消除直流偏壓的負載電路及使用該負載電路的混波器的製作方法

2023-06-08 12:59:21

專利名稱：消除直流偏壓的負載電路及使用該負載電路的混波器的製作方法
技術領域：
本發明是關於消除直流偏壓的負載電路及使用該負載電路的混波器，特別是關於不需大面積的電容的消除直流偏壓的負載電路及使用該負載電路的混波器。
背景技術：
圖1為常見的零中頻或低中頻的接收器架構。如該圖所示，該接收器10包括一天線11，一低噪聲放大器(Low Noise Amplifier，LNA)12，混波器(Mixer)13、13′，驅動放大器(Driver)14、14′，低通濾波器(Low passfilter)15、15′，可調式增益放大器(VGA)16、16′，模擬數字轉換器(ADC)17、17′，數字基頻接收器(Digital base-band receiver)100，本地振蕩器(Local Oscillator)19，及相位移轉器(Phase shifter)18、18′。
零中頻或低中頻的接收器10一般需要混波器13、13′將低噪聲放大器12的輸出信號與相位移轉器18、18′的時脈信號混合後輸出。但是，低噪聲放大器12的輸出信號與相位移轉器18、18′的時脈信號會有直流偏壓(DCoffset)，尤其以零中頻的接收器架構更為嚴重。當直流偏壓發生時，會使得後續的可調式增益放大器16、16′進入飽和模式，因而無法有效發揮其放大的效果。其所造成的影響會使得接收器的位錯誤率(Bit Error Rate，BER)上升，甚至會造成完全無法收到信號。
圖2為一般吉伯特單元(Gilbert Cell)混波器的電路。如該圖所示，該混波器13的負載單元131是利用電晶體132、133來作為負載，藉以產生輸出電壓Voutp與Voutn。信號Vinp與Vinn為差動輸入，信號Vlop與Vlon也為差動輸入。因此當輸入信號有直流偏壓時，該負載單元131並無法消除輸入信號的直流偏壓，使得輸出電壓Voutp與Voutn也存在直流偏壓。
目前有多種已知技術來消除直流偏壓，例如美國第4,873,702、5,748,681、5,793,230、5,798,664等專利。第4,873,702專利主要是利用模擬數字轉換器(ADC)與數位訊號處理(Digital signal processing，DSP)技術將直流偏壓信號分離出，接著利用數字模擬轉換器(DAC)將分離出的直流偏壓信號轉換成模擬信號，再與原信號相減來消除直流偏壓信號。此專利的缺點是須要複雜的ADC、DSP、與DAC電路設計。
第5,748,681專利主要是利用一個大電容來完成高通濾波器，因而可去除直流偏壓信號。此專利的缺點是須要非常大的金屬絕緣(MetalInsulation Metal，MIM)或(Poly Insulation Poly，PIP)電容，因而會佔據大量的IC面積。
第5,793,230與5,798,664等專利主要是利用一個大電容來完成低通濾波器，再將此低通濾波器的輸出反饋到電路的輸入來形成高通濾波器，因而可去除直流偏壓信號。此專利的缺點仍是須要非常大的MIM或PIP電容，因而會佔據大量的IC面積。

發明內容
有鑑於上述問題，本發明的目的是提供一種不需複雜的ADC、DAC、DSP電路，也不需非常大的MIM或PIP電容的消除直流偏壓的負載電路及使用該負載電路的混波器。
為達成上述目的，本發明消除直流偏壓的負載電路包含第一鏡射單元與第二鏡射單元，分別接收第一輸入信號與第二輸入信號，並產生與該等輸入信號等比例的第一信號電流與第二信號電流；第一補償單元與第二補償單元，分別接收第一輸入信號與第二輸入信號，過濾該等輸入信號的交流成分，並產生與該等輸入信號的直流成分等比例的第一補償電流與第二補償電流；一第一負載單元，接收第一信號電流與第二補償電流，並產生第一輸出信號；以及一第二負載單元，接收第二信號電流與第一補償電流，並產生第二輸出信號。
