(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
局部発振信号（ＯｓｃＢ）及びオフセット電流信号（ＩＯＦＦＳＥＴ）を発生する発振回路（１０）と；
バイアス電圧信号及びバイアス電流信号（ＩＶＣＣＰＴＡＴ）を発生するバイアス回路網（１４）と；
前記発振回路（１０）及び前記バイアス回路網（１４）に接続され、入力信号を受信する入力端子（ＩＮＰ，ＩＮＮ）及び前記局部発振器（１０）のオフセット電流信号（ＩＯＦＦＳＥＴ）、前記バイアス電圧信号及び前記バイアス電流信号を受信する入力端子を有し、前記入力信号を表す中間周波信号を出力端子（ＭＯＵＴ）に発生するミクサ回路（１２）と；
を具え、
前記ミクサ回路（１２）がさらに：
局部発振信号を受信し、且つ内部的な局部発振信号を発生する内部発振手段（ＣＭ１０，ＸＲＭ１４Ａ，ＱＭ２１）と；
前記オフセット電流信号（ＩＯＦＦＳＥＴ）を受信し、且つ前記ミクサ回路（１２）内に内部的に発生する局部発振バイアス信号を平衡させ、前記内部発振手段（ＣＭ１０，ＸＲＭ１４Ａ，ＱＭ２１）と共に、前記バイアス電流信号を受信する複製段（２０）と；
内部的に平衡させた局部発振信号を受信する上側のツリー回路（２４）と；
前記入力信号及び前記バイアス電圧信号を受信する下側のツリー回路（２２）であって、前記上側のツリー回路（２４）及び前記下側のツリー回路（２２）が、前記入力信号及び前記内部的に平衡させた局部発振信号を混合して、前記中間周波出力（ＭＯＵＴ２）を発生すべく接続される下側のツリー回路（２２）と；
を具えていることを特徴とするミクサ。
【請求項２】
前記ミクサ回路（１２）の前記下側のツリー回路（２２）が３重の差動増幅器（ＱＭ１，ＱＭ２，ＱＭ１１，ＱＭ１２，ＱＭ３，ＱＭ４）を具えていることを特徴とする請求項１に記載のミクサ。
【請求項３】
前記上側のツリー回路（２４）が第１及び第２対のトランジスタ（ＱＭ５，ＱＭ６，ＱＭ７，ＱＭ８）を具えていることを特徴とする請求項１に記載のミクサ。
【請求項４】
前記発振回路（１０）が発振トランジスタ（Ｑ０１）を具えていることを特徴とする請求項１に記載のミクサ。
【請求項５】
前記複製段（２０）がトランジスタ（ＱＭ２０）及び抵抗（ＸＲＭ３２）を具え、該抵抗の一端を前記トランジスタ（ＱＭ２０）のベースに接続し、他端を電源端子（ＶＣＣＭ）に接続したことを特徴とする請求項１に記載のミクサ。
【請求項６】
前記複製段（２０）が前記オフセット信号（ＩＯＦＦＳＥＴ）に応答して、前記内部発振手段（ＣＭ１０，ＸＲＭ１４Ａ，ＱＭ２１）にて発生されるバイアス信号と同一のバイアス信号を発生することを特徴とする請求項５に記載のミクサ。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
発明の分野
本発明は無線周波ミクサに関するものである。特に、本発明は性能改善のために周波数及びバイアス補償を利用して直線性を高める無線周波ミクサに関するものである。
従来技術
現在、無線周波回路におけるミクサの設計には標準のギルバートセルが用いられている。ギルバートセルは一般にミクサの下側のツリーにおける単一又は二重の差動トランジスタ対を構成する。このようなミクサは米国特許第４，３４４，１８８号に開示されている。低電圧の状態下では、中間周波出力が大きな局部発振信号のフィードスルーに乗るような二次的効果によって中間周波信号がクリッピングして、相互変調されたものとなる。さらに、温度又は二次バイアスの依存状態によって生じる僅かなベース-エミッタ電圧の変化によって電流及び利得の変動を来たし、これが回路の性能を抑えている。従って、無線周波ミクサが温度変動及び電源電圧レベルの変動に無関係に作動するようにするのが望ましい。
発明の概要
