DE102006043902B4

DE102006043902B4 - Stromwandler, Frequenzmischer und Verfahren zur Frequenzmischung

Info

Publication number: DE102006043902B4
Application number: DE102006043902.3A
Authority: DE
Inventors: Martin Simon
Original assignee: Intel Deutschland GmbH
Current assignee: Intel Deutschland GmbH
Priority date: 2006-09-19
Filing date: 2006-09-19
Publication date: 2016-09-22
Anticipated expiration: 2026-09-20
Also published as: US20080070541A1; US7773969B2; DE102006043902A1

Abstract

Stromwandler (10), umfassend:
– einen differenziellen Signaleingang (SIN1, SIN2);
– einen differenziellen Stromausgang (IOT1, IOT2);
– einen ersten Differenzverstärker (DIF1), der einen ersten Strompfad (CP1) mit einem ersten Transistor (T1) und einen zweiten Strompfad (CP2) mit einem zweiten Transistor (T2) aufweist und bei dem Steueranschlüsse (13, 23) des ersten und zweiten Transistors (T1, T2) einen differenziellen Eingang des ersten Differenzverstärkers (DIF1) bilden, jeweils erste Anschlüsse (11, 21) des ersten und zweiten Transistors (T1, T2) mit dem differenziellen Stromausgang (IOT1, IOT2) gekoppelt sind und jeweils zweite Anschlüsse (12, 22) des ersten und zweiten Transistors (T1, T2) über ein Koppelimpedanzelement (IM1) gekoppelt sind;
– einen als Operationsverstärker ausgebildeten zweiten Differenzverstärker (DIF2), der einen mit dem differenziellen Eingang (13, 23) des ersten Differenzverstärkers (DIF1) gekoppelten differenziellen Ausgang (OT+, OT–) sowie einen ersten und einen zweiten Eingang (IN+, IN–) aufweist, die mit dem differenziellen Signaleingang (SIN1, SIN2) gekoppelt sind, und bei dem der erste Eingang (IN+) mit dem zweiten Anschluss (22) des zweiten Transistors (T2) über ein erstes Impedanzelement (Z1) und der zweite Eingang (IN–) mit dem zweiten Anschluss (12) des ersten Transistors (T1) über ein zweites Impedanzelement (Z2) gekoppelt sind.

Description

Erfindungsgebiet
Die Erfindung betrifft einen Stromwandler. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Frequenzmischer mit einem Stromwandler sowie dessen Verwendung. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur Frequenzmischung.
Hintergrund der Erfindung
Die Anforderungen an moderne Kommunikationsstandards und an die Signalqualität von Sendeeinrichtungen steigen mit dem wachsenden Bedürfnis an hohen Datenraten sowie einer zunehmenden Mobilität. Mittlerweile gebräuchliche Mobilfunkstandards wie beispielsweise Universal Mobile Telecommunications System, UMTS, Wideband Code Division Multiple Access, WCDMA, Global System for Mobile Communications, GSM, Enhanced Data Rates for GSM Evolution, EDGE, Wireless Local Area Network, WLAN oder Medium Rate Bluetooth verwenden zur Übertragung hoher Datenraten sowohl von einer Basisstation zu einem Mobilgerät als auch von einem Mobilgerät zu einer Basisstation bandbreiteneffiziente Modulationsarten. Beispiele für diese Modulationsarten sind Quadrature Phase Shift Keying, QPSK, 8-Phase Shift Keying, 8-PSK, oder Quadratur-Amplituden-Modulation, QAM. Bei diesen Modulationsarten wird zur Übertragung der Daten ein so genanntes Trägersignal sowohl in der Phase als auch in der Amplitude moduliert.
Eine gängige Sendeeinrichtung umfasst dabei eine Einheit zur Basisband-Signalverarbeitung sowie eine Einheit zur Hochfrequenz-Signalverarbeitung. Dabei werden in der Basisbandeinheit die zu übertragenden Daten so vorverarbeitet, dass diese in der Hochfrequenzeinheit auf das Trägersignal moduliert und verstärkt werden können, um schließlich über eine Antenne abgestrahlt zu werden. Für die Modulation der zu übertragenden Daten werden so genannte Mischer oder Frequenzmischer eingesetzt.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen Mischers, der nach dem Doppel-Gegentaktprinzip arbeitet. Ein derartiger Mischer wird auch als Gilbert-Mischer bezeichnet. Der Frequenzmischer umfasst zwei Signalpfade mit Transistoren T1, T2, deren Steueranschlüsse einen Signaleingang SIN1, SIN2 des Frequenzmischers bilden. Die beiden Signalpfade sind über ein Koppelimpedanzelement IM1, welches beispielsweise einen ohmschen Widerstand umfasst, miteinander gekoppelt. Über den Signaleingang SIN1, SIN2 kann ein Signal zugeführt werden, das die zu übertragenden Daten umfasst. Ferner sind ein mit dem Transistor T1 gekoppelter Transistor T7 und ein mit dem Transistor T2 gekoppelter Transistor T8 vorgesehen, die jeweils mit einem Transistor T9 eine als Stromspiegel ausgeführte Stromquelle bilden. Über einen mit dem Transistor T9 gekoppelten Referenzeingang IB kann ein Referenzstrom zugeführt werden.
Der Frequenzmischer weist ferner zwei Transistorpaare T3, T4 und T5, T6 auf, deren Steueranschlüsse mit einem Oszillatoreingang LO1, LO2 gekoppelt sind. Das Transistorpaar T3, T4 ist mit einem ersten Anschluss mit dem Transistor T1 gekoppelt, während das Transistorpaar T5, T6 mit einem ersten Anschluss mit dem Transistor T2 gekoppelt ist. Die Transistoren T3, T5 sind mit einem zweiten Signalanschluss an einen ersten Signalausgangsanschluss SOT1 angeschlossen. In ähnlicher Weise sind zweite Signalanschlüsse der Transistoren T5, T6 an einen zweiten Signalausgangsanschluss SOT2 angeschlossen. Die Anschlüsse SOT1, SOT2 bilden einen Signalausgang des Frequenzmischers.
