Brevet FR2783110A1 — publié le 20000310

La présente invention concerne un dispositif de circuit mélangeur à réjection d'image, dans lequel des si- gnaux d'entrée sont disposés pour être injectés dans un premier chemin et un second chemin parallèles, associés respectivement à des signaux d'oscillateur local en phase et en quadrature, puis ensuite combinés, comprenant dans chaque chemin un circuit source de signal de courant dispo- sé pour fournir, par ses première et seconde sorties, des signaux de courant différentiels, dépendant des signaux d'entrée, à un étage mélangeur. En particulier, mais pas exclusivement, l'in- vention concerne des dispositifs de circuits mélangeurs à réjection d'image destinés à être utilisés dans des cir- cuits de récepteurs radiofréquence (RF) de radiotéléphones. Il existe un mouvement continu, dans la concep- tion des récepteurs de radiotéléphone, pour améliorer les caractéristiques de linéarité, la consommation de puissance et le facteur de bruit des circuits récepteurs, tout en réalisant un gain de réception de niveau convenable. Les circuits mélangeurs à réjection d'image sont des blocs de circuit couramment utilisés dans ces récepteurs. Les cir- cuits mélangeurs à réjection d'image dans lesquels les si- gnaux d'entrée radiofréquence (RF) sont prévus pour être introduits dans des premier et second chemins parallèles, associés respectivement à des signaux d'oscillateur local en phase et en quadrature, puis ensuite combinés, sont gé- néralement préférables à des circuits mélangeurs qui com- portent un filtre pour rejeter les signaux à fréquence image. Cette préférence vient du fait que leur facteur de bruit est comparable à celui obtenu lorsqu'on utilise un filtre de réjection d'image idéal, qui n'est évidemment pas possible, et du fait qu'ils ont tendance à prendre moins de place de puce et/ou à mettre en oeuvre un moins grand nom- bre de composants discrets, que les circuits mélangeurs comportant des filtres de réjection d'image. Quel que soit le type de circuit mélangeur à réjection d'image utilisé dans un récepteur radio, ces paramètres déterminent les ca- ractéristiques principales du récepteur. Ainsi, selon un premier aspect de la présente invention, celle-ci concerne un dispositif de circuit mé- langeur à réjection d'image, dans lequel des signaux d'entrée sont disposés pour être injectés dans un premier chemin et un second chemin parallèles, associés respective- ment à des signaux d'oscillateur local en phase et en qua- drature, puis ensuite combinés, comprenant dans chaque chemin un circuit source de signal de courant disposé pour fournir, par ses première et seconde sorties, des signaux de courant différentiels, dépendant des signaux d'entrée, à un étage mélangeur, caractérisé par un condensateur branché entre les premières sorties des circuits sources de signaux de courant des premier et second chemins. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le dispositif de circuit mélangeur comprend en outre un second condensateur branché entre les secondes sorties des circuits sources de signaux de courant des pre- mier et second chemins. Selon un second aspect de la seconde invention, celle-ci concerne un dispositif de circuit mélangeur à ré- jection d'image, caractérisé en ce qu'il comprend: une en- trée; des premier et second circuits sources de signaux de courant comportant chacun des première et seconde sorties; des premier et second étages mélangeurs comportant chacun des premier et second signaux d'entrée, une entrée de si- gnaux d'oscillateur local, et des première et seconde sor- ties; un circuit combineur comportant des première à qua- trième entrées et une sortie; un condensateur comportant des première et seconde électrodes; et une sortie; l'entrée étant branchée à l'entrée du premier circuit source de signaux de courant et à l'entrée du second cir- cuit source de signaux de courant, les première et seconde sorties du premier circuit source de signaux de courant étant branchées respectivement aux première et seconde en- trées de signaux du premier étage mélangeur, les première et seconde sorties du second circuit source de signaux de courant étant branchées respectivement aux première et se- conde entrées de signaux du premier étage mélangeur, les première et seconde sorties du premier