由於第一負載單元與第二負載單元均有接收兩個輸入信號的直流成分，因此兩個輸出信號的電壓差不會受到輸入信號的直流偏壓的影響。


圖1為常見的零中頻或低中頻的接收器架構；圖2為一般混波器的電路；圖3為本發明的消除直流偏壓的混波器的架構圖；圖4為本發明消除直流偏壓的負載電路的第一實施例；圖5為本發明消除直流偏壓的負載電路的第二實施例；圖6為一般沒有消除直流偏壓功能的混波器的輸出信號；圖7為本發明具有消除直流偏壓的負載電路的混波器的輸出信號。
具體實施例方式
以下參考圖式詳細說明本發明消除直流偏壓的負載電路及使用該負載電路的混波器。
圖3為本發明的消除直流偏壓的混波器的架構圖。如該圖所示，本發明消除直流偏壓的混波器30與已知混波器類似(參考圖2)，其不同點為本發明消除直流偏壓的混波器30使用一消除直流偏壓的負載電路40來消除輸入信號Vinp與Vinn的直流偏壓，藉以產生沒有直流偏壓的輸出信號Voutp與Voutn。亦即，本發明消除直流偏壓的混波器30以消除直流偏壓的負載電路40來取代已知混波器的負載單元。而該消除直流偏壓的負載電路40可將信號Vp與Vn的直流偏壓消除，並產生沒有直流偏壓的輸出信號Voutp與Voutn。
圖4為本發明消除直流偏壓的負載電路的第一實施例。消除直流偏壓的負載電路40包含一第一鏡射單元41、一第二鏡射單元42、一第一補償單元43、一第二補償單元44、一第一負載單元45、以及一第二負載單元46。
第一鏡射單元41接收第一輸入信號Vn，並產生與第一輸入信號Vn等比例的一第一信號電流Ip3。第一補償單元43接收第一輸入信號Vn、過濾第一輸入信號Vn的交流成分、並產生與第一輸入信號Vn等比例的一第一補償電流Ip5。第二鏡射單元42接收第二輸入信號Vp，並產生與第二輸入信號Vp等比例的一第二信號電流Ip4。第二補償單元44接收第二輸入信號Vp、過濾第二輸入信號Vp的交流成分、並產生與第二輸入信號Vp等比例的一第二補償電流Ip6。第一負載單元45接收第一信號電流Ip3與第二補償電流Ip6後，產生第一輸出電壓Voutn。第二負載單元46接收第二信號電流Ip4與第一補償電流Ip5後，產生第二輸出電壓Voutp。第一負載單元45與第二負載單元46可以是電阻。根據圖4的消除直流偏壓的負載電路40所示，第一負載單元45的一端除了接收第一信號電流Ip3之外，還接收根據第二輸入信號Vp所產生的第二補償電流Ip6，其另一端接地；而第二負載單元46的一端除了接收第二信號電流Ip4之外，還接收根據第一輸入信號Vn所產生的第一補償電流Ip5，其另一端接地。由於第一負載單元45與第二負載單元46分別接收對方的直流成分的補償電流，因此，該消除直流偏壓的負載電路40在第一負載單元45與第二負載單元46所產生的輸出信號Voutn與Voutp的直流偏壓接近於0。
第一鏡射單元41為一電流鏡架構，包含第一電晶體Mp1與第三電晶體Mp3。第一電晶體Mp1與第三電晶體Mp3的源極連接於電壓源，而第一電晶體Mp1的閘極與汲極以及第三電晶體Mp3的閘極均連接於第一輸入信號Vn。第三電晶體Mp3的汲極提供第一信號電流Ip3。第二鏡射單元42也為一電流鏡架構，包含第二電晶體Mp2與第四電晶體Mp4。第二電晶體Mp2與第四電晶體Mp4的源極連接於電壓源，而第二電晶體Mp2的閘極與汲極以及第四電晶體Mp4的閘極均連接於第二輸入信號Vp。第四電晶體Mp4的汲極提供第二信號電流Ip4。
第一補償單元43與第一電晶體Mp1也形成電流鏡架構。該第一補償單元43包含了第一濾波單元431與一第五電晶體Mp5。第一濾波單元431接收第一輸入信號Vn，並濾除交流成分後產生一第一濾波信號。第五電晶體Mp5的源極連接於電壓源、閘極接收第一濾波信號、而汲極提供第一補償電流Ip5。第二補償單元44與第二電晶體Mp2也形成電流鏡架構。該第二補償單元44包含了第二濾波單元441與一第六電晶體Mp6。第二濾波單元441接收第二輸入信號Vp，並濾除交流成分後產生一第二濾波信號。第六電晶體Mp6的源極連接於電壓源、閘極接收第二濾波信號、而汲極提供第二補償電流Ip6。