In dem gezeigten Frequenzmischer werden über die Signaleingang SIN1, SIN2 zu mischende Daten zugeführt, die über die Transistoren T1, T2 einen Strom in den Signalpfaden steuern. Über den Oszillatoreingang LO1, LO2 wird ein Oszillatorsignal zugeführt, welches üblicherweise ein hochfrequentes Rechtecksignal ist. Dadurch werden abwechselnd die Transistoren T3 und T4 beziehungsweise T5 und T6 durchgeschaltet, wodurch der Strom durch die Transistoren T1, T2 wechselweise auf die Signalausgangsanschlüsse SOT1 und SOT2 geführt wird. Am Signalausgang SOT1, SOT2 kann somit ein gemischtes, differenzielles Ausgangssignal abgegriffen werden. Nach dem dargestellten Prinzip erfolgt eine multiplikative Mischung des Eingangssignals mit dem Oszillatorsignal.
Derartige Mischer werden beispielsweise in einem Vektormodulator eingesetzt. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen Vektormodulators. Dieser umfasst zwei Frequenzmischer MIX1, MIX2, denen zu übertragende Daten als Vektordaten I, Q zugeführt werden. Dabei weist der Datenanteil I üblicherweise eine Phasenverschiebung von 90° gegenüber dem Datenanteil Q auf. Der Vektormodulator umfasst ferner einen Oszillator zur Erzeugung eines Oszillatorsignals. Dieses wird einem Frequenzteiler zugeführt, der die Frequenz des Oszillatorsignals halbiert und zugleich zwei um 90° zueinander verschobene Oszillatorsignale ableitet, welche an die Frequenzmischer MIX1, MIX2 abgegeben werden. Das Ausgangssignal der Mischer MIX1, MIX2 wird additiv verknüpft und an einem gemeinsamen Signalausgang RFOUT zur Verfügung gestellt.
Frequenzmischer können auch in einem Polarmodulator, wie er beispielsweise in 7 gezeigt ist, eingesetzt werden. In einem Polarmodulator werden die zu übertragenden Daten als Vektoren mit einem Amplitudenanteil R und einem Phasenanteil φ beschrieben. Ein Signalprozessor DSP führt in diesem Ausführungsbeispiel den Phasenanteil φ an einen Phasenregelkreis ΣΔ-PLL mit einem ΣΔ-Modulator, der einen Oszillator CO kontrolliert. Der Oszillator CO kann ein spannungsgesteuerter Oszillator, VCO, oder ein digital gesteuerter Oszillator, DCO, sein. Der Oszillator erzeugt ein Trägersignal, in dem die Phaseninformation der Phasenkomponente φ enthalten ist. Das Trägersignal wird als Oszillatorsignal auf einen Mischer MIX3 geführt, der beispielsweise als der in 5 gezeigte Gilbert-Mischer ausgeführt ist.
Der Signalprozessor DSP gibt ferner den Amplitudenanteil R an einen Amplitudenmodulator AM ab, dessen Ausgang mit dem Signaleingang des Mischers MIX3 gekoppelt ist. Der Ausgang des Mischers MIX3 ist mit dem Signalausgang RFOUT zur Abgabe des gemischten Hochfrequenzsignals gekoppelt.
Mit Verweis auf 5 wandeln die Mischer MIX1, MIX2, MIX3 in den Ausführungsbeispielen gemäß den 6 und 7 eine Eingangsspannung am Signaleingang SIN1, SIN2 über die Transistoren T1, T2 und die Stromquellen, die durch die Transistoren T7, T8, T9 gebildet sind, in einen Strom um. Die Transistoren T1, T2 stellen somit einen Spannungs-Strom-Wandler dar. Da die Transistoren T1, T2 üblicherweise eine nichtlineare Kennlinie aufweisen, kommt es bei der Spannungs-Strom-Wandlung zu nichtlinearen Verzerrungen des Eingangssignals, beispielsweise in Form von harmonischen Oberwellen.
Beim eigentlichen Mischen des gewandelten Stroms mit dem hochfrequenten Oszillatorsignal über die Transistoren T3, T4, T5, T6 können aus den harmonischen Oberwellen im Stromsignal Intermodulationsprodukte im gemischten Hochfrequenzsignal entstehen. Insbesondere die dritte harmonische Oberwelle kann das Modulationsspektrum aufweiten und die benachbarten Frequenzkanäle stören. Somit kann eine Verschlechterung der Signalqualität des gemischten Signals auftreten, die sich beispielsweise in einer erhöhten Bitfehlerrate oder einem verschlechterten Fehlervektor, englisch: error vector magnitude, EVM, bemerkbar macht.
In dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel für einen Frequenzmischer können die Verzerrungen beispielsweise durch Widerstandsgegenkopplung, dem Vorsehen eines großen Arbeitsstroms und einem Absenken der Amplitude am Eingang des Frequenzmischers reduziert werden. Jedoch steigt mit der Widerstandsgegenkopplung das thermische Rauschen des Frequenzmischers, während die Verstärkung sinkt. Durch einen größeren Arbeitsstrom im Frequenzmischer wird üblicherweise ein Schrotrauschen eines bipolaren Transistors beziehungsweise ein Kanalrauschen eines Feldeffekttransistors wegen der notwendigen Vergrößerung des Transistorkanals erhöht. Ein Absenken der Eingangsamplitude führt wiederum regelmäßig zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrads des Frequenzmischers.
