阅读说明：本技术 具有高隔离度的低功率高动态范围的基于有源混频器的微波下变频器 (Low power high dynamic range active mixer based microwave down converter with high isolation ) 是由 Y·达瓦赫卡 A·巴蒂亚 S·玛克赫吉 于 2019-06-04 设计创作，主要内容包括：本申请公开一种具有高隔离度的低功率高动态范围的基于有源混频器的微波下变频器。一种下变频器(100),其包括：第一(140A)和第二(140B)偏置电路；混频器(120)；以及变压器(150),其被耦合以接收放大器输出信号(RF信号115)。第一和第二偏置电路分别各自包括偏置晶体管(M1；M4)以及第一(111)和第二(121)节点。混频器包括耦合到第一节点的第一(M2)和第二(M3)晶体管以及耦合到第二节点的第三(M5)和第四(M6)晶体管。第二和第四晶体管耦合到第三节点(131)。第一和第三晶体管耦合到第四节点(141)。混频器还包括耦合到第四节点及电源电压节点(Vdd 105)的第一电阻器(R1)以及耦合到第三节点及电源电压节点的第二电阻器(R2)。变压器包括：初级绕组(154),其被耦合以接收放大器输出信号并且耦合到电源电压(Vdd105)；以及次级绕组(156),其在第一节点处耦合到混频器和第一偏置电路,并且在第二节点处耦合到混频器和第二偏置电路。(an active mixer based microwave down converter with low power and high dynamic range with high isolation is disclosed. A down converter (100), comprising: first (140A) and second (140B) bias circuits; a mixer (120); and a transformer (150) coupled to receive the amplifier output signal (RF signal 115). The first and second bias circuits each include a bias transistor (M1; M4) and first (111) and second (121) nodes, respectively. The mixer includes first (M2) and second (M3) transistors coupled to a first node and third (M5) and fourth (M6) transistors coupled to a second node. The second and fourth transistors are coupled to a third node (131). The first and third transistors are coupled to a fourth node (141). The mixer also includes a first resistor (R1) coupled to the fourth node and the supply voltage node (Vdd105) and a second resistor (R2) coupled to the third node and the supply voltage node. The transformer includes: a primary winding (154) coupled to receive the amplifier output signal and coupled to a supply voltage (Vdd 105); and a secondary winding (156) coupled to the mixer and the first bias circuit at a first node and to the mixer and the second bias circuit at a second node.)

具有高隔离度的低功率高动态范围的基于有源混频器的微波 下变频器

背景技术

射频下变频器通常受到低动态范围、高功耗和差的本地振荡器端口到射频端口隔离的影响。电流换向吉尔伯特(Gilbert)单元混频器通过用低振幅本地振荡器信号来驱动以提供极好的开关速度，这使得它们对微波或毫米波操作具有吸引力。然而，这些混频器是有噪声的，因此伴随有低噪声放大器(LNA)以保持整体噪声在系统预算内。传统的解决方案难以实现良好的动态范围，其特征在于输入参考三阶截断点(Input-referred Third-Order Intercept Point)减去噪声系数(IIP3-NF)，同时保持较低的功耗和本地振荡器(LO)端口到射频(RF)端口隔离。

发明内容

在一些示例中，一种下变频器包括放大器、混频器、第一偏置电路、第二偏置电路和变压器。该放大器被配置为接收射频输入。该变压器包括初级绕组和次级绕组。该初级绕组被耦合以接收放大器输出信号并耦合到电源电压。该次级绕组在第一节点处耦合到混频器和第一偏置电路，并且在第二节点处耦合到混频器和第二偏置电路。该第一偏置电路包括第一偏置晶体管和配置成耦合到混频器的第一节点。在一些示例中，该第一偏置电路还包括第一滤波器。该第二偏置电路包括第二偏置晶体管和配置成耦合到混频器的第二节点。在一些示例中，该第二偏置电路还包括第二滤波器。该混频器包括：第一晶体管和第二晶体管，其在第一节点处耦合到第一偏置电路；第三晶体管和第四晶体管，其在第二节点处耦合到第二偏置电路；以及第一电阻器和第二电阻器。第二晶体管和第四晶体管耦合到第三节点。第一晶体管和第三晶体管耦合到第四节点。第一电阻器耦合到第四节点和电源电压节点，并且第二电阻器耦合到第三节点和电源电压节点。

