專利名稱：一種減小寬帶cs/cg有源巴倫相位不平衡度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種減小寬帶CS/CG (共源共柵)有源巴倫相位不平衡度的方法，屬于微波毫米波集成 技術(shù)領(lǐng)域，涉及CS/CG有源巴倫相位性能。
背景技術(shù)：
巴倫是平衡到不平衡的變換器，它廣泛應(yīng)用于平衡式倍頻器、平衡式混頻器等平衡式電 路，其作用是將高頻信號從單端輸入變成平衡輸出，并完成阻抗匹配。巴倫主要分為無源巴
倫和有源巴倫，無源巴倫通常采用；i/4微帶傳輸線的形式實現(xiàn)，有源巴倫通常采用三極管實 現(xiàn)。其中，無源巴倫面積較大、帶寬較窄，因此在寬帶集成技術(shù)里通常采用有源巴倫。
在有源巴倫中，最常用的電路結(jié)構(gòu)形式為差分有源巴倫結(jié)構(gòu)和CS/CG (共源共柵)有源
巴倫結(jié)構(gòu)。其中，差分有源巴倫結(jié)構(gòu)主要由一個差分放大單元和一個電流源單元構(gòu)成，具有 寬帶幅度平衡度好、寬帶相位平衡度好的優(yōu)點(diǎn)，但其直流功耗較大、電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，而且
由于設(shè)計高性能的寬帶電流源單元相對較難，因此會增大集成技術(shù)實現(xiàn)的風(fēng)險；CS/CG有源 巴倫結(jié)構(gòu)主要由一個共源三極管和一個共柵三極管構(gòu)成，具有寬帶幅度平衡度好、直流功耗 小、電路結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，易于在集成技術(shù)中實現(xiàn)，但其寬帶相位不平衡度比差分有源巴倫 大，成為制約其使用的關(guān)鍵。
傳統(tǒng)的CS/CG有源巴倫結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括一個共源三極管(CSFET)和一個共柵三 極管(CGFET)，主要實現(xiàn)將輸入信號變換成為等幅反相的兩路輸出。理想狀況下，共柵三
極管輸出信號與輸入信號同相，相移量《等于零；共源三極管輸出信號與輸入信號反相，相 移量《等于tt (180°)。
由于實際應(yīng)用時器件參數(shù)的差異是客觀存在的，使得傳統(tǒng)的CS/CG有源巴倫的寬帶相位 平衡度較差共柵三極管輸出信號與輸入信號并非完全同相，即相移量《不等于零，存在一
定的相移偏量A《；共源三極管輸出信號與輸入信號并非完全反相，即相移量《不等于;r，
存在一定的相移偏量A《。這里，共柵三極管輸出信號的相移偏量A《和共源三極管輸出信號
的相移偏量A《的差值A(chǔ)《-A《，就是CS/CG有源巴倫的相位不平衡度。實際工程應(yīng)用中，
人們總是希望CS/CG有源巴倫的絕對相位不平衡度lA《-A《l越小越好。有經(jīng)驗的工程技術(shù)
人員通常憑經(jīng)驗通過調(diào)整兩個三極管的直流偏置電壓來減小CS/CG有源巴倫的寬帶相位不平 衡度，但這種方法對CS/CG有源巴倫的寬帶相位不平衡度的減小程度一般小于5度(在20GHz 時，其相位不平衡度通常大于15度。)，難以滿足實際工程應(yīng)用，而且缺乏理論指導(dǎo)。
現(xiàn)有一種寬帶CS/CG有源巴倫如圖2所示(見M. C. Tsai, M. J. Schindler， W. Struble, M. Ventresca, R. Binder, R. Waterman, and D. Danzilio, "A Compact Wideband Balanced Mixer," in /"fer"ario"a/ Aferawaw ^附po;y/wm D/g., vol. 1, pp. 5-8, 1994.)，包括第一共 柵三極管l、第二共柵三極管2和共源三極管3。其特征在于，在傳統(tǒng)CS/CG有源巴倫結(jié)構(gòu) 上增加了一個CG三極管，改善了傳統(tǒng)CS/CG有源巴倫的寬帶相位平衡度特性，但由于增加 了三極管，因此電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時加大了電路設(shè)計和調(diào)試的難度。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種減小寬帶CS/CG有源巴倫相位不平衡度的方法，可在不改變 傳統(tǒng)CS/CG有源巴倫結(jié)構(gòu)的情況下改善寬帶CS/CG有源巴倫的相位性能，大幅度減小CS/CG 有源巴倫寬帶相位不平衡度，且方法簡單、易操作。
