DE10004995A1 - Analogmultiplizierer - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung sieht einen Analogmultiplizierer (AM) mit einer MOS-Eingangsstufe (T1, T1') vor. Dadurch ist eine Vergrößerung des Linearitätsbereichs des Multiplizierers erreichbar. In einer Weiterbildung der Erfindung ist eine Kaskade-Schaltung mit einem zusätzlichen Paar von Bipolar-Transistoren (T4, T4') angegeben, wodurch eine höhere Linearität ohne Erhöhung der Versorgungsspannung erreichbar ist. Solche Analogmultiplizierer (AM) werden beispielsweise als Abwärtsmischer in Empfangspfaden von Mobilfunksystemen eingesetzt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Analog-Multiplizierer-Schaltung zur Multiplikation zweier Differenzsignale.

Analogmultiplizierer multiplizieren zwei Differenzsignale miteinander, so daß am Ausgang eines Analogmultiplizierers das multiplizierte Signal ableitbar ist. Analogmultiplizierer werden beispielsweise in Mobilfunkanwendungen eingesetzt. Zur Bildung der Zwischenfrequenz wird beispielsweise beim GSM- Mobilfunk-Standard das in die Antenne eingekoppelte Empfangs­ signal vorverstärkt und in einem Analogmultiplizierer bezie­ hungsweise Abwärtsmischer mit einem Lokaloszillator-Signal multipliziert, so daß am Ausgang des Analogmultiplizierers ein multipliziertes Signal, das Zwischenfrequenz-Signal, zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung steht.

Ein gattungsbildender Analogmultiplizierer ist als Gilbert- Zelle bekannt und beispielsweise in Gray, Meyer: "Analysis and Design of Analog Integrated Circuits", third edition 1993, John Wiley and Sons, auf den Seiten 667 bis 681 be­ schrieben. Diese Gilbert-Multiplizierschaltung ist aus bipo­ laren npn-Transistoren aufgebaut. Ein emittergekoppeltes Transistorenpaar ist in Serie zu zwei, über Kreuz gekoppel­ ten, emittergekoppelten Transistorenpaaren geschaltet. Die Gilbert-Zelle erlaubt die Multiplikation zweier Differenz- Signale, wobei eine Vier-Quadranten-Multiplikation möglich ist. Die beschriebene Gilbert-Zelle weist den Nachteil auf, daß sie nur einen sehr kleinen linearen Bereich hat. Die DC- Transferkennlinie der Gilbert-Zelle ist das Produkt der hy­ perbolischen Tangensfunktionen der beiden Differenz- Eingangsspannungen. Die Tangens-Hyperbolicus-Funktion ist aber nur für kleine Argumente, das heißt kleine Differenz­ spannungswerte, linear. Nur im linearen Bereich jedoch werden die Differenzspannungssignale verzerrungsfrei durch den Mul­ tiplizierer weiterverarbeitet.

Mobilfunksysteme werden in zunehmendem Maße in Kraftfahrzeu­ gen eingesetzt. Beispielsweise bei Autotelefonen, in deren Empfangspfad Analogmultiplizierer als Abwärtsmischer einge­ setzt werden, besteht die Forderung nach einer höheren Linea­ rität beziehungsweise einem größeren Linearitätsbereich des Mischers.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Analogmulti­ plizierer anzugeben, welcher eine höhere Linearität aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe von einem Analogmultipli­ zierer gelöst, mit zwei ersten Transistoren, die miteinander verbunden sind, und denen ein erstes Differenz-Signal zuführ­ bar ist, mit zwei zweiten, emittergekoppelten Transistoren, mit zwei dritten, emittergekoppelten Transistoren, wobei die zwei zweiten Transistoren mit den zwei dritten Transistoren über Kreuz gekoppelt sind, wobei ein erster Transistor in Se­ rie zu den zwei zweiten Transistoren, und wobei ein anderer erster Transistor in Serie zu den zwei dritten Transistoren geschaltet ist, wobei den zwei zweiten und zwei dritten Tran­ sistoren ein zweites Differenz-Signal zuführbar ist, und wo­ bei an den zwei zweiten und an den zwei dritten Transistoren ein drittes Differenz-Signal als Ausgangssignal ableitbar ist, wobei die zwei ersten Transistoren MOS-Transistoren sind, deren Gates miteinander verbunden sind.