附图说明

对于各种示例的详细描述，现在将参考附图，其中：

图1示出了根据一个实施例的示例性基于有源混频器的微波下变频器。

图2示出了根据一个实施例的基于有源混频器的微波下变频器的示例配置。

图3示出了根据一个实施例的基于有源混频器的微波下变频器的附加示例配置。

图4示出了根据一个实施例的基于有源混频器的微波下变频器的另一示例配置。

图5示出了根据一个实施例的基于有源混频器的微波下变频器的另一示例配置。

具体实施方式

本文描述的是基于有源混频器的微波下变频器的示例。在所公开的示例中，下变频器包括混频器、低噪声放大器(LNA)、变压器和两个偏置电路。所公开的混频器是Gilbert单元混频器的衍生物，并用作有源混频器。所公开的混频器通过变压器磁耦合到LNA。每个偏置电路包括被偏置以在饱和区中作为电流源工作的晶体管和用于降低充当电流源的晶体管的噪声的滤波器。一些下变频器包括隔离变压器，其中次级绕组耦合到馈入混频器的开关芯(switching core)中的输入晶体管的栅极。然而，在所公开的示例中，隔离变压器被耦合以使得次级绕组耦合到混频器的开关端口晶体管的发射极。

在所公开的下变频器中布置变压器允许改善混频器的偏置，并隔离LNA和混频器域信号电流。每个尾电流源(偏置晶体管)的噪声通过低通滤波器被衰减而不折损信号带宽。来自级间变压器的电流增益改善了要与来自振荡器的相关联输入信号混频的输入信号的信噪比(SNR)。结果，所公开的下变频器在实现相对低的功耗的同时提供相对高的动态范围，并且还提供LNA和混频器之间的改进的隔离。

图1示出了一种基于有源混频器的微波下变频器100的示例，该微波下变频器100对射频(RF)信号115进行下变频。在该示例中，下变频器100包括作为有源混频器的混频器120。所公开的混频器120通过变压器150磁耦合到低噪声放大器(LNA)130，并且包括晶体管M2、M3、M5和M6以及电阻R1和R2。下变频器100还包括两个偏置电路145A和145B。第一偏置电路145A包括耦合到滤波器140A的M1。第二偏置电路145B包括M4和滤波器140B。晶体管M1和M4用作偏置晶体管并在饱和区中工作以用作电流源。滤波器140A和140B衰减来自尾电流源M1和M4的噪声。在一些实施方式中，偏置电路145A和145B向下变频器100引入相对较小的噪声。LNA 130放大RF信号115。混频器120将LNA 130的输出与振荡器信号(例如，本地振荡器(LO)信号118)混频或相乘。

如上所述，LNA 130接收射频输入信号115。变压器150将LNA 130磁耦合到混频器120，并根据初级绕组154中的绕组数目与次级绕组156中的绕组数目的比较来放大来自LNA130的电流。通过变压器150的磁耦合将LNA130与混频器120隔离，并提供通过LNA 130和混频器120中的每一个的独立的电流路径。这种隔离减小了通过系统的LO耦合。变压器150由在电源电压节点105上提供的电源电压VDD供电。在一些示例中，变压器150是一种巴伦式变压器(balun)，其为用于将具有两个导体和相反方向上的相等电流的平衡线路连接到具有单个导体和接地的不平衡线路的一种类型的变压器。

如图所示，变压器150的次级绕组156的一个端子在节点111处连接到偏置电路145A的滤波器140A的电感器L1并连接到来自混频器120的M2和M3的发射极。类似地，次级绕组156的另一个端子在节点121处连接到偏置电路145B的滤波器140B的电感器L2并连接到来自混频器120的M5和M6的发射极。图1的示例中的晶体管M2、M3、M5和M6包含双极结晶体管(BJT)。每个晶体管包括控制输入端(基极)和一对电流端子(集电极和发射极)。在其它示例中，晶体管M2、M3、M5和M6被实现为n型金属氧化物半导体场效应晶体管(NMOS)或p型金属氧化物半导体场效应晶体管(PMOS)。作为场效应晶体管，控制输入端是栅极端子，而电流端子是源极端子和漏极端子。

如先前讨论的，来自偏置电路145A和145B的晶体管M1和M4用作偏置晶体管并且在饱和区中工作以用作尾电流源。在该示例中，晶体管M1和M4包含NMOS晶体管并且包括控制输入端和一对电流端子。作为场效应晶体管，控制输入端包括栅极端子，而电流端子包含源极端子和漏极端子。在其他示例中，晶体管M1和M4可以实现为双极结晶体管(BJT)，并且在这些示例中，控制输入端包含基极端子，而电流端子包含发射极端子和集电极端子。M1和M4的源极端子连接到接地节点110，而M1和M4的栅极连接到偏置电压Vb。偏置电压Vb被选择使得晶体管M1和M4在饱和区中工作。偏置晶体管M1和M4的漏极端子分别连接到滤波器140A和140B。