本発明は周波数及びバイアス補償を用いて性能を改善する無線周波ミクサを提供する。
本発明によれば、発振回路がミクサ回路に所望な局部発振信号及びオフセット電流信号を供給するようにする。バイアス回路網はミクサ回路に供給されるバイアス電圧信号及びバイアス電流信号を発生する。オフセット電流信号及びバイアス電流信号は、ミクサの上側ツリーに供給される内部的に発生させる局部発振信号を平衡させる。バイアス電流信号は電源電圧値に依存し、これにより電源電圧レベルの変動に対してミクサを補償する。バイアス電圧信号はミクサ回路の下側ツリーをバイアスして、温度及び電源電圧レベルの変動が、局部発振信号と無線周波入力との混合に影響を及ぼさないようにする。
従って、本発明の目的は温度及び電源電圧レベルの変動を補償する無線周波ミクサを提供することにある。
本発明の他の目的は電源電圧レベルに依存するバイアス信号を利用して、あらゆる温度及び電源電圧状態での信号スウィングのヘッドルームを最適化する無線周波ミクサを提供することにある。
さらに本発明の目的は、無線周波入力と混合させるための外部の局部発振信号に対して完全に平衡させた局部発振信号の差動対を内部的に発生させるのにオフセット電流信号を用いる無線周波ミクサを提供することにある。
本発明の他の目的は従来の欠点を克服する無線周波ミクサを提供することにある。
さらに本発明の目的は有効且つ確実に作動する無線周波ミクサを提供することにある。
本発明の他の目的及び特徴を以下本発明の実施例を開示している添付図面を参照しての詳細な説明から明らかにする。しかし、図面は例証のためだけのものであって、本発明はこれらに限定されるものではない。
図面中、同様な参照記号は同様な要素を示すものとする。
好適実施例の詳細な説明
図１は発振器１０、ミクサ１２及びバイアス回路網１４を相互接続した本発明による無線周波ミクサのブロック図である。電圧ＶＣＣＭは全てのブロックに対する電源電圧であり、ＧＮＤＭは全ブロックに対する接地点である。
ミクサ１２は無線周波入力信号を受信するための正の入力端子ＩＮＰ及び負の入力端子ＩＮＮを有している。発振器１０はミクサに必要な局部発振信号ＯｓｃＢを発生し、且つミクサ動作の平衡を助けるためにオフセット電流信号ＩＯＦＦＳＥＴも供給する。
図２は本発明による発振器１０の概略回路図である。トランジスタＱ０１は発振機能を果たす。このトランジスタＱ０１のベースＯｓｃＢ及びエミッタＯｓｃＥには共振素子を接続することができる。共振器を様々な周知の状態（例えば、コルピッツ、バットラー等）で接続することにより、トランジスタＱ０１は発振を維持し、これにより“オンチップ”発振器としての働きをする。この発振周波数は使用する共振素子に依存する。
トランジスタＱ０５は１０ｘデバイスであり、これはトランジスタＱ０１をバイアスする。１０ｘデバイスは、実際には並列に接続されるトランジスタが１０個あり、それぞれの全てのベース、コレクタ及びエミッタが互いに接続されることを示す。
トランジスタＱ０２はＱ０１と並列に接続され、これはオンチップ発振器バッファとして作用する。この並列接続のために、トランジスタＱ０２のベース及びエミッタの信号はトランジスタＱ０１のそれと同じとなる。発振信号ＯｓｃＢｕｆはトランジスタＱ０２のエミッタから取り出す。この発振信号ＯｓｃＢｕｆをトランジスタＱ０２から取り出し、トランジスタＱ０１から取り出さない理由は、トランジスタＱ０１のエミッタから出力を取り出すと、このトランジスタＱ０１のエミッタにも接続される外部共振素子の諸特性に強い影響を与え、これらの特性を変えることになるからである。発振信号をトランジスタＱ０２のエミッタから取り出す目的は、他の回路を駆動するための信号をトランジスタＱ０２のエミッタから取り出す場合に結果的に生じる負荷によりトランジスタＱ０１が乱されないようにするためであり、斯様な負荷はトランジスタＱ０１の動作に影響を及ぼさない。トランジスタＱ０６は１０ｘデバイスであり、これはトランジスタＱ０２をバイアスする。
