电路均接收外部输入的射频I路差分信号、射频Q路差分信号、本振I路差分信号、本振Q路差分信号以及开关控制信号；其中，开关控制信号用于控制互补开关管的通断；
射频I路差分信号的正负信号分别经过对应的互补开关管输入给I路有源双平衡混频对的两个尾电流源，用于控制尾电流源的电流大小，本振I路差分信号连接到I路有源双平衡混频对中各差分放大对的输入端，用于控制差分放大对中电流的切换，实现本振I路信号和射频I路信号的乘法混频输出；
射频Q路差分信号的正负信号分别经过对应的互补开关管输入给Q路有源双平衡混频对的两个尾电流源，用于控制尾电流源的电流大小，本振Q路差分信号连接到Q路有源双平衡混频对中各差分放大对的输入端，用于控制差分放大对中电流的切换，实现本振Q路信号和射频Q路信号的乘法混频输出；
所述第一负载电阻对用于将差分放大对的输出电流信号转换为电压信号，各差分放大对所对应的转换后的电压信号以及该I/Q两路有源双平衡混频电路的输入信号共同叠加后，通过第二负载电阻对缓冲输出。
具体的，所述I/Q两路有源双平衡混频电路共有八个。
本发明与背景技术相比，具有如下优点：
（1）本发明没有采用电感，与传统上变频器相比，大大降低了芯片面积；
（2）本发明只采用电阻做负载，不仅提高了工作带宽，同时方便外部电路的匹配；
（3）本发明电路同时具有上变频和功率放大的功能，且变频与放大复用，电路结构简洁，集成度更高，同时降低了芯片的功耗。
总之，本发明采用两路双频平衡混频电路结构，能够同时完成I/Q两路信号的上变频调制，可以实现超宽带范围的高线性化的信号变频转换，并同时具有上变频和功率放大的功能，提高了电路的集成度，降低了整体电路功耗，有效减小了芯片面积。
附图说明
为了更加清楚地描述本申请，下面提供一幅或多幅附图，这些附图旨在对本申请的背景技术、技术原理和/或某些具体实施方案做出辅助说明。需要注意的是，这些附图可以给出也可以不给出一些在本申请文字部分已有描述且属于本领域普通技术人员公知常识的具体细节；并且，因为本领域的普通技术人员完全可以结合本申请已公开的文字内容和/或附图内容，在不付出任何创造性劳动的情况下设计出更多的附图，因此下面这些附图可以涵盖也可以不涵盖本申请文字部分所叙述的所有技术方案。此外，这些附图的具体内涵需要结合本申请的文字内容予以确定，当本申请的文字内容与这些附图中的某个明显结构不相符时，需要结合本领域的公知常识以及本申请其他部分的叙述来综合判断到底是本申请的文字部分存在笔误，还是附图中存在绘制错误。特别地，以下附图均为示例性质的图片，并非旨在暗示本申请的保护范围，本领域的普通技术人员通过参考本申请所公开的文字内容和/或附图内容，可以在不付出任何创造性劳动的情况下设计出更多的附图，这些新附图所代表的技术方案依然在本申请的保护范围之内。
图1为本发明实施例中一种超宽带高线性度上变频电路的原理图；
图2为图1中I/Q两路双平衡混频电路的原理图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员对本申请技术方案的理解，同时，为了使本申请的技术目的、技术方案和有益效果更加清楚，并使权利要求书的保护范围得到充分支持，下面以具体案例的形式对本申请的技术方案做出进一步的、更详细的说明。
一种超宽带高线性度上变频电路，用于实现本振和射频I/Q两路信号的上变频，同时满足超带宽和高线性度的要求，其包括多个顺次级联的I/Q两路有源双平衡混频电路，前一I/Q两路有源双平衡混频电路的输出作为后一I/Q两路有源双平衡混频电路的输入，第一级I/Q两路有源双平衡混频电路的输入端置空，最后一级I/Q两路有源双平衡混频电路的输出端为整体电路的输出，所述I/Q两路有源双平衡混频电路包括第一负载电阻对、第二负载电阻对、I路有源双平衡混频对以及Q路有源双平衡混频对，I路、Q路有源双平衡混频对均包括两个带有尾电流源的差分放大对，每个尾电流源均连接有一对互补的开关管；