在設計上，第一電晶體Mp1與第二電晶體Mp2的外觀比(appearanceratio)或長寬比(W/L ratio)相同；而第三電晶體Mp3、第四電晶體Mp4、第五電晶體Mp5與第六電晶體Mp6的外觀比相同，且為第一電晶體Mp1的外觀比的N倍。
下列公式用來證明本發明消除直流偏壓的負載電路40的功效。首先，假設在無直流偏壓訊號存在的情形之下，Ip1及Ip2的訊號可以表示為Ip1＝Ibias-Iac...(1)Ip2＝Ibias+Iac...(2)Vp與Vn的訊號可以表示為Vn＝Vbias-Vac ...(3)Vp＝Vbias+Vac ...(4)同時，由於R1、R2與Cv的電路組合對於Vp與Vn的訊號而言是具有低通濾波器的效果，因此Va與Vb的訊號可以表示為Va＝Vb＝Vbias ...(5)因此，流經Mp3、Mp4、Mp5、Mp6的電流Ip3、Ip4、Ip5、Ip6可分別表示為Ip3＝N*Ip1＝N*(Ibias-Iac) ...(6)Ip4＝N*Ip2＝N*(Ibias+Iac) ...(7)Ip5＝N*Ibias...(8)Ip6＝N*Ibias...(9)最後，輸出信號Voutp與Voutn可以表示為Voutn＝(Ip3+Ip6)*Rload＝N*(2Ibias-Iac)*Rload...(10)Voutp＝(Ip4+Ip5)*Rload＝N*(2Ibias+Iac)*Rload...(11)ΔVout＝Voutp-Voutn＝2N*Iac*Rload ...(12)而當訊號存在直流偏壓Idc_offset的情形之下，Ip1及Ip2的訊號可以表示為Ip1＝Ibias-Iac ...(13)Ip2＝Ibias+Iac+Idc_offset ...(14)Vp與Vn的訊號可以表示為Vn＝Vbias-Vac ...(15)Vp＝Vbias+Vac+Vdc_offset...(16)同時，由於R1、R2與Cv的電路組合對於Vp與Vn的訊號而言是具有低通濾波器的效果，因此Va與Vb的訊號可以表示為Va＝Vbias ...(17)Vb＝Vbias+Vdc_offset...(18)因此，流經Mp3、Mp4、Mp5、Mp6的電流Ip3、Ip4、Ip5、Ip6可分別表示為Ip3＝N*Ip1＝N*(Ibias-Iac) ...(19)Ip4＝N*Ip2＝N*(Ibias+Iac+Idc_offset)...(20)Ip5＝N*Ibias...(21)
Ip6＝N*(Ibias+Idc_offset)...(22)最後，輸出信號Voutp與Voutn可以表示為Voutn＝(Ip3+Ip6)*Rload＝N*(2Ibias-Iac+Idc_offset)*Rload ...(23)Voutp＝(Ip4+Ip5)*Rload＝N*(2Ibias+Iac+Idc_offset)*Rload ...(24)ΔVout＝Voutp-Voutn＝2N*Iac*Rload...(25)由於ΔVout並沒有包含直流偏壓Idc_offset，因此直流偏壓Idc_offset並不會對輸出信號Voutp與Voutn的壓差ΔVout造成影響。而且，即使在圖4的電路有使用到的電容，但該電容均可利用MOS電容來完成，因此可以大幅減少所需要的晶片面積。
