СХЕМА СМЕСИТЕЛЯ И СПОСОБ Российский патент 2011 года по МПК H03D7/14 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение в общем относится к связным приемникам и в частности к схемам смесителей для связных приемников.

Схемы связных приемников работают в средах с перспективными рабочими характеристиками. Например, в системах многостанционного доступа с частотным разделением (FDMA) типа сконфигурированных согласно стандартам широкополосного CDMA (WCDMA) приемник, работающий с локальным передатчиком, одновременно должен иметь свойство удовлетворительно подавлять частоту передачи. В числах проблема собственных помех сводится к тому, что передатчик, поддерживающий WCDMA при +25 дБ, в приемнике, поддерживающем WCDMA, превращается в источник помех с уровнем -25 дБ, предопределяющий затухание в приемопередающем дуплексере на уровне 50 дБ. В случае когда в соответствии с критериями качества работы приемника уровень статических помех не должен превышать -108 дБм, точка (IP₂) пересечения второго порядка у приемника должна быть на уровне ≥+49 дБм для спектра передачи с детектированием, но ниже предела -108 дБм.

Размещение заграждающего фильтра между малошумящим усилителем приемника и схемой смесителя представляет собой один подход к проблеме подавления помех, в том числе помех, "просачивающихся" от локального передатчика. Однако необходимость сохранения интервала между частотами передачи и приема, иногда называемого "дуплексным промежутком", требует наличия относительно жестких рабочих характеристик у этих заграждающих фильтров. Фактически требуемая острота резонансной характеристики фильтра приводит к использованию фильтров на поверхностных акустических волнах (SAW) или других схем фильтров с высокими рабочими характеристиками, позволяющих избежать простой интеграции со схемами приемопередатчика, выполненными на одном кристалле с другими схемами.

В общем случае известны различные подходы к проблеме передачи сигнала между схемами малошумящих усилителей и соответствующих смесителей в составе приемников. См., например, опубликованную заявку на патент США №2001/021645 (изобретатель Ugajin), касающуюся использования схем дифференциальных усилителей и соответствующих схем емкостной связи для смесителей; патент США №6029059 (изобретатель Bojer), касающийся архитектуры квадратичного смесителя, обеспечивающего смешение синфазных и квадратурных составляющих в одной и той же ячейке (транзисторе) смесителя; опубликованную заявку на патент США №2005/0101281 (изобретатель Scheimbauer), касающуюся архитектуры квадратичного смесителя, вырабатывающего дифференциальные токовые выходные сигналы для синфазных и квадратичных составляющих; патент США №6560541 (изобретатель Somayajula), касающийся квадратно-волнового смесителя с отдельными токовыми цепями для сигнальных составляющих и составляющих постоянного тока; опубликованную заявку на патент США №2005/0270081 (изобретатель Shi), касающуюся схемы преобразователя с понижением частоты, имеющего несимметричный дифференциальный вход класса АВ, и структуры двойного балансного смесителя с дифференциальным выходом и контуром смещения, выполненным на одном кристалле; и опубликованную заявку на патент США №2003/0162515 (изобретатель Zhou), касающуюся схемы пассивного смесителя, имеющего комплементарные полевые транзисторы с расфазировкой возбуждения 180 градусов.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В одном примере осуществления схема приемника содержит схему несимметричного малошумящего усилителя, схему смесителя (например, схему квадратурного или четырехфазного смесителя) и схему емкостной связи, содержащую согласованные схемы емкостной связи для передачи выходного сигнала схемы малошумящего усилителя на сигнальные входы схемы смесителя. Например, в примере осуществления, в котором схема смесителя содержит схему квадратурного смесителя, схема емкостной связи обеспечивает передачу выходного сигнала(ов) от несимметричного малошумящего усилителя на синфазный и квадратурный сигнальные входы схемы квадратурного смесителя. Схема малошумящего усилителя может вырабатывать один или симметричные выходные сигналы. В любом случае схема емкостной связи имеет один или более конденсаторов связи для передачи выходного сигнала(ов) схемы малошумящего усилителя на входы смесителя. Для конфигураций выходов симметричного малошумящего усилителя схема емкостной связи включает в себя разделительные цепи связи, в каждой из которых имеется согласованный конденсатор связи.

В другом примере осуществления схема приемника содержит схему малошумящего усилителя, схему четырехфазного смесителя и схему емкостной связи для передачи выходного сигнала схемы малошумящего усилителя на вход схемы четырехфазного смесителя. Схема малошумящего усилителя может быть схемой несимметричного малошумящего усилителя, вырабатывающей один выходной сигнал, причем схема емкостной связи передает этот один выходной сигнал на несимметричный вход схемы четырехфазного смесителя. В другом примере осуществления схема четырехфазного смесителя содержит схему двойного балансного четырехфазного смесителя, а схема малошумящего усилителя включает в себя симметричный выход. При таких конфигурациях схема емкостной связи включает в себя согласованные конденсаторы связи, обеспечивающие емкостную передачу симметричных выходных сигналов от схемы малошумящего усилителя на соответствующие симметричные входы схемы двойного балансного четырехфазного смесителя. Симметричные входы схемы двойного балансного четырехфазного смесителя содержат несимметричные оконечные схемы.

