DE19532989C1

DE19532989C1 - Multiplikative Mischstufe

Info

Publication number: DE19532989C1
Application number: DE19532989A
Authority: DE
Inventors: Hans Dr Sapotta
Original assignee: Temic Telefunken Microelectronic GmbH
Current assignee: Microchip Technology Munich GmbH
Priority date: 1995-09-07
Filing date: 1995-09-07
Publication date: 1996-11-07
Anticipated expiration: 2015-09-08

Description

Mischstufen werden in der Schaltungstechnik häufig eingesetzt, insbesondere zur Umsetzung der Frequenz eines Eingangssignals in einen anderen Frequenzbe reich; ein Hauptanwendungsfall hierzu ist in der Rundfunktechnik die Erzeugung der Zwischenfrequenz (die beispielsweise in superheterodynamischen Empfän gerstufen benötigt wird) aus dem HF-Eingangssignal. Mischstufen werden entwe der als einfach realisierbare additive Mischstufen ausgebildet - hier wird das Ein gangssignal zusammen mit einem Oszillatorsignal (LO-Signal) einer Schaltungs komponente mit nicht-linearer Kennlinie zugeführt und durch deren Nicht-Linea rität eine Vielzahl von Mischprodukten erzeugt - oder als multiplikative Misch stufen realisiert - hier wird durch eine kombinierte Schaltungsanordnung aus einer Verstärkerstufe (in der Regel Verstärkertransistoren) und einer Schaltstufe (in der Regel Schalttransistoren) eine echte Signalmultiplikation mit einem Oszillatorsi gnal vorgenommen. Da bei additiven Mischstufen eine Vielzahl unerwünschter Mischprodukte entstehen (insbesondere tritt die Oszillatorfrequenz am Schal tungsausgang auf), werden in einigen Frequenzbereichen bevorzugt multiplikative Mischstufen eingesetzt; die Standard-Konfiguration einer multiplikativen Misch stufe basiert auf der sogenannten Gilbert-Zelle, wie sie beispielsweise in der Lite raturstelle P. Gray, R. Meyer: "Analysis and Design of Analog Integrated Cir cuits", 3. Auflage, John Wiley & Sons, 1993, S. 670, beschrieben ist. Weiterhin wird in der DE 35 02 294 A1 ein Frequenzumsetzer mit einer Mischstufe und in der DE 26 08 939 A1 ein Mischer beschrieben, die jeweils eine Verstärkerstufe, eine Schaltstufe und einen Lokaloszillator aufweisen.

Ein generelles Problem bei Mischstufen ist die üblicherweise mit ZF/2-Störung bezeichnete Tatsache, daß infolge des Mischvorgangs die doppelte Oszillatorfre quenz gebildet und zum Eingang der Mischstufe rückgeführt wird; am Eingang der Mischstufe liegen neben dem erwünschten Eingangssignal (Nutzsignal) auch eine Reihe unerwünschter Signale (Störsignale) an - falls eines der Störsignale eine um die halbe Zwischenfrequenz vom Nutzsignal beabstandete Frequenz und eine ausreichende Amplitude aufweist, wird durch Intermodulation zweiter Ord nung dieses Störsignals mit dem Signal der doppelten Oszillatorfrequenz ein uner wünschtes Mischprodukt mit der Frequenz des Nutzsignals erzeugt, das das ge wünschte Nutzsignal am Eingang der Mischstufe überdecken kann.