Dies ist insbesondere deshalb problematisch, da das thermische Rauschen im Frequenzmischer das Gesamtrauschen eines Senders dominieren kann.
Das Dokument DE 4336668 A1 zeigt einen Breitband-Konstantwiderstands-Verstärker mit differentiellem Signaleingang und -ausgang. Dabei sind für jeden der differentiellen Signaleingänge bzw. -ausgänge jeweils ein erster und ein zweiter Transistor vorgesehen, welche kaskadiert verschaltet sind und eine widerstandsbasierte Rückkopplung aufweisen.
Das Dokument US 2003/236083 A1 zeigt eine Mischeranordnung mit einer nicht volldifferentiellen Verstärkeranordnung, bei der symmetrisch bezüglich eines Massepotentials jeweils kaskadierte Transistorstufen vorgesehen sind.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Stromwandler bereitzustellen, der ein verbessertes lineares Übertragungsverhalten aufweist. Es ist auch Aufgabe der Erfindung, einen Frequenzmischer und ein Verfahren zur Frequenzmischung anzugeben, bei denen nichtlineare Intermodulationsprodukte verringert sind. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verwendung für den Frequenzmischer anzugeben.
Diese Aufgabe wird in den Gegenständen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
In einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Stromwandler einen differenziellen Signaleingang, einen differenziellen Stromausgang sowie einen ersten und einen zweiten Differenzverstärker. Der erste Differenzverstärker weist einen ersten Strompfad mit einem ersten Transistor und einen zweiten Strompfad mit einem zweiten Transistor auf. Bei dem ersten und zweiten Transistor bilden Steueranschlüsse einen differenziellen Eingang des ersten Differenzverstärkers. Der erste und zweite Transistor weisen jeweils erste Anschlüsse auf, die mit dem differenziellen Stromausgang gekoppelt sind, und jeweils zweite Anschlüsse, die über ein Koppelimpedanzelement miteinander gekoppelt sind.
Der zweite Differenzverstärker weist einen Ausgang auf, der mit dem differenziellen Eingang des ersten Differenzverstärkers gekoppelt ist. Ferner umfasst der zweite Differenzverstärker einen ersten und einen zweiten Eingang, die mit dem differenziellen Signaleingang des Stromwandlers gekoppelt sind. Zudem ist der erste Eingang mit dem zweiten Anschluss des zweiten Transistors über ein erstes Impedanzelement und der zweite Eingang mit dem zweiten Anschluss des ersten Transistors über ein zweites Impedanzelement gekoppelt. Das erste und das zweite Impedanzelement weisen vorteilhaft wenigsten einen ohmschen Anteil auf.
Eine Stromwandlung erfolgt über eine Ansteuerung des ersten und zweiten Transistors mit den Ausgangssignalen des zweiten Differenzverstärkers. Durch eine widerstandsbasierte beziehungsweise impedanzbasierte Rückkopplung von Signalen am ersten und zweiten Transistor auf die Eingänge des zweiten Differenzverstärkers wird die Stromwandlung linearisiert, das heißt, ein differenzieller Ausgangsstrom am differenziellen Stromausgang des Stromwandlers ist linear abhängig von einem differenziellen Eingangssignal am differenziellen Signaleingang. Harmonische Oberwellen im differenziellen Ausgangsstrom werden somit reduziert.
In weiteren Ausführungsformen kann der erste Differenzverstärker eine mit den Transistoren gekoppelte Stromquelle umfassen, die beispielsweise durch einen Stromspiegel gebildet ist. Ferner kann der zweite Differenzverstärker durch einen Operationsverstärker gebildet sein. Das differenzielle Eingangssignal kann als differenzielle Spannung über Impedanzelemente am ersten und zweiten Eingang des zweiten Differenzverstärkers zugeführt werden. Die Impedanzelemente können dabei schaltbar und mit einstellbarem Impedanzwert ausgeführt sein.
Eine beispielhafte Ausführungsform eines Frequenzmischers umfasst neben einem Stromwandler nach einer der beschriebenen Ausführungsformen eine Mischerzelle, die einen differenziellen Stromeingang aufweist, der mit dem differenziellen Stromausgang des Stromwandlers gekoppelt ist. Ferner weist die Mischerzelle einen differenziellen Oszillatoreingang zur Zuführung eines Oszillatorsignals und einen differenziellen Signalausgang zur Abgabe eines gemischten Ausgangssignals auf. Die Mischerzelle kann beispielsweise als Doppel-Gegentaktmischer ausgeführt sein.
Durch den Einsatz eines Stromwandlers mit verringerten harmonischen Oberwellen im differenziellen Ausgangsstrom in dem Ausführungsbeispiel des Frequenzmischers kann eine Frequenzmischung erreicht werden, bei der Intermodulationsprodukte im gemischten hochfrequenten Ausgangssignal gegenüber einem herkömmlichen Frequenzmischer verringert sind.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel des Frequenzmischers kann eine zweite oder weitere Mischerzelle vorgesehen werden, die mit ihrem Stromeingang an den differenziellen Stromausgang des Stromwandlers angeschlossen ist. Die weitere Mischerzelle ist beispielsweise für ein anderes Frequenzband als die erste Mischerzelle ausgelegt. In diesem Fall werden den Mischerzellen Oszillatorsignale mit unterschiedlichen Oszillatorfrequenzen zugeführt. Durch die Nutzung eines gemeinsamen Stromwandlers für mehrere Mischerzellen kann bei einer Integration des Frequenzmischers in einer integrierten Schaltung der Platzbedarf auf der Chipfläche reduziert werden.
In einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst ein Frequenzmischer eine erste Verstärkungseinrichtung, die in Abhängigkeit eines differenziellen Steuersignals einen differenziellen Strom abgibt und aus dem differenziellen Strom ein differenzielles Rückkopplungssignal ableitet. Ferner ist eine zweite Verstärkungseinrichtung vorgesehen, die ein differenzielles Eingangssignal an ihrem Eingang in Abhängigkeit des differenziellen Rückkopplungssignals zu dem differenziellen Steuersignal verstärkt. Der Frequenzmischer umfasst ferner eine Mischerzelle, die zur Erzeugung eines differenziellen Ausgangssignals den differenziellen Strom multiplikativ mit einem Oszillatorsignal mischt.
Durch die Erzeugung des Rückkopplungssignals in der ersten Verstärkungseinrichtung und der Zuführung des Rückkopplungssignals an die zweite Verstärkungseinrichtung kann ein differenzieller Strom in der ersten Verstärkungseinrichtung bezüglich des differenziellen Eingangssignals linearisiert werden. Dies führt wiederum zu verringerten Intermodulationsprodukten im differenziellen Ausgangssignal der Mischerzelle.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein differenzielles Eingangssignal zu einem differenziellen Steuersignal in Abhängigkeit eines differenziellen Rückkopplungssignals verstärkt. Ein differenzieller Strom wird in Abhängigkeit des differenziellen Steuersignals gesteuert und ein differenzielles Rückkopplungssignal aus dem differenziellen Strom abgeleitet. Der differenzielle Strom wird mit einem Oszillatorsignal gemischt. Das Mischen kann beispielsweise über eine Doppel-Gegentaktmischung erfolgen.
Kurze Beschreibung von einigen Ansichten der Erfindung
Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand der Figuren näher erläutert. Funktion- beziehungsweise wirkungsgleiche Elemente tragen dabei gleiche Bezugszeichen.
Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stromwandlers,
2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Frequenzmischers,
3 ein Ausführungsbeispiel eines schaltbaren Widerstands,
4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Frequenzmischers,
5 ein Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen Frequenzmischers,
6 ein Ausführungsbeispiel eines Vektormodulators und
7 ein Ausführungsbeispiel eines Polarmodulators.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Stromwandlers 10. Der Stromwandler 10 umfasst einen ersten Differenzverstärker DIF1 mit einem ersten Transistor T1, einem zweiten Transistor T2 und einer Stromquelle IS. Der erste Transistor T1 ist in einem Strompfad CP1 zwischen einem Bezugspotenzialanschluss VSS und einem ersten Anschluss IOT1 eines differenziellen Stromausgangs IOT1, IOT2 angeordnet, der auch die Stromquelle IS umfasst. In analoger Weise ist der Transistor T2 in einem zweiten Strompfad CP2 zwischen einem zweiten Anschluss IOT2 des differenziellen Stromausgangs IOT1, IOT2 und dem Bezugspotenzialanschluss VSS angeordnet. Hierbei sind erste Anschlüsse 11, 21 des ersten und zweiten Transistors T1, T2 an den differenziellen Stromausgang IOT1, IOT2 angeschlossen. Zweite Anschlüsse 12, 22 der Transistoren T1, T2 sind über Koppelimpedanzelemente IM1 miteinander gekoppelt, die üblicherweise den gleichen Impedanzwert aufweisen. Ein Verbindungsknoten der Koppelimpedanzelemente IM1 stellt in diesem Fall einen Mittenpotenzialanschluss dar, an dem die Stromquelle IS angeschlossen ist.
Der Stromwandler 10 umfasst ferner einen zweiten Differenzverstärker DIF2, der einen differenziellen Signaleingang mit einem ersten Eingangsanschluss IN+ und einem zweiten Eingangsanschluss IN– aufweist. Der erste Eingang IN+ ist über ein erstes Impedanzelement Z1 mit dem zweiten Anschuss 22 des zweiten Transistors T2 sowie über ein weiteres Impedanzelement Z3 mit einem Anschluss SIN1 gekoppelt. Der zweite Anschluss. IN– des zweiten Differenzverstärkers DIF2 ist über das Impedanzelement Z2 an den zweiten Anschluss 12 des Transistors T1 angeschlossen. Ferner ist der Anschluss IN– über ein weiteres Impedanzelement Z4 mit einem zweiten Eingangsanschluss SIN2 gekoppelt. Die Anschlüsse SIN1, SIN2 bilden einen differenziellen Signaleingang des Stromwandlers 10.
Steueranschlüsse 13, 23 des ersten und zweiten Transistors T1, T2 bilden einen differenziellen Eingang des ersten Differenzverstärkers DIF1 und sind mit Ausgangsanschlüssen OT+, OT– des zweiten Differenzverstärkers DIF2 gekoppelt.
Der zweite Differenzverstärker DIF2 ist in diesem Ausführungsbeispiel durch einen Operationsverstärker gebildet. Die Differenzverstärker DIF1, DIF2 erfüllen jeweils die Funktion einer Verstärkungseinrichtung.
Der erste und der zweite Transistor T1, T2 sind in diesem Ausführungsbeispiel als n-Kanal Feldeffekttransistoren ausgeführt. In einer alternativen Ausführungsform können die Transistoren T1, T2 auch als Bipolartransistoren ausgeführt sein.
Über den differenziellen Signaleingang SIN1, SIN2 wird ein differenzielles Eingangssignal, welches ein Spannungssignal sein kann, an die Eingänge IN+, IN– des zweiten Differenzverstärkers DIF2 zugeführt. Das differenzielle Eingangssignal wird zu einem differenziellen Steuersignal verstärkt, welches an den Ausgängen OT+, OT– des zweiten Differenzverstärkers DIF2 abgegeben wird. Durch das Steuersignal des zweiten Differenzverstärkers DIF2 wird ein differenzieller Strom im ersten und zweiten Strompfad CP1, CP2 über die Transistoren T1, T2 gesteuert.