ダイオードＤ０１はトランジスタＱ０１に対する保護デバイスとして作用する。ダイオードＤ０２もトランジスタＱ０２に対する保護デバイスである。これらの保護デバイスＤ０１，Ｄ０２はトランジスタＱ０１のエミッタの偶発的な過負荷、つまり接続線ＯｓｃＥに高電圧信号がかかるのを防ぐ。この例では、ダイオードＤ０１によってエミッタ電圧がトランジスタＱ０１のベース電圧を高めないようにする。従って、ダイオードＤ０１はトランジスタＱ０１に逆極性で配置されるから、エミッタ電圧がベース電圧よりも高くなる場合には、ダイオードＤ０１がトランジスタＱ０１のベース-エミッタ接合をクランプすることになる。ダイオードＤ０２はダイオードＤ０１と同じように作動する。
トランジスタＱ０３及びトランジスタＱ０４はバイアスデバイスであり、トランジスタＱ０３のコレクタ及びトランジスタＱ０４のベースは基準電流源ＰＴＡＴＩＲ４に接続する。トランジスタＱ０４のコレクタ電流はミクサにつき後にさらに説明する信号ＩＯＦＦＳＥＴとして示してある。
図３は完全なるミクサ回路の回路図である。このミクサの主要部は下側のツー２２と、上側のツリー２４とで構成する。下側のツリー２２はトランジスタＱＭ１，ＱＭ２，ＱＭ１１，ＱＭ１２，ＱＭ３及びＱＭ４から成る３重の差動増幅器を具えている。３重の差動増幅器の使用は直線性及び三次の相互変調積を改善する。抵抗ＸＲＥＥ１、ＸＲＥＥ２及びＸＲＥＥ６は下側のツリーのトランジスタを必要にバイアスする。上側のツリー２４はトランジスタＱＭ５，ＱＭ６，ＱＭ７及びＱＭ８で構成する。
何等かのオフセット又は不平衡状態は局部発振器からミクサの出力に漏れを生ぜしめることになる。従って、ミクサを極めて有効に作動させるためには、ミクサの上側のツリーをできるだけ同じように平衡させるのが望ましい。
発振器１０はミクサの入力端子ＯｓｃＢに信号ＯｓｃＢを供給する。トランジスタＱＭ２１はミクサのバッファトランジスタであり、このトランジスタはそのベースにて局部発振器からの信号を受信する。トランジスタＱＭ２１は、そのエミッタにてトランジスタＱＭ３３により、ベースにてトランジスタＱＭ３０によりそれぞれバイアスされる。コンデンサＣＭ１０及び抵抗ＸＲＭ１４Ａは、到来する信号ＯｓｃＢから高周波の信号レベルを高めるフィルタ部品である。
複製段２０は、この段がその入力トランジスタＱＭ２０に発振信号を有していないことを除けば、バッファトランジスタＱＭ２１と同じように機能する。この複製段２０は、トランジスタＱＭ２１を経てトランジスタＱＭ５及びＱＭ７によって受信される電圧信号に等しいバイアス電圧を上側ツリー２４のトランジスタＱＭ８及びＱＭ６のベースに供給する。従って、トランジスタＱＭ２０及び抵抗ＸＲＭ３２は、ミクサの反対側にトランジスタＱＭ２１と抵抗ＸＲＭ３１とにより形成される発振器／バッファ回路を複製して、内部的に平衡させた局部発振バイアス信号を得るようにする。このことはミクサの上側ツリーを両側で平衡させることであり、これは二重平衡ミクサにとって必要なことである。
ミクサ１２は正及び負の無線周波入力を受信する２つの入力端子ＩＮＰ及びＩＮＮと、トランジスタＱＭ２１及び複製段２０のトランジスタＱＭ２０により内部的に発生される２つの局部発振入力をそれぞれ受信する２つの入力端子とを有する４端子デバイスである。複製段２０は主としてミクサ１２内の局部発振バイアス信号を平衡させる。