В примерах осуществления как квадратурного, так и четырехфазного смесителей схема емкостной связи может быть сконфигурирована с учетом чувствительности передаточной проводимости смесителя. Например, конденсатор связи, используемый для выходного сигнала схемы малошумящего усилителя, может иметь размеры, являющиеся функцией чувствительности взаимной проводимости схемы смесителя. В частности, конденсатор связи имеет такие размеры, что ωС>g_m, где ω - интересующая частота, С - величина емкости конденсатора связи, а g_m - величина взаимной проводимости схемы четырехфазного смесителя. В случае когда схема малошумящего усилителя имеет симметричные выходы, в каждой из симметричных сигнальных цепей могут быть использованы согласованные конденсаторы связи с соответствующими размерами.

В другом примере осуществления схема приемника содержит схему малошумящего усилителя, схему квадратурного смесителя и схему индуктивной связи. Схема индуктивной связи содержит одну или более трансформаторных катушек индуктивности, сконфигурированных для передачи выходного сигнала схемы малошумящего усилителя на один или более сигнальных входа схемы квадратурного смесителя.

В одном или более таких примерах осуществления схема малошумящего усилителя содержит схему несимметричного малошумящего усилителя, вырабатывающую один выходной сигнал, а одна или более трансформаторных катушек схемы индуктивной связи содержат трансформаторную катушку индуктивности, обеспечивающую передачу симметричного входного РЧ сигнала на схему квадратурного смесителя. По меньшей мере, в одном примере осуществления схема квадратурного смесителя содержит схему квадратурного смесителя, сконфигурированную для сигналов возбуждения четырехфазного гетеродина, а одна или более трансформаторных катушек индуктивности схемы индуктивной связи обеспечивают разделение одного выходного сигнала на пару симметричных входных РЧ сигналов. В таких примерах осуществления схема индуктивной связи содержит пару согласованных трансформаторных катушек индуктивности, соединенных с обмоткой катушки индуктивности в схеме малошумящего усилителя.

Таким образом, описываемый в данном документе этап подачи сигнала на схему смесителя включает в себя примеры осуществления индуктивной и емкостной передачи и включает в себя использование разделенных и неразделенных выходных РЧ сигналов от малошумящего усилителя в примерах его осуществления как несимметричного малошумящего усилителя. Кроме того, описываемые в данном документе примеры осуществления усилителя/смесителя обеспечивают ряд преимуществ рабочих характеристик. Такие преимущества включают в себя, без ограничений, упрощенные РЧ цепи, пониженную потребляемую мощность по сравнению со случаями использования дополнительных усилительных каскадов, а также удовлетворительное подавление низкочастотного шума и возможность регулирования параметров с помощью конденсаторов связи между усилителем и смесителем, имеющих соответствующие размеры.

Разумеется, настоящее изобретение не ограничивается указанными выше признаками и преимуществами. Несомненно, что ознакомление с приводимым ниже подробным описанием и прилагаемыми чертежами позволит специалистам в данной области техники выявить дополнительные признаки и преимущества изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 - схема приемника согласно одному примеру осуществления.

Фиг.2 - схемы усилителя, смесителя и связи для радиоприемника согласно одному примеру осуществления.

Фиг.3 - схемы усилителя, смесителя и связи для радиоприемника согласно другому примеру осуществления.

Фиг.4 - схемы усилителя, смесителя и связи для радиоприемника согласно другому примеру осуществления.

Фиг.5 - схемы усилителя, смесителя и связи для радиоприемника согласно другому примеру осуществления.

Фиг.6 - схемы усилителя, смесителя и связи для радиоприемника согласно другому примеру осуществления.

Фиг.7 - схемы усилителя, смесителя и связи для радиоприемника согласно другому примеру осуществления.

Фиг.8 - схемы усилителя, смесителя и связи для радиоприемника согласно другому примеру осуществления.

Фиг.9 - схемы усилителя, смесителя и связи для радиоприемника согласно другому примеру осуществления.

Фиг.10 - схемы усилителя, смесителя и связи для радиоприемника согласно другому примеру осуществления.

Фиг.11 - схема устройства беспроводной связи, включающего в себя предлагаемые в данном документе схемы усилителя, смесителя и связи, согласно одному примеру осуществления.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Фиг.1 частично иллюстрирует радиоприемник типа используемого в сотовом радиотелефоне или в другом устройстве беспроводной связи, в котором схема 10 приемника содержит схему 12 малошумящего усилителя, схему 14 смесителя и схему 16 связи, реализованную в данном случае как схема емкостной связи. Кроме того, фиг.1 иллюстрирует схему 18 гетеродина, которая вырабатывает сигналы гетеродина (LO), поступающие на схему 14 смесителя, для преобразования частоты выходного сигнала схемы 12 малошумящего усилителя с понижением от РЧ при приеме до промежуточной частоты (IF), сигналы которой могут быть подвергнуты фильтрации посредством схем 20-1 и 20-2 фильтров. На фигуре эти схемы фильтров представлены как вырабатывающие фильтрованные IF_I- и IF_Q-сигналы, соответствующие рассматриваемой квадратурной (I и Q) конфигурации схемы 14 смесителя, однако схема 14 смесителя не ограничивается ни квадратурными конфигурациями, ни IF-преобразованием.

В процессе работы схема 12 малошумящего усилителя генерирует свой выходной сигнал, соответствующий входному РЧ сигналу типа принятого антенной сигнала радиосвязи, подвергнутого фильтрации. В свою очередь схема 16 связи по переменному току обеспечивает передачу выходного сигнала на соответствующий вход(ы) схемы 14 смесителя. Для понимания, по меньшей мере, некоторых из преимуществ этой конфигурации фиг.2 иллюстрирует пример осуществления квадратурного смесителя схемы 10 приемника.

