CN1269921A - 低噪声吉尔伯特(gilbert)乘法器小单元和正交调制器,及相关方法 - Google Patents

低噪声吉尔伯特(gilbert)乘法器小单元和正交调制器,及相关方法 Download PDF

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Abstract

吉尔伯特(Gilbert)乘法器小单元包括发射极耦合晶体管和一对交叉耦合发射极耦合晶体管对。滤波器把发射极耦合晶体管对耦合到该对交叉耦合发射极耦合晶体管对。滤波器可包括一对电感或电阻,其各自的一个电感或电阻把发射极耦合晶体管对的各个晶体管串联耦合到该对交叉耦合发射极耦合晶体管对的各个晶体管,以及一个电容,被连接在该对电感或电阻之间。本地振荡器被耦合到该对交叉耦合发射极耦合晶体管对,以及数据输入被耦合到发射极耦合晶体管对。通过对于被加到该对交叉耦合发射极耦合晶体管对的发射极耦合晶体管对的输出进行低通滤波,可以提供低噪声基底吉尔伯特乘法器小单元和正交相位调制器。

Description

低噪声吉尔伯特(GILBERT)乘法器小单元 和正交调制器，及相关方法
                        发明领域
本发明涉及调制器或混频器电路及相关方法，更具体地，涉及吉尔伯特(Gilbert)小单元调制器及相关方法。
                       发明背景
调制器被广泛地使用于射频发射机，用来把数据输入，例如话音输入，调整到载频。调制器也被称为“混频器”或“乘法器”。例如，在移动无线电话中，调制器被用于无线电话收发信机。
一种被广泛使用的特定类型的调制器是“吉尔伯特(Gilbert)乘法器小单元”也被称为“吉尔伯特调制器”，“吉尔伯特小单元”，或“吉尔伯特混频器”。吉尔伯特乘法器小单元包括发射极耦合晶体管对，也被称为下面的晶体管或驱动晶体管，它被耦合到一对交叉耦合发射极耦合晶体管对，也被称为上面的晶体管，开关晶体管或有源混频器晶体管。数据输入，可以包括模拟或数字话音或数据输入，被耦合到发射极耦合晶体管对。本地振荡器被耦合到该对交叉耦合发射极耦合晶体管对，以产生调制的输出。Paul Gray和Robert Meyer，John Wiley和Sons编著的教科书“Analysis and Design of AnalogIntegrated Circuits(模拟集成电路的分析和设计)”，(Section10.3)，NY，1993，pp 670-675中详细地描述和分析了吉尔伯特乘法器小单元，该书的内容在此引用，以供参考。
在现代通信系统中，提供低噪声吉尔伯特乘法器小单元变得愈加重要。例如，在移动无线电话中，例如蜂窝电话，发射机抑制在接收端产生的噪声是很重要的。这种噪声抑制可通过在吉尔伯特乘法器小单元的输出端处使用声表面波(SAW)滤波器来完成。
不幸地，SAW滤波器可能是昂贵的，以及可能要占用很大的电路板面积，这会限制移动无线电话的尺寸。而且，SAW滤波器的通带可能需要对于特定的射频带宽来定做，这些射频带宽在不同的无线电话系统中间，例如AMPS，DAMPS，和PCS，可能是不同的。因此，在双频段电话中可能需要使用多个SAW滤波器。
授权给Nguyen的题为“Low Noise Active Mixer(低噪声有源混频器)”的美国专利5,379,457描述了用于减小噪声的一种解决办法。正如所描述的，通过用电抗元件替代标准射频发射极衰减电阻而由此降低热噪声，比起传统的吉尔伯特乘法器小单元有源混频器，减小了噪声恶化。通过在射频输入的线路上插入串接电感元件和可任选的并联电容元件而达到窄带输入匹配。
一对吉尔伯特乘法器小单元可被用来产生正交相位调制器，也称为IC/IQ调制器，或I/Q正交调制器。在授权给Percico的题为“I/QQuadraphase Modulator Circuit(I/Q正交相位调制器电路)”的美国专利5,574,755中描述了正交相位调制器。正交相位调制器通常包括正交分路器，也称为90°移相器，以及被耦合到正交分路器的一对吉尔伯特小单元。本地振荡器被耦合到正交分路器，以产生用于各个吉尔伯特小单元的90°移相的本地振荡信号。I-数据和Q-数据被耦合到各个吉尔伯特小单元，以及吉尔伯特小单元的输出被组合，以产生I/Q调制的输出。