étage mélangeur étant branchées respectivement aux première et seconde en- trées du circuit combineur, les première et seconde sorties du second étage mélangeur étant branchées respectivement aux troisième et quatrième entrées du circuit combineur, la sortie du circuit combineur étant branchée à la sortie, la première électrode du condensateur étant branchée à la pre- mière sortie du premier circuit source de signaux de cou- rant, et la seconde électrode du condensateur étant branchée à la première sortie du second circuit source de signaux de courant. Suivant une autre caractéristique de l'inven- tion, le dispositif comprend en outre un second condensa- teur comportant des première et seconde électrodes, la pre- mière électrode du condensateur étant branchée à la seconde sortie du premier circuit source de signaux de courant et la seconde électrode du condensateur étant branchée à la seconde sortie du second circuit source de signaux de cou- rant. Les circuits sources de signaux de courant sont de préférence des transconducteurs, mais peuvent en va- riante être des amplificateurs de courant, des séparateurs de phase, ou analogues. La principale exigence est qu'ils fournissent des signaux de courant différentiels dépendant des signaux d'entrée qui sont appliqués à leur étage mélan- geur respectif. La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide de modes de réalisation re- présentés sur les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente un dispositif de circuit mélan- geur à réjection d'image selon l'art antérieur; - la figure 2 représente un étage de commutation, un noyau de mélangeur ou un étage de mélangeur typiques; - la figure 3 représente un second dispositif de circuit mélangeur à réjection d'image selon l'art antérieur, utilisé pour expliquer le bruit présent et généré par les composants à l'intérieur d'un mélangeur à réjection d'image; et - la figure 4 représente un dispositif de circuit mélan- geur à réfection d'image selon la présente invention. La figure 1 représente un dispositif de circuit mélangeur à réfection d'image courant, à base de cellule de Gilbert. Le dispositif de circuit mélangeur comprend une borne d'entrée 1 qui est connectée aux entrées de signaux à la fois d'un premier transconducteur 2 et d'un second transconducteur 3, par un noeud 1A. Le premier transconduc- teur 2 comporte des première et seconde sorties qui sont connectées respectivement à des première et seconde entrées de signaux d'un premier étage mélangeur 4, par des con- nexions respectives 2A et 2B. Le second transconducteur 3 comporte des première et seconde sorties qui sont connec- tées respectivement à des première et seconde entrées de signaux d'un second étage mélangeur 5, par des connexions respectives 3A et 3B. Le premier étage mélangeur 4 est dis- posé pour recevoir des signaux d'oscillateur local en phase, par des bornes d'entrée 7 d'oscillateur local. Le second étage mélangeur 5 est disposé pour recevoir des si- gnaux d'oscillateur local en quadrature, par des bornes d'entrée 8 d'oscillateur local. Des signaux de courant de sortie différentiels provenant des premier et second étages mélangeurs 4 et 5, sont fournis à celles respectives des première à quatrième entrées d'un circuit de déphasage et de combinaison 6 dans lequel ils sont combinés. Les signaux combinés sont appliqués à des bornes de sortie 9. Les étages mélangeurs 4 et 5 peuvent comprendre chacun l'étage mélangeur de la figure 2, bien qu'on puisse également utiliser d'autres étages mélangeurs. Une analyse du dispositif de circuit mélangeur à réfjection d'image de la figure 4 fournit les propriétés de bruit de base de ces systèmes, d'o l'on peut tirer des modifications permettant d'optimiser le dispositif de cir- cuit. A la figure 3, un signal d'entrée RF appliqué à une borne 10 est reçu et amplifié par un amplificateur à faible bruit (LNA) 11. Un noeud B à la sortie de cet ampli- ficateur 11 est connecté aux entrées de signaux à la fois d'un étage mélangeur en phase 12 et d'un étage mélangeur en quadrature 13. Les signaux d'oscillateur local fournis à une borne 14 sont appliqués directement à une entrée d'oscillateur local de l'étage mélangeur en quadrature 13 et, par l'intermédiaire d'un déphaseur 15 de 900, à une en- trée d'oscillateur local de l'étage