專利名稱：使用pin二極管的寬帶差分信號的可變衰減的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般地涉及電子，尤其涉及一種用于衰減寬帶差分信號的系統(tǒng)和方法。
背景
在包括衛(wèi)星、電纜、以及DSL系統(tǒng)的許多系統(tǒng)中都使用了寬帶數(shù)據(jù)通信。 在這些系統(tǒng)中，越來越多地使用差分信令以傳送寬帶通信。在傳送差分信號時， 通常期望控制差分信號的輸出功率。通常利用衰減器電路控制輸出功率。 一種 用于單端寬帶可變衰減方法在工業(yè)中被完全確定。所以， 一種衰減差分信號的 方法是能夠?qū)⒉罘中盘栟D(zhuǎn)換成單端信號，衰減該單端信號，然后將單端信號反 向轉(zhuǎn)換成差分信號。將信號從差分轉(zhuǎn)換到單端并且然后反轉(zhuǎn)該處理的過程引入 了許多不期望的特性，包括尺寸、成本、插入損耗降級、以及頻率響應降級。
所以，至今在工業(yè)中沒有提出用于解決上述缺陷和不足的需求。
附圖簡述
參考附圖能夠較好地理解公開內(nèi)容的許多方面。附圖中的組件沒有必要按 比例繪制，重點是用于清楚地例示本發(fā)明的原理。而且，在附圖中，相似的附 圖標記在全部視圖中表示相應的部分。


圖1是PIN二極管的立體圖。
圖2是圖1中PIN二極管的電阻對應PIN 二極管的二極管正向電流的曲 線圖。
圖3是串聯(lián)電路中使用的圖1的PIN二極管的電路圖。 圖4是并聯(lián)電路中使用的圖1的PIN二極管的電路圖。 圖5是單端衰減電路中使用的圖1的PIN二極管的電路圖。 圖6是差分衰減電路中使用的圖1的PIN二極管的電路圖。圖7是使用圖1的PIN二極管的差分寬帶衰減器的電路圖。 圖8是使用圖1的PIN二極管的差分衰減器的電路圖。
詳細描述
在此公開一種用于寬帶差分信號的可變衰減系統(tǒng)。為了便于本發(fā)明的描 述，參考附圖討論能夠用于實現(xiàn)寬帶差分信號的可變衰減系統(tǒng)的示例系統(tǒng)。盡
管詳細描述了該系統(tǒng)，但是將可以領會到該系統(tǒng)是為說明性目的而被提供的 并且在不脫離本發(fā)明原理的情況下不同的修改也是可行的。在描述完實例系統(tǒng) 之后，將提供該系統(tǒng)的操作的示例來解釋能夠使用該系統(tǒng)以提供寬帶差分信號 的可變衰減的方式。
現(xiàn)在詳細地參考附圖，其中，類似附圖標記指示通篇若干視圖中相應部分，
圖1是PIN二極管的立體圖。PIN二極管由于它們的寬帶阻抗對正向電流而在 寬帶差分信號的衰減中是有益的。在寬帶頻率上，能夠?qū)IN二極管建模電流 控制電阻器。其為硅半導體二極管，其中電阻性本征區(qū)域130夾在p型區(qū)域120 和n型區(qū)域140之間。當正向偏置PIN二極管100時，空穴和電子被注入到I 區(qū)域130。這些電荷彼此之間不會立刻消滅；相反它們在被稱為載流子壽命的 平均時間內(nèi)持續(xù)存在。這產(chǎn)生平均存儲電荷Q，其將I區(qū)域130的有效電阻降 低到標稱源電阻。
當PIN 二極管100是零或反偏壓時，I區(qū)域130中沒有存儲電荷并且PIN 二極管100呈現(xiàn)為寄生電容器形式的高阻抗，與并行寄生電阻并聯(lián)。通過改變 絕緣體區(qū)域130的寬度和二極管面積110，能夠構(gòu)建不同幾何結(jié)構(gòu)的PIN 二極 管以產(chǎn)生不同電阻性特性。具有不同電阻性特性的PIN二極管在切換元件以控 制射頻信號時是有用的。在這些應用中，取決于絕緣體區(qū)域中所存儲電荷的電 平，能夠?qū)IN二極管偏置到高或低阻抗器件狀態(tài)。
圖2給出了用于衰減器應用的典型PIN二極管中電阻對應正向電流的曲線 圖。這種可預知且可靠的關系被用在衰減電路。為增加二極管的電阻，減小二 極管的正向電流。為減小二極管的電阻，增加二極管的正向電流。
作為一種非限制性實施例，如在此所述的衰減電路的至少一個實施例可用
在寬帶電信系統(tǒng)的首端單元中的千兆比特正交調(diào)幅(GQMA)射頻(RF)板中?？蓪⒃撾娐酚迷贕QMARF板上以對要從首端設備傳送到客戶端設備的信號的 振幅進行設置。本領域普通技術人員將意識到在此所公開的至少一個實施例的 其他應用。
