[发明专利]具有线性跨导体级的吉尔伯特单元混频器

说明书

本发明涉及一种用于将第一信号与第二信号相乘的乘法器。本发明还涉及一种用于接收机且包含此类乘法器的混频器，以及一种包含此类混频器的接收机。更进一步，本发明涉及一种包含此类乘法器的调制器，以及一种包含此类调制器的发射机。此外，本发明还涉及此类乘法器的设计和制造方法。

IQ(同相/正交)调制是一种常用于在载波信号上携带数据的方法。它包括两个正交(I和Q)基带信号，这些信号分别对由正交本地振荡器(RF载波)信号驱动的混频器进行调制。调制器的输出将被求和，以便提供单边带调制射频(RF)信号。对于恒定包络的调制方案来说，对基带IQ信号实施的仅仅是相位或频率调制(例如FSK、GMSK等等)，而不会实施任何振幅调制。同样，输入到IQ调制器中的模拟基带IQ信号是恒定振幅的。

附图中的图1示出了典型的IQ调制架构。在数字调制器2的输入1接收数字信息信号。该数字调制器在输出I数据总线和Q数据总线上产生两个正交的数字基带信号。这些基调信号由数模转换器(DAC)和低通滤波器3转换成相应的模拟基带信号，然后则会在相应的混频器4和5与I和Q载波信号(也就是处于相同载波频率的90°相移信号)混合。混频器的输出会在加法器6中求和，以便在输出7提供一个单边带输出信号。商用的IQ调制器通常会将吉尔伯特单元拓扑用于混合单元，其示例是在B.Gilbert于1968年12月发表于IEEE Journal of Solid-State Circuits的“APrecise Four-Quadrant Multiplier with Subnanosecond Response”一文中公开的。

在实践中，已知的IQ调制器将会遭遇到瑕疵，这些瑕疵将会导致输出频谱中包含不必要的成分。在实践中则有可能出现下列不必要成分：

(i)DC偏移所导致的载波(FC_ARRIER或F_RF)；

(ii)IQ增益和相位不平衡导致的“图像”(F_LSB或F_IMAGE)；以及

(iii)调制器输入失真所导致的三次谐波失真(F_3LSB)。

这个三次谐波失真成分是以分贝为单位对比不必要成分(F_USB)量度的，该成分处于载波频率F_RF的下方，其与载波频率F_RF的间隔是载波频率F_RF与不必要成分F_USB之间间隔的三倍。

图2示出了三个成分，并且还显示了处于F_USB的“不必要”边带成分。除了影响调制精确性(并且由此影响链路可靠性)之外，这些不必要成分还有可能导致出现涉及其他那些在相同频谱中工作的用户的问题，并且可能会导致无法遵守用于寄生发射放射的监管标准。

更进一步，在这里设想三次谐波失真(也被称为“HD3”)，该失真可以通过线性化常规调制架构中的吉尔伯特单元内部的跨导增益来减小。目前存在着数种线性化技术，在CMOS IC设计中，最常见的线性化技术是电阻变性和提高栅极过载电压。诸如“前馈”和“预失真”之类的其他线性化技术同样可以实现线性度改善，但这是以附加的功率损耗为代价的。

根据本发明的第一方面，在这里提供了一种用于将振幅基本恒定的第一交流信号与第二信号相乘的乘法器，其中包括：用于将第一信号转换成差分电流的跨导级，以及用于根据第二信号来引导该差分电流的电流引导级，该跨导级包括晶体管的多个偏移对，其中这些偏移对的输入是并行连接的，并且这些偏移对的输出是并行连接的，每一对晶体管的相对增益会使三次谐波失真的最小值基本上出现在第一信号的振幅处。

这里使用的术语“偏移对”指的是包含了第一和第二分支的差分级，其中每一个分支都包含了一个晶体管或是并行连接的多个晶体管。晶体管的公共端子连接在一起，并且接收基本恒定的“尾电流”，其中该公共端子包含了双极结晶体管的发射极或是场效应晶体管的源极。第一和第二分支则提供了不同的增益。

该晶体管可以是金属氧化物硅晶体管，例如互补型金属氧化物硅晶体管。

第一信号可以是峰-峰振幅基本恒定的正弦波。

第二信号可以是交流信号，例如正弦波。所述第二信号可以具有基本恒定的振幅。

这些偏移对彼此可以是基本相同的。

这些偏移对可以具有基本相同的尾电流。