Um den Linearitätsbereich des Analogmultiplizierers zu ver­ größern, werden MOS-Transistoren als Eingangsstufe verwendet.

Der Analogmultiplizierer weist zwei erste Transistoren auf, welche miteinander verbunden sind, und denen ein erstes, zu multiplizierendes Differenz-Signal zuführbar ist. In Serie zu den beiden ersten Transistoren ist jeweils ein emittergekop­ peltes Transistorpaar geschaltet, wobei je zwei zweite Transistoren, deren Emitter miteinander verbunden sind, sowie zwei dritte Transistoren, deren Emitter verbunden sind, ein Transistorpaar bilden. Diese Transistorpaare sind über Kreuz miteinander gekoppelt. Den Basisanschlüssen der zweiten be­ ziehungsweise dritten Transistoren ist ein zweites, zu multi­ plizierendes Differenz-Signal zuführbar. An den Kollektoran­ schlüssen der zweiten beziehungsweise dritten Transistoren ist das multiplizierte Signal abgreifbar. Die beschriebene Schaltung zur Bildung eines Analogmultiplizierers weist den Vorteil einer höheren Linearität beziehungsweise eines größe­ ren linearen Bereichs auf.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Er­ findung sind die MOS-Transistoren über je einen Widerstand nach Masse geschaltet.

In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung sind die Gates der beiden MOS-Transistoren verbunden und der Ver­ bindungsknoten ist über einen Kondensator nach Masse geschal­ tet. An diesem Punkt ist eine Bias-Spannung einstellbar.

In einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der vorlie­ genden Erfindung sind zusätzliche, vierte Transistoren zur Bildung einer Kaskode-Schaltung angeordnet. Dabei ist jeweils ein vierter Transistor in Serie zwischen einem ersten Transi­ stor und ein von den zweiten beziehungsweise dritten Transi­ storen gebildetes, emittergekoppeltes Transistorpaar geschal­ tet. Diese Anordnung hat den Vorteil, die höhere Linearität mit einer geringen Versorgungsspannung zu kombinieren.

MOS-Transistoren haben zwischen Drain und Source beziehungs­ weise zwischen Gate und Drain parasitäre Kapazitäten. Bei ho­ hen Frequenzen wird ohne die Verwendung der vierten Transi­ storen der Pfad von den Emitterknoten der zweiten Transisto­ ren beziehungsweise von den Emitterknoten der dritten Transi­ storen nach Masse relativ niederohmig. Das an die Multipli­ ziererschaltung anlegbare zweite Differenz-Signal generiert an den Emitterknoten der zweiten beziehungsweise dritten Transistoren durch einen Gleichrichtvorgang an den Basis- Emitter-Dioden der zweiten beziehungsweise dritten Transisto­ ren ein Gleichtaktspannungssignal mit der doppelten Frequenz des zweiten, zuführbaren Differenz-Signals. Dieses Gleichtaktspannungssignal erzeugt ein Gleichtaktstromsignal, da durch die mit parasitären Kapazitäten behafteten MOS- Transistoren niederohmige Pfade gebildet sind. Dieses Gleichtaktstromsignal erzeugt wiederum am Ausgang der Schal­ tung an einem anschließbaren Lastwiderstand ein Gleichtaktspannungssignal, welches eine hohe Signalamplitude aufweist, wenn der Lastwiderstand groß ist. Das hohe Gleichtaktspannungssignal überlagert sich dem Nutzsignal am Ausgang, das heißt dem an den zweiten beziehungsweise dritten Transistoren abgreifbaren dritten Differenz-Signal. Es führt dazu, daß der Nutzsignalausgangspegel der Multiplizierer­ schaltung schon vor der eigentlichen Linearitätsgrenze in die Begrenzung gelangt. Eine Erhöhung der Versorgungsspannung verringert die Begrenzung des Nutzsignalpegels am Ausgang des Multiplizierers. Das Einfügen von vierten Transistoren in die Schaltung verhindert, daß niederohmige Pfade gebildet werden, und somit weist diese Schaltung neben dem Vorteil der höheren Linearität zusätzlichen den Vorteil der geringen Versorgungs­ spannung auf. Denn eine Erhöhung der Versorgungsspannung ist systembedingt oft unmöglich beziehungsweise nicht wünschens­ wert.

In einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der vorlie­ genden Erfindung sind die vierten Transistoren in einem Kno­ ten miteinander verbunden, wobei dieser Knoten an einem zwei­ ten Kondensator angeschlossen ist, welcher mit Masse verbun­ den ist. An diesem Knoten ist eine zweite Bias-Spannung zu­ führbar.

Weitere Einzelheiten und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbei­ spielen anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfin­ dung an einem Blockschaltbild,

Fig. 2 Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1, wobei die parasitären Kapazitäten der MOS-Transistoren einge­ zeichnet sind,

Fig. 3 Eine Weiterbildung des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1, und

Fig. 4 Ein Anwendungsbeispiel der Erfindung als Abwärtsmi­ scher in einem Empfangspfad eines Mobilfunksystems.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines Analog- Multiplizierers mit einer MOS-Eingangsstufe. Die Eingangsstu­ fe weist zwei erste Transistoren in MOS-Technologie auf, wo­ bei die Gates der ersten Transistoren miteinander verbunden sind. Die Source-Anschlüsse der Transistoren sind über je ei­ nen Widerstand R1, R1' mit Masse verbunden. Die verbundenen Gates der Transistoren T1, T1' sind über einen Kondensator C1 nach Masse gelegt. Den Source-Anschlüssen der ersten Transi­ storen T1, T1', welche mit dem Substrat verbunden sind, ist ein erstes Differenz-Signal MI, MI' zuführbar. Eine Bias- Vorspannung U1 ist über dem Kondensator C1 beziehungsweise an dem Gate der ersten Transistoren T1, T1' anlegbar. Die Drain- Anschlüsse der ersten Transistoren T1, T1' sind jeweils mit den Emitteranschlüssen eines emittergekoppelten Transistor­ paars verbunden. Hierbei bilden zwei zweite Transistoren und zwei dritte Transistoren je ein Transistorpaar. Die Emitter der zwei zweiten Transistoren sind im Knoten E2 verbunden, die Emitteranschlüsse der zwei dritten Transistoren sind im Knoten E3 verbunden. Die beiden von den zweiten und dritten Transistoren gebildeten Transistorpaare sind über Kreuz ge­ koppelt. Hierfür sind die Basisanschlüsse der beiden benach­ barten Transistoren T2', T3 verbunden, sowie die Basisan­ schlüsse der Transistoren T2, T3'. Diesen Basisanschlüssen ist ein zweites Differenz-Signal LO, LO' zuführbar. Die Kol­ lektoranschlüsse der Transistoren T2, T3 sowie T2', T3' sind miteinander verbunden. An den Kollektoranschlüssen dieser beiden Transistorpaare ist das multiplizierte Signal als drittes Differenz-Signal ableitbar. Die Verwendung einer MOS- Eingangsstufe führt zu einem vorteilhaften, größeren Lineari­ tätsbereich der Multipliziererschaltung.