トランジスタＱＭ４４及びＱＭ４５と、抵抗ＸＲＭ５４、ＸＲＭ５５はミクサ回路の種々のトランジスタへの全てのバイアス電流を発生するバイアス発生器である。このバイアス発生器には基準電流ＰＴＡＴＩＲＳを用いる。ＰＴＡＴは絶対温度に比例することを表し、ＩＲは打ち込み抵抗を表す。従って、これは打ち込み抵抗を用いてバイアス電流を発生させるＰＴＡＴ電流源である。回路を温度に無関係に作動させるためには、回路全体に同じ種類の抵抗を用いて、抵抗比を決める場合に、これらの抵抗の温度係数を互いに相殺させるようにする必要がある。ＰＴＡＴ電流源を形成する回路は既知であるため図示してない。バイアス電流ＩＶＣＣＰＴＡＴはバイアス回路網１４により発生される。このバイアス電流ＩＶＣＣＰＴＡＴは電源電圧ＶＣＣＭに依存するＰＴＡＴ電流源による電流である。入力源ＶＦＸは直流基準源か、又はバイアス回路網１４によって発生されるバイアス電圧とする。ミクサ１２は出力端子ＭＯＵＴ２を有している。
図２と図３を一緒に参照するに、トランジスタＱ０５、Ｑ０６及びＱ０３（Ｑ０５及びＱ０６は１０ｘデバイスである）のベース電流は全てトランジスタＱ０４を経て供給される。従って、電流ＩＯＦＦＳＥＴは実際にはトランジスタＱ０３、Ｑ０５及びＱ０６のベース電流の和に等しい。この電流ＩＯＦＦＳＥＴはミクサ回路の複製段２０におけるトランジスタＱＭ２０のベースに供給される。複製段２０に電流ＩＯＦＦＳＥＴを付加することにより、トランジスタＱＭ２１が遭遇する種々のベース電流を補償する。トランジスタＱＭ２１は発振器１０の端子ＯｓｃＢに接続されている。発振器１０の端子ＯｓｃＢはトランジスタＱ０１及びＱ０２のベースに接続されているため、これらのトランジスタＱ０１及びＱ０２の電流が実際にはトランジスタＱＭ２１のバイアスに影響を及ぼす。端子ＯｓｃＢはトランジスタＱ０１及びＱ０２のベースに接続され、これらのベースはトランジスタＱＭ２１のベースに接続されているから、これら３個のトランジスタＱ０１，Ｑ０２，ＱＭ２１のベース電流はいずれも電源電圧ＶＣＣＭから抵抗ＸＲＭ３１を経て供給される。
複製段２０に電流ＩＯＦＦＳＥＴが供給されない場合、トランジスタＱＭ２０のベース電流は抵抗ＸＲＭ３２を流れる電流だけであり、この電流はトランジスタＱＭ２１のベース電流よりもずっと小さい。トランジスタＱＭ２０及びＱＭ２１のベース電圧を正確に同じ電圧とするためには、抵抗ＸＲＭ３２及びＸＲＭ３１に流れる電流量を同じとしなければならない。
電流ＩＯＦＦＳＥＴはトランジスタＱ４のコレクタ電流から取り出してトランジスタＱＭ２０のベースに加えるため、この際抵抗ＸＲＭ３２を流れる電流も抵抗ＸＲＭ３１に流れる電流と同じとなり、従ってトランジスタＱＭ２０及びＱＭ２１のベース電圧が同じとなり、従ってトランジスタＱＭ８及びＱＭ５のベース電圧もそれぞれ同じとなる。この際ミクサの上側のトリーは完全に平衡を保ち、温度及び電源電圧ＶＣＣＭが変動してもこの平衡状態を維持する。換言するに、トランジスタＱ０４のコレクタ電流として発生される電流ＩＯＦＦＳＥＴはトランジスタＱ０１，Ｑ０２及びＱＭ２１のベース電流に追従し、ミクサ回路を対称的に作動させるか、又は完全に平衡のとれた局部発振信号にする。
発振器１０のコンデンサＣ０１はトランジスタＱ０５及びＱ０６のベースに到来するノイズを除去するためのフィルタコンデンサである。トランジスタＱ０１及びＱ０２のエミッタは、この発振器の出力端子ＯｓｃＥ，ＯｓｃＢｕｆ又はアクセス点である。トランジスタＱ０５及びＱ０６（これらは１０ｘデバイスである）の大きな接合容量は、これらのトランジスタＱ０５及びＱ０６のベースに出力ＯｓｃＥ及びＯｓｃＢｕｆにおける大きな発振信号を結合させる。コンデンサＣ０１を挿入することにより、こうした電位問題を取り除くか、又は除去する。コンデンサＣ０１は、この例では低域通過フィルタとして作用する。
