用于调制射频发射器电路输出电压的方法和射频发射器电路

摘要

本发明涉及一种方法，用于调制包括一个电压控制振荡器、一个数字/模拟转换器和一个天线电路的发射器电路输出电压，该方法包括从电压控制振荡器直接向天线电路发送一个输出信号，并直接调制电压控制振荡器的输出信号的频率。本发明进一步涉及一个发射器电路，包括一个具有一个储能电路、一个数字/模拟转换器和一个天线电路的电压控制振荡器，其中电压控制振荡器适于直接向天线电路发送一个具有足够功率的输出信号，其中数字/模拟转换器被配置用来调制电压控制振荡器的输出频率。一个电容负载电路可以连接到电压控制振荡器的储能电路或一个晶体振荡器电路，来调制电压控制振荡器的频率。

说明书

本发明涉及一种用于调制发射器电路输出电压的方法和一个发射器电路，尤其是针对蓝牙和Hiperlan应用，该电路包括一个具有一个储能电路、一个数字/模拟转换器和一个天线电路的电压控制振荡器。

在一些功率放大器的应用中，需要一个恒定的包络调制。这是利用一个向上混频器和一台功率放大器来实现的。例如，常规情况下，用于发射射频信号的发射器是围绕向上混频器(upmixer)和功率放大器的原理来构造的。一个电压控制振荡器为向上混频器的第一端口提供一个信号，向上混频器的第二端口接收IF或基带信号。向上混频器将这两个信号相乘，产生发送到功率放大器的射频信号。在被功率放大器放大以后，该信号被传送到天线电路。可以用一个锁相环替代向上混频器，其中由待发送的信号调制一个N段分割器(fractional Npartitioner)。这样，也调制了电压控制振荡器，并且把已调制信号发送到天线电路。

发射器电路的原理同样可以用于一个低输出功率的应用，例如0dBm。这样的应用例子是蓝牙和Hyperlan。然而，其缺点是，在这些应用中功率放大器的效率低。这是由于为了获得这样的低输出功率，功率放大器使用的功率不够低的缘故。在蓝牙应用中，功率放大器消耗10到15mA的电流。

鉴于上述情况，本发明的一个目的是提供一种调制射频发射器电路的输出电压的方法，和一个满足该预想的应用标准射频发射器电路，并具有一个的与其它方法和电路相比更低的功耗。

为了达到上述目的，提供了调制射频发射器电路输出电压的方法，特别是针对蓝牙和Hiperlan应用，包括一个电压控制振荡器，一个数字/模拟转换器和一个天线电路，该方法包括从电压控制振荡器直接向天线电路发送一个输出信号并直接调制电压控制振荡器的输出信号的频率。利用这一方法，不需当前技术中使用的向上混频器或N段分割器和功率放大器。能显著减少整个电路的功率消耗。

在本发明方法的一个优选实施方案中，使电压控制振荡器的一个储能电路带电容性负载，来直接调制电压控制振荡器。因此，可以以一个最有效的方式来实现电压控制振荡器的频率调制。

在本发明方法的一个进一步的优选实施方案中，将数字/模拟转换器的一个输出直接馈送给电压控制振荡器，使电压控制振荡器的储能电路带容性负载。当数字/模拟转换器把数字基带信号转化成一个容性负载时，可以通过增加或消除储能电路的这一负载来实现所需的调制频率变化。

在本发明方法的一个进一步的优选实施方案中，使电压控制振荡器的一个晶体振荡器回路带容性负载，来直接调制电压控制振荡器的频率。另一种在电压控制振荡器中产生期望的调制的方法是使一个晶体振荡器电路带电容性负载，通常以该电路作为电压控制振荡器的中心频率的参考源。

在本发明方法的一个进一步的优选实施方案中，将数字/模拟转换器的一个输出直接馈送给电压控制振荡器，使电压控制振荡器的储能电路带容性负载。在一个最有利的方式中，通过为数字/模拟转换器施加电容性负载来调谐晶体振荡器回路的频率，可以对电压控制振荡器进行调制。电压控制振荡器通过闭合的锁相环来跟随晶体振荡器。

在本发明方法的一个进一步的优选实施方案中，采用了一个恒定振幅调制，特别是GFSK(高斯频移键控)或GMSK(Gaussean mediumshift keying：高斯介质移动键控)。这些特殊的调制方法特别适于蓝牙和Hiperlan应用中所需的调制。