mélangeur en phase 12. Les sorties de l'étage mélangeur en phase 12 et de l'étage mélangeur de quadrature 13 sont connectées respectivement, par l'intermédiaire des noeuds C et D, aux entrées respecti- ves d'un circuit de déphasage et de combinaison 16 dont la sortie est connectée, par un noeud E, à une borne de sortie 17. Le fonctionnement de ce circuit mélangeur à réjection d'image sera facilement compris par un spécialiste de la question. En supposant que le circuit de déphasage et de combinaison 16 est sans bruit, le bruit présent en diffé- rents points du circuit peut se calculer de la manière dé- crite ci-après. La puissance de bruit au noeud B est (1> N -At = Ns AP + N'A' + NLNA +N LNAt s Ap SN SP 'LKA o: Ns, N's = Bruit de source respectivement à la fréquence voulue et à la fréquence image; Ap, A'p = Gain de puissance du LNA respectivement à la fréquence voulue et à la fréquence image; et NLNA, N'LNA = Bruit dû au circuit LNA respectivement à la fréquence voulue et à la fréquence image. La puissance de bruit aux sorties de chacun des étages mélangeurs en phase et en quadrature 12 et 13 (noeuds C et D) est: NIQ 1 (NS AP+ NLNA)Gp+NM + - (N s A'P + N LA)G P + N M (2) 2 2 o: NM, N'M = Bruit dû aux étages mélangeurs 12 et 13 respectivement à la fréquence voulue et à la fréquence image; et Gp, G'p = Gain de puissance respectivement dans les étages mélangeurs 12 et 13. On remarquera que le facteur Y2 dans l'équation (2) traduit le fait que la puissance des signaux à la sor- tie du LNA est également répartie entre l'étage mélangeur en phase 12 et l'étage mélangeur en quadrature 13. Le bruit provenant de la source et du LNA 11 à la sortie de l'étage mélangeur en phase 12, doit être cor- rélé avec le bruit provenant de la source et du LNA 11 à la sortie de l'étage mélangeur en quadrature 13. Le bruit gé- néré dans les étages mélangeurs 12 et 13 ne doit pas être corrélé. Par suite, lorsque les signaux provenant de l'étage mélangeur en phase 12 et de l'étage mélangeur en quadrature 13 sont additionnés, les courants de bruit pro- venant de la source et du LNA 11 à la fréquence des signaux sont additionnés, les courants de bruit provenant de la source et du LNA 11 à la fréquence image, sont rejetés, et les puissances de bruit provenant de l'étage mélangeur en phase 12 et de l'étage mélangeur en quadrature 13 sont ad- ditionnées. Par suite, après sommation (au noeud E), la puissance de bruit de sortie totale est: Ntot=2N, Ap Gp + 2NLVAGP + 2(NM+N M) (3) Par suite, le facteur de bruit est: NF Ntot 1+ NLNA+ 1 N +_, 2N1 AP Gp N, AP AP NSGP = NFLA + (NFSS 1) (4) o IVLN NFLNA = l'+L Ns AP (5) N +N'M NFssB = 1 MN4 M NSSB N1+G On remarquera que l'expression finale (4) ci- dessus correspond au même résultat que celui qui serait ob- tenu pour un système conventionnel présentant les mêmes performances de gain de conversion global et de linéarité, avec un filtre de réjection de signaux à fréquence image entre le LNA et le mélangeur. En pratique, le transconducteur d'entrée peut comporter des blocs communs pour les deux mélangeurs OL-I en phase et OL-Q en quadrature. Dans ce cas, le bruit géné- ré dans le bloc commun est corrélé de sorte que la partie d'image du bruit doit être rejetée. La théorie suggère donc qu'un mélangeur à réjection d'image permet d'obtenir un meilleur facteur de bruit si le transconducteur d'entrée est commun aux deux étages mélangeurs. Il est cependant plus pratique d'utiliser un transconducteur séparé pour chaque étage mélangeur. Une telle disposition ne souffre pas des problèmes posés par la désadaptation à courant continu qui est inévitable lorsque les étages mélangeurs sont branchés en courant continu à un seul transconducteur. Même une petite désadaptation de cou- rant continu entre les entrées des étages mélangeurs doit conduire à des courants continus déséquilibrés dans ces étages. Cela doit conduire à une fuite de signaux à la fré- quence RF et à la fréquence de l'oscillateur local, vers la sortie du mélangeur, et doit également augmenter le débit de bruit arrivant par le chemin de l'oscillateur local. A la figure 4, dans un dispositif de circuit mélangeur à réjection d'image selon la présente invention, une borne d'entrée 20 est connectée, par un noeud F, aux si- gnaux d'entrée à la fois d'un premier transconducteur 