低い電源電圧ＶＣＣＭの状態下で、電圧ヘッドルームを抑えると、局部発振器の大きなフィード-スルーに乗っかる小さな中間周波出力がクリッピングするような二次的効果によってミクサの利得が低減すると共に不所望な擬似信号が発生することになる。出力端子ＭＯＵＴ２にコンデンサＣＣ１を使用して、この出力端子における漏洩局部発振信号及び無線周波レベルを低減させることにより、信号のクリッピングを防止する。他の二次的効果はトランジスタＱＭ５のエミッタからトランジスタＱＭ１のベースへの局部発振信号の漏洩である。この漏洩信号は無線周波信号のようにふるまい、ミクサに再度入り、これは実際上局部発振信号と混合するようになり、これがトランジスタＱＭ５のコレクタを負に直流シフトすることになる。そこで、トランジスタＱＭ５のコレクタを電源電圧ＶＣＣＭに接続し、中間周波信号をトランジスタＱＭ７のコレクタから取り出すようにして、時ならぬ制限をなくすようにする。
図４は本発明によるバイアス回路１４の単純化した例である。このバイアス回路１４はミクサ回路用のバイアス信号ＶＦＸ及びＩＶＣＣＰＴＡＴを発生する。これらの信号ＶＦＸ、ＩＶＣＣＰＴＡＴを発生させるために、このバイアス回路には、標準のオン-チップ発生バンドギャップ電圧ＢＧ１を供給する。バンドギャップ電圧は温度で変化することはなく、シリコンの場合には初期段階で１．２３ボルトに固定される。
信号ＶＦＸは回路の左側にて発生される。この信号ＶＦＸはバンドギャップ電圧ＢＧ１から発生されるが、絶対値は相違し、ミクサ用にふさわしい値とする。バンドギャップ電圧ＢＧ１はトランジスタＱＶ３のベースに供給する。トランジスタＱＶ１，ＱＶ３，ＱＶ２８，ＱＶ１３及びＱＶ４と、抵抗ＸＲＶ１１及びＸＲＶ１０と、バイアストランジスタＱＶ３２が一緒になって、抵抗ＸＲＶ１０とＸＲＶ１１との利得比を有する非反転演算増幅器を形成する。この場合の電圧信号ＶＦＸは抵抗ＸＲＶ１０とＸＲＶ１１の抵抗比を有するバンドギャップ電圧ＢＧ１に比例する。トランジスタＱＶ３２をバイアスするには基準電流源ＰＴＡＴＣＵＲ３を用いる。
バイアス信号ＩＶＣＣＰＴＡＴは回路の右側に発生される。この信号ＩＶＣＣＰＴＡＴも同じバンドギャップ電圧ＢＧ１からトランジスタＱＢ９及びＱＢ１０を経て発生される。電流ＩＶＣＣＰＴＡＴは抵抗ＸＲＢ７によって変換させた電圧差により発生される。信号ＩＶＣＣＰＴＡＴは電源電圧ＶＣＣに依存し、これは電源電圧ＶＣＣが変化すると、トランジスタＱＢ９のベース電圧が変化するからである。さらに、抵抗ＸＲＢ６とＸＲＢ７の抵抗比も電源電圧ＶＣＣが変化すると変化する。この差が抵抗ＸＲＢ７に伝えられて、バイアス信号ＩＶＣＣＰＴＡＴを所望な信号に同調させる。残りの電流源は、このバイアス回路の基準電流源である。
図３における抵抗ＸＲＭ３１の電圧は、トランジスタＱＭ５のエミッタ電圧を制御して、あらゆる電源電圧ＶＣＣ及び温度状態での信号スウィングのヘッドルームを最適とするのに用いられる。バイアス電流ＩＶＣＣＰＴＡＴは、この目的に適う電源電圧に依存する値を有する。ミクサの下側のトリー２２にバイアス電圧ＶＦＸ（これも電源電圧ＶＣＣに多少依存する）を用いることにより、あらゆる電源電圧ＶＣＣのレベルにてヘッドルーム、直線性及び利得が最適となる。
本発明の一実施例を図示して説明したが、本発明は添付した請求の範囲にて規定したような精神及び範疇を逸脱することなく幾多の変更を加え得ること明らかである。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明による回路のブロック図である。
図２は本発明による図１の回路における発振器／バッファの概略図である。
図３は本発明による図１の回路におけるミクサ回路の概略図である。
図４は本発明による図１の回路におけるバイアス回路の部分的概略図である。
【図１】
0004065024.tif 000002
【図２】
0004065024.tif 000003
【図３】
0004065024.tif 000004
【図４】
0004065024.tif 000005