На фиг.2 схема 12 малошумящего усилителя содержит входной транзистор M1, нагрузочный резистор R1 и катушку L1 индуктивности отрицательной обратной связи с источником питания. Резистор R1 соединяет сток входного транзистора с первой шиной питания (например, с шиной VDD) и работает как выходная нагрузка, с которой снимается выходной сигнал усилителя, а катушка L1 индуктивности отрицательной обратной связи с источником питания обеспечивает согласование полного сопротивления для источника (не показанного), возбуждающего входной РЧ сигнал в схеме 12 малошумящего усилителя.

В рассматриваемом примере осуществления схема 16 связи содержит параллельные цепи связи, причем каждая цепь включает в себя один из этих двух согласованных конденсаторов С1-1 и С1-2 связи. При этой конфигурации схема 16 связи разделяет несимметричный выходной сигнал от схемы 12 малошумящего усилителя на первый сигнал, прикладываемый к входу 30 первого квадратурного смесителя, и второй сигнал, прикладываемый к второму входу 32 квадратурного смесителя. Причем схема 14 смесителя имеет несимметричные оконечные схемы 34 и 36, соединяющие входы 30 и 32 смесителя со второй шиной питания (например, резисторы R2 и R3, соединяющие входы 30 и 32 с шиной VSS или заземлением).

Кроме того, рассматриваемая схема 14 смесителя содержит схему ядра смесителя, включающую в себя пары М2/М3 и М4/М5 транзисторов. Резисторы R4 и R5 соединяют пару М2/М3 транзисторов с шиной VDD питания, а резисторы R6 и R7 так же соединяют пару М4/М5 транзисторов с шиной VDD питания. Соответствующие конденсаторы С2-С5 соединены параллельно с соответствующими резисторами R4-R7. При этой конфигурации схемы на выходах 40 и 42 вырабатываются выходные IF_I- и IF_Q-сигналы квадратурного смесителя, являющиеся производными от РЧ сигнала, прикладываемого к входам 30 и 32, и сигналов LO_I и LO_Q гетеродина, прикладываемых соответственно к входам 44 и 46 и передаваемых на затворы пар М2/М3 и М4/М5 транзисторов.

В неограничивающем примере осуществления С1-1 и С1-2 могут иметь емкость 0,5-10 пФ, резистор R1 может иметь сопротивление 100-1000 Ом, резисторы R2 и R3 могут иметь сопротивление 100-1000 Ом, а передаточную проводимость g_m схемы 14 смесителя может составлять 50-200 мС. Разумеется, абсолютные и относительные значения параметров этих и других компонентов, представленных на фиг.2, могут изменяться по необходимости или желанию в соответствии с проектными требованиями.

Фиг.3 иллюстрирует пример осуществления балансного квадратурного смесителя, являющегося подобным примеру осуществления квадратурного смесителя, представленного на фиг.2. Однако в рассматриваемом случае схема 12 малошумящего усилителя содержит входной транзистор М6, катушку L2 индуктивности отрицательной обратной связи с источником питания и нагрузочную катушку L3 индуктивности, которая вырабатывает симметричные выходные РЧ сигналы, передаваемые через согласованные конденсаторы С6-1 и С6-2 связи схемы 16 связи на соответствующие РЧ входы 50 и 52 схемы 14 смесителя с соответствующими оконечными резисторами R8 и R9. В неограничивающем примере катушка L3 индуктивности симметрирующего устройства может иметь индуктивность 1-20 нГ. Причем в данном случае для получения симметричных выходных сигналов от схемы 12 малошумящего усилителя рассматривается и использование трансформатора или дифференциального усилителя. Например, в некоторых примерах осуществления предпочтительным может быть использование трансформаторной схемы, удовлетворяющей требованиям интеграции на одном кристалле с другими схемами.

Помимо описанных элементов схема ядра смесителя включает в себя транзистор пары М7/М8 и М9/М10 транзисторов, причем пара М7/М8 транзисторов соединена с шиной VDD питания через параллельные резисторно-конденсаторные цепи, образованные R10/C7 и R11/C8. При этой конфигурации схемы 14 смесителя пара М9/М10 транзисторов использует цепи R10/C7 и R11/C8 совместно с парой М7/М8 транзисторов, а на выходе 54 вырабатывается выходной IF-сигнал, являющийся производным от симметричных РЧ сигналов, прикладываемых к входам 50 и 52 RF, и сигнала гетеродина, прикладываемого к входу 56 LO.

Фиг.4 иллюстрирует другой пример осуществления двойного балансного квадратурного смесителя. В этом случае схема 12 малошумящего усилителя содержит входной транзистор МП, катушку L4 индуктивности отрицательной обратной связи с источником питания и нагрузочную катушку L5 индуктивности, которая вырабатывает симметричные выходные РЧ сигналы. Однако в отличие от примера осуществления симметричного квадратурного смесителя, представленного на фиг.3, схема 16 связи включает в себя согласованные конденсаторы С9-1-С9-4 связи. Конденсаторы С9-1 и С9-2 разделяют один из симметричных выходных РЧ сигналов от схемы 12 малошумящего усилителя между ветвями параллельной цепи 17-1, а конденсаторы С9-3 и С9-4 разделяют другой симметричный выходной сигнал от схемы 12 малошумящего усилителя между ветвями параллельной цепи 17-2. В частности, конденсатор С9-1 соединяет одну ветвь параллельной разделительной цепи 17-1 с РЧ входом 62 схемы 14 смесителя, а конденсатор С9-2 соединяет другую ветвь параллельной разделительной цепи 17-1 с РЧ входом 66 схемы 14 смесителя. Точно так же конденсатор С9-3 соединяет одну ветвь параллельной разделительной цепи 17-2 с РЧ входом 60 схемы 14 смесителя, а конденсатор С9-4 соединяет другую ветвь параллельной разделительной цепи 17-2 с РЧ входом 64 схемы 14 смесителя. При этом на РЧ входы 60, 62, 64 и 66 схемы 14 смесителя поступают сигналы, разделенные между соответствующими цепями схемой связи по переменному току, и схема 14 смесителя имеет несимметричные оконечные схемы для каждого такого РЧ входа, образованные резисторами R12-R15.

