CN1812253A - 混频级以及用于将具有不同频率的两个信号混合的方法 - Google Patents

混频级以及用于将具有不同频率的两个信号混合的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及混频级(10；66；68；77)，它具有一个振荡器(12)、一个第一输入端(14)、一个第二输入端(16)、一个第一输出端(18)、一个第二输出端(20)、可控的放大器元件(22，24，26，28)的一个四元组以及一个第一电流源(30)。混频级(10；66；68；77)的特征在于，它除了第一电流源(30)之外还具有至少一个第二电流源(32)，该第一电流源(30)和所述至少一个第二电流源(32)分别通过配置的开关输入端(38，40)可被接通和断开，该开关输入端与一个配置的振荡器输出端(34，36)相连接，并且该四元组的每两个放大器元件(22，24，26，28)与在其接通状态中的两个电流源(30，32)的至少一个一起构成对于位于第一输入端(14)和第二输入端(16)的输入信号的差分放大器。此外还提出了用于混合频率的方法。

Description

混频级以及用于将具有不同频率的两个信号混合的方法
技术领域
本发明涉及具有一个振荡器、一个第一输入端、一个第二输入端、一个第一输出端、一个第二输出端、一个可控的放大器元件的四元组以及一个第一电流源(Stromquelle)的混频级。
此外本发明还涉及将具有第一频率的第一信号与具有第二频率的振荡器信号混合的方法，其步骤是：将第一信号以差动形式输送至一个混频级的第一输入端和第二输入端，该混频级具有一个振荡器、一个第一输出端、一个第二输出端，可控的放大器元件的一个四元组以及一个第一电流源。
背景技术
这种混频级已经以吉尔伯特单元的形式被公开。通过吉尔伯特单元的运行也公开了这种方法。
除少数例外，自从1969年Brad Gilbert发明吉尔伯特单元以来，混频级就通过一种由三个串联的级构成的结构实现。第一级由一个电流源或者在更简单的情况下由一个电阻构成，第二级由在双极技术或者在单极技术中实现的差频放大器(Differenzverstrker)构成，并且第三级具有四个开关晶体管，它们将差频放大器的输出电流在振荡器频率的周期内逆转。此外还公开了在开关晶体管的发射极上使用负反馈电阻用于改善输入一输出信号特性的线性。
现代的半导体技术在所有尺度上都降低了结构大小，目的是提高电路的封装密度和可达到的极限频率。随之产生了耐压强度的降低。一般地已知的是不同代的个人计算机的这种现象，个人计算机以不断提高的时钟频率和不断降低的工作电压而被提供。在通信技术中这些技术也被应用。
然而在数字电路技术中可能的在模拟技术中会产生问题。在吉尔伯特单元中所要求的三级或者三个子电路的串联电路对于每个级或者子电路仅仅还允许最低的电压。如果将该效应向未来展望，则很快这样的时刻就要到来，在这个时刻吉尔伯特单元在进一步降低的供电电压下不再能够被实现。
在其它的应用中，例如在移动电话中，供电电压的限制被要求在由单个电池可提供的3V上。若减去用于在负载上的电压调节和偏移(Hub)(信号波动的幅度)的需求，则用于实际的信号处理的仅还有1.5至2V。这同样表现了可实现性的下限。
发明内容
在这种背景下，本发明的任务在于给出一种混频级和一种方法，用于将具有第一频率的第一信号与具有第二频率的第二信号混合，同时具有降低的电压要求，并且它保持了开始部分所提及的已公开的混频级的优点。
本发明任务在开始所提及类型的混频级中通过这种方式被解决，即混频级除了第一电流源之外还具有至少一个第二电流源，第一电流源和至少一个第二电流源分别可以通过配置的开关输入端(Schalteingang)被接通或断开，该开关输入端与配置的振荡器输出端相连，并且四元组(quadrupel)的每两个放大器元件与至少两个电流源的至少一个在其被接通状态中共同构成对于在第一输入端和第二输入端之间的输入信号的差频放大器。