每个I/Q两路有源双平衡混频电路均接收外部输入的射频I路差分信号、射频Q路差分信号、本振I路差分信号、本振Q路差分信号以及开关控制信号；其中，开关控制信号用于控制互补开关管的通断；
射频I路差分信号的正负信号分别经过对应的互补开关管输入给I路有源双平衡混频对的两个尾电流源，用于控制尾电流源的电流大小，本振I路差分信号连接到I路有源双平衡混频对中各差分放大对的输入端，用于控制差分放大对中电流的切换，实现本振I路信号和射频I路信号的乘法混频输出；
射频Q路差分信号的正负信号分别经过对应的互补开关管输入给Q路有源双平衡混频对的两个尾电流源，用于控制尾电流源的电流大小，本振Q路差分信号连接到Q路有源双平衡混频对中各差分放大对的输入端，用于控制差分放大对中电流的切换，实现本振Q路信号和射频Q路信号的乘法混频输出；
所述第一负载电阻对用于将差分放大对的输出电流信号转换为电压信号，各差分放大对所对应的转换后的电压信号以及该I/Q两路有源双平衡混频电路的输入信号共同叠加后，通过第二负载电阻对缓冲输出。
具体来说，如图1所示，一种超宽带高线性度上变频电路，其由八个相同的电路模块级联而成，该电路模块为I/Q两路双平衡混频电路。该模块电路输入端口: LO_I+、LO_I-、LO_Q+、LO_Q-、RF_I+、RF_I-、RF_Q+、RF_Q-；输入端口：VIN1、VIN2；输出端口：VO1、VO2；其原理为：将本振和射频的I/Q信号输入到各模块的输入端口中，完成对本振和射频信号的混频相乘，并与输入信号VIN1、VIN2叠加后输出，将输出信号连接到下一级的输入端口，如此将8个模块顺次级联在一起，最后一级完成输出CLKN、CLKP。
图2为I/Q两路双平衡混频电路的原理图，该电路包括由四个晶体管M9~M12组成的尾电流源电路、由四对晶体管M1~M8组成的差分放大对电路、由四对晶体管M13~M20组成的四组开关电路、由电阻R1、R2作负载和电阻R3、R4作缓冲负载。其原理为：本振I路输入信号为LO_I+、LO_I-，将其分别送到I路有源双平衡混频对的两个差分放大对电路的输入端；射频I路输入信号为RF_I+、RF_I-，将其输入到I路有源双平衡混频对的尾电流源电路中；同样地，本振Q路输入信号为LO_Q+、LO_Q-，将其分别送到Q路有源双平衡混频对的两个差分放大对电路的输入端；射频Q路输入信号为RF_Q+、RF_Q-，将其输入到Q路有源双平衡混频对的尾电流源电路中。
如果VLO足够大，那么一对差分输入对晶体管在本振LO频率下交替地把尾电流源电路的电流送到差分放大对中切换，这样就完成了本振LO频率的方波信号和射频RF频率下的尾电流源电路中的电流信号乘法混频，从而实现I/Q路有源双平衡混频对的混频输出。其中尾电流源电路的输入端均有一对互补CMOS开关管控制该电路的通断，外部控制字可以通过控制互补CMOS开关管的通断来实现本电路在I/Q两种状态下切换输出，且其电流输出为Iout（t）=sgn[sint]{2IRFsin/>t}+sgn[cos/>t]{2IRFcos/>t } ，电流通过负载电阻R1、R2转换为电压，外部输入信号VIN1、VIN2与I/Q两路有源双平衡混频输出信号叠加以后，再分别经过负载电阻R3、R4缓冲输出到下一级的信号输入端。特别地，尾电流源电路的输入端处的互补CMOS开关管不仅能实现在I/Q两种状态下切换输出，还能在外部控制码字的控制下，通过控制尾电流源处开关通断的方式，起到加权叠加的作用，从而对整体电路功耗进行调节，并对线性度进行调整。