Схема 14 ядра смесителя включает в себя пары М12/М13, М14/М15, М16/М17 и М18/М19 транзисторов. Пары М12/М13 и М14/М15 транзисторов соединены с шиной VDD питания через параллельные резисторно-конденсаторные цепи, образованные R16/C10 и R17/C11, и точно так же пары М16/М17 и М18/М19 транзисторов соединены с шиной VDD питания через параллельные резисторно-конденсаторные цепи, образованные R18/C12 и R19/C13. При этой конфигурации на выходе 70 вырабатываются первые квадратурные IF-сигналы, а на выходе 72 - вторые квадратурные IF-сигналы, причем схема 14 смесителя генерирует IF-сигналы, соответствующие симметричным РЧ сигналам, прикладываемым к его РЧ входам 60, 62, 64 и 66 и к входам 74 и 76 гетеродина.

В отличие от рассмотренных выше примеров осуществления квадратурного смешения фиг.5 иллюстрирует один пример осуществления схемы 10, в которой схема 14 смесителя содержит четырехфазный смеситель. В частности, схема 12 малошумящего усилителя содержит входной транзистор М20, катушку L6 индуктивности отрицательной обратной связи с источником питания и нагрузочный резистор R20, который вырабатывает несимметричный выходной РЧ сигнал, передаваемый на схему 14 смесителя через конденсатор С14 связи, включенный в состав схемы 16 связи.

Конденсатор С14 связи передает выходной РЧ сигнал усилителя на РЧ вход схемы 14 смесителя, соединенный с заземлением или шиной (VSS) опорного источника питания через несимметричную оконечную схему, образованную резистором R21. При четырехфазной конфигурации схема ядра смесителя включает в себя транзисторы М21, М22, М23 и М24, причем согласованное возбуждение этих транзисторов осуществляется четырехфазными тактовыми сигналами, прикладываемыми соответственно к входам 82, 84, 86 и 88 LO. Транзистор М21 соединен с шиной VDD питания через параллельную резисторно-конденсаторную цепь, образованную R22/C15. Пары резисторов и конденсаторов R23/C16, R24/C17 и R25/C18 образуют такие же цепи для остальных транзисторов ядра. При такой конфигурации на IF-выходах 90, 92, 94 и 96 вырабатываются четырехфазные выходные IF-сигналы, являющиеся производными от РЧ сигнала, прикладываемого к РЧ входу 80, и четырехфазных сигналов LO, прикладываемых к входам 82, 84, 86 и 88 LO.

В качестве другого примера осуществления четырехфазного смесителя фиг.6 иллюстрирует двойную балансную четырехфазную конфигурацию схемы 10 приемника. В этом случае схема 12 малошумящего усилителя содержит входной транзистор М25, катушку L7 индуктивности отрицательной обратной связи с источником питания и нагрузочную катушку L8 индуктивности, которая вырабатывает симметричные выходные РЧ сигналы, передаваемые на схему 16 связи.

Схема 16 связи включает в себя согласованные конденсаторы С19-1 и С19-2 связи, которые передают соответствующие симметричные выходные РЧ сигналы на РЧ входы 100 и 102 схемы 14 смесителя. РЧ входы 100 и 102 соединены соответственно с заземлением или шиной (VSS) опорного источника питания через несимметричные оконечные схемы, образованные резисторами R26 и R27. РЧ входы 100 и 102 также передают симметричные выходные РЧ сигналы на соответствующие узлы истоков транзисторов ядра смесителя, в состав которых входят первая группа четырехфазных транзисторов М26, М27, М28, М29 и вторая группа четырехфазных транзисторов М30, М31, М32 и М33.

Эти две пары четырехфазных транзисторов совместно используют подключения к шине VDD питания через параллельные резисторно-конденсаторные цепи, образованные R28/C20, R29/C21, R30/C22 и R31/C23. На IF-выходах 104 и 106 вырабатываются выходные IF-сигналы смесителя, которые схема 14 смесителя генерирует в соответствии с симметричными РЧ сигналами, прикладываемыми к ее РЧ входам 100 и 102, и четырехфазными тактовыми сигналами, прикладываемыми к ее двум группам входов 108, 110, 112, и 114, и 116, 118, 120 и 122 LO.