本發(fā)明的詳細(xì)技術(shù)方案為
一種減小寬帶CS/CG有源巴倫相位不平衡度的方法，其特征在于，包括以下步驟
1、 首先根據(jù)CS/CG有源巴倫的增益、電流指標(biāo)確定共源三極管和共柵三極管的物理尺 寸，得到共源三極管的柵源電容Cgs_s、柵漏電容Cgd—s和漏柵電容Cds_s的參數(shù)值以及共柵三
極管的柵源電容C[G、柵漏電容Cgdj3和漏源電容Cd、G的參數(shù)值。
2、 其次設(shè)定共源三極管和共柵三極管的直流工作點(diǎn)，使共源三極管和共柵三極管工作在 飽和狀態(tài)。
3、 在CS/CG有源巴倫所需工作頻帶內(nèi)選取多個頻點(diǎn)fl、 Q...fn，通過微波電路仿真軟件 分別得到這些頻點(diǎn)下共源三極管的等效輸入阻抗Res和共柵三極管的等效輸入阻抗Rcg。
4、 計算步驟3所得的在多個頻點(diǎn)fl、 G...fn下共源三極管的等效輸入阻抗Rcs和共柵三 極管的等效輸入阻抗Rcg的平均值。
5、 然后選取共源三極管的負(fù)載阻抗和共柵三極管的負(fù)載阻抗?jié)M足
<formula>formula see original document page 4</formula> ，得到初調(diào)后CS/CG有源巴倫在工作
頻帶內(nèi) 的平均相位不平衡度。
所述等式
QfA,+7~~7Cg z; /p 、=QA.z + 中,Q，^nc^—g分別是共源三極管和
共柵三極管的柵源電容、CV—c是共柵三極管的柵漏電容、s是共源三極管的漏源電容、 Zs是信號源阻抗、是共柵三極管的負(fù)載阻抗、Zi2是共源三極管的負(fù)載阻抗、g是共柵
三極管的跨導(dǎo)、i CG是共柵三極管的等效輸入電阻、i CT是共源三極管的等效輸入電阻。
6.最后微調(diào)CS/CG有源巴倫的直流偏置電壓進(jìn)一步減小其在工作頻帶內(nèi)的平均相位不 平衡度；
本發(fā)明工作原理如下-
首先考慮CS/CG巴倫中的CGFET和CSFET的簡單單向等效電路，如圖4所示，其中， Cg^和C^G分別是共源三極管和共柵三極管的柵源電容、Cgrf—c是共柵三極管的柵漏電容、 C必s是共源三極管的漏源電容、是信號源阻抗、ZZ1是共柵三極管的負(fù)載阻抗、ZZ2是共源
三極管的負(fù)載阻抗、&_5和gm—g分別是共源三極管和共柵三極管的跨導(dǎo)、i cg是共柵三極管
的等效輸入電阻、i cs是共源三極管的等效輸入電阻。 根據(jù)圖4 (a)可得出CGFET的電壓方程組為
<formula>formula see original document page 5</formula>
從此方程組可以推出CG FET的電壓傳遞函數(shù)為
<formula>formula see original document page 5</formula>
因此可推出CG FET輸出的相移量為<formula>formula see original document page 5</formula>
根據(jù)圖4 (b)可得出CS FET的電壓方程組為
<formula>formula see original document page 6</formula>
從此方程組可以推出CS FET的電壓傳遞函數(shù)為
<formula>formula see original document page 6</formula>
因此口J推出CS FET輸出的相移量為
<formula>formula see original document page 6</formula>"