此外本发明任务在开始所提及类型的方法中通过这种方式解决，即第一电流源和至少一个第二电流源各通过一个配置的开关输入端通过振荡器信号被周期地接通和断开，并且在电流源被接通时该第一信号通过由四元组的每两个放大器元件和被接通的电流源构成的差频放大器被放大。
由此，本发明在结构上与吉尔伯特单元的区别在于，本发明以一个电流源级和一个单个的与其串联的另外的级实现，它通过放大器元件的四元组构成。这样它以两个串联的级而被实现并且具有相应地被降低的电压需求，或者在相同的电压下在被保持的两个级的每个单个的上面允许更大的分压。由此本发明替代一个直流电流源设置了两个连接的电流源，它们在振荡器频率的周期内将混合电流(MischerStrom)以推挽方式接入和断开。在此，可开关的电流源的应用在一定程度上将吉尔伯特单元的差频放大器集成到放大器元件的四元组中。
换句话说，由吉尔伯特单元而公开的开关晶体管在本发明中作为通过输入信号控制的放大器元件而工作，这些放大器元件在接通电流源时作为对于输入信号的差频放大器工作并且由此除了其功能之外还作为开关在一定程度上被多次使用。就是这些与通过差动输入信号对放大器元件的控制和使用通过振荡器信号接通的电流源而实现的放大器元件的作为开关和差频放大器的复用的应用相结合，允许降低串联的级的数目。在吉尔伯特单元中振荡器信号相反地为了开关晶体管的控制而被使用，并且输入信号通过分离的、位于开关晶体管和直流电流源之间的差频放大器被放大。
混频级的一种优选的构型的特征在于使用双极型晶体管作为放大器元件。
在双极技术中的这种构型相对于在单极技术中的实施形式证实具有进一步降低的电压需求。
一种变换的构型具有场效应晶体管作为放大器元件。
在单极技术中的这种实施形式虽然需要更高的供电电压，然而其特征在于被降低的电流源噪声的影响。
优选的还有，混频级对于每个放大器元件都具有配置的负反馈电阻，它串联位于放大器元件和配置的可开关的电流源之间。
此外优选的是，混频级除了放大器元件的四元组还具有可开关的电流源的四元组和两个负反馈电阻，该可开关的电流源的四元组由可开关的电流源的一个第一对和可开关电流源的一个第二对构成，每个电流源都与放大器元件的一个相连接，两个负反馈电阻的每一个都将一对可开关的电流源的这些电流源以及与这些电流源相连接的放大器元件连接，并且每对电流源的开关输入端一同与配置的振荡器输入端连接。
在两种构型中，负反馈电阻在宽广的范围内将差频放大器的输入-输出信号特性线性化并且由此能够实现装置的所期望地高的截取点(Intercept-Punkt)。
在电流源被断开的期间，在所属的放大器元件的基极和发射极之间或者栅极和源极之间的寄生电容可能仅仅被不充分地放电。
该缺点通过下面的构型被避免，在该构型中混频级对于每个电流源具有一个附加的、带有一个第一电流端子、一个第二电流端子和一个控制端子的控制元件，两个附加的控制元件的第一电流端子共同与供电电位连接，并且两个控制元件的每第二个电流端子与配置的电流源的一个电流端子连接。
控制元件可以在断开的电流源情况下被导通地控制，并且随后允许将所提及的电容放电至第二参考电位。
一种另外的构型的特征在于，控制元件的第二电流端子被连接在配置的电流源和所属的负反馈电阻之间。
变换地优选的是，控制元件的第二电流端子被连接在配置的电流源和所属的放大器元件之间。
这些构型将从使用负反馈电阻和控制元件中得到的优点组合起来。
一种另外的构型的特征在于与用作放大器元件的晶体管互补的晶体管作为附加的控制元件。其中彼此互补的晶体管被理解为这样的晶体管，它们对于相同极性的控制信号以相反的导电性变化而反应。在这个意义上例如P沟道MOSFET或者双极型PNP晶体管不但与N沟道MOSFET而且与双极型NPN晶体管互补，N沟道MOSFET或者双极型NPN晶体管不但与P沟道MOSFET而且与双极型PNP晶体管互补。