Рассмотренные выше примеры осуществления схемы 10 приемника отличаются один от другого с точки зрения конкретных вариантов выполнения схемы, например балансная в отличие от двойной балансной или квадратурная в отличие от четырехфазной, однако все эти примеры осуществления обеспечивают определенные эксплуатационные преимущества типа комбинации упрощенных РЧ цепей, невысоких требований к рабочей мощности и удовлетворительной шумовой характеристики. Например, в отношении фиг.2 "дисбаланс коэффициентов усиления" между IF_I- и IF_Q-сигналами, создаваемый на IF-выходах 40 и 42, зависит от ряда переменных, в том числе от непредусмотренных различий уровней сигналов LO, прикладываемых к входам 44 и 46 LO, и различий полных сопротивлениях нагрузки с IF-стороны, например, схем фильтрации и усиления, следующих за смесителем. Однако рассогласование в чувствительности g_m передаточной проводимости для пары М2/М3 транзисторов и для пары М4/М5 транзисторов является наиболее влиятельным фактором квадратурного дисбаланса.

Согласно предлагаемым в данном документе способам конфигурация схемы 16 связи позволяет, по меньшей мере, частично устранить дисбаланс передаточных проводимостей в ядре смесителя. В одном примере осуществления каждый из согласованных конденсаторов С1-1 и С1-2 связи доведен до требуемых размеров для падения напряжения kT/Iq (≈25 мВ при комнатной температуре). Падения напряжения, возникающие на конденсаторах С1-1 и С1-2 связи, снижают чувствительность схемы 14 смесителя к дисбалансам в коэффициентах g_m усиления передаточной проводимости пар М2/М3 и М4/М5 квадратурных транзисторов в ядре смесителя. В частности, падения напряжения на согласованных конденсаторах С1-1 и С1-2 связи снижают чувствительность коэффициента усиления в число раз, выражаемое уравнением (1):

,

где С - величина емкости, а ω представляет собой интересующую частоту для выходного РЧ сигнала(ов), вырабатываемых схемой 12 малошумящего усилителя.

Следовательно, предлагаемый в данном документе способ компенсации чувствительности коэффициента усиления позволяет задавать величину емкости согласованных конденсаторов связи, используемых в схеме 16 связи, такой, что ωС>g_m. При этом соотношении величина емкости каждого конденсатора С1-1 и С1-2 связи обеспечивает подавление чувствительности передаточной проводимости, что означает предотвращение дисбаланса в результате точного согласования С1-1 и С1-2. При этом описываемая выше компенсация чувствительности коэффициента передачи и приведенное соотношение размеров конденсаторов применяются и в примерах осуществления схемы четырехфазного смесителя, представленной, например, на фиг.6.

Контроль выбранного проектного решения и параметров процесса изготовления обеспечивает хорошее согласование конденсаторов. Например, если схему 10 приемника выполняют в виде интегральной схемы приемника типа специализированной интегральной схемы (ASIC), то совмещение конденсаторов С1-1 и С1-2 на кристалле позволяет минимизировать отклонения параметров процесса и обеспечить хорошее согласование КТР между конденсаторами. Разумеется, выполнение конденсаторов С1-1 и С1-2 на одних и тех же слоях металлизации и изоляции с использованием одних и тех же топологий и проектных норм обеспечивает дополнительное повышение согласованности между конденсаторами. Эти соображения по поводу согласования и размеров применяются, например, в согласующих конденсаторах, представленных в различных примерах осуществления разделительных цепей схемы 16 связи.

Приведенные выше соображения по поводу размеров и согласования конденсаторов применяются в различных примерах осуществления разделительных цепей схемы 16 связи представленной в данном документе, например конденсаторов С1-1/С1-2, С6-1/С6-2 и С9-1/С9-2/С9-3/С9-4. Другие варианты проектного решения и выполнения обеспечивают возможность дополнительного усовершенствования схемы. Например, использование четырехфазного смешения в примерах осуществления схемы приемника, представленных на фиг.5 и 6, позволяет усовершенствовать эксплуатационные характеристики схемы 10 приемника.

Очевидно, что усовершенствование четырехфазного смешения начинается с понимания идеализированного режима работы переключающихся смесителей - т.е. схем смесителей, в которых сигналы LO отпирают и запирают транзисторы ядра. Идеальный переключающийся смеситель представляет собой линейное перестраиваемое во времени устройство, которое генерирует выходной сигнал смесителя, являющийся произведением входного (РЧ) сигнала на прямоугольный импульс во временной области. В контексте фиг.5 выходные IF-сигналы, получаемые на выходах 90, 92, 94 и 96, является произведением входного РЧ сигнала, прикладываемого к РЧ входу 80, на прямоугольные импульсы LO во временной области, прикладываемые к входам 82, 84, 86 и 88 LO. Прикладываемые сигналы LO обеспечивают возбуждение затворов транзисторов М21, М22, М23 и М24 ядра смесителя и генерацию выходного сигнала (IF).

Коэффициент усиления смесителя может быть оценен как произведение коэффициентов Фурье для колебаний LO, где каждое произведение является суммой и разностью сомножителей. В двухфазном смесителе два сигнальных колебания LO представляют собой прямоугольные импульсы, имеющие 50%-ные коэффициенты заполнения, что позволяет представить коэффициенты F Фурье сигналов LO в виде уравнения (2):

где А - амплитуда прямоугольного импульса, Т - период колебаний LO, t₀ - длительность колебания, а n - порядок гармоники. При n=1 для обычно используемых колебаний LO с 50%-ным коэффициентом заполнения уравнение (2) приобретает вид F₁=A·2/π. В случае же колебаний LO с 25%-ным коэффициентом заполнения, используемых в примерах осуществления четырехфазного смесителя, представленных на фиг.5 и 6, уравнение (2) имеет вид