圖5則為本發明消除直流偏壓的負載電路的第二實施例。該第二實施例的消除直流偏壓的負載電路40′的組件與第一實施例的消除直流偏壓的負載電路40的組件相同，也包含一第一鏡射單元41′、一第二鏡射單元42′、一第一補償單元43′、一第二補償單元44′、一第一負載單元45、以及一第二負載單元46。只是第一實施例的消除直流偏壓的負載電路40所使用的電晶體是PMOS電晶體(Mp1～Mp6)，因此負載電流是先經過電晶體後再流過負載單元；而第二實施例的消除直流偏壓的負載電路40′是使用NMOS電晶體(Mn1～Mn6)，因此負載電流是先經過負載單元後再流過電晶體。因此，第二實施例的消除直流偏壓的負載電路40′與第一實施例的消除直流偏壓的負載電路40的動作原理是相同的。其中第一鏡射單元包含一第一電晶體，其源極接地，汲極連接於第一輸入信號，閘極與汲極互相連接產生前述第一輸入信號；一第三電晶體，其源極接地，閘極連接於前述第一輸入信號，汲極產生第一信號電流。
第二鏡射單元包含一第二電晶體，其源極接地，汲極連接於第二輸入信號，閘極與汲極互相連接產生前述第二輸入信號；一第四電晶體，其源極接地，閘極連接於前述第二輸入信號，汲極產生第二信號電流。
第一補償單元包含一第一低通濾波器，系接收前述第一輸入信號，並產生一第一濾波信號；一第五電晶體，其源極接地，閘極連接於前述第一輸入信號，汲極產生第一補償電流。
第二補償單元包含一第二低通濾波器，系接收前述第二輸入信號，並產生一第二濾波信號；一第六電晶體，其源極接地，閘極連接於前述第二輸入信號，汲極產生第二補償電流。
第一負載單元可為電阻，且一端接收前述第一信號電流與前述第二補償電流並產生第一輸出電壓，另一端連接電壓源。
第二負載單元可為電阻，且一端接收前述第二信號電流與前述第一補償電流並產生第二輸出電壓，另一端連接電壓源。
同樣，在設計上，第一電晶體與第二電晶體的外觀比相同，而第三電晶體、第四電晶體、第五電晶體與第六電晶體的外觀比相同，同時該等電晶體的外觀比為第一電晶體的外觀比的N倍。
圖6為一般沒有消除直流偏壓功能的混波器的輸出信號，其中在t＝2微秒(us)有直流偏壓產生。圖7為本發明具有消除直流偏壓的負載電路的混波器的輸出信號，其中在t＝2微秒時有直流偏壓產生，而在t＝6微秒時直流偏壓被消除了。因此，根據圖7所示，本發明具有消除直流偏壓負載電路的混波器可有效消除直流偏壓。
以上雖以實施例說明本發明，但並不因此限定本發明的範圍，只要不脫離本發明的要旨，該行業者可進行各種變形或變更。
權利要求
1.一種消除直流偏壓的負載電路，接收第一輸入信號與第二輸入信號，並產生沒有直流偏壓的第一輸出信號與第二輸出信號，其特徵在於包含一第一鏡射單元，接收前述第一輸入信號，並產生與該第一輸入信號等比例的一第一信號電流；一第一補償單元，接收前述第一輸入信號，過濾該第一輸入信號的交流成分，並產生與該第一輸入信號的直流成分等比例的一第一補償電流；一第二鏡射單元，接收前述第二輸入信號，並產生與該第二輸入信號等比例的一第二信號電流；一第二補償單元，接收前述第二輸入信號，過濾該第二輸入信號交流成分，並產生與該第二輸入信號的直流成分等比例的一第二補償電流；一第一負載單元，接收前述第一信號電流與前述第二補償電流，並產生前述第一輸出信號；以及一第二負載單元，接收前述第二信號電流與前述第一補償電流，並產生前述第二輸出信號。
2.如權利要求1所記載的消除直流偏壓的負載電路，其特徵在於，其中前述第一鏡射單元包含一第一電晶體，其源極連接於一電壓源，汲極連接於前述第一輸入信號，閘極與汲極互相連接；以及一第三電晶體，其源極連接於前述電壓源，閘極連接於前述第一輸入信號，汲極產生前述第一信號電流。
3.如權利要求2所記載的消除直流偏壓的負載電路，其特徵在於，其中前述第二鏡射單元包含一第二電晶體，其源極連接於前述電壓源，汲極連接於前述第二輸入信號，閘極與汲極互相連接；以及一第四電晶體，其源極連接於前述電壓源，閘極連接於前述第二輸入信號，汲極產生前述第二信號電流。
4.如權利要求3所記載的消除直流偏壓的負載電路，其特徵在於，其中前述第一補償單元包含一第一低通濾波器，接收前述第一輸入信號，並產生一第一濾波信號；以及一第五電晶體，其源極連接於前述電壓源，閘極連接於前述第一輸入信號，汲極產生前述第一補償電流。