这种构型的优点在于，用于接通或断开电流源的信号或者相同频率和相位的、由此导出的信号在附加的控制元件的控制情况下导致在所参与的电容的放电和电流源的接通/断开状态的转换之间的所期望的关联。
关于该方法的构型优选的是，矩形信号被使用作为振荡器信号。
矩形信号在理想情况下在其两个电平的转换中具有无限大的斜率。当这种信号被作为用于组件的开关信号使用时，该组件在哪个确切的电压值下接通在一阶近似中并不重要。首先重要的只是它从总体上接通。由此，当多个具有公差的组件被互相同步地接通时，所期望的转换过程则也可以以高的时间准确性被控制。矩形信号的另一个优点在于，其傅立叶频谱仅仅由振荡器频率的奇数倍构成。振荡器频率的三倍、五倍等等的项附加地带有因子1/3，1/5等等，并且因此随着对傅立叶分量编号的下标的增加而衰减。通过混合或者通过与矩形信号相乘而实现的第一信号的第一频率至另外的频率的转换因此由第一傅立叶分量主导，这导致第一频率确定地转移到作为第一频率与振荡器频率的和或差得出的中频。在此振荡器频率相应于第一傅立叶分量的频率。另外的频率由于带有振荡器频率的偶数倍的傅立叶分量的误差而具有相较而言大的频率间隔，因此可以被容易地滤除。
此外优选的是，在混频级的具有一个或多个附加的控制元件的构型中，每个附加的控制元件被以矩形信号这样地控制，使得它在断开所属的电流源情况下导通并且在接通所属的电流源情况下截止。
通过该具体的电路技术的构型，在差频放大器的晶体管的基极和发射极之间或者栅极和源极之间的电容的放电与电流源的断开同步地、并且由此以高的时间准确性被控制。
另外的优点从描述和随附的附图中得出。
自然的是，前面提及的并且后面还要说明的特征不仅仅在各个被说明的组合中可以被使用，而是也可以在其它的组合中或者单独地可用，而没有脱离本发明的范畴。
附图说明
本发明的实施例在附图中被示出并且在随后的描述中被进一步阐述。其中，分别以概要的形式示出了：
图1具有本发明的特征的混频级的第一实施例；
图2可开关的电流源的一个可能的电路技术的实现；
图3具有本发明的特征的一种另外的构型；
图4具有线性化电阻的一种构型；
图5具有线性化电阻的一种替代的构型；及
图6根据本发明的混频级的一种可能的补充，以将控制元件用于放大器元件的电容的有目的的放电。
具体实施方式
图1详细示出了一个混频级10，它具有一个振荡器12、一个第一输入端14、一个第二输入端16、一个第一输出端18，一个第二输出端20，可控放大器元件22、24、26、28的一个四元组，一个第一电流源30和一个第二电流源32。振荡器12在振荡器输出端34、36提供一个差动的矩形信号，借助该信号，第一电流源30通过配置的开关输入端38并且第二电流源32通过配置的开关输入端40以推挽方式差动地被接通和断开。矩形信号这样周期地接通和断开电流源30、32，其中当第二电流源32被断开(接通)时，第一电流源30被接通(断开)。两个电流源30、32此外还被连接至地电位41上。
输入回路42在输入端14和16之间以差动形式提供具有第一频率的第一信号。第一信号例如是天线44的、通过输入回路42提供和放大的模拟接收信号。第一放大器元件22和第二放大器元件24与在其被接通状态中的第一电流源30共同构成第一差分放大器，该差分放大器由差动的第一信号控制。在第二电流源32被接通时，该电流源32与第三放大器元件26以及第四放大器元件28共同构成第二差分放大器，它同样通过第一差动信号来控制。在此，这两个差分放大器的控制这样进行，即当第二放大器元件24的导电能力与第三放大器元件26的导电能力一同被减小(增大)时，第一放大器元件22的导电能力与第四放大器元件28的导电能力一同被增大(减小)。在图1的构型中，放大器元件22、24、26、28作为双极型NPN晶体管被实现。在双极技术中的该构型相对于在单极技术中的实施形式具有进一步降低的电压需求。
在接通第一电流源30时，即在第一时间间隔中，该混频级10保持符号地将位于第一输入端14的信号反映至第一输出端18的输出信号中。同时位于第二输入端16的信号在接通第一电流源30时被反映至第二输出端20的输出信号中。