Очевидно, что для 25%-ного коэффициента заполнения амплитуда А сигнального импульса LO может быть удвоена без увеличения общего потребляемого тока ядра четырехфазного смесителя по сравнению с ядром другого сопоставимого двухфазного смесителя. Удваивание амплитуды обеспечивает коэффициент усиления сигнала (3 дБ). В другом варианте изобретения увеличение А в раз может быть осуществлено для сохранения того же коэффициента усиления, что и в случае примера осуществления двухфазного смесителя, но со снижением минимального уровня шума на 3 дБ. (Минимальный уровень шума пропорционален общему току в ядре смесителя.) Увеличение коэффициента усиления четырехфазного смесителя на 3 дБ для тех же минимального уровня шума и потребляемого тока, что и в случае схемы другого сопоставимого двухфазного смесителя, обеспечивает усовершенствование шумовой характеристики без необходимости использования входных усилителей с большим коэффициентом усиления или дополнительных усилительных каскадов в ядре смесителя. Кроме того, связь между схемой 12 малошумящего усилителя и схемой 14 смесителя, представленных на фиг 5 и 6, по переменному току обеспечивает удовлетворительное подавление компонентов нелинейных искажений второго порядка, которые в других случаях "просачиваются" в схему 14 смесителя из схемы 12 малошумящего усилителя.

В других примерах осуществления, рассматриваемых в данном документе, помимо удовлетворительной стойкости к шумам гетеродина и смещения обеспечивается и удовлетворительная разность между номинальным и максимально допустимым значениями напряжения. Фиг.7 иллюстрирует схему приемника, содержащую схему 12 малошумящего усилителя согласно примеру осуществления. Показана передача несимметричного выходного (РЧ) сигнала от схемы 12 малошумящего усилителя на схему 14 смесителя согласно примеру осуществления через схему 16 связи. В данном случае схема 16 связи сконфигурирована как схема индуктивной связи, содержащая одну или более трансформаторных катушек индуктивности. То есть одна или более трансформаторных катушек индуктивности в этом примере осуществления схемы 16 связи содержат трансформаторную катушку индуктивности, вырабатывающую симметричный входной РЧ сигнал, передаваемый на схему 14 смесителя.

В частности, фиг.7 иллюстрирует пример осуществления двойного балансного смесителя со связью по переменному току, снабженного симметрирующим трансформатором. Схема 12 малошумящего усилителя содержит входной транзистор М34, катушку L9 индуктивности отрицательной обратной связи с источником питания и нагрузочную катушку L10 индуктивности с трансформаторной связью с катушкой L11 индуктивности в схеме 16 связи. В данном случае схема 16 связи содержит схему индуктивной связи, в которой катушки L10 и L11 индуктивности образуют трансформатор, соединяющий выход схемы 12 малошумящего усилителя со схемой 14 смесителя. При этой конфигурации на каждом конце обмотки катушки L11 индуктивности вырабатывается симметричный сигнал для подачи на вход схемы 14 смесителя, а резистор R32 соединяет отвод от средней точки катушки L11 индуктивности с базовым заземлением (VSS).

Сигналы LO, прикладываемые к входам 124 схемы 14 смесителя, возбуждают затворы транзисторов М35, М36, М37 и М38 ядра смесителя. Таким образом, на IF-выходах 126, соединенных с положительной шиной VDD питания через параллельные RC-цепи R33/C24 и R34/C25, вырабатываются РЧ сигналы, являющиеся произведением входных РЧ сигналов, прикладываемых к РЧ входам 128 и 130, на прямоугольные импульсы во временной области, прикладываемые к входам 124 LO.

Фиг.8 иллюстрирует другой пример осуществления смесителя в виде двойного балансного "каскадного" квадратурного смесителя со связью по переменному току, снабженного симметрирующим трансформатором. В этом примере осуществления удовлетворительная стойкость к шумам гетеродина и смещения обеспечивается в комбинации с преимуществами, обеспечиваемыми четырехфазной конфигурацией LO. В частности, рассматриваемый пример осуществления сконфигурирован для генерации четырехфазного LO с использованием квадратурных сигналов LO с частотой f₀ и одного сигнала LO с частотой 2f₀, которые все генерируются с 50%-ным коэффициентом заполнения. Кроме того, отсутствие разделения сигнала от малошумящего усилителя 12 позволяет получить в рассматриваемой конфигурации более высокий коэффициент усиления (или более низкий шум).

В рассматриваемом примере осуществления схема 12 малошумящего усилителя содержит входной транзистор М39, катушку L12 индуктивности отрицательной обратной связи с источником питания и нагрузочную катушку L13 индуктивности с трансформаторной связью с катушкой L14 индуктивности в схеме 16 связи, которая в данном случае содержит схему индуктивной связи. То есть катушки L13 и L14 индуктивности образуют трансформатор, который соединяет выход схемы 12 малошумящего усилителя со схемой 14 смесителя и обеспечивает передачу входного РЧ сигнала на эту схему. При такой конфигурации на каждом конце обмотки катушки L14 индуктивности вырабатывается симметричный сигнал для подачи на вход схемы 14 смесителя, а резистор R35 соединяет отвод от средней точки катушки L14 индуктивности с базовым заземлением (VSS).