21 et d'un second transconducteur 22. Le premier transconducteur 21 comporte des première et seconde sorties qui sont con- nectées respectivement à des première et seconde entrées de signaux d'un premier étage mélangeur 30, par l'un, respec- tif, des premier et second noeuds G et H. Le second trans- conducteur 22 comporte des première et seconde sorties qui sont connectées respectivement à des première et seconde entrées de signaux d'un second étage mélangeur 23, par l'un, respectif, des troisième et quatrième noeuds I et J. L'étage mélangeur 30 est disposé pour recevoir des signaux d'oscillateur local en phase par des bornes d'entrée 24 d'oscillateur local. L'étage mélangeur 23 est disposé pour recevoir des signaux d'oscillateur local en quadrature par des bornes d'entrée 25 d'oscillateur local. Des signaux de courant de sortie différentiels provenant des premier et second étages mélangeurs 30 et 23, sont fournis à l'une, respective, des première à quatrième entrées d'un circuit de déphasage et de combinaison 26 dans lequel ils sont com- binés. Le signal de combinaison est appliqué aux bornes de sortie 27. Un premier condensateur 28 est branché entre les noeuds G et I correspondant aux premières sorties des pre- mier et second transconducteurs 21 et 22, tandis qu'un se- cond condensateur 29 est branché entre les noeuds H et J correspondant aux secondes sorties des premier et second transconducteurs 21 et 22. Les première sorties des premier et second transconducteurs 21 et 22 sont équivalentes l'une à l'autre, de même que les secondes sorties. Chacun des transconducteurs 21 et 22 convertit le signal de tension RF à une seule borne reçu à la borne 20, et fournit, en fonction de celui-ci, des signaux de courant de sortie différentiels sur ses première et seconde sorties respectives. Le signal de courant fourni sur la première sortie de l'un des premier et second transconduc- teurs, est en opposition de phase par rapport au signal fourni sur la seconde sortie de ce transconducteur. De plus, comme les transconducteurs 21 et 22 reçoivent le même signal d'entrée et présentent la même configuration in- terne, les signaux fournis à leurs sorties respectives sont approximativement les mêmes que ceux fournis sur la sortie équivalente du transconducteur opposé 21 et 22. Le fonc- tionnement des étages mélangeurs 30, 23 et du circuit de déphasage et de combinaison 26 est conventionnel. Le branchement des condensateurs 28 et 29 res- pectivement entre les premières sorties et les secondes sorties des transconducteurs 21 et 22, présente un certain nombre d'effets positifs sur le fonctionnement du circuit mélangeur à réjection d'image, comme cela sera décrit ci- après. Les condensateurs 28 et 29 produisent la corre- lation du bruit de sortie des transconducteurs 21 et 22. Ils produisent également la corrélation du bruit généré aux entrées de signaux des étages mélangeurs 30 et 23 par les transistors montés dans ceux-ci. Les composantes du bruit provenant de ces deux sources, qui sont à la fréquence image, doivent donc être rejetées par le fonctionnement des étages mélangeurs 30, 23 et du circuit de déphasage et de combinaison 26. De plus, la puissance des seconds harmoni- ques de la fréquence de l'oscillateur local qui s'échappent par les entrées de signaux des étages mélangeurs 30 et 23, est notablement réduite. Cela est dû au fait que les se- conds harmoniques produits par les signaux d'oscillateur local en phase et en quadrature dans les étages mélangeurs 30 et 23, apparaissent aux entrées de signaux des étages mélangeurs 30 et 23, comme étant déphasés respectivement de . Les condensateurs 28 et 29 compensent les signaux des seconds harmoniques de l'oscillateur local qui apparaissent aux bornes de ceux-ci, de manière à réduire leur amplitude. Dans les circuits mélangeurs à réjection d'image conven- tionnels, le second harmonique de la fréquence de l'oscillateur local perturbe notablement la commutation des transistors à l'intérieur des étages de mélangeurs, et con- duit à une dégénération de gain, en particulier aux fré- quences élevées. L'introduction des condensateurs 28 et 29 con- duit ainsi à une amélioration du gain de conversion global, du facteur de bruit et du point d'interception du troisième ordre du dispositif de circuit mélangeur à