以推挽方式地，即在与第一时间间隔互补的第二时间间隔中，输入端14的输入信号在第二电流源32被接通时被反映到在第二输出端20的输出信号中。类似地，被接通的第二电流源32将第二输入端16的输入信号在第二时间间隔分段地反映到在第一输出端18处的输出信号中。
结果在输出端18和20之间出现了第一输入信号和振荡器信号的乘积。若对于第一信号安排具有第一频率的正弦振荡，并且用矩形函数的傅立叶表示乘以该正弦振荡，即用由具有一倍、三倍、五倍、...、(2n-1)倍振荡器频率(n＝1，2，...)的正弦振荡构成的序列相乘，则通过第一傅立叶分量，即对于n＝1，得出两个正弦函数的积，这两个正弦函数一个以第一频率振荡，一个以振荡器频率作为第二频率振荡。通过使用加法定理可以示出，该乘积与其自变量(Argument)取决于第一和第二频率之和的正弦函数和其自变量正比于第一和第二频率之差的正弦函数的和成比例。
通过滤波，该滤波例如可以在输出回路46中进行，或者和或者差被滤除。此外所有通过第一输入信号与高于第一阶的傅立叶分量相乘产生的频率都被滤除。
图2以可开关的电流源48的形式示出了图1的电流源30、32的具体的电路技术构型，该可开关电流源48具有一个参考电位端子50、一个控制输入端52、一个电流端子54、一个开关元件56和一个与开关元件56串联的电阻58。参考电位端子50可以导向图1中的第一参考电位41。在断开的状态中，这里作为场效应晶体管实现的开关元件56截止。控制输入端52与图1中的振荡器输出端34、36之一相连接，它同样可以提供第一参考电位作为矩形信号的低信号电平也。场效应晶体管56则没有被接通。若与此相对，振荡器12给端子52提供矩形信号的高电平时，作为开关元件56工作的场效应晶体管被控制进入导通状态。可开关的电流源48的电流输出端54被连接至图1的第一或第二差分放大器。由此流过图1和图2的装置的电流被接入，其中驱动该电流的、对于第一参考电位的电位差例如由图1的输出回路46提供。
自然的是，图1中的电流源30、32的作为图2中的电流源48的该构型仅仅具有示例特征，并且可开关的电流源30、32一般地也可以不同地实现。这样电阻58也可以被省略。
图3示出了一个混频级66，其中放大器元件22、24、26、28作为场效应晶体管，特别是作为NMOSFET实现。在单极技术中的这些实施形式虽然需要更高的供电电压，然而特征在于降低的电流源噪声的影响。此外混频级66与图1中的混频级10相同，这样对于其功能的理解可以参考对图1的相应的说明。在图1和图3中也和所有其它附图中一样，相同的元件以相同的参考标号表示。
在图1和图3中由放大器元件22和24以及放大器元件26和28在相应的电流源30、32被接通时构成的差分放大器在混频级10中通过发射极电阻或者在根据图3的混频级66中通过源极电阻在宽广的范围内可线性化，这样可以实现装置的高的截取点。
线性化可以通过四个与发射极(源极)串联的相同的电阻实现。变换地可以使用两个附加的电流源，它们分别通过位于发射极(源极)之间的电阻连接。
图4示出了一个混频级68，其中实现了最后提及的构型。该混频级68对放大器元件22、24、26、28的四元组具有可开关的电流源70、30、32、72的四元组。该可开关的电流源70、30、32、72的四元组由第一对可开关的电流源70、30和第二对的可开关的电流源32、72构成。每个电流源70、30、32、72都与放大器元件22、24、26、28之一连接并且两个电阻74、76的每个都连接可开关的电流源30、70、32、72的一对电流源70、30或者32、72，并且连接与这些电流源30、70、32、72连接的放大器元件22和24或者26和28。在此，电流源30、70、32、72的每一对30、70或者32、72的开关输入端38、40一同与配置的振荡器输出端34或者36连接。放大器元件22、24、26、28的四元组如在图1的技术方案中那样由双极型晶体管构建。然而自然的是，变换地也可以使用场效应晶体管，如在图3的技术方案中示出的那样。