5.如權利要求4所記載的消除直流偏壓的負載電路，其特徵在於，其中前述第二補償單元包含一第二低通濾波器，接收前述第二輸入信號，並產生一第二濾波信號；以及一第六電晶體，其源極連接於前述電壓源，閘極連接於前述第二輸入信號，汲極產生前述第二補償電流。
6.如權利要求1或5所記載的消除直流偏壓的負載電路，其特徵在於，其中前述第一負載單元為電阻，且一端接收前述第一信號電流與前述第二補償電流並產生前述第一輸出電壓，另一端接地。
7.如權利要求1或5所記載的消除直流偏壓的負載電路，其特徵在於，其中前述第二負載單元為電阻，且一端接收前述第二信號電流與前述第一補償電流並產生前述第二輸出電壓，另一端接地。
8.如權利要求5所記載的消除直流偏壓的負載電路，其特徵在於，其中前述第一電晶體與第二電晶體的外觀比相同，且前述第三電晶體、第四電晶體、第五電晶體與第六電晶體的外觀比相同，同時該等電晶體的外觀比為前述第一電晶體的外觀比的N倍。
9.如權利要求1所記載的消除直流偏壓的負載電路，其特徵在於，其中前述第一鏡射單元包含一第一電晶體，其源極接地，汲極連接於前述第一輸入信號，閘極與汲極互相連接產生前述第一輸入信號；以及一第三電晶體，其源極接地，閘極連接於前述第一輸入信號，汲極產生前述第一信號電流。
10.如權利要求9所記載的消除直流偏壓的負載電路，其特徵在於，其中前述第二鏡射單元包含一第二電晶體，其源極接地，汲極連接於前述第二輸入信號，閘極與汲極互相連接產生前述第二輸入信號；以及一第四電晶體，其源極接地，閘極連接於前述第二輸入信號，汲極產生前述第二信號電流。
11.如權利要求10所記載的消除直流偏壓的負載電路，其特徵在於，其中前述第一補償單元包含一第一低通濾波器，系接收前述第一輸入信號，並產生一第一濾波信號；以及一第五電晶體，其源極接地，閘極連接於前述第一輸入信號，汲極產生前述第一補償電流。
12.如權利要求11所記載的消除直流偏壓的負載電路，其特徵在於，其中前述第二補償單元包含一第二低通濾波器，系接收前述第二輸入信號，並產生一第二濾波信號；以及一第六電晶體，其源極接地，閘極連接於前述第二輸入信號，汲極產生前述第二補償電流。
13.如權利要求12所記載的消除直流偏壓的負載電路，其特徵在於，其中前述第一負載單元為電阻，且一端接收前述第一信號電流與前述第二補償電流並產生前述第一輸出電壓，另一端連接前述電壓源。
14.如權利要求12所記載的消除直流偏壓的負載電路，其特徵在於，其中前述第二負載單元為電阻，且一端接收前述第二信號電流與前述第一補償電流並產生前述第二輸出電壓，另一端連接前述電壓源。
15.如權利要求12所記載的消除直流偏壓的負載電路，其特徵在於，其中前述第一電晶體與第二電晶體的外觀比相同，且前述第三電晶體、第四電晶體、第五電晶體與第六電晶體的外觀比相同，同時該等電晶體的外觀比為前述第一電晶體的外觀比的N倍。
16.如權利要求1所記載的消除直流偏壓的負載電路，其特徵在於，該負載電路使用於混波器。
全文摘要
一種消除直流偏壓的負載電路及使用該負載電路的混波器。該負載電路包含第一鏡射單元與第二鏡射單元，分別接收第一輸入信號與第二輸入信號，並產生與該等輸入信號等比例的第一信號電流與第二信號電流；第一補償單元與第二補償單元，分別接收第一輸入信號與第二輸入信號，過濾該等輸入信號的交流成分，並產生與該輸入信號的直流成分等比例的第一補償電流與第二補償電流；一第一負載單元，接收第一信號電流與第二補償電流，並產生第一輸出信號；以及一第二負載單元，接收第二信號電流與第一補償電流，並產生第二輸出信號。
文檔編號H04L25/06GK1797937SQ20041010165
公開日2006年7月5日 申請日期2004年12月20日 優先權日2004年12月20日
發明者鍾元鴻 申請人:凌陽科技股份有限公司