MOS-Transistoren weisen gegenüber Bipolar-Transistoren größe­ re parasitäre Kapazitäten auf, insbesondere zwischen Gate und Drain und zwischen Drain und Substrat. Diese Kapazitäten der MOS-Transistoren werden auch als Rückwirkungskapazität und Ausgangskapazität bezeichnet. Bei hohen Frequenzen entsteht zwischen den Emitterknoten E2 beziehungsweise E3 nach Masse je ein relativ niederohmiger Pfad. Dies kann im Betrieb des Analogmultiplizierers dazu führen, daß die Frequenz FLO des am zweiten Differenz-Signal-Eingangs LO, LO' zuführbaren Si­ gnals durch einen Gleichrichtvorgang an den Basis-Emitter- Dioden der zweiten und dritten Transistoren T2, T2', T3, T3' als Gleichtaktspannungssignal mit der doppelten Frequenz (zwei mal FLO) an den Emitterknoten E2, E3 meßbar ist. Zur Veranschaulichung zeigt Fig. 2 die Schaltungsanordnung mit den eingezeichneten, parasitären Kapazitäten CDS, CDS', CGD, CGD', sowie mit den dadurch verursachten Gleichtaktströmen, I, I' der Frequenz zwei mal FLO. Falls am Ausgang des Analog­ multiplizierers, das heißt an den Kollektoranschlüssen der zweiten und dritten Transistoren, ein hoher Lastwiderstand angeschlossen ist, so wird das Gleichtaktstromsignal am Aus­ gang in ein Gleichtaktspannungssignal hoher Signalamplitude konvertiert. Dieses hohe Gleichtaktspannungssignal, welches sich dem Nutzsignal überlagert, das an den Anschlüssen MO, MO' der Analogmultipliziererschaltung abgreifbar ist, führt dazu, daß die Versorgungsspannung der Schaltungsanordnung erhöht werden muß, um zu verhindern, daß der Pegel des Nutzsi­ gnals am Ausgang des Multiplizierers schon vor der eigentli­ chen Linearitätsgrenze in die Begrenzung getrieben wird.

Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegen­ den Erfindung, bei welcher der vergrößerte Linearitätsbereich ohne Erhöhung der Versorgungsspannung erreicht ist. Bipolar- Transistoren haben signifikant geringere parasitäre Kapazitä­ ten gegenüber MOS-Transistoren. Aus diesem Grund sind zusätz­ liche Bipolar-Transistoren T4, T4' zwischen die Emitterknoten E2, E3 und die Drain-Anschlüsse der ersten Transistoren T1, T1' geschaltet. Dabei ist jeweils der Kollektoranschluß der Transistoren T4, T4' mit je einem Emitterknoten E2, E3 ver­ bunden, und die Emitteranschlüsse der vierten Transistoren T4, T4' sind mit den Drain-Anschlüssen der ersten Transisto­ ren T1, T1' verbunden. Die Basis-Anschlüsse der vierten Tran­ sistoren T4, T4' sind miteinander in einem Knoten verbunden, an den ein Kondensator C2, welcher gegen Masse geschaltet ist, angeschlossen ist. Über diesen Kondensator C2 ist eine zweite Bias-Spannung U2 anlegbar. Durch das serielle Einfügen zusätzlicher, vierter Transistoren T4, T4' unter Bildung ei­ ner Kaskode-Stufe werden die Pfade von den Emitterpunkten E2, E3 über die ersten Transistoren T1, T1' nach Masse auch bei hohen Frequenzen nicht niederohmig. Die Entstehung eines Gleichtaktsignals, welches doppelte Frequenz gegenüber dem am zweiten Differenz-Signal-Eingang der Schaltung zuführbaren Signal aufweist, wird hierdurch stark unterdrückt. Folglich kommt es nicht zur Überlagerung eines Gleichtaktsignals mit dem Nutzsignal am Ausgang MO, MO' der Multipliziererschal­ tung. Deshalb kann auf eine Erhöhung der Versorgungsspannung verzichtet werden. Somit weist die Schaltung eines Analogmul­ tiplizierers gemäß Fig. 3 den Vorteil auf, daß ein Multipli­ zierer mit vergrößerter Linearität auch in solchen Systemen einsetzbar ist, die systembedingt eine Erhöhung der Versor­ gungsspannung nicht erlauben.