Meistens werden die Auswirkungen der ZF/2-Störung mittels hochselektiver Ein gangsfilter lediglich gedämpft (jedoch nicht unterdrückt), wobei die Eingangsfilter zudem das Rauschverhalten negativ beeinflussen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache multiplikative Mischstu fe anzugeben, bei der die negativen Auswirkungen der doppelten Oszillatorfre quenz ohne störende Effekte unterdrückt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß das Eingangssignal am Eingang der Schaltstufe und das Ausgangssignal am Ausgang der Schaltstufe in differen tieller Form, d. h. als Gegentaktsignale vorliegen, während das Oszillatorsignal als Gleichtaktsignal vorliegt; daher müssen zur Kompensation der doppelten Oszilla torfrequenz Gleichtaktsignale beeinflußt werden - Gegentaktsignale sollten dage gen nicht beeinträchtigt werden. Bei der vorgestellten multiplikativen Mischstufe wird mittels einer als Dreipol oder Vierpol ausgebildeten und zwischen dem Ein gang und dem Ausgang der Schaltstufe angeordneten Kompensationsstufe das am Eingang und Ausgang der Schaltstufe mit gegensätzlicher Phasenlage anliegende Signal der doppelten Oszillatorfrequenz innerhalb der Mischstufe "kurzgeschlos sen" und somit am Schaltungseingang der Mischstufe in seiner Amplitude wesent lich reduziert bzw. unterdrückt, ohne daß die Mischstufe in ihrer eigentlichen Funktion der Signalmischung beeinflußt wird. Hierzu wird durch die Kompensa tionsstufe zunächst in einem ersten Additionsschritt das Signal der doppelten Os zillatorfrequenz sowohl am Eingang der Schaltstufe als auch am Ausgang der Schaltstufe in jeweils einer Phasenlage getrennt summiert, anschließend werden in einer zweiten Additionsschritt die beiden Summen als Summanden mit jeweils ge gensätzlicher Phasenlage addiert. Aufgrund der gegensätzlichen Phasenlage der beiden Summanden wird vorteilhafterweise eine Kompensation des Signals der doppelten Oszillatorfrequenz erreicht (Gleichtaktsignal), ohne daß bei dieser "ZF/2-Unterdrückung" das zur Mischung erforderliche Gegentaktsignal beeinflußt wird.

Die Kompensationsstufe kann als als Dreipol oder Vierpol mit drei oder vier An schlußpins ausgebildet werden, wobei die Kompensationsstufe über zwei An schlußpins mit dem Eingang (mit den beiden Eingangsanschlüssen) der Schaltstu fe und über einen Anschlußpin bzw. über zwei Anschlußpins mit dem Ausgang (mit einem Ausgangsanschluß bzw. mit den beiden Ausgangsanschlüssen) der Schaltstufe verbunden ist. Die Kompensationsstufe weist eine zur Anzahl ihrer Anschlußpins korrespondierende Zahl an Schaltungskomponenten auf (d. h. 3 oder 4 Schaltungskomponenten): jeweils ein Anschluß der Schaltungskomponen ten ist mit einem der Anschlußpins der Kompensationsstufe verbunden, der jeweils andere Anschluß der Schaltungskomponenten ist an einem gemeinsamen Knotenpunkt zusammengeführt. Die Schaltungskomponenten der Kompensa tionsstufe sind sowohl eingangsseitig als auch ausgangsseitig jeweils untere inander symmetrisch ausgebildet: als Vierpol weist die Kompensationsstufe sowohl eingangsseitig als auch ausgangsseitig jeweils zwei identisch ausgebildete Schaltungskomponenten auf; als Dreipol weist die Kompensationsstufe eingang sseitig zwei identisch ausgebildete Schaltungskomponenten und ausgangsseitig eine Schaltungskomponente auf. Durch diese Anordnung der Schaltungskompo nenten der Kompensationsstufe werden die oben beschriebenen beiden Addi tionsschritte des Signals der doppelten Oszillatorfrequenz in geeigneter Weise phasenrichtig durchgeführt: da die eingangsseitig verbundenen Schaltungskompo nenten identisch sind, heben sich am gemeinsamen Knotenpunkt der Kompensa tionsstufe Eingangs-Gegentaktsignale auf; Gleichtaktsignale dagegen bilden sich ab, werden aber durch den ausgangsseitig identischen Mechanismus kompensiert. Die Additionen der beiden Additionsschritte können mittels beliebiger, für Gleich spannung sperrender Schaltungskomponenten vorgenommen werden, vorzugswei se mittels Schaltungskomponenten mit proportional zur Frequenz zunehmender Admittanz (d. h. Schaltungskomponenten, deren Impedanz mit steigender Fre quenz abnimmt); bsp. können die Additionen über kapazitive Kopplung mittels Kondensatoren als Schaltungskomponenten der Kompensationsstufe durchgeführt werden (dies hat den Vorteil, daß durch die kapazitive Überbrückung der Schaltstufe auch die interne Stromquelle mit der doppelten Oszillatorfrequenz kurzgeschlossen wird).