如上所述，正交相位调制器的低噪声运行在现代无线通信系统中变得越来越重要。因此，继续有需要低噪声吉尔伯特小单元和正交相位调制器。
                        发明概要
所以，本发明的一个目的是提供改进的吉尔伯特乘法器小单元，正交相位调制器，和相关的调制方法。
本发明的另一个目的是提供吉尔伯特乘法器小单元和正交相位调制器，以及可提供低噪声调制输出的方法。
本发明的再一个目的是提供低噪声吉尔伯特乘法器小单元和正交相位调制器，以及在其输出端处不需要声表面波滤波器而可提供低噪声输出的方法。
这些和其它目的可按照本发明通过吉尔伯特乘法器小单元和正交相位调制器来提供，正交相位调制器包括把发射极耦合晶体管对耦合到一对交叉耦合发射极耦合晶体管对的滤波器。滤波器优选地是具有截止频率的低通滤波器，它滤除截止频率以上的频率。滤波器可以通过一对电感或电阻和被连接在该对电感或电阻之间的电容来实现，该对电感或电阻的各自的电感或电阻把发射极耦合晶体管对的各个晶体管串联耦合到该对交叉耦合发射极耦合晶体管对的各个晶体管。电感可通过使用集成电路螺旋电感器来实现，以及电容可以是分立电容。按照本发明的吉尔伯特乘法器小单元和正交相位调制器可提供低噪声基底，而在吉尔伯特乘法器小单元和正交相位调制器的输出端处不需要昂贵的带通SAW滤波器。而且，即使使用SAW滤波器，也可能只需要较少的SAW滤波器。
本发明起源于这样的认识，即因为交叉耦合发射极耦合晶体管对作为吉尔伯特乘法器小单元运行，这些器件的噪声贡献一般地是很小的。因此，在吉尔伯特乘法器小单元这的大多数噪声是由于发射极耦合晶体管对，它提供信号给交叉耦合的发射极耦合晶体管对。这样，如果发射极耦合晶体管对的噪声贡献被滤除，和不允许与本地振荡器混合，接通和关断该对交叉耦合发射极耦合晶体管对，则吉尔伯特乘法器小单元的噪声可被做得非常低，不需要在吉尔伯特乘法器小单元的输出端处很大的滤波。
按照本发明的吉尔伯特乘法器小单元包括发射极耦合晶体管对和一对交叉耦合发射极耦合晶体管对。低通滤波器把发射极耦合晶体管对耦合到该对交叉耦合发射极耦合晶体管对。按照本发明的吉尔伯特乘法器小单元还包括被耦合到该对交叉耦合发射极耦合晶体管对的本地振荡器，和被耦合到发射极耦合晶体管对的数据输入端。
低通滤波器优选地包括一对电感或电阻，该对电感或电阻的各自的电感或电阻把发射极耦合晶体管对的各个晶体管串联耦合到一对交叉耦合发射极耦合晶体管对的各个晶体管，以及被连接在该对电感或电阻之间的一个电容。低通滤波器优选地具有截止频率，它滤除在截止频率以上的频率。
吉尔伯特乘法器小单元优选地被制做在集成电路基片上，这样发射极耦合晶体管对和一对交叉耦合发射极耦合晶体管对被包含在集成电路基片上。该对电感或电阻也优选地被包括在集成电路基片上，而电容优选地是不被包括在集成电路基片上的分立电容。这对电感可以用一对集成电路螺旋电感来实现。
按照本发明，可以通过使用正交分路器和被耦合到该正交分路器的一对吉尔伯特乘法器小单元来提供正交相位调制器。每个吉尔伯特乘法器小单元包括发射极耦合晶体管对，交叉耦合发射极耦合晶体管对，和把发射极耦合晶体管对耦合到交叉耦合发射极耦合晶体管对的滤波器。本地振荡器被耦合到正交分路器，这样，正交分路器产生一对移相的输出，其各个移相输出被耦合到该对交叉耦合发射极耦合晶体管对和该吉尔伯特乘法器小单元对的各个吉尔伯特乘法器小单元。也提供了I和Q数据输入，其各个数据输入被耦合到发射极耦合晶体管对的各自的一个发射极耦合晶体管和吉尔伯特乘法器小单元对的各自的一个吉尔伯特乘法器小单元。在每个吉尔伯特乘法器小单元中的发射极耦合晶体管对被耦合在一起提供I/Q调制的输出。
因此，通过对被加到交叉耦合发射极耦合晶体管对的发射极耦合晶体管对的输出滤波可以减小吉尔伯特乘法器小单元中的噪声。优选地，利用低通滤波来滤除在截止频率以上的频率。由此，提供了低噪声基底吉尔伯特乘法器小单元和正交相位调制器。