圖3示出了串聯(lián)連接的開關電路300中的PIN二極管的使用的電路圖。當 PIN 二極管350被正向偏置并且呈現(xiàn)為RF發(fā)生器360和負載370之間的低正 向電阻時，該二極管處于導通功率狀態(tài)。對于截止功率狀態(tài)而言，二極管350 是零或反偏壓，以至于其呈現(xiàn)為電源360和負載370之間的高阻抗。在串聯(lián)連 接的開關中，可獲得的最大絕緣主要取決于PIN二極管的電容，同時插入損耗 取決于二極管電阻。經(jīng)由RF扼流圈320施加控制電壓305以控制PIN 二極管 350的電阻。電容器311和312是隔直流電容器并且電阻器313是并聯(lián)電阻器。 電容器311和312將負載320和發(fā)生器360與二極管350相隔離。
圖4給出了示出并聯(lián)開關電路400中連接在源460和負載470之間的PIN 二極管450的電路圖。如圖3的串聯(lián)開關所示那樣，經(jīng)由RF扼流圈420施加 控制電流405以控制PIN 二極管350的并聯(lián)電阻。并聯(lián)二極管開關為許多應用 提供高的絕緣，因為該二極管是被熱沉淀在一個電極上，與串聯(lián)型開關相比， 其能夠處理更多的射頻功率。在一些開關設計中，絕緣和功率消耗是二極管的 正向電阻的函數(shù)，但是插入損耗主要取決于PIN二極管的電容。
在衰減器應用中，不但在開關處于其最高和最低值中，而且在兩者之間的 有限值中使用PIN二極管的電阻特性。當正向偏置時，PIN二極管的電阻特性 很大程度上取決于絕緣體區(qū)域130的寬度。PIN二極管衰減器電路廣泛地應用 在自動增益控制(AGC)和RF電平應用中，也廣泛應用在電子控制衰減器和 調(diào)制器中。圖5示出了一種RF電平應用的典型配置。PIN二極管衰減器采用 很多形式，其范圍包括用作為開關的簡單串聯(lián)或并聯(lián)二極管、或在衰減器的整 個動態(tài)范圍上維持幾乎恒定輸入和輸出阻抗的較為復雜的結(jié)構(gòu)。參考圖3，發(fā) 生器360產(chǎn)生信號的衰減受控于經(jīng)由RF扼流圈320施加的控制電流305。隨 著通過PIN二極管350的電流的增加，PIN二極管350的電阻減小。同樣，在 圖4中，通過改變二極管450的電阻，施加到PIN二極管450的控制電流405 設置衰減電平。
圖5是例示了一種衰減差分輸入信號的方法的電路圖。將差分輸入信號施加到電路500的變壓器510，在后者中該差分輸入信號被轉(zhuǎn)換成單端信號。該 單端信號被施加到PIN 二極管的衰減器電路。衰減器電路的一個示例使用如圖 5設置的PIN二極管530、 540、 550和560。 二極管530和540與單端輸入串 聯(lián)連接，而二極管550和560連接在關于單端輸入的并聯(lián)電路。控制電流505 被施加在二極管530和540之間以控制二極管電路的電阻，從而控制衰減。連 接到DC電壓506的分壓電阻器517和570提供用于并聯(lián)二極管550和560的 偏置電壓。二極管550和560中的并聯(lián)電阻產(chǎn)生用于輸入和輸出的阻抗匹配以 實現(xiàn)高衰減。電容器511和512是隔直流電容器，而電阻器515和516是并聯(lián) 電阻器。電容器513是AC濾波器。在單端信號已被衰減之后，其被提供到變 壓器520，在那里該信號被轉(zhuǎn)換回差分信號。從差分到單端再回到差分的這種 轉(zhuǎn)換引入上述的許多問題。
圖6提供了一種在差分配置中使用圖5的單端衰減器的電路。其減輕了單 端電路的轉(zhuǎn)換問題。 一組四個二極管被用于衰減差分信號的正端，而另一組四 個二極管被用于衰減差分信號的負端。在差分輸入603的正端上，電阻器670 形成偏置電壓。二極管630和640在正端上與輸出609串聯(lián)連接，而二極管650 和660分別經(jīng)由電阻器610和615并聯(lián)連接到偏置電壓612和617。電容器604、 606、 613、 614是隔直流電容器。在差分輸入607的差分輸入的負端上，電阻 器675提供偏置電壓，二極管635和645與輸出611串聯(lián)連接，而二極管655 和665經(jīng)由電阻器610和615并聯(lián)連接到偏置電壓612和617。
輸出609上的電阻器680設置偏置電壓，負輸出611上的電阻器685設置 偏置電壓。經(jīng)由RF扼流圈將衰減控制電壓605施加到正和負衰減電路兩者。 在正端，RF扼流圈690電連接在串聯(lián)二極管630和640之間。在負端，RP扼 流圈695電連接在二極管635和645之間。RF扼流圈690和695兩者都電連 接到衰減控制電壓605。差分輸入信號路徑的正端和負端兩者上的衰減二極管 的這種配置使得能夠在不轉(zhuǎn)換到單端信號的情況下進行信號的差分衰減。