Сигнал LO₂ с частотой 2f₀, прикладываемый к входу 132 первого ядра 14-1 смесителя при каскадной конфигурации ядер, возбуждает затворы транзисторов М40, М41, М42 и М43 ядра смесителя. Точно так же сигналы LO с частотой f₀, прикладываемые к квадратурным входам 134 и 136 (соответственно LO_I и LO_Q) LO во втором ядре 14-2 смесителя, возбуждают затворы транзисторов М44, М45, М46, М47, М48, М49, М50 и М51 ядра смесителя. Квадратурные IF-выходы 138 и 140 (соответственно IF_I и IF_Q) соединены с положительной шиной (VDD) питания через параллельные RC-цепи R36/C26, R37/C27 для IF_I-выхода и R38/C28 и R39/C29 для IF_Q-выхода и обеспечивают прикладывание сигналов промежуточной частоты, являющихся произведением входных РЧ сигналов, прикладываемых к РЧ входам 142 и 144, на прямоугольные импульсы во временной области, прикладываемые к входам 132, 134 и 136 LO.

Фиг.9 иллюстрирует другой пример осуществления схемы смесителя, сконфигурированного как двойной балансный смеситель со связью по переменному току, снабженный симметрирующим трансформатором. Этот пример осуществления подобен представленному на фиг.8, но без каскадной конфигурации ядра смесителя и обеспечивает такие же эксплуатационные преимущества.

Схема 12 малошумящего усилителя на фиг.9 содержит входной транзистор М52, катушку L15 индуктивности отрицательной обратной связи с источником питания и нагрузочную катушку L16 индуктивности с трансформаторной связью катушкой L17 индуктивности в схеме 16 связи. При этом схема 16 связи содержит схему индуктивной связи, включающую в себя катушку L17 индуктивности с трансформаторной связью с катушкой L16 и обеспечивающую передачу выходного сигнала схемы 12 малошумящего усилителя в виде входного РЧ сигнала на схему 14 смесителя, который включает в себя ядра 14-3 и 14-4 квадратурного смесителя. При этой конфигурации на каждом конце обмотки катушки L17 индуктивности вырабатывается симметричный сигнал для подачи на вход схемы 14 смесителя, а резистор R40 соединяет отвод от средней точки катушки L17 индуктивности с базовым заземлением (VSS).

Синфазные сигналы LO (LO₁-LO₄), прикладываемые к синфазным (I) входам 146, 148, 150, 152 LO, и квадратурные сигналы LO (LO₁-LO₄), прикладываемые к квадратурным (Q) входам 154, 156, 158 и 160 LO, возбуждают затворы транзисторов М53, М54, М55, М56, М57, М58, М59 и М60 ядра смесителя, которые распределены между квадратурными ядрами 14-3 и 14-4. Квадратурные выходы 162 и 164 (соответственно IF_I и IF_Q) IF соединены с положительной шиной (VDD) питания через параллельные RC-цепи R41/C30, R42/C31 для IF_I-выхода и R43/C32 и R44/C33 для IF_Q-выхода, и на этих выходах вырабатываются сигналы промежуточной частоты, являющиеся произведением входных РЧ сигналов, прикладываемых к РЧ входам 166 и 168 на прямоугольные импульсы во временной области, прикладываемые к входам LO.

Фиг.10 иллюстрирует другой пример осуществления схемы смесителя, сконфигурированного как двойной балансный квадратурный смеситель со связью по переменному току, снабженный симметрирующим трансформатором и разделителем сигналов. Эта конфигурация обеспечивает такие же эксплуатационные преимущества, как и в примерах осуществления, представленных на фиг.8 и 9, в том числе удовлетворительную стойкость к шумам гетеродина и смещения и удовлетворительную разность между номинальным и максимально допустимым значениями напряжения.

Схема малошумящего усилителя 12 на фиг.10 содержит входной транзистор М61, катушку L18 индуктивности отрицательной обратной связи с источником питания и нагрузочную катушку L19 индуктивности с трансформаторной связью с катушками L20 и L21 индуктивности в схеме 16 связи. При этом катушки L19, L20 и L21 индуктивности образуют трансформатор, соединяющий выход схемы 12 малошумящего усилителя со схемой 14 смесителя и обеспечивающий передачу разделенного входного РЧ сигнала на эту схему. При этой конфигурации на каждом конце обмотки катушки L20 индуктивности вырабатывается симметричный сигнал для подачи на вход схемы 14 смесителя, а резистор R45 соединяет отвод от средней точки катушки L20 индуктивности с базовым заземлением (VSS). Точно так же на каждом конце обмотки катушки L21 индуктивности вырабатывается симметричный сигнал для подачи на вход схемы 14 смесителя, а резистор R46 соединяет отвод от средней точки катушки L21 индуктивности с базовым заземлением (VSS).

Сигналы LO, прикладываемые к синфазному (I) входу 170 LO и к квадратурному (Q) входу 172, возбуждают затворы транзисторов М62, М63, М64, М65, М66, М67, М68 и М69 ядра смесителя. Квадратурные IF-выходы 174 и 176 (соответственно IF_I и IF_Q) соединены с положительной шиной (VDD) питания через параллельные RC-цепи R45/C34, R46/C35 для IF_I-выхода и R47/C36 и R48/C37 для IF_Q-выхода. На этих IF-выходах вырабатываются сигналы промежуточной частоты, являющиеся произведением входных РЧ сигналов, прикладываемых к РЧ входам 178, 180, 182 и 184, на прямоугольные импульсы во временной области, прикладываемые к входам 170 и 172 LO.

Специалистам в данной области техники очевиден широкой диапазон применимости описываемых в данном документе схем приемника. В качестве неограничивающего примера фиг.11 иллюстрирует устройство беспроводной связи 200, которое включает в себя схему 10 приемника типа представленной на фиг.1, причем схема 10 приемника включает в себя описываемые в данном документе схемы 12, 14 и 16 малошумящего усилителя, смесителя и связи согласно примеру осуществления. По меньшей мере, в одном примере осуществления устройство беспроводной связи 200 содержит сотовый радиотелефон или другое подвижное устройство беспроводной связи, сконфигурированное как автономное устройство или встроенное в другое устройство или систему, например карту связи для ноутбука.