为了实现上述目的，一个射频发射器电路，特别是针对蓝牙和Hiperlan应用，包括一个电压控制振荡器，一个数字/模拟转换器和一个天线电路，其中电压控制振荡器适于直接向天线回路发送一个输出信号，其中数字/模拟转换器被配置用来调制电压控制振荡器的一个输出频率。在这样一个发射器电路中，电压控制振荡器提供足够的功率，直接将其输出信号发送给天线回路，由此可以不必使用象功率放大器一样耗电的向上混频器，没有附加功率放大器，功率消耗也就减少了。

在本发明的发射器电路的一个优选实施方案中，将一个容性负载电路连接到电压控制振荡器的储能电路，来调制电压控制振荡器的频率。这是实现电压控制振荡器调制的两个有利方法之一。

在本发明的发射器电路的一个进一步的优选实施方案中，将数字/模拟转换器连接到电压控制振荡器，使电压控制振荡器的储能电路带容性负载。这样的电路配置是有利的，因为在数字/模拟转换器和电压控制振荡器的储能电路之间不用提供附加电路段。数字/模拟转换器直接作用于储能电路。

在本发明的发射器电路的一个进一步的优选实施方案中，将一个容性负载电路连接到电压控制振荡器的一个晶体振荡器回路，来调制电压控制振荡器的频率。这是调制电压控制振荡器频率的两个有利方法中的第二中方法。

在本发明的发射器电路的一个进一步的优选实施方案中，将数字/模拟转换器连接到电压控制振荡器的晶体振荡器电路，使电压控制振荡器的晶体振荡器回路带容性负载。同样不需附加电路来调制电压控制振荡器的输出频率。

在本发明的发射器电路的一个进一步的优选实施方案中，通过一个锁相环，将电压控制振荡器的晶体振荡器电路连接到电压控制振荡器。该锁相环确保电压控制振荡器跟随晶体振荡器回路的调制。

在本发明的发射器电路的一个进一步的优选实施方案中，锁相环包括一个分频电路，一个相位检测器电路，一个回路滤波器电路。这是一个有利的实现希望的锁相环功能的锁相环电路，确保电压控制振荡器的输出频率跟随晶体振荡器回路的输出。

在本发明的发射器电路的一个进一步的优选实施方案中，电压控制振荡器包括一个中心频率设置电路，来调谐电压控制振荡器的一个中心频率。该中心频率设置电路能够用一个简单而有利的方法在一定的频率范围内将电压控制振荡器的中心频率调整为不同的值。

在本发明的发射器电路的一个进一步的优选实施方案中，用来调谐电压控制振荡器的中心频率设置电路包括一个调谐电压源和一个与储能电路相连的电压控制电容器电路。这样的电路配置能够以一个有利的方式设置电压控制振荡器的中心频率，并且还能够把可以在电压控制振荡器的晶体振荡器回路侧完成的任何调制耦合到电压控制振荡器的储能电路中。

在本发明的发射器电路的一个进一步的优选实施方案中，连接到储能电路上的电压控制电容器电路包括象电容器一样连接的变容二极管，和一个连接到调谐电压源的电容器之间的节点。

在本发明的发射器电路的一个进一步的优选实施方案中，储能电路通过一个第一电阻电路接地，通过一个第二电阻电路连接到供电电压源。这样的电路配置能够以一个有利的方式构建一个电压控制振荡器，具有足够的功率将输出信号直接输出到天线，并相应地驱动天线电路。

在本发明的发射器电路的一个进一步的优选实施方案中，第一电阻电路包括N型MOSFET器件，而第二电阻性电路包括P型MOSFET器件。通过使用这种类型的有源器件，以一个最有效的方式，实现储能电路和地之间以及储能电路和供电电压之间的负电阻段。

在本发明的发射器电路的一个进一步的优选实施方案中，数字/模拟转换器包括一个位电压源和一个电容调制器电路。电容调制器电路最好包括2ⁿ对实现可变的电压控制电容器件的MOSFET器件，和在一对形成数字/模拟转换器的输出节点的MOSFET器件之间的节点。当数字/模拟转换器的输出信号可用于调制电压控制振荡器的储能电路或电压控制振荡器中所用的晶体振荡器的输出时，数字/模拟转换器的电路配置将以一个最有效的方式把位输入转变成模拟输出。