Die Kompensationsstufe zur ZF/2-Unterdrückung kann bei allen multiplikativen Mischstufen mit Verstärkerstufe und Schaltstufe eingesetzt werden: bsp. bei einer als sog. "Gilbert-Zelle" ausgebildeten multiplikativen Mischstufe, bei der die Ver stärkerstufe zwei in Emitterschaltung betriebene Verstärkertransistoren und die Schaltstufe vier Schalttransistoren aufweist, oder bei einer multiplikativen Misch stufe, bei der die Verstärkerstufe zwei in Basisschaltung betriebene Verstär kertransistoren aufweist, oder bei einer multiplikativen Mischstufe, bei der die Schaltstufe mittels eines Dioden-Ringmischers realisiert wird, oder bei einer mit tels MOS-Transistoren realisierten multiplikativen Mischstufe. Die multiplikative Mischstufe kann insbesondere wegen ihrer geringen Oszillatorstörstrahlung in Empfangssystemen mit beschränkter Oszillatorstörstrahlung (d. h. bsp. in Emp fangssystemen für. Breitbandkabelnetze) oder aufgrund der reduzierten Ne benempfangsstellen in Empfangssystemen mit beschränktem Nebenempfang (d. h. bsp. in Autoradios) eingesetzt werden.

Anhand der Zeichnung mit den Fig. 1 und 2 soll die multiplikative Mischstufe näher beschrieben werden; hierbei zeigt die Fig. 1 ein prinzipielles Blockschalt bild der multiplikativen Mischstufe und die Fig. 2 ein mittels Bipolartransistoren realisiertes Ausführungsbeispiel der multiplikativen Mischstufe für HF-Anwen dungen in Rundfunkempfängerschaltungen.

Gemäß dem Prinzipschaltbild der Fig. 1 besteht die multiplikative Mischstufe l aus der Verstärkerstufe 10, der Schaltstufe 20, der Kompensationsstufe 30 und dem Lokaloszillator 40.