                       附图简述
图1是按照本发明的吉尔伯特乘法器小单元的电路图。
图2是按照本发明的正交相位调制器的电路图。
                     附图详细描述
现在参照附图(附图上，显示了本发明的优选实施例)在下面更详细地描述本发明。然而，本发明可以以多种形式了实施，不应当认为限制于这里所阐述的实施例；而是通过这些实施例以使得本揭示内容将是透彻和全面的，以及向本领域技术人员充分地通报本发明的范围。在全文中，相同的数字是指相同的元件。
现在参照图1，图上显示了按照本发明的吉尔伯特乘法器小单元。如图1所示，吉尔伯特乘法器小单元包括上面的晶体管小单元(开关块)10，下面的晶体管小单元(驱动块)20，和滤波器30、上面的晶体管小单元包括一对交叉耦合发射极耦合晶体管对。晶体管Q4和Q5包括该对交叉耦合发射极耦合晶体管对的一个晶体管，Q6和Q7包括该对交叉耦合发射极耦合晶体管对的另一个晶体管。如图所示，本地振荡器输入“LO IN”被耦合到该对交叉耦合发射极耦合晶体管对。该对交叉耦合发射极耦合晶体管对产生调制的输出。
下面的晶体管小单元20包括其上加上数据输入“DATA IN”的发射极耦合晶体管对Q1和Q2。偏置晶体管Q3负责BIAS输入。构成吉尔伯特乘法器小单元的模块10和20的设计，对于本领域技术人员是熟知的，这里不需要进一步描述。
按照本发明，滤波器30把发射极耦合晶体管对Q1，Q2耦合到该对交叉耦合发射极耦合晶体管对Q4，Q5，和Q6，Q7。如图1所示，滤波器30包括一对电感L1和L2或一对电阻R1，R2，其中每一个把发射极耦合晶体管对中的各个晶体管Q1，Q2串联耦合到该对交叉耦合发射极耦合晶体管对Q4，Q5，和Q6，Q7的各自的一对。电容C被连接在该对电感或电阻之间。电感和电阻也可都使用。滤波器30被用来减小以及优选地去除带外的噪声，否则它们会到达该对交叉耦合发射极耦合晶体管对。这样，吉尔伯特乘法器小单元的带内噪声系数可以保持其典型值12-17dB不变。然而，带外噪声可大大减小。
在优选实施例中，与下面的晶体管小单元的集电极串联的两个电感L1和L2可以具有约为10-15nH的值。它们可以用在用于吉尔伯特乘法器小单元的集成电路基片上的螺旋电感来实现。如果使用电阻R1和R2，则它们可以具有约50Ω的值。如果低通滤波器的截止频率低于几十MHz，则电容C可以是具有5000pF值的外部电容器。具体地，如果数据频率小于30kHz，则截止频率可被设置为100kHz或更高，以及低通滤波器将抑制在45MHz处的噪声。
因此，L1和L2是射频(RF)扼流圈，它们可阻止RF信号不被电容C旁路。同样的功能可以由电阻R1和R2完成。电容C滤除来自晶体管Q1，Q2，和Q3的噪声的高频分量。
图2显示了可以按照本发明的使用两个吉尔伯特乘法器小单元和一个正交分路器实现的低噪声正交调制器。整个调制器可以用集成电路与一对分立的电容来实现。
现在参照图2，按照本发明的I/Q调制器包括第一和第二吉尔伯特乘法器小单元40和50，以及正交分路器60。本地振荡器被耦合到正交分路器60，它提供移相的本地振荡器输出给各个吉尔伯特乘法器小单元40和50。I-数据输入被提供给吉尔伯特乘法器小单元40，以及Q-数据输入被提供给吉尔伯特乘法器小单元50。吉尔伯特乘法器小单元40和50的输出被耦合到一起提供I/Q调制的输出。吉尔伯特乘法器小单元40和50的设计可以是上面结合图1所描述的，不需要再加以描述。
因此，吉尔伯特乘法器小单元中的噪声可以通过对被加到该对交叉耦合发射极耦合晶体管对的发射极耦合晶体管对的输出滤波而被减小。由此可以提供低噪声基底的吉尔伯特乘法器小单元和正交相位乘法器，而不需要在输出端处使用昂贵的和尺寸大的SAW器件。
在附图和说明中，揭示了本发明典型的优选实施例，虽然采用了特定的术语，但它们只是在通用的和说明的意义上被使用，而不是为了限制，本发明的范围在以下的权利要求中加以阐述。