在本发明的发射器电路的一个进一步的优选实施方案中，天线电路包括连接在储能电路的输出之间的一系列电容器，和连接在天线电路的输入之间的容量可控的电容器。这样的电路配置能够匹配天线电路或通过匹配电路的阻抗来补偿天线的偏差。

现在结合附图来描述发明的优选实施方案，其中

图1是本发明的一个发射器电路的第二图；

图2是电压控制振荡器的输出信号的功率和天线电路的输出信号的功率与时间的关系曲线；

图3显示的是由电压控制振荡器发送给天线电路的功率的特性以及频率随电压控制振荡器中的电压控制电容器电路的电压的变化；

图4是分别用来设置位0、位1和位2的相对频率步长；和

图5是一个优选实施方案的概要框图，其中数模转换器调制电压控制振荡器的晶体振荡器。

依照图1，发射器电路包括一个功率电压控制振荡器2，一个数字/模拟转换器4和一个天线电路6。电压控制振荡器2包括一个通过第一电阻电路10连接到地12和通过第二电阻电路14连接到供电电压源16的储能电路8，在该优选实施方案中供电电压源16有一个1.8V的供电电压V_s。

电压控制振荡器2的储能电路8包括两个连接在储能电路8的节点TP和TN之间电容器C1和C2，另一个连接在储能电路8的节点TP和TN之间的电容器C3，以及一个连接在储能电路8的节点TP和TN之间的电感器L1。第一个电阻电路10包括两个MOSFET器件MN1和MN2，在图1中所示的电路配置中的储能电路8和地之间形成一个负电阻段。这两个MOSFET器件MN1和MN2为N型MOSFET。如果相应地修改电路，也可以采用双极型、NPN、PNP、MESFET或类似的器件。在第一电阻电路10和地之间有一个电感器L2。

第二电阻器电路14包括两个MOSFET器件MP1和MP2，在图1中显示的第二配置中，在储能电路8和供电电压Vs间形成一个负电阻段。这两个MOSFET器件MP1和MP2为P型MOSFET器件。如果相应地修改电路，也可以采用双极型、NPN、PNP、MESFET或类似的器件。在第二电阻器电路14和供电电压源16之间是另外一个电感器L3。

根据图1，电压控制振荡器2包括一个中心频率设置电路，该电路包括一个调谐电压源18和一个电压控制电容器电路20，与储能电路8相连，来调整电压控制振荡器2的中心频率。该电压控制电容器电路20包括两个变容二极管(电压控制电容装置)MN3、MN4，两个变容二极管MN3、MN4间的一个节点22连接到调谐电压源18。调谐电压源的另一个端子18B与地12相连。变容二极管MN3、MN4的基端分别连接到节点TN和节点TP。

数字模拟转换器4包括一个位电压源22和一个电容调制器电路24。电容调制器电路24包括两对变容二极管MN5、MN6和MN7、MN8，在所示的电路配置中，分别实现可变电压控制电容。变容二极管对MN5、MN6和MN7、MN8之间的节点26、28分别连接到电压控制振荡器2的节点TN和TP。节点26、28连接到变容二极管MN5-MN8的基端，变容二极管MN5、MN7和变容二极管MN6、MN8的其它端子分别连接到位电压源22和地12。

可以注意到，图1中的数字模拟转换器4仅显示了位1的优选实施方案。为了将数字模拟转换器4扩展到多位，存在下列可能性：

(a)如图1所示，位1由两对MOSFET器件来表示，位2由四对具有与图1显示的器件相同的尺寸的MOSFET器件来表示，位n由2ⁿ对具有与图1显示的位1器件相同的尺寸的MOSFET器件来表示。

(b)位n也是一个两对配置。那么，该器件的尺寸比图1中显示的器件的尺寸大2ⁿ倍。

(c)一个(a)和(b)的组合。

天线电路6在储能电路8的节点TP和TN之间包括如干电容器C4、C5、C6和C7。至少，就其电容值而言，天线电路6的电源节点30、32间连接的电容器C5和C6是可控的。电容器C4-C7加载储能电路，由此加载中心频率。为了能够调谐，至少将电容器C5和C7具体化为MOS电容器。这样，可以改变信号的幅值，可以以阻抗的自适应方式来补偿天线负载的变化。