圖7展示了一種使用數(shù)組多個二極管701、 702來實現(xiàn)差分衰減的方法。 一組四個二極管701被用于衰減差分信號的正端，而另一組四個二極管702被 用于衰減差分信號的負端。在差分輸入703的正端，電阻器770形成偏置電壓。 二極管730和740在正端上與輸出709串聯(lián)連接，而二極管750和760分別經(jīng)由電阻器710和715并聯(lián)連接到偏置電壓712和717。在差分輸入707的差分 輸入的負端上，電阻器775提供偏置電壓，二極管735和745與輸出711串聯(lián) 連接，而二極管755和765經(jīng)由電阻器710和715并聯(lián)連接到偏置電壓712和 717。電容器704、 706、 713和714是隔直流電容器。輸出709上電阻器780 設置偏置電壓，而負輸出711上的電阻器785設置偏置電壓。經(jīng)由RF扼流圈 而將衰減控制電壓705施加到正和負衰減電路兩者。在正端，RF扼流圈790 電連接在串聯(lián)二極管730和740之間。在負端，RF扼流圈795電連接在二極 管735和745之間。RF扼流圈790和795兩者都電連接到衰減控制電壓705。 差分輸入信號路徑的正端和負端兩者上的衰減二極管的這種配置使得能夠在 不轉(zhuǎn)換到單端信號的情況下進行信號的差分衰減。
在一個實施例中，二極管730、 740、 750和760在相同的襯底上，在相同 的電路芯片上，二極管735、 745、 755和765制作在不同襯底上的不同管芯上。 二極管735、 745、 755和765可以在一個襯底上。在該實施例中，可以多種配 置來布置二極管，但是差分對正端上的二極管和差分對負端上的二極管位于不 同的半導體管芯上。這些配置的問題在于例如，二極管750和755的特性可 以是不同的，因為它們制造在不同的半導體管芯上。正端上的組中的二極管可 具有與負端上的組中的二極管不同的特性。利用衰減控制電壓705上的單一變 化，正端二極管組上出現(xiàn)與負端二極管組上不同的衰減，因為每一組、或者至 少單個二極管組處在不同的襯底上。
RF系統(tǒng)的差分設計依賴于關于該系統(tǒng)的完整性和性能的正和負路徑之間 信號功率的平衡。差分衰減器的正負路徑之間不同的衰減量造成衰減器的輸出 上不平衡的RF信號電平。這將進一步導致不期望的特征，諸如削弱的用于取 消隨后增益階段中偶次諧波能量的能力。
通過特殊組的二極管布置能夠改善改變特性的這個問題。為實現(xiàn)該目的， 差分衰減器正端上的二極管將在相同的半導體封裝中，并因此在相同管芯上、 在差分衰減器的負端上具有相應的二極管。例如，在圖8中，使用一組四個二 極管801來形成用于差分信號正端和負端的衰減器的前半部，并且使用另一組 四個二極管802來形成用于差分信號正端和負端的衰減器的后半部。在差分輸 入803的正端，電阻器870建立偏置電壓。在正端上，二極管830和840與輸出809串聯(lián)連接，而二極管850和860分別經(jīng)由電阻器810和815而并聯(lián)連接 到偏置電壓812和817。
電容器804、 806、 813、 814是隔直流電容器。在差分輸入807的差分輸 入的負端上，電阻器875提供偏置電壓，二極管835和845與輸出811串聯(lián)連 接，而二極管855和865經(jīng)由電阻器810和815并聯(lián)連接到偏置電壓812和817。 輸出809上的電阻器880設置偏置電壓，而負輸出811上的電阻器885設置偏 置電壓。衰減控制電壓805經(jīng)由RP扼流圈而被提供到正和負衰減電路兩者。 在正端，RF扼流圈8卯電連接在串聯(lián)連接的二極管830和840之間。在負端 上，RF扼流圈895電連接在二極管835和845之間。RF扼流圈890和895兩 者都電連接到衰減控制電壓805。差分輸入信號路徑上的正和負端上的這種衰 減二極管配置使得能夠在不轉(zhuǎn)換到單端信號的情況下進行信號的差分衰減。
為了更加詳細的描述，作為正差分衰減器輸入側(cè)上的并聯(lián)二極管的二極管 850和作為差分衰減器輸入負端上的并聯(lián)二極管的二極管855在相同半導體封 裝的相同管芯上。對于二極管而言，沒有必要將它們?nèi)菁{在一封裝中，只要將 它們?nèi)菁{在同一管芯上就行。同樣，二極管830和835在同一半導體封裝的同 一管芯上。二極管840和845在同一半導體封裝的同一管芯上，而二極管860 和865在同一半導體封裝的同一管芯上。