在微波毫米波集成電路(MMIC)中，當(dāng)CG FET和CS FET偏置在飽和丄作條件時， 柵源Hi容、漏源電容和柵漏電容通常都小于100fF，而Zu和Zu約為幾百歐姆。因此，在頻 率1.5~25GHz的寬頻帶范圍內(nèi)，g/CVg Z,Zw和c^CV_sCV5Z,Z￡2cu2相對較小，可以忽
略，CG FET和CS FET的相移量可分別簡化為
<formula>formula see original document page 6</formula>
而巴倫輸出的兩路信號的絕對相位不平衡度(AW定義為:
所以，可推出:
<formula>formula see original document page 6</formula>
從上式可以看出Zs通常為信號源阻抗，在設(shè)計中為固定值50歐姆，而Zu、 Zi2、
Cg,， C《S和Cg(G都是可調(diào)變量，當(dāng)它們滿足
<formula>formula see original document page 7</formula>時，可得到最小的CS/CG有源巴
倫相位不平衡度A^m。在上述等式中，理論上A^在某頻點(diǎn)上存在的最小值為零。實際工程
上可以取CS/CG有源巴倫在整個工作頻帶的平均值作為最終優(yōu)化結(jié)果。
傳統(tǒng)的設(shè)計方法通過調(diào)整兩個三極管的直流偏置電壓來減小CS/CG有源巴倫的相位不 平衡度A^，其實質(zhì)是通過改變?nèi)龢O管的直流偏置電壓來微調(diào)三極管的飽和工作狀態(tài)，從而改 變柵源電容、漏源電容和柵漏電容的值，最終改變相位不平衡度。但由于FET工作在飽和工 作狀態(tài)時，直流偏置的改變程度較小，因此柵源電容、漏源電容和柵漏電容改變量很小，對 相位不平衡度影響通常小于5度。在本發(fā)明中，通過增加調(diào)節(jié)CGFET的負(fù)載阻抗Z^和CS FET的負(fù)載阻抗Zi2為大小，可使CS/CG有源巴倫的相位不平衡度變化數(shù)十度。因此本發(fā)明 將CGFET的負(fù)載阻抗Z^和CSFET的負(fù)載阻抗&2作為主要調(diào)節(jié)手段，而將三極管的直流 偏置電壓作為輔助調(diào)節(jié)手段，可更大限度地減小CS/CG有源巴倫的相位不平衡度。而且，本 發(fā)明減小CS/CG有源巴倫的相位不平衡度時并未改變傳統(tǒng)CS/CG有源巴倫的結(jié)構(gòu)，整個方 法簡單、易操作。本發(fā)明不僅可以用于改善寬帶CS/CG有源巴倫的相位性能，也可用于寬帶 CS/CG有源巴倫的具體設(shè)計過程中。
圖1為傳統(tǒng)的CS/CG有源巴倫結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為現(xiàn)有的一種寬帶CS/CG有源巴倫結(jié)構(gòu)示意圖，其中，1為第一共柵三極管，2為第 二共柵三極管，3為共源三極管。
圖3為本發(fā)明操作流程示意圖。
圖4為傳統(tǒng)CS/CG有源巴倫結(jié)構(gòu)中CGFET和CS FET的簡化單向等效電路圖，其中圖4 (a)為CGFET的等效電路圖，圖4 (b)為CS FET的等效電路圖。
具體實施例方式
由于共源/共柵三極管的負(fù)載阻抗大小等于共源三極管或共柵三極管的漏源偏置電阻與外 接電阻網(wǎng)絡(luò)等效電阻相并聯(lián)后的電阻大小，而通常共源三極管或共柵三極管的外接電阻網(wǎng)絡(luò) 等效電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于共源三極管或共柵三極管的漏源偏置電阻，所以共源三極管或共柵三極管 的負(fù)載阻抗實際可近似為共源三極管或共柵三極管的漏源偏置電阻。實際可在100 1000歐姆
的范圍內(nèi)選取適當(dāng)阻值的共源三極管或共柵三極管的漏源偏置電阻即可滿足要求。
權(quán)利要求