图1中的天线电路6进一步包括表示该天线电路中的天线的两个电阻器R1和R2。电阻器R1通过一个电感器L5连接到天线电路6的电源节点30，电阻器R2通过一个电感器L4连接到天线电路6的电源节点32。电感器L4和L5代表用于连接天线的接合线的电感。电阻器R1和电感器L5间的节点34形成天线电路的输出OP，而电阻器R2和电感器L4间的节点36形成天线电路的输出ON。两个电阻器R1和R2间的节点39连接到地12。

图2用图形显示了电压控制振荡器2的电压和天线电路4的电压输出相对于时间的电压输出信号。电压控制振荡器的电压输出标注为V_VCO，天线电路的电压输出标注为V_ANT。从图2中可以看出，天线电路6的电阻器R1、R2(天线)取不同的电阻值为150欧姆，而电压控制振荡器的输出峰值电压为1.8V，则电压控制振荡器的天线电路的输出峰值电压为0.8V。对于所考虑的应用而言，这是一个很令人满意的结果。

图3显示了功率电压控制振荡器发送给天线电路的功率，以及频率随电压控制振荡器2的变容二极管MN3、MN4上的电压的变化。功率曲线表示为P_O，频率曲线表示为F_f。图3仅针对电压控制振荡器的1.2V的电压差别显示了4.15dBm和4.4dBm之间的变化，对应于一个约120MHz的调谐或2.4GHz和2.52GHz之间的频率差异。这表明在本发明的发射器电路中的调谐作用下，由天线电路发送的功率几乎不变。

图4用图形显示了给定的用于分别调整位0、位1和位2的相对频率步长。X轴显示的是位电平，y轴显示的是相对的频率，用kHz表示，绝对频率为2.45GHz。在显示的优选实施方案中，用于调整位的步长的精度为18kHz，即对位1而言，中心频率增加18kHz，对位2而言中心频率增加36kHz，为18kHz的两倍，对位3而言中心频率增加72kHz，为18kHz的四倍。根据蓝牙标准，在6位数字/模拟转换器中需要一个每位60kHZ的调制。图4表明采用一个利用图1中所示的数字/模拟转换器的一位的优选实施方案的数字/模拟转换器，能够进行这样的调制。这样的一个数字/模拟转换器适用于蓝牙应用中的电压控制振荡器的直接调制，足以使晶体振荡器的锁相环将电压控制振荡器调整到接近其中心频率。因此，在调制宽度范围内频率是很宽松的。

图5显示了本发明的射频发射器电路的另一优选实施方案，其中是一个数字/模拟转换器(DAC)40连接到电压控制振荡器44的晶体振荡器电路42，用于为该电压控制振荡器的晶体振荡器电路施加电容性负载。该晶体振荡器电路(CR)42通过一个锁相环连接到电压控制振荡器(VCO)，该锁相环包括一个分频器电路46(D(N))，一个相位检测器电路(PD)48和一个环路滤波器电路(LF)50。可以按图1中所示，来具体化图5的数字模拟转换器40和电压控制振荡器44。

在图5的优选实施方案中，数模转换器40调制晶体振荡器电；路42的参考频率，实质上提供了锁相环的频率。构建锁相环，使得由环路滤波器电路50的输出电压来调整电压控制振荡器44的中心频率。由于分频器电路46除以N，所以该频率为参考频率的N倍。当参考频率变化时，环路滤波器电路50的输出跟随这些变化，由此来调制电压控制振荡器44的频率。

上述针对4dBm的功率和120MHz调谐设计的足以满足蓝牙标准的发射器电路的一个优选实施方案显示了一个仅有4mA 1.8V的供电电压耗散。这是对现有技术的发射器电路的特性的一个主要改进。

必要的数据修正至少是一个恒定幅值调制。在蓝牙情况下，该调制可以是GFSK(高斯频移键控)或GMSK(高斯媒质移位键控)。可以用下列方式来实现这一调制：

(a)通过将数字基带信号转化为一个电容负载的数模转换器，利用电容调制来加载储能电路。通过将这一负载增加到储能电路8或从中清除这一负载，来获得意味着频率调制的频率变化。

(b)因为电压控制振荡器通常通过一个锁相环连接到一个晶体振荡器，所以还可以利用数模转换器通过加载电容性负载来调谐晶体振荡器，来调制电压控制振荡器。电压控制振荡器通过闭合的锁相环来跟随晶体振荡器。