Durch die Impedanzelemente Z1, Z2 wird aus den jeweiligen Strömen im ersten und zweiten Strompfad CP1, CP2 ein Rückkopplungssignal abgeleitet, welches auf die Eingänge IN+, IN– des zweiten Differenzverstärkers DIF2 geführt wird. Dabei erfolgt eine negative Rückkopplung, da der Strom des ersten Transistors T1, der über den ersten Anschluss OT+ angesteuert wird, welcher einen nicht invertierenden Ausgang des zweiten Differenzverstärkers DIF2 darstellt, auf den zweiten Eingang IN– zurückgekoppelt wird, welcher einen invertierenden Eingang des zweiten Differenzverstärkers DIF2 darstellt. Ebenso wird der Strom im zweiten Transistor T2, der über den einen invertierenden Ausgang darstellenden zweiten Ausgang OT– angesteuert wird, auf den nicht invertierenden Eingang IN+ des zweiten Differenzverstärkers DIF2 zurückgekoppelt. Die Impedanzelemente Z1, Z2, Z3, Z4 können beispielsweise als komplexe Widerstände mit einem rein oder überwiegend ohmschen Anteil ausgeführt sein.
Durch die rückgekoppelte Ansteuerung der Transistoren T1, T2 kann das Linearitätsverhalten der Transistoren T1, T2 verbessert werden. Die Transistoren T1, T2 werden nämlich so angesteuert, dass ein sie durchfließender Strom über ein Verhältnis der Impedanzwerte der Impedanzelemente Z1, Z2, Z3, Z4 linear vom differenziellen Eingangssignal abhängt. Mit anderen Worten kann durch die Rückkopplung eine lineare Abhängigkeit eines differenziellen Ausgangsstroms am differenziellen Stromausgang IOT1, IOT2 von einem differenziellen Eingangssignal am Signaleingang SIN1, SIN2 gewährleistet werden. Mit dem vorgeschlagenen Prinzip können nicht nur ungeradzahlige harmonische Oberwellen sondern auch geradzahlige harmonische Oberwellen im Ausgangsstrom verringert werden.
Über eine geeignete Wahl der Impedanzwerte der Impedanzelemente Z1, Z2, Z3, Z4 kann ein Verstärkungsfaktor für eine Verstärkung des differenziellen Eingangssignals in den differenziellen Ausgangsstrom eingestellt werden. Wenn das differenzielle Eingangssignal als eingeprägtes Stromsignal zugeführt werden soll, können die Eingangsimpedanzelemente Z3, Z4 auch weggelassen werden. In diesem Fall stellt der Stromwandler 10 einen linearisierten Strom-Strom-Wandler dar.
In einer Ausführungsform können die Impedanzelemente Z1, Z2, Z3, Z4 auch als komplexe Widerstände mit einem kapazitiven oder induktiven Anteil ausgeführt sein. In dieser Ausführungsform weisen die Impedanzelemente Z1, Z2, Z3, Z4 Filtereigenschaften zur Filterung des differenziellen Eingangssignals oder des differenziellen Stroms auf, beispielsweise gemäß einer Tiefpassfilterung.
Der differenzielle Ausgangsstrom des Stromwandlers 10 wird auch durch die Koppelimpedanzelemente IM1 beeinflusst. In einer Ausführungsform können die Koppelimpedanzelemente IM1 durch ohmsche Widerstände gebildet sein. In diesem Fall erfolgt keine frequenzmäßige Beeinflussung des differenziellen Ausgangsstroms. In einer anderen Ausführungsform können die Koppelimpedanzelemente IM1 einen induktiven oder kapazitiven Anteil aufweisen. Somit kann bei geeigneter Wahl eines Impedanzwerts für die Koppelimpedanzelemente IM1 erreicht werden, dass die Koppelimpedanzelemente IM1 Filtereigenschaften aufweisen und der differenzielle Strom gefiltert wird, beispielsweise gemäß einer Tiefpassfilterung.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Frequenzmischers mit einem Stromwandler 10 und einer Mischerzelle 20. Aufbau und Funktion des Stromwandlers 10 entsprechen im Wesentlichen dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel. Die zweiten Anschlüsse 12, 22 des ersten und zweiten Transistors T1, T2 sind über ein Koppelimpedanzelement IM1 gekoppelt, welches wiederum resistive, kapazitive oder induktive Eigenschaften aufweisen kann.
Ferner sind zwei Stromquellen IS1, IS2 vorgesehen. Die erste Stromquelle IS1, die als Stromspiegel aus einem Transistor T7 und einem Transistor T9 gebildet ist, ist an den zweiten Anschluss 12 des ersten Transistors T1 angeschlossen. Entsprechend ist die zweite Stromquelle IS2, die als Stromspiegel aus dem Transistor T9 und einem Transistor T8 gebildet ist, an den zweiten Anschluss 22 des zweiten Transistors T2 angeschlossen. Ein Referenzstrom wird an den Transistor T9 über einen Referenzanschluss IB zugeführt.
Die Mischerzelle 20 umfasst einen dritten, einen vierten, einen fünften und einen sechsten Transistor T3, T4, T5, T6 mit jeweils einem Steueranschluss 33, 43, 53, 63 und einem ersten Signalanschluss 31, 41, 51, 61 sowie einem zweiten Signalanschluss 32, 42, 52, 62. Dabei sind die Steueranschlüsse 33, 63 des dritten und sechsten Transistors T3, T6 mit einem ersten Anschluss LO1 eines Oszillatoreingangs LO1, LO2 und Steueranschlüsse 43, 53 des vierten und fünften Transistors T4, T5 mit einem zweiten Anschluss LO2 des Oszillatoreingangs LO1, LO2 gekoppelt.