本电路可用于射频收发芯片中的发射通道。该电路在没有采用电感电容无源器件的情况下，可以在高频情况下达到10dBm左右的输出功率，且其采用分布式电阻网络，使每一级的电阻负载都相同，提高了合成效率，降低了功耗。总之，该电路突破了传统上变频的设计方式，具有面积小、功耗低的特点，利于芯片集成。
需要理解的是，上述对于本申请具体实施方式的叙述仅仅是为了便于本领域普通技术人员理解本申请方案而列举的示例性描述，并非暗示本申请的保护范围仅仅被限制在这些个例中，本领域普通技术人员完全可以在对本申请技术方案做出充分理解的前提下，以不付出任何创造性劳动的形式，通过对本申请所列举的各个例采取组合技术特征、替换部分技术特征、加入更多技术特征等等方式，得到更多的具体实施方式，所有这些具体实施方式均在本申请权利要求书的涵盖范围之内，因此，这些新的具体实施方式也应在本申请的保护范围之内。
此外，出于简化叙述的目的，本申请也可能没有列举一些寻常的具体实施方案，这些方案是本领域普通技术人员在理解了本申请技术方案后能够自然而然想到的，显然，这些方案也应包含在本申请的保护范围之内。
出于简化叙述的目的，上述各具体实施方式对于技术细节的公开程度可能仅仅达到本领域技术人员可以自行决断的程度，即，对于上述具体实施方式没有公开的技术细节，本领域普通技术人员完全可以在不付出任何创造性劳动的情况下，在本申请技术方案的充分提示下，借助于教科书、工具书、论文、专利、音像制品等等已公开文献予以完成，或者，这些细节是在本领域普通技术人员的通常理解下，可以根据实际情况自行作出决定的内容。可见，即使不公开这些技术细节，也不会对本申请技术方案的公开充分性造成影响。
总之，在结合了本申请说明书对权利要求书保护范围的解释作用的基础上，任何落入本申请权利要求书涵盖范围的具体实施方案，均在本申请的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种超宽带高线性度上变频电路，其特征在于，包括多个顺次级联的I/Q两路有源双平衡混频电路，前一I/Q两路有源双平衡混频电路的输出作为后一I/Q两路有源双平衡混频电路的输入，所述I/Q两路有源双平衡混频电路包括第一负载电阻对、第二负载电阻对、I路有源双平衡混频对以及Q路有源双平衡混频对，I路、Q路有源双平衡混频对均包括两个带有尾电流源的差分放大对，每个尾电流源均连接有一对互补的开关管；
每个I/Q两路有源双平衡混频电路均接收外部输入的射频I路差分信号、射频Q路差分信号、本振I路差分信号、本振Q路差分信号以及开关控制信号；其中，开关控制信号用于控制互补开关管的通断；
射频I路差分信号的正负信号分别经过对应的互补开关管输入给I路有源双平衡混频对的两个尾电流源，用于控制尾电流源的电流大小，本振I路差分信号连接到I路有源双平衡混频对中各差分放大对的输入端，用于控制差分放大对中电流的切换，实现本振I路信号和射频I路信号的乘法混频输出；
射频Q路差分信号的正负信号分别经过对应的互补开关管输入给Q路有源双平衡混频对的两个尾电流源，用于控制尾电流源的电流大小，本振Q路差分信号连接到Q路有源双平衡混频对中各差分放大对的输入端，用于控制差分放大对中电流的切换，实现本振Q路信号和射频Q路信号的乘法混频输出；
所述第一负载电阻对用于将差分放大对的输出电流信号转换为电压信号，各差分放大对所对应的转换后的电压信号以及该I/Q两路有源双平衡混频电路的输入信号共同叠加后，通过第二负载电阻对缓冲输出。
2.根据权利要求1所述的一种超宽带高线性度上变频电路，其特征在于，所述I/Q两路有源双平衡混频电路共有八个。
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