如圖8所示，組801的優(yōu)選實施例包括二極管830、 850、 835和855。組 802的優(yōu)選實施例包括二極管840、 860、 845和865。圖8所示的電路在同一 管芯上設置4個二極管。然而，該電路適用其上制造有任意數(shù)量二極管的管芯， 只要差分對正端上所使用的管芯上的二極管在差分對負端上所使用的管芯上 具有相應的二極管就行。另外， 一個管芯上的每個正端二極管在同一管芯上具 有附帶相同功能的相應負端二極管。利用以該方式布置的設備，衰減特性在差 分衰減器的正端和負端上將基本相似。同一半導體管芯上的兩個相似設備將展 現(xiàn)出基本相似的特性，該包括正向電壓、失真等等。在該方式中，差分衰減器 在差分對的正端和負端上能夠?qū)崿F(xiàn)基本相似的衰減。
應當強調(diào)的是本發(fā)明的上述實施例，特別是任意"優(yōu)選的"實施例僅僅是 實現(xiàn)的可能示例，僅僅為清楚理解公開內(nèi)容的原理而進行闡述?？蓪ι鲜龉_ 內(nèi)容的實施例作出許多改變和修改而基本上不脫離公開內(nèi)容的精神和原理。所有這些修改和變化旨在在此被包含在本公開以及當前公開的范圍內(nèi)，并且由所 附權(quán)利要求來保護。
權(quán)利要求
1. 一種用于衰減差分信號的系統(tǒng)，包括差分輸入，包括正端和負端；差分輸出，包括正端和負端；多個半導體管芯，電連接在所述差分輸入和所述差分輸出之間；以及多個衰減設備，制作在所述多個半導體管芯的每一個上，以使得包括在所述正端上的所述差分輸入和所述差分輸出之間電連接的衰減設備的半導體管芯還包括在所述負端上的所述差分輸入和所述差分輸出之間的互補衰減設備。
2. 權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述衰減設備的至少一個包括 可變衰減設備。
3. 權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，至少一個衰減設備包括寬帶衰 減設備。
4. 權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述多個半導體管芯的至少一 個包括以串聯(lián)的方式與所述正端上的所述差分輸入和差分輸出電連接的衰減設備；以串聯(lián)的方式與所述負端上的所述差分輸入和差分輸出電連接的衰減設備；電連接在所述正端和可變控制輸入之間的衰減設備；以及 電連接在所述負端和可變控制輸入之間的衰減設備。
5. 權(quán)利要求l所述的設備，其特征在于，至少一個衰減設備包括PIN 二 極管。
6. —種QAM調(diào)制器，包括 包括正端和負端的差分輸入； 包括正端和負端的差分輸出；電連接在所述差分輸入和差分輸出之間的多個半導體管芯；以及 制作在所述多個半導體管芯的每一個上的多個衰減設備，以使得包括電連 接在所述正端上的所述差分輸入和所述差分輸出之間的衰減設備的半導體管芯還包括所述負端上的所述差分輸入與所述差分輸出之間的互補衰減設備。
7. 權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，至少一個衰減設備包括PIN 二 極管。
8. 權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述衰減設備的至少一個包括 可變衰減設備。
9. 權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述衰減設備的至少一個包括 寬帶衰減設備。
10. 權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述多個半導體管芯的至少一 個包括與所述正端上的所述差分輸入和差分輸出串聯(lián)的衰減設備； 與所述負端上的所述差分輸入和差分輸出串聯(lián)的衰減設備； 在所述正端和可變控制輸入之間的衰減設備；以及 在所述負端和可變控制輸入之間的衰減設備。
全文摘要
在此公開一種用于寬帶差分信號的可變衰減的系統(tǒng)(800)。寬帶差分信號的可變衰減的示例性系統(tǒng)包括衰減設備(830，840，850，860)，這些衰減設備被布置成使得差分信號正端上的衰減設備在差分信號負端上具有相應的衰減設備(835，845，855，865)，并且兩個相應設備在相同半導體管芯(801，802)上。
文檔編號H03H7/25GK101421919SQ200780013622
公開日2009年4月29日 申請日期2007年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月19日
發(fā)明者W·T·墨菲 申請人:科學-亞特蘭大股份有限公司