Fig. 4 schließlich zeigt ein Anwendungsbeispiel der be­ schriebenen Analogmultipliziererschaltung AM im Empfängerpfad eines Mobilfunksystems. Hierbei wird ein an einer Antenne ANT einkoppelndes Empfangssignal in einem rauscharmen Vorverstär­ ker AMP vorverstärkt und einem Abwärtsmischer, welcher als Analogmultiplizierer AM ausgeführt ist, an dessen ersten Dif­ ferenz-Signal-Eingang MI, MI' zugeführt. Der zweite Diffe­ renz-Signal-Eingang des Analogmultiplizierers AM ist mit ei­ nem Lokaloszillator an den Eingängen LO, LO' verbunden. Das multiplizierte Signal steht an den Ausgängen MO, MO' des Ana­ logmultiplizierers zur Verfügung. In Empfangspfaden eines Mo­ bilfunksystems ist dieses Ausgangssignal das Zwischenfre­ quenz-Signal.

Der vergrößerte Linearitätsbereich eines Analogmultiplizie­ rers erlaubt es nunmehr, eine Schaltungsanordnung gemäß Fig. 4 in vorteilhafter Weise beispielsweise in Kraftfahrzeug- Mobilfunksystemen einzusetzen.

Claims (6)

1. Analogmultiplizierer

• - mit zwei ersten Transistoren (T1, T1'), die miteinander verbunden sind, und denen ein erstes Differenz-Signal (MI, MI') zuführbar ist,
• - mit zwei zweiten, emittergekoppelten Transistoren (T2, T2'),
• - mit zwei dritten, emittergekoppelten Transistoren (T3, T3'),
• - welche mit den zwei zweiten Transistoren (T2, T2') über Kreuz gekoppelt sind,
• - wobei ein erster Transistor (T1) in Serie zu den zwei zweiten Transistoren (T2, T2'), und ein anderer erster Transistor (T1') in Serie zu den zwei dritten Transisto­ ren (T3, T3') geschaltet ist,
• - wobei den zwei zweiten und den zwei dritten Transistoren ein zweites Differenz-Signal (LO, LO') zuführbar ist, und
• - wobei an den zwei zweiten und an den zwei dritten Tran­ sistoren (T2, T2', T3, T3') ein drittes Differenz-Signal (MO, MO') als Ausgangssignal ableitbar ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - die zwei ersten Transistoren (T1, T1') MOS-Transistoren sind, deren Gates miteinander verbunden sind.

2. Analogmultiplizierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die MOS-Transistoren (T1, T1') über je einen Widerstand (R1, R1') mit Masse verbunden sind.

3. Analogmultiplizierer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gates der MOS-Transistoren (T1, T1') über einen Kondensa­ tor (C1) mit Masse verbunden sind.

4. Analogmultiplizierer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem ersten Transistor (T1) und den beiden zweiten Transistoren (T2, T2') sowie zwischen einem anderen ersten Transistor (T1') und den beiden dritten Transistoren (T3, T3') jeweils ein vierter Transistor (T4, T4') zur Bildung ei­ ner Kaskode-Schaltung in Serie geschaltet ist.

5. Analogmultiplizierer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vierten Transistoren (T4, T4') in einem Knoten miteinan­ der verbunden sind, an dem ein zweiter Kondensator (C2) ange­ schlossen ist, der mit Masse verbunden ist.

6. Analogmultiplizierer nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Verwendung in einem Mobilfunksystem, dadurch gekennzeichnet, daß das erste zuführbare Differenz-Signal (MI, MI') ein Empfangs­ signal ist, daß das zweite zuführbare Differenz-Signal (LO, LO') von einem Lokal-Oszillator generiert ist, und daß das dritte Differenz-Signal (MO, MO') ein Zwischenfrequenzsignal ist.