Die zur Verstärkung des Eingangssignals U_IN mit der Frequenz f_IN dienende Ver stärkerstufe 10 ist eingangsseitig an die beiden Schaltungseingänge IN1, IN2 der multiplikativen Mischstufe 1 angeschlossen, an denen das Eingangssignal U_IN in differentieller Form (als Gegentaktsignal) anliegt (zur Erzeugung des Gegentakt- Eingangssignals kann bsp. ein Symmetrierüberträger Verwendung finden); aus gangsseitig ist die Verstärkerstufe 10 mit den beiden Eingangsanschlüssen E1, E2 der Schaltstufe 20 verbunden. Die zur Umpolung des Eingangssignals U_IN di enende Schaltstufe 20 besteht aus den vier Schaltelementen S1, S2, S3, S4, die von dem an die beiden Steueranschlüsse SE1, SE2 der Schaltstufe 20 angeschlos senen Lokaloszillator 40 mit dem Oszillatorsignal U_LO der Oszillatorfrequenz f_LO angesteuert werden; die beiden Ausgangsanschlüsse A1, A2 der Schaltstufe 20 sind mit den beiden Schaltungsausgängen OUT1, OUT2 der multiplikativen Mischstufe 1 verbunden, an denen das Ausgangssignal U_OUT in differentieller Form (als Gegentaktsignal) mit der Frequenz f_OUT als Mischprodukt aus dem Ein gangssignal U_IN mit der Frequenz f_IN und dem Oszillatorsignal U_LO des Loka loszillators 40 mit der Frequenz f_LO ansteht. Die als Vierpol mit den vier An schlußpins P1, P2, P3, P4 ausgebildete Kompensationsstufe 30 ist zwischen dem Eingang der Schaltstufe 20 und dem Ausgang der Schaltstufe 20 angeordnet, wobei die beiden Anschlußpins P1, P2 jeweils mit einem Eingangsanschluß E1, E2 der Schaltstufe 20 und die beiden Anschlußpins P3, P4 jeweils mit einem Aus gangsanschluß A1, A2 der Schaltstufe 20 verbunden sind; die Kompensationsstufe 30 weist vier für Gleichspannung sperrende Schaltungskomponenten 31, 32, 33, 34 auf, deren jeweils erster Anschluß mit einem der Anschlußpins P1, P2, P3, P4 und deren jeweils zweiter Anschluß mit einem gemeinsamen Knotenpunkt K ver bunden ist. Die beiden eingangsseitig an den Anschlußpins P1 und P2 angeschlos senen Schaltungskomponenten 31 und 32 sind gleichartig (identisch zueinander) ausgebildet, ebenso die beiden an den Anschlußpins P3 und P4 angeschlossenen Schaltungskomponenten 33 und 34. Durch die Anordnung der Schaltungs komponenten 31, 32, 33, 34 und deren Wirkungsweise für Gleichtaktsignale und Gegentaktsignale (Gleichtaktanteile des an den Eingangsanschlüssen E1 und E2 anliegenden Signals werden unterdrückt, Gegentaktanteile des an den Eingangsan schlüssen E1 und E2 anliegenden Signals dagegen ungestört belassen) wird das an den Eingangsanschlüssen E1, E2 der Schaltstufe 20 bzw. an den Ausgangsan schlüssen A1, A2 der Schaltstufe 20 anstehende Signal der doppelten Os zillatorfrequenz f_LO mittels zweier Additionsschritte (zumindest weitgehend) kom pensiert.

Gemäß der Fig. 2 ist die multiplikative Mischstufe 1 als sog. "Gilbert-Zelle" rea lisiert: sie besitzt einen symmetrischen Aufbau aus einer als Differenzverstärker stufe ausgebildeten Verstärkerstufe 10 mit den beiden NPN-Verstärkertransistoren T1, T2, der das Eingangssignal U_IN zugeführt wird, und einer darauf aufgesetzten Schaltstufe 20 mit vier NPN-Schalttransistoren T3, T4, T5, T6 (der Transistor T3 bildet das Schaltelement S1 der Fig. 1, der Transistor T4 bildet das Schaltele ment S2, der Transistor T5 das Schaltelement S3 und der Transistor T6 das Schaltelement S4). Durch die Schalttransistoren T3, T4, T5, T6 wird das an den beiden Eingangsanschlüssen E1, E2 der Schaltstufe 20 anliegende Ausgangssignal der Differenzverstärkerstufe 10 im Rhythmus des vom Lokaloszillator 40 generi erten und an den Steueranschlüssen SEI, SE2 der Schaltstufe 20 anstehenden Oszillatorsignals U_LO mit der Frequenz f_LO im Gegentakt umgepolt und das gewünschte Mischprodukt an den Ausgangsanschlüssen A1, A2 der Schaltstufe 20 ausgegeben. An den beiden Schaltungsausgängen OUT1, OUT2 der multiplika tiven Mischstufe 1 ist bsp. ein ZF-Filter angeschlossen, das das Ausgangssignal U_OUT auf die gewünschte Zwischenfrequenz (bsp. 10,7 MHz) filtert.