В любом случае устройство беспроводной связи 200 согласно рассматриваемому примеру осуществления содержит антенну 202, переключатель/дуплексер 204, приемник 206 (включающий в себя схему 10 приемника), передатчик 208, процессор 210 с монополосной передачей, системный контроллер 212 и пользовательский интерфейс 214 (как необходимые или требуемые согласно предполагаемому использованию устройства беспроводной связи 200). В процессе работы приемник 206 вырабатывает входной РЧ сигнал, поступающий на схему 10 приемника, сконфигурированную согласно любому из примеров осуществления, описываемых в данном документе, или их вариантам.

Разумеется, настоящее изобретение не ограничивается ни приведенным выше подробным описанием, ни прилагаемыми чертежами. Фактически настоящее изобретение ограничено исключительно следующей ниже формулой изобретения и ее правовыми эквивалентами.

Изобретение относится к приемникам в системе связи. Технический результат - упрощение, снижение потребляемой мощности, подавление низкочастотного шума и возможность регулирования параметров с помощью конденсаторов связи между усилителем и смесителем. В схеме приемника подача входного сигнала от схемы малошумящего усилителя на вход схемы смесителя осуществлена через схему связи по переменному току, содержащую схему индуктивной или емкостной связи. Для конфигураций со схемой емкостной связи конденсатор связи конфигурируют для получения величины емкости, определяемой как функция чувствительности передаточной проводимости схемы смесителя. В конфигурациях схемы малошумящего усилителя с симметричными выходами для передачи симметричных выходных сигналов на соответствующие входы схемы смесителя используют согласованные конденсаторы связи. В одном примере осуществления схема смесителя содержит схему квадратурного смесителя, который может иметь балансную или двойную балансную конфигурацию. В другом примере осуществления схема смесителя содержит схему четырехфазного смесителя, которая может быть сконфигурирована как схема балансного четырехфазного смесителя, соединенная со схемой малошумящего усилителя через индуктивную или емкостную схему связи. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Схема приемника, содержащая:
схему несимметричного малошумящего усилителя, вырабатывающую один или симметричные выходные сигналы;
схему смесителя, имеющую два или симметричные синфазные или квадратурные сигнальные входы; и
схему емкостной связи, содержащую согласованные схемы емкостной связи для подачи выходного сигнала схемы малошумящего усилителя на входы схемы квадратурного смесителя; и
причем каждая из согласованных схем связи включает в себя конденсатор связи, размеры которого соответствуют чувствительности передаточной проводимости схемы приемника, и конденсатор связи в каждой согласованной схеме связи имеет такие размеры, что ωC>g_m, где ω - интересующая частота, С - величина емкости конденсатора связи, a g_m - величина взаимной проводимости схемы квадратурного смесителя.

2. Схема приемника по п.1, в которой каждый сигнальный выход схемы смесителя включает в себя или объединен с несимметричной оконечной схемой, соединяющей входы смесителя с шиной питания.

3. Схема приемника по п.1, в которой схема смесителя содержит схему квадратурного смесителя, имеющую синфазный и квадратурный сигнальные входы, схема несимметричного малошумящего усилителя вырабатывает один выходной сигнал, а схема емкостной связи разделяет этот один выходной сигнал между синфазным и квадратурными сигнальными входами схемы квадратурного смесителя через два согласованных конденсатора связи.

4. Схема приемника по п.1, в которой схема смесителя содержит схему двойного балансного квадратурного смесителя, схема несимметричного малошумящего усилителя вырабатывает симметричные выходные сигналы, а схема емкостной связи включает в себя пары согласованных конденсаторов связи для соответствующего разделения этих симметричных выходных сигналов и подачи их на симметричные синфазные и квадратурные сигнальные входы схемы двойного балансного квадратурного смесителя.

5. Схема приемника по п.1, в которой величина емкости "С" выбрана так, чтобы обеспечивать падение напряжения переменного тока kT/q, где Т - комнатная температура.

6. Схема приемника по п.1, в которой величина емкости выбрана так, чтобы обеспечивать падение напряжения переменного тока, приблизительно 25 мВ или более при комнатной температуре.

7. Схема приемника по п.1, в которой емкость "С" обеспечивает снижение чувствительности к усилению смесителя в число раз где
ω - интересующая частота по отношению к одному или симметричным выходным сигналам схемы несимметричного малошумящего усилителя, а g_m - номинальная величина передаточной проводимости смесителя.

8. Схема приемника по п.1, в которой схема смесителя содержит схему двойного балансного четырехфазного смесителя, схема несимметричного малошумящего усилителя включает в себя симметричный выход, на котором вырабатываются симметричные выходные сигналы, а согласованные схемы емкостной связи включают в себя согласованные конденсаторы связи, обеспечивающие емкостную передачу этих симметричных выходных сигналов от схемы несимметричного малошумящего усилителя на соответствующие симметричные сигнальные входы схемы двойного балансного четырехфазного смесителя.

9. Схема приемника по п.8, в которой каждый из симметричных входов смесителя схемы двойного балансного четырехфазного смесителя включает в себя несимметричную оконечную схему.

10. Устройство беспроводной связи, включающее в себя схему приемника по любому из пп.1-9.