如先前讨论的，滤波器140A和140B减小了尾偏置电流Itail的噪声。在该示例中，滤波器140A和140B包括电感器和电容器。滤波器140A包括电感器L1和电容器C1。滤波器140B包括电感器L2和电容器C2。在其它示例中，滤波器140A和140B包括电阻器和电容器。滤波器的架构和滤波器部件的值使得滤波器实现频率响应，该频率响应在不影响射频输入信号115的情况下降低噪声。电感器L1和电容器C1连接在一起并连接到M1的漏极。电容器C1连接到接地节点110。电感器L2和电容器C2连接在一起并连接到M4的漏极。电容器C2连接到接地节点110。

如先前讨论的，M2和M3的发射极在节点111处连接在一起，而M5和M6的发射极在节点121处连接在一起。M2和M6的基极端子连接到振荡器并接收LO信号118。该振荡器可以与混频器120位于相同的芯片上，或者在不同的芯片上与混频器120分开。M3和M5的基极端子彼此连接并接收信号116。表示本地振荡器信号，并且相对于LO信号118是互逆的(reciprocal)。M2和M5的集电极在节点141处连接到电阻器R1。M3和M6的集电极在节点131处连接到电阻器R2。电阻器R1和R2连接到电源电压节点105(VDD)。中频信号IF的电压以VIF⁺和VIF^-输出。该中频信号表示混频的LO信号118、信号116和RF输入信号115。

在一些示例中，下变频器100在单个半导体管芯(“芯片”)上制造。例如，图1示出了混频器120、LNA 130、变压器150和偏置电路145A和145B是在单个半导体管芯125上制造的。在其它示例中，如在图2-图5中，下变频器100包括在不同半导体管芯上提供的部件。在图2的示例中，混频器120、偏置电路145A和145B以及变压器150被布置在公共半导体管芯202上，而LNA 130被设置在单独的半导体管芯204上。在图3的示例中，LNA 130、变压器150、偏置电路145A和145B被设置在管芯304上，而混频器120被设置在单独的管芯302上。在图4的示例中，LNA 130、变压器150、混频器120和偏置晶体管M1和M4被设置在管芯402上，而滤波器140A和140B被设置在不同的管芯404上。在图5的示例中，变压器耦合150和偏置晶体管M1和M4被布置在单个半导体管芯502上，而LNA 130、滤波器140A和140B以及混频器120被设置在一个或更多个单独的管芯504上。

如前所述，示例下变频器100提供相对高的动态范围。为了可读性目的，将针对动态范围逆(DRI)讨论动态范围(dynamic range)：DRI可以由等式表示，其中XGM表示参考LNA的输入的输入参考三阶截断点的LNA 130的振幅，XM表示参考混频器120的输入的输入参考三阶截断点的混频器120的振幅，IGM表示LNA 130的输入晶体管的噪声电流，而IM表示参考混频器120的输入的混频器120的噪声电流。由于整个下变频器的噪声降低、输入参考三阶截断点增大以及低电流操作，示例下变频器100提供相对高的动态范围。该下变频器中的噪声相对较低，因为LNA 130在较低的电流下工作，混频器120在改进的电流下工作，变压器耦合150提供电流增益，并且来自尾电流Itail的噪声由滤波器140A和140B滤波。由于RF信号115的路径中的有源器件的数量减少，所以输入参考三阶截断点较高，从而降低了互调(intermodulation)产生。如先前关于噪声的讨论，LNA 130和混频器120在改进的电流下工作。这进而允许示例下变频器100在较低的电流下工作。

在本说明书和权利要求书中已经使用了某些术语来指代特定的系统部件。如本领域技术人员将理解的，不同的各方可以通过不同的名称来指代部件。本文件不旨在区分名称不同而不是功能不同的部件。在本公开和权利要求中，术语“包括”和“包含”是以开放的方式使用的，因此应当解释为意味着“包括但不限于”。此外，术语“耦合”意指间接或直接的有线或无线连接。因此，如果第一设备耦合到第二设备，则该连接可以通过直接连接或通过经由其他设备和连接的间接连接来实现。

上面的讨论旨在说明本发明的原理和各种实施例。一旦充分理解上述公开，对于本领域技术人员来说，许多变化和修改将变得明显。随附权利要求书旨在被解释为包括所有这些变化和修改。