1、一種減小寬帶CS/CG有源巴倫相位不平衡度的方法，其特征在于，包括以下步驟步驟1.首先根據(jù)CS/CG有源巴倫的增益、電流指標(biāo)確定共源三極管和共柵三極管的物理尺寸，得到共源三極管的柵源電容Cgs_S、柵漏電容Cgd_S和漏柵電容Cds_S的參數(shù)值以及共柵三極管的柵源電容Cgs_G、柵漏電容Cgd_G和漏源電容Cds_G的參數(shù)值；步驟2.其次設(shè)定共源三極管和共柵三極管的直流工作點(diǎn)，使共源三極管和共柵三極管工作在飽和狀態(tài)；步驟3.在CS/CG有源巴倫工作頻帶內(nèi)選取多個頻點(diǎn)f1、f2…fn，通過微波電路仿真軟件分別得到這些頻點(diǎn)下共源三極管的等效輸入阻抗Rcs和共柵三極管的等效輸入阻抗Rcg；步驟4.計算步驟3所得的在多個頻點(diǎn)f1、f2…fn下共源三極管的等效輸入阻抗Rcs和共柵三極管的等效輸入阻抗Rcg的平均值；步驟5.然后選取共源三極管的負(fù)載阻抗ZL1和共柵三極管的負(fù)載阻抗ZL2滿足 得到初調(diào)后CS/CG有源巴倫在工作頻帶內(nèi)的平均相位不平衡度； 所述等式 中，Cgs_s和Cgs_G分別是共源三極管和共柵三極管的柵源電容、Cgd_G是共柵三極管的柵漏電容、Cds_S是共源三極管的漏源電容、Zs是信號源阻抗、ZL1是共柵三極管的負(fù)載阻抗、ZL2是共源三極管的負(fù)載阻抗、gm_G是共柵三極管的跨導(dǎo)、RCG是共柵三極管的等效輸入電阻、RCS是共源三極管的等效輸入電阻；步驟6.最后微調(diào)CS/CG有源巴倫的直流偏置電壓進(jìn)一步減小CS/CG有源巴倫在工作頻帶內(nèi)的平均相位不平衡度。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的減小寬帶CS/CG有源巴倫相位不平衡度的方法，其特征在于，歩驟5中所述共源三極管的負(fù)載阻抗Zu近似取值為共源三極管的漏源偏置電阻；所述共 柵三極管的負(fù)載阻抗Zi2近似為共柵三極管的漏源偏置電阻。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的減小寬帶CS/CG有源巴倫相位不平衡度的方法，其特征在于， 所述共源/或共柵三極管的漏源偏置電阻的取值范圍為100 1000歐姆。
全文摘要
一種減小寬帶CS/CG有源巴倫相位不平衡度的方法，屬于微波毫米波集成技術(shù)領(lǐng)域，涉及CS/CG有源巴倫相位性能。首先根據(jù)CS/CG有源巴倫的增益、電流指標(biāo)確定CS/CG FET的物理尺寸；其次設(shè)定CS/CG FET的直流工作點(diǎn)，使CS/CG FET工作在飽和狀態(tài)；然后選取CS FET的負(fù)載阻抗Z<sub>L1</sub>和CG FET的負(fù)載阻抗Z<sub>L2</sub>滿足C<sub>gd_G</sub>Z<sub>L1</sub>+((C<sub>gs_G</sub>Z<sub>s</sub>)/(g<sub>m_G</sub>Z<sub>S</sub>+1+Z<sub>S</sub>/R<sub>CS</sub>))＝C<sub>ds_S</sub>Z<sub>L2</sub>+((C<sub>gs_S</sub>Z<sub>S</sub>)/(Z<sub>S</sub>/R<sub>CG</sub>+1))，得到初調(diào)后CS/CG有源巴倫在工作頻帶內(nèi)的平均相位不平衡度；最后最后微調(diào)CS/CG有源巴倫的直流偏置電壓進(jìn)一步減小其在工作頻帶內(nèi)的平均相位不平衡度。本發(fā)明將CS/CG FET的負(fù)載阻抗作為主要調(diào)節(jié)手段，而將三極管的直流偏置電壓作為輔助調(diào)節(jié)手段，可更大限度地減小CS/CG有源巴倫的相位不平衡度；而且，本發(fā)明減小CS/CG有源巴倫的相位不平衡度時并未改變傳統(tǒng)CS/CG有源巴倫的結(jié)構(gòu)，整個方法簡單、易操作。
文檔編號H01P5/10GK101364659SQ20081004620
公開日2009年2月11日 申請日期2008年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月27日
發(fā)明者宇 劉, 濤 楊, 楊自強(qiáng) 申請人:電子科技大學(xué)