Claims (20)

1.吉尔伯特乘法器小单元包括：
发射极耦合晶体管对，
一对交叉耦合发射极耦合晶体管对；以及
滤波器，把吉尔伯特乘法器小单元对耦合到一对交叉耦合发射极耦合晶体管对。
2.按照权利要求1的吉尔伯特乘法器小单元，其特征在于，其中滤波器包括：
一对电感或电阻，其中每一个把发射极耦合晶体管对中的各个晶体管串联耦合到该对交叉耦合发射极耦合晶体管对的各自的一对；以及
一个电容，被连接在该对电感或电阻之间。
3.按照权利要求2的吉尔伯特乘法器小单元，其特征在于，还包括集成电路基片；
其中发射极耦合晶体管对和该对交叉耦合发射极耦合晶体管对被包含在集成电路基片上；
其中该对电感或电阻被包含在集成电路基片上；以及
其中电容是分立电容器，它不包含在集成电路基片上。
4.按照权利要求3的吉尔伯特乘法器小单元，其特征在于，其中该对电感是一对集成电路螺旋电感。
5.按照权利要求1的吉尔伯特乘法器小单元，其特征在于，还包括：
本地振荡器，被耦合到该对交叉耦合发射极耦合晶体管对；以及
数据输入，被耦合到发射极耦合晶体管对。
6.按照权利要求1的吉尔伯特乘法器小单元，其特征在于，其中滤波器是具有截止频率的滤波器，它滤除在截止频率以上的频率。
7.按照权利要求5的吉尔伯特乘法器小单元，其特征在于，其中本地振荡器振荡在移动无线电话的频率上，以及其中数据输入是移动无线电话数据输入。
8.正交相位调制器包括：
正交分路器；以及
被耦合到正交分路器的一对吉尔伯特乘法器小单元，每个吉尔伯特乘法器小单元包括：
发射极耦合晶体管对；
一对交叉耦合发射极耦合晶体管对；以及
滤波器，它把发射极耦合晶体管对耦合到该对交叉耦合发射极耦合晶体管对。
9.按照权利要求8的正交相位调制器，其特征在于，其中滤波器包括：
一对电感或电阻，其中每一个把发射极耦合晶体管对中的各个晶体管串联耦合到该对交叉耦合发射极耦合晶体管对的各自的一对；以及
一个电容，被连接在该对电感或电阻之间。
10.按照权利要求9的正交相位调制器，其特征在于，还包括集成电路基片；
其中每个吉尔伯特乘法器小单元的发射极耦合晶体管对和该对交叉耦合发射极耦合晶体管对被包含在集成电路基片上；
其中每个吉尔伯特乘法器小单元的该对电感或电阻被包含在集成电路基片上；以及
其中每个吉尔伯特乘法器小单元的电容是分立电容器，它不包括在集成电路基片上。
11.按照权利要求10的正交相位调制器，其特征在于，其中吉尔伯特乘法器小单元的该对电感是一对集成电路螺旋电感。
12.按照权利要求8的正交相位调制器，其特征在于，还包括：
本地振荡器，被耦合到正交分路器；正交分路器产生一对移相的输出，其各个输出被耦合到在吉尔伯特乘法器小单元对中的各自的一个中的该对交叉耦合发射极耦合晶体管对；以及
I和Q数据输入，其各个输入被耦合到在吉尔伯特乘法器小单元对中的各自的一个中的发射极耦合晶体管对的各自的一个。
13.按照权利要求8的正交相位调制器，其特征在于，其中每个滤波器是具有截止频率的滤波器，它滤除在截止频率以上的频率。
14.按照权利要求8的正交相位调制器，其特征在于，其中在每个吉尔伯特乘法器小单元中的该对交叉耦合晶体管对被耦合在一起提供I/Q调制的输出。
15.按照权利要求12的正交相位调制器，其特征在于，其中本地振荡器振荡在移动无线电话的频率上，以及其中I和Q数据输入是移动无线电话数据输入。
16.减小吉尔伯特乘法器小单元中的噪声的方法，吉尔伯特乘法器小单元包括发射极耦合晶体管对，其输出被耦合到一对交叉耦合发射极耦合晶体管对，噪声减小方法包括以下的步骤：
对于被加到该对交叉耦合发射极耦合晶体管对的发射极耦合晶体管对的输出进行滤波。
17.按照权利要求16的方法，其特征在于，其中滤波步骤包括低通滤波步骤，对于发射极耦合晶体管对的输出进行低通滤波，滤除在截止频率以上的频率。
18.按照权利要求17的方法，其特征在于，其中低通滤波步骤包括以下步骤：
把电感或电阻串联耦合在发射极耦合晶体管对与该对交叉耦合发射极耦合晶体管对之间；以及
把电容串联跨接在电感上。
19.按照权利要求16的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
把数据输入耦合到发射极耦合晶体管；以及
把本地振荡器耦合到该对交叉耦合晶体管对。
20.按照权利要求19的方法，其特征在于，其中本地振荡器振荡是移动无线电话本地振荡器，以及其中数据输入是移动无线电话数据输入。
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