这一点对于图5的技术方案也类似适用，图5示出了具有四个附加的负反馈电阻78、79、80、82的变换的混频级77。在此，每个放大器元件22、24、26、28都被分配一个负反馈电阻78、79、80、82，该负反馈电阻串联地位于放大器元件22、24或者26、28和配置的可开关的电流源30或者32之间。
此外图4和图5的混频级68和77最大程度上相应于根据图1的混频级10，这样对于对于基本工作原理的说明可以分别参考图1的相应的说明。
为了将在放大器元件22、24、26、28的发射极和基极之间或者在源极和栅极之间的电容在断开电流源30和32或者在断开每对电流源30、70以及32、72时有目的地放电，上面所说明的构型的每一个都可以补充附加的控制元件84，如在图6中详细地示出的那样。
每个控制元件84都具有一个第一电流端子86，一个第二电流端子88和一个控制端子90。附加的控制元件84的第一电流端子86与参考电位92、例如与可以通过输出回路46提供的、电路的供电电位相连，并且附加的控制元件84的每个第二电流端子88与配置的电流源48、30、32或者配置的电流源30、70、32、72的一对30、70或者32、72相连接。在具有负反馈电阻74、76、78、79、80、82的混频级68、77中，控制元件84的第二电流端子88被连接在配置的电流源48、30、70、32、72和所属的负反馈电阻74、76、78、79、80、82之间。在没有负反馈电阻的混频级10、66中，控制元件84的第一电流端子86被连接在配置的电流源30、32和所属的放大器元件22、24和26、28之间。图6示出了位于电流源30和由放大器元件22、24构成的第一差分放大器之间的控制元件84的情况。
在任何情况下，控制元件84都可以通过一个与作为放大器元件22、24、26、28工作的晶体管互补的晶体管来实现。则用于接通和断开电流源48、30、70、32、72的信号或者相同频率和相位的、由其导出的信号在控制附加的控制元件84时导致在所涉及的电容的放电和电流源48、30、70、32、72的接通/断开状态的转换之间的所期望的关联。重要的是，放大器元件84在断开电流源48、30、70、32、72时被导通地控制，并且由此导致所提及的电容放电到供电电位92。当它以相对于电流源48、30、70、32、72的控制信号翻转了的信号控制时，控制元件也可以如放大器元件22、24、26、28那样具有相同的导电类型。相应地开关元件84通过矩形电压发生器91或者直接通过振荡器输出端34、36来控制。
此外，当地电位和供电电位的极性被同时变换时，所示出的晶体管可以完全地通过互补的晶体管替代。

Claims (12)

1.混频级(10；66；68；77)，它具有一个振荡器(12)，一个第一输入端(14)，一个第二输入端(16)，一个第一输出端(18)，一个第二输出端(20)，一些可控的放大器元件(22，24，26，28)的一个四元组以及一个第一电流源(30)，其特征在于，该混频级(10；66；68；77)除了该第一电流源(30)之外还具有至少一个第二电流源(32)，该第一电流源(30)和所述至少一个第二电流源(32)分别通过一个配置的开关输入端(38，40)可被接通和断开，该开关输入端与一个配置的振荡器输出端(34，36)连接，并且该四元组的每两个放大器元件(22，24，26，28)与在其接通状态中的所述至少两个电流源(30，32)的至少一个一起构成对于在该第一输入端(14)和第二输入端(16)上的输入信号的一个差分放大器。
2.根据权利要求1的混频级(10，68，77)，其特征在于，使用双极型晶体管作为放大器元件(22，24，26，28)。
3.根据权利要求1的混频级(66)，其特征在于，使用场效应晶体管作为放大器元件(22，24，26，28)。