Da die Schaltstufe 20 zwei Paare von Schalttransistoren T3, T6 bzw. T4, T5 ent hält, die jeweils nach der halben Periode des Oszillatorsignals U_LO vom leitenden in den nicht-leitenden Zustand bzw. umgekehrt übergehen, entsteht an den Kollek toren der Schalttransistoren T3, T4, T5, T6 (d. h. an den Ausgangsanschlüssen AI, A2) und an den Emittern der Schalttransistoren T3, T4, T5, T6 (d. h. an den Ein gangsanschlüssen E1, E2) ein Signal mit jeweils entgegengesetzter Phasenlage, das als wesentliche Frequenzkomponente die doppelte Oszillatorfrequenz 2·f_LO enthält. Zur Unterdrückung dieses auf die Schaltungseingänge IN1, IN2 der mul tiplikativen Mischstufe 1 rückwirkenden störenden Signals der doppelten Oszilla torfrequenz 2·f_LO wird mittels der aus vier Kondensatoren C1, C2, C3, C4 beste henden und die Anschlußpins P1, P2, P3, P4 aufweisenden Kompensationsstufe 30 das Signal von den Emittern der Schalttransistoren T3, T4, T5, T6 (bzw. von den Kollektoren der Verstärkertransistoren T1 und T2) kapazitiv an den Schal tungsausgang OUT1, OUT2 der multiplikativen Mischstufe I gekoppelt. Hierzu summieren die beiden mit einem Anschluß an den Anschlußpin P3 bzw. P4 und mit dem anderen Anschluß am gemeinsamen Knotenpunkt K angeschlossenen identischen Kondensatoren C3 bzw. C4 in einem ersten Additionsschritt das an den Ausgangsanschlüssen A1, A2 der Schaltstufe 20 (den Kollektoren der Schalt transistoren T3, T5 bzw. T4, T6) anliegende Gleichtaktsignal, durch die beiden mit einem Anschluß an den Anschlußpin P1 bzw. P2 und mit dem anderen An schluß am gemeinsamen Knotenpunkt K angeschlossenen identischen Kondensa toren C1 bzw. C2 wird dieses Summensignal an die Eingangsanschlüsse E1, E2 der Schaltstufe 20 (die Emitter der Schalttransistoren T3, T5 bzw. T4, T6) geleitet und in einem zweiten Additionsschritt mit dem dort ebenfalls anstehenden (aber eine entgegengesetzte Phasenlage aufweisenden) Signal der doppelten Oszillator frequenz 2·f_LO summiert; somit werden die störenden Anteile des Signals der doppelten Oszillatorfrequenz 2·f_LO weitgehend unterdrückt bzw. kompensiert, wobei aufgrund der Vorgabe jeweils identischer Kapazitätswerte für die Kon densatoren C3 und C4 bzw. C1 und C2 Gegentaktsignale und damit die Misch eigenschaften der multiplikativen Mischstufe 1 nicht beeinflußt werden.

Bsp. wird von der multiplikativen Mischstufe I eine Mischfrequenz als ZF- Frequenz von 10,7 MHz generiert, wobei zur Unterdrückung der ZF/2-Störstelle bei der Frequenz f_LO ± 5,35 MHz für die Kondensatoren C1 und C2 der Kapazi tätswert 3 pF und für die Kondensatoren C3 und C4 ebenfalls der Kapazitätswert 3 pF gewählt wird.