Die Mischerzelle 20 weist einen differenziellen Stromeingang INT1, INT2 auf, der mit dem differenziellen Stromausgang IOT1, IOT2 des Stromwandlers 10 gekoppelt ist. Ferner umfasst die Mischerzelle 20 einen differenziellen Oszillatoreingang LO1, LO2 zur Zuführung eines Oszillatorsignals LO und einen differenziellen Signalausgang SOT1, SOT2 zur Abgabe eines gemischten Ausgangssignals.
Die ersten Signalanschlüsse 31, 41 des dritten und vierten Transistors T3, T4 sind mit einem ersten Anschluss INT1 und die ersten Signalanschlüsse 51, 61 des fünften und sechsten Transistors T5, T6 mit einem zweiten Anschluss INT2 des Stromeingangs INT1, INT2 gekoppelt. Die zweiten Signalanschlüsse 32, 52 des dritten und fünften Transistors T3, T5 sind an einen ersten Anschluss SOT1 und die zweiten Signalanschlüsse 42, 62 des vierten und sechsten Transistors T4, T6 an einen zweiten Anschluss SOT2 des Signalausgangs SOT1, SOT2 angeschlossen.
In dem Stromwandler 10 folgt, wie zuvor bei 1 beschrieben, eine lineare Wandlung einer differenziellen Eingangsspannung am Signaleingang SIN1, SIN2 in einen differenziellen Ausgangsstrom am Stromausgang IOT1, IOT2, der in diesem Ausführungsbeispiel gleichzeitig den differenziellen Stromeingang INT1, INT2 der Mischerzelle 20 bildet. Dabei sind in diesem Ausführungsbeispiel die Impedanzelemente Z1, Z2, Z3, Z4 und das Koppelimpedanzelement IM1 als schaltbare Widerstände ausgeführt.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines schaltbaren Widerstands, welches in den Stromwandler 10 in 2 eingesetzt werden kann. Der Widerstand Z1 umfasst dabei mehrere parallel geschaltete Serienschaltungen aus jeweils einem Widerstand R11, R12, R1N und einem zugehörigen Schalttransistor TS1, TS2, TSN. Die Transistoren TS1, TS2, TSN dienen als Schalter, um die Widerstände R11, R12, R1N zu aktivieren oder zu deaktivieren. Dies kann über entsprechende Steuersignale an den Steuereingängen CT1, CT2, CTN der Transistoren TS1, TS2, TSN erfolgen. Die Widerstandswerte der Widerstände R11, R12, R1N können gleich sein oder zueinander eine binäre Gewichtung aufweisen. Demzufolge kann ein Widerstandswert des schaltbaren Widerstands Z1 über entsprechende Steuersignale eingestellt werden.
Mit Verweis auf 2 kann durch ein Einstellen der Widerstandswerte für die Impedanzelemente Z1, Z2, Z3, Z4 und für das Koppelimpedanzelement IM1 der Verstärkungsfaktor des Stromwandlers 10 eingestellt werden. Mit anderen Worten erfolgt das Verstärken im Stromwandler 10 über einen einstellbaren Verstärkungsfaktor. Die Verstärkung hat dabei wegen der unveränderten linearen Eigenschaften der Impedanzelemente Z1, Z2, Z3, Z4 und des Koppelimpedanzelements IM1 keinen negativen Einfluss auf die Linearität des Stromwandlers 10.
Der differenzielle Ausgangsstrom des Stromwandlers 10 wird der Mischerzelle 20 mit den Transistoren T3, T4, T5, T6 zugeführt, welche auch als Mischerquartett bezeichnet werden. Die Transistoren T3, T4, T5, T6 werden über das Oszillatorsignal, welches üblicherweise rechteckförmig ist, angesteuert, wodurch eine multiplikative Verknüpfung des differenziellen Stroms mit dem Oszillatorsignal erfolgt. Dabei kann man wiederum auch von einer Doppel-Gegentaktmischung sprechen. Da in dem differenziellen Strom durch den Stromwandler die harmonischen Oberwellen unterdrückt sind, werden in dem gemischten Ausgangssignal am Signalausgang SOT1, SOT2 Intermodulationsprodukte gering ausfallen. Da der gesteuerte differenzielle Strom im Stromwandler 10 direkt dem Mischerquartett T3, T4, T5, T6 in der Mischerzelle 20 zugeführt wird, ist auch der Stromverbrauch gegenüber einem herkömmlichen Frequenzmischer nur unwesentlich erhöht, abhängig von den Strömen in dem zweiten Differenzverstärker DIF2.
Der Frequenzmischer kann in einem Hochfrequenzübertragungssystem verwendet werden. Beispielsweise wird der Mischer in einer Sende-Empfangseinrichtung für ein WLAN-System eingesetzt. Dabei wird eine Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM, Modulation angewendet, beispielsweise eine 64-QAM-OFDM-Modualtion. Als Modulator kann ein Vektormodulator eingesetzt werden, wie er beispielsweise in 6 gezeigt ist. Im Gegensatz zu einem Vektormodulator mit einem herkömmlichen Mischer kann bei einem Vektormodulator mit einem erfindungsgemäßen linearisierten Mischer der Stromverbrauch des Senders halbiert werden beziehungsweise die Ausgangsleistung erhöht werden.
