低噪声吉尔伯特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 Analog Integrated Circuits(模拟集成电路的分析和设计)”，(Section 10.3)，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/Q Quadraphase 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。