4.根据权利要求1至3之一的混频级(77)，其特征在于，该混频级(77)对于每个放大器元件(22，24，26，28)都具有一个配置的负反馈电阻(78，79，80，82)，该电阻串联地位于该放大器元件(22，24，26，28)和该配置的可开关的电流源(30，32)之间。
5.根据权利要求1至3之一的混频级(68)，其特征在于，该混频级(68)除了放大器元件(22，24，26，28)的所述四元组外还具有可开关的电流源(70，30，32，72)的一个四元组和两个电阻(74，76)，所述可开关的电流源(70，30，32，72)的该四元组由可开关的电流源(70，30)的一个第一对和可开关电流源(32，72)的一个第二对构成，每个电流源(70，30，32，72)都与这些放大器元件(22，24，26，28)的一个连接，所述两个电阻(74，76)的每一个都将可开关电流源(70，30，32，72)的一个对的电流源(70，30)、(32，72)以及与这些电流源(70，30，32，72)相连接的放大器元件(22，24，26，28)连接，并且这些电流源(70，30，32，72)的每对(70，30)、(32，72)的开关输入端(38，40)一同与一个配置的振荡器输出端(34，36)相连接。
6.根据权利要求1至5之一的混频级(10；66；68；77)，其特征在于，该混频级(10；66；68；77)对于每个电流源(70，30，32，72)具有一个附加的、带有一个第一电流端子(86)、一个第二电流端子(88)和一个控制端子(90)的控制元件(84)，这些附加的控制元件(84)的第一电流端子(86)共同地与一个供电电位(92)相连接，并且这些控制元件(84)的每个第二电流端子(88)与该被配置的电流源(70，30，32，72)的一个电流端子相连接。
7.具有权利要求4和6的特征之和的混频级(77)，其特征在于，这些控制元件(84)的第二电流端子(88)被连接在该配置的电流源(30，32)和该所属的负反馈电阻(78，79，80，82)之间。
8.具有权利要求5和6的特征之和的混频级(68)，其特征在于，这些控制元件(84)的第二电流端子(88)被连接在该配置的电流源(70，30，32，72)和该所属的放大器元件(22，24，26，28)之间。
9.根据权利要求6至8之一的混频级(10；66；68；77)，其特征在于，与所述用作放大器元件(22，24，26，28)的晶体管互补的晶体管作为附加的控制元件(84)。
10.将一个具有一个第一频率的第一信号与一个具有一个第二频率的振荡器信号混合的方法，具有这些步骤：将该第一信号以差动形式输送至一个混频级(10；66；68；77)的一个第一输入端(14)和一个第二输入端(16)，该混频级具有一个振荡器(12)、一个第一输出端(18)、一个第二输出端(20)、一些可控的放大器元件(22，24，26，28)的一个四元组以及一个第一电流源(30)，其特征在于，该第一电流源(30)和至少一个第二电流源(32)分别通过一个配置的开关输入端(38，40)通过该振荡器信号被周期地接通和断开，并且在该电流源(30，32)被接通时该第一信号通过由该四元组的每两个放大器元件(22，24)、(26，28)以及该被接通的电流源(30，32)构成的差分放大器来放大。
11.根据权利要求10的方法，其特征在于，矩形信号作为振荡器信号。
12.根据权利要求10或11的方法，其特征在于，在具有权利要求6、7或8的特征的混频级(10，66，68，77)中，每个附加的控制元件(84)以矩形信号被这样控制，使得它在所属的电流源(70，30，32，72)被断开时导通并且在所属的电流源(70，30，32，72)被接通时截止。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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