Claims

1. Multiplikative Mischstufe (1) mit

- einer Verstärkerstufe (10) zur Verstärkung eines am Schaltungseingang (IN1, IN2) der multiplikativen Mischstufe (1) in differentieller Form anlie genden Eingangssignals (U_IN) mit einer bestimmten Eingangsfrequenz (f_IN),
- einer am Ausgang der Verstärkerstufe (10) angeschlossenen Schaltstufe (20) zur Generierung eines am Schaltungsausgang (OUT1, OUT2) der multiplikativen Mischstufe (1) in differentieller Form ausgegebenen Aus gangssignals (U_OUT) der gewünschten Mischfrequenz (f_OUT), die vier Schaltelemente (S1, S2, S3, S4), zwei Eingangsanschlüsse (E1, E2), zwei Ausgangsanschlüsse (A1, A2) und zwei Steueranschlüsse (SE1, SE2) auf weist,
- und einem mit den beiden Steueranschlüssen (SE1, SE2) der Schaltstufe (20) verbundenen Lokaloszillator (40) zur Erzeugung eines Oszillator signals (U_LO) mit bestimmter Oszillatorfrequenz (f_LO),
dadurch gekennzeichnet:
- zwischen den Eingangsanschlüssen (E1, E2) und den Ausgangsan schlüssen (A1, A2) der Schaltstufe (20) ist eine als Dreipol oder Vierpol ausgebildete Kompensationsstufe (30) mit einer ihrer Polzahl entspre chenden Anzahl von Anschlußpins (P1, P2, P3, P4) und von Schaltungs komponenten (31, 32, 33, 34) angeordnet,
- zwei Anschlußpins (P1, P2) der Kompensationsstufe (30) sind jeweils mit einem Eingangsanschluß (E1, E2) der Schaltstufe (20) und der mindestens eine weitere Anschlußpin (P3, P4) der Kompensationsstufe (30) ist mit ei nem Ausgangsanschluß (A1, A2) der Schaltstufe (20) verbunden,
- ein Anschluß der Schaltungskomponenten (31, 32, 33, 34) der Kompensa tionsstufe (30) ist jeweils mit einem Anschlußpin (P1, P2, P3, P4) der Kompensationsstufe (30) und der andere Anschluß der Schaltungskompo nenten (31, 32, 33, 34) der Kompensationsstufe (30) mit einem gemeinsa men Knotenpunkt (K) verbunden,
- die für Gleichspannung sperrenden Schaltungskomponenten (31, 32, 33, 34) der Kompensationsstufe (30) sind sowohl eingangsseitig als auch aus gangsseitig untereinander derart symmetrisch ausgebildet, daß die an den Eingangsanschlüssen (E1, E2) der Schaltstufe (20) und die an den Aus gangsanschlüssen (A1, A2) der Schaltstufe (20) anstehenden Gleichtaktsi gnale phasenrichtig zunächst sowohl an den Eingangsanschlüssen (E1, E2) der Schaltstufe (20) als auch an den Ausgangsanschlüssen (A1, A2) der Schaltstufe (20) summiert werden und anschließend die beiden Summen am gemeinsamen Knotenpunkt (K) der Kompensationsstufe (30) addiert werden.

2. Multiplikative Mischstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden, eingangsseitig mit den an die Eingangsanschlüsse (E1, E2) der Schaltstufe (20) angeschlossenen Anschlußpins (P1, P2) der Kompensationsstufe (30) verbun denen Schaltungskomponenten (31, 32) identisch ausgebildet sind.

3. Multiplikative Mischstufe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsstufe (30) als Vierpol ausgebildet ist, und daß die beiden, ausgangsseitig mit den an die Ausgangsanschlüsse (A1, A2) der Schaltstufe (20) angeschlossenen Anschlußpins (P3, P4) der Kompensationsstufe (30) verbun denen Schaltungskomponenten (33, 34) identisch ausgebildet sind.

4. Multiplikative Mischstufe nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungskomponenten (31, 32, 33, 34) der Kompensationsstufe (30) eine zur Frequenz umgekehrt proportionale Impedanz aufweisen.

5. Multiplikative Mischstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schaltungskomponenten (31, 32, 33, 34) der Kompensations stufe (30) als passive Zweipole mit zwei Anschlüssen ausgebildet sind.

6. Multiplikative Mischstufe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungskomponenten (31, 32, 33, 34) der Kompensationsstufe (30) als Kon densatoren (C1, C2, C3, C4) ausgebildet sind.

7. Multiplikative Mischstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schaltelemente (S1, S2, S3, S4) der Schaltstufe (20) als paarwei se angeordnete Schalttransistoren (T3, T4, T5, T6) ausgebildet sind.

8. Multiplikative Mischstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schaltelemente (S1, S2, S3, S4) der Schaltstufe (20) als Dioden ausgebildet sind.

9. Multiplikative Mischstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die Verstärkerstufe (10) als Differenzverstärker mit Verstärkertransi storen (T1, T2) ausgebildet ist.