Der erfindungsgemäße Frequenzmischer kann auch in einem Polarmodulator eingesetzt werden, wie er beispielsweise in 7 dargestellt ist. Auch hier kann durch den Einsatz eines linearisierten Frequenzmischers der Stromverbrauch der Modulatoranordnung gegenüber herkömmlichen Ausführungsformen reduziert werden. Neben WLAN-System lässt sich das erfindungsgemäße Prinzip auch für Frequenzmischer für andere Übertragungssysteme und -standards wie UMTS oder GSM/EDGE anwenden.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Frequenzmischers. Als Erweiterung zu dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst der Frequenzmischer eine weitere, zweite Mischerzelle 20a, die entsprechend der ersten Mischerzelle 20 aufgebaut ist. Die weitere Mischerzelle 20a umfasst somit ein weiteres Mischerquartett mit den Transistoren T3a, T4a, T5a, T6a, deren Steueranschlüsse mit einem weiteren differenziellen Oszillatoreingang LO1a, LO2a gekoppelt sind. Die weitere Mischerzelle 20a weist ferner einen weiteren differenziellen Stromeingang INT1a, INT2a auf, der mit dem differenziellen Stromausgang IOT1, IOT2 des Stromwandlers 10 gekoppelt ist. Ein gemischtes Ausgangssignal kann an einem weiteren differenziellen Signalausgang SOT1a, SOT2a abgegeben werden.
Beispielsweise werden die erste Mischerzelle 20 und die weitere Mischerzelle 20a für verschiedene Frequenzbänder, das heißt für verschiedene Frequenzen eines Oszillatorsignals, ausgelegt. Beispielsweise ist erste Mischerzelle 20 für eine Frequenz von etwa 2,4 GHz ausgelegt, während die weitere Mischerzelle 20a für eine Frequenz von etwa 5 GHz ausgelegt ist. Die Erzeugung eines zu modulierenden Eingangssignals, welches dem Stromwandler 10 zugeführt wird, kann jedoch für beide resultierenden Frequenzbereiche identisch sein. Das Eingangssignal kann demnach über den Stromwandler 10 in einen differenziellen Strom gewandelt werden, der etwa entweder der ersten Mischerzelle 20 oder der weiteren Mischerzelle 20a zugeführt wird, um ein mit dem jeweiligen Oszillatorsignal gemischtes Ausgangssignal zu erhalten.
Beispielsweise wird der ersten Mischerzelle 20 ein Oszillatorsignal mit einer ersten Oszillatorfrequenz zugeführt. Um die zweite Mischerzelle 20a zu deaktivieren, kann beispielsweise am weiteren Oszillatoreingang LO1a, LO2a ein Signal angelegt werden, welches die Transistoren T3a, T4a, T5a, T6a in einen sperrenden Zustand versetzt, beispielsweise ein Massesignal. Dadurch wird ein Stromfluss durch die Transistoren T3a, T4a, T5a, T6a der weiteren Mischerzelle 20a verhindert und eine Mischung erfolgt lediglich über die erste Mischerzelle 20.
Dementsprechend kann für eine Modulation mit einem Oszillatorsignal mit einer zweiten Oszillatorfrequenz dieses Oszillatorsignal an den weiteren Oszillatoreingang LO1a, LO2a zugeführt werden, während der Oszillatoreingang LO1, LO2 der ersten Mischerzelle 20 mit einem Massesignal versorgt wird. Eine Modulation erfolgt in diesem Fall lediglich über die weitere Mischerzelle 20a. Ein Stromfluss durch die erste Mischerzelle 20 wird durch die gesperrten Transistoren T3, T4, T5, T6 verhindert.
Mit dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel kann bei einer Integration des Frequenzmischers in einer integrierten Schaltung der Platz für einen weiteren Stromwandler eingespart werden, was zu einer Verringerung der Herstellungskosten führt. Das vorgeschlagene Prinzip eignet sich insbesondere für den Einsatz in Funksystemen mit linearen Modulationsverfahren.
Auch wenn in den gezeigten Ausführungsbeispielen von einem Einsatz in einer Sendeeinrichtung ausgegangen wird, bei dem die Frequenz des Oszillatorsignals höher als eine Signalfrequenz des differenziellen Eingangssignals ist, kann das erfindungsgemäße Prinzip auch in einem Abwärtsmischer in einem Empfangssystem eingesetzt werden. Bei einem Abwärtsmischer ist die Frequenz des Oszillatorsignals üblicherweise geringer oder gleich der Frequenz des Eingangssignals.
Bezugszeichenliste

DIF1, DIF2: Differenzverstärker, Verstärkungseinrichtung
T1, T2, T3, T4: Transistor
T5, T6, T7, T8: Transistor
T3a, T4a, T5a, T6a: Transistor
Z1, Z2, Z3, Z4: Impedanzelement
IM1: Koppelimpedanzelement
IS, IS1, IS2: Stromquelle
SIN1, SIN2: Signaleingang
IOT1, IOT2: Stromausgang
IN+, IN–: Eingang
OT+, OT–: Ausgang
CP1, CP2: Strompfad
10: Stromwandler
20, 20a: Mischerzelle
11, 12, 21, 22: Transistoranschluss
13, 23: Steueranschluss
31, 32, 41, 42: Signalanschluss
51, 52, 61, 62: Signalanschluss
33, 43, 53, 63: Steueranschluss
LO1, LO2, LO1a, Lo2a: Oszillatoranschluss
INT1, INT2: Stromeingang
INT1a, INT2a: Stromeingang
R11, R12, R1N: Widerstand
TS1, TS2, TSN: Schalttransistor
CT1, CT2, CTN: Steueranschluss
IB: Referenzanschluss
VSS: Bezugspotenzialanschluss
MIX1, MIX2, MIX3: Frequenzmischer
FT: Frequenzteiler
OSC, CO: Oszillator
RFOUT: Signalausgang
DSP: Signalprozessor
ΣΔ-PLL: Phasenregelkreis
AM: Amplitudenmodulator

Claims

Stromwandler (10), umfassend: – einen differenziellen Signaleingang (SIN1, SIN2); – einen differenziellen Stromausgang (IOT1, IOT2); – einen ersten Differenzverstärker (DIF1), der einen ersten Strompfad (CP1) mit einem ersten Transistor (T1) und einen zweiten Strompfad (CP2) mit einem zweiten Transistor (T2) aufweist und bei dem Steueranschlüsse (13, 23) des ersten und zweiten Transistors (T1, T2) einen differenziellen Eingang des ersten Differenzverstärkers (DIF1) bilden, jeweils erste Anschlüsse (11, 21) des ersten und zweiten Transistors (T1, T2) mit dem differenziellen Stromausgang (IOT1, IOT2) gekoppelt sind und jeweils zweite Anschlüsse (12, 22) des ersten und zweiten Transistors (T1, T2) über ein Koppelimpedanzelement (IM1) gekoppelt sind; – einen als Operationsverstärker ausgebildeten zweiten Differenzverstärker (DIF2), der einen mit dem differenziellen Eingang (13, 23) des ersten Differenzverstärkers (DIF1) gekoppelten differenziellen Ausgang (OT+, OT–) sowie einen ersten und einen zweiten Eingang (IN+, IN–) aufweist, die mit dem differenziellen Signaleingang (SIN1, SIN2) gekoppelt sind, und bei dem der erste Eingang (IN+) mit dem zweiten Anschluss (22) des zweiten Transistors (T2) über ein erstes Impedanzelement (Z1) und der zweite Eingang (IN–) mit dem zweiten Anschluss (12) des ersten Transistors (T1) über ein zweites Impedanzelement (Z2) gekoppelt sind.