réjection d'image. L'étendue de ces améliorations augmente lorsque la fréquence de l'oscillateur local augmente. Pour des récep- teurs radio fonctionnant à 900 ou 1800 MHz, les performan- ces optimales doivent être obtenues par l'introduction de condensateurs 28 et 29 ayant une valeur se situant dans la plage de 0,5 à 4,0 pF. Cependant, la valeur des condensa- teurs 28 et 29 dont on a besoin pour obtenir le maximum d'avantages, doit dépendre en particulier de la fréquence du signal d'entrée RF et des particularités de la concep- tion du circuit mélangeur à réjection d'image. L'introduc- tion des condensateurs 28 et 29 dans le dispositif de cir- cuit mélangeur à réjection d'image n'augmente pas la con- sommation de courant globale du circuit. Il R E V E N D I C A T I O N S 1 ) Dispositif de circuit mélangeur à réjection d'image, dans lequel des signaux d'entrée sont disposés pour être injectés dans un premier chemin et un second chemin paral- lèles, associés respectivement à des signaux d'oscillateur local en phase (30) et en quadrature (23), puis ensuite combinés, comprenant dans chaque chemin un circuit source de signal de courant (21, 22) disposé pour fournir, par ses première et seconde sorties, des signaux de courant diffé- rentiels, dépendant des signaux d'entrée, à un étage mélan- geur (26), caractérisé par un condensateur (28) branché entre les premières sorties des circuits sources de signaux de courant des premier et second chemins. 2 ) Dispositif de circuit mélangeur selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce qu' il comprend en outre un second condensateur (29) branché entre les secondes sorties des circuits sources de signaux de courant des premier et second chemins. 3 ) Dispositif de circuit mélangeur à réjection d'image, caractérisé en ce qu'il comprend: * une entrée (20); * des premier et second circuits sources de signaux de courant (21, 22) comportant chacun des première et se- conde sorties; * des premier et second étages mélangeurs (30, 23) compor- tant chacun des premier et second signaux d'entrée, une entrée de signaux d'oscillateur local (24, 25), et des première et seconde sorties; * un circuit combineur (26) comportant des première à qua- trième entrées et une sortie (27); * un condensateur (28) comportant des première et seconde électrodes; et une sortie; * l'entrée (20) étant branchée à l'entrée du premier cir- cuit source de signaux de courant (21) et à l'entrée du second circuit source de signaux de courant (22), les première et seconde sorties du premier circuit source de signaux de courant étant branchées respectivement aux première et seconde entrées de signaux du premier étage mélangeur (30), les première et seconde sorties du se- cond circuit source de signaux de courant étant bran- chées respectivement aux première et seconde entrées de signaux du premier étage mélangeur (23), les première et seconde sorties du premier étage mélangeur (30) étant branchées respectivement aux première et seconde entrées du circuit combineur (26), les première et seconde sor- ties du second étage mélangeur (23) étant branchées res- pectivement aux troisième et quatrième entrées du circuit combineur (26), la sortie du circuit combineur (26) étant branchée à la sortie (27), la première élec- trode du condensateur (28) étant branchée à la première sortie du premier circuit source de signaux de courant (21), et la seconde électrode du condensateur (28) étant branchée à la première sortie du second circuit source de signaux de courant (22). 4 ) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un second condensateur (29) comportant des première et se- conde électrodes, la première électrode du condensateur (29) étant branchée à la seconde sortie du premier circuit source de signaux de courant (21) et la seconde électrode du condensateur (29) étant branchée à la seconde sortie du second circuit source de signaux de courant (22). ) Dispositif de circuit mélangeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les circuits sources de signaux de courant (21, 22) sont des circuits transconducteurs. 6 ) Récepteur radio comprenant un dispositif de circuit mé- langeur à réjection d'image selon l'une quelconque des re- vendications précédentes. 7 ) Radiotéléphone comprenant un récepteur radio selon la revendication 6.