Stromwandler (10) nach Anspruch 1, bei dem der erste Differenzverstärker (DIF1) wenigstens eine Stromquelle (IS, IS1, IS2) umfasst, die mit den zweiten Anschlüssen (12, 22) des ersten und zweiten Transistors (T1, T2) gekoppelt ist.
Stromwandler (10) nach Anspruch 2, bei dem die wenigstens eine Stromquelle (IS1, IS2) durch einen Stromspiegel (T7, T8, T9) gebildet ist.
Stromwandler (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Koppelimpedanzelement (IM1) und/oder das erste und zweite Impedanzelement (Z1, Z2) Filtereigenschaften aufweisen.
Stromwandler (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der erste und der zweite Transistor (T1, T2) als n-Kanal Feldeffekttransistoren ausgeführt sind.
Stromwandler (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Koppelimpedanzelement (IM1) und/oder das erste und zweite Impedanzelement (Z1, Z2) als schaltbare Widerstände ausgeführt sind.
Stromwandler (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der erste und der zweite Eingang (IN+, IN–) des zweiten Differenzverstärkers (DIF2) über ein drittes und ein viertes Impedanzelement (Z3, Z4) mit dem differenziellen Signaleingang (SIN1, SIN2) gekoppelt sind.
Stromwandler (10) nach Anspruch 7, bei dem das dritte und das vierte Impedanzelement (Z3, Z4) als schaltbare Widerstände ausgeführt sind und/oder Filtereigenschaften aufweisen.
Frequenzmischer mit einem Stromwandler (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend eine Mischerzelle (20), aufweisend einen differenziellen Stromeingang (INT1, INT2), der mit dem differenziellen Stromausgang (IOT1, IOT2) des Stromwandlers (10) gekoppelt ist, einen differenziellen Oszillatoreingang (LO1, LO2) zur Zuführung eines Oszillatorsignals und einen differenziellen Signalausgang (SOT1, SOT2) zur Abgabe eines gemischten Ausgangssignals.
Frequenzmischer nach Anspruch 9, bei dem die Mischerzelle (20) als Doppel-Gegentaktmischer ausgeführt ist.
Frequenzmischer nach Anspruch 9 oder 10, bei dem – die Mischerzelle (20) einen dritten, einen vierten, einen fünften und einen sechsten Transistor (T3, T4, T5, T6) mit jeweils einem Steueranschluss (33, 43, 53, 63) und einem ersten (31, 41, 51, 61) und einem zweiten Signalanschluss (32, 42, 52, 62) aufweist; – die Steueranschlüsse (33, 63) des dritten und sechsten Transistors (T3, T6) mit einem ersten Anschluss (LO1) des Oszillatoreingangs gekoppelt sind; – die Steueranschlüsse (43, 53) des vierten und fünften Transistors (T4, T5) mit einem zweiten Anschluss (LO2) des Oszillatoreingangs gekoppelt sind; – die ersten Signalanschlüsse (31, 41) des dritten und vierten Transistors (T3, T4) mit einem ersten Anschluss (INT1) des Stromeingangs gekoppelt sind; – die ersten Signalanschlüsse (51, 61) des fünften und sechsten Transistors (T5, T6) mit einem zweiten Anschluss (INT2) des Stromeingangs gekoppelt sind; – die zweiten Signalanschlüsse (32, 52) des dritten und fünften Transistors (T3, T5) mit einem ersten Anschluss (SOT1) des Signalausgangs gekoppelt sind; und – die zweiten Signalanschlüsse (42, 62) des vierten und sechsten Transistors (T4, T6) mit einem zweiten Anschluss (SOT2) des Signalausgangs gekoppelt sind.
Frequenzmischer nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem eine weitere Mischerzelle (20a) vorgesehen ist, die weitere Mischerzelle (20a) aufweisend einen weiteren differenziellen Stromeingang (INT1a, INT2a), der mit dem differenziellen Stromausgang (IOT1, IOT2) des Stromwandlers (10) gekoppelt ist, einen weiteren differenziellen Oszillatoreingang (LO1a, LO2a) zur Zuführung eines weiteren Oszillatorsignals und einen weiteren differenziellen Signalausgang (SOT1a, SOT2a) zur Abgabe eines weiteren gemischten Ausgangssignals.
Verwendung eines Frequenzmischers nach einem der Ansprüche 9 bis 12 in einem Hochfrequenzübertragungssystem.