專利名稱：中頻模擬/混頻信號(hào)應(yīng)用的有源差分雙轉(zhuǎn)單電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種中頻模擬/混頻信號(hào)應(yīng)用的有源差分雙轉(zhuǎn)單電路，尤指一種主要用于無(wú)線收發(fā)器中的混頻器，其廣泛運(yùn)用Gilbert-cell雙/單平衡結(jié)構(gòu)，要求有雙轉(zhuǎn)單balun用于轉(zhuǎn)化中頻差分信號(hào)到單端信號(hào)輸出的雙轉(zhuǎn)單電路。
背景技術(shù)：
目前，由于大多數(shù)的應(yīng)用需要有單端輸出，雙轉(zhuǎn)單Balun對(duì)射頻/模擬和混頻設(shè)計(jì)是非常重要的。舉例來(lái)說(shuō)，無(wú)線收發(fā)器中的混頻器廣泛運(yùn)用Gilbert-cell雙/單平衡結(jié)構(gòu)，所以要求有雙轉(zhuǎn)單balun用于轉(zhuǎn)化中頻差分信號(hào)到單端信號(hào)輸出。已有的有源雙轉(zhuǎn)單balun(如圖1所示)，受額外的鏡像極點(diǎn)”pole”影響，很難在中高頻中運(yùn)用。另一種高線性雙轉(zhuǎn)單balun(如圖2所示)，由于增加了負(fù)反饋電阻而壓縮了它的電源應(yīng)用空間。這兩種雙轉(zhuǎn)單balun都需要有兩個(gè)分支的偏置電流。已有的中頻的無(wú)源雙轉(zhuǎn)單balun(如圖3所示)和(如圖4所示)，在晶片上占有較大的面積，并且有嚴(yán)重的能量損耗，這些將增加無(wú)源雙轉(zhuǎn)單balun的成本。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述不足之處，本發(fā)明的主要目的旨在提供一種將兩個(gè)器件和一個(gè)電阻RE疊在一起的雙轉(zhuǎn)單balun電路，既能消耗一半的偏置電流，又提供了較大的電源空間的中頻模擬/混頻信號(hào)應(yīng)用的有源差分雙轉(zhuǎn)單電路。
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是主要解決有源器件的電路結(jié)構(gòu)、退化電阻RE的選值及如何可以自動(dòng)的提供相等的輸入阻抗值和電壓增益等有關(guān)技術(shù)問(wèn)題。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是該裝置由電源、晶體管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管及集成電路等部件組成，該電路由一對(duì)N型雙極性晶體管組成，具體為一退化電阻RE的第二N型雙極性晶體管和第一N型雙極性晶體管構(gòu)架在一起，結(jié)合為一有源差分雙轉(zhuǎn)單電路，其中第一N型雙極性晶體管的基極與差分輸入端的正極VIN相連接，集電極與電源VCC相連接，發(fā)射極與第二N型雙極性晶體管的集電極相連接；第二N型雙極性晶體管的基極與差分輸入端的負(fù)極VIN相連接，集電極輸出分為兩路，一路與第一N型雙極性晶體管的發(fā)射極相連接后至單端輸出VOUT端，另一路經(jīng)由負(fù)載電阻RL后接地。
所述的中頻模擬/混頻信號(hào)應(yīng)用的有源差分雙轉(zhuǎn)單電路的一對(duì)N型雙極性晶體管或?yàn)橐粚?duì)P型雙極性晶體管或?yàn)橐粚?duì)N型金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管或?yàn)镻型金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
所述的中頻模擬/混頻信號(hào)應(yīng)用的有源差分雙轉(zhuǎn)單電路的一對(duì)N型雙極性晶體管的型號(hào)或?yàn)橄嗤钠骷?duì)或?yàn)椴幌嗤钠骷?duì)。
所述的中頻模擬/混頻信號(hào)應(yīng)用的有源差分雙轉(zhuǎn)單電路的退化電阻RE的阻值與負(fù)載電阻RL的阻值相同，為不變參數(shù)。
所述的中頻模擬/混頻信號(hào)應(yīng)用的有源差分雙轉(zhuǎn)單電路的有源差分雙轉(zhuǎn)單電路或?yàn)橛杉呻娐方M成或?yàn)橛煞至⒃骷M成。
本發(fā)明的有益效果是該裝置的雙轉(zhuǎn)單balun電路，工作速度直接依賴于高速的N型雙極性晶體管NPN器件，不再受限于P型金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管pMOSFET管；這一新結(jié)構(gòu)將同樣的兩個(gè)器件疊在一起，只消耗一半的偏置電流；對(duì)比已有的雙轉(zhuǎn)單balun中的兩個(gè)器件和兩個(gè)電阻都疊在一起，我們的雙轉(zhuǎn)單balun把兩個(gè)器件和一個(gè)電阻RE疊在一起提供了較大的電源空間；這一有源雙轉(zhuǎn)單balun可以彌補(bǔ)能量損耗，減少采用無(wú)源雙轉(zhuǎn)單balun增加的芯片成本；盡管我們發(fā)明的有源雙轉(zhuǎn)單balun用到N型雙極性晶體管NPN器件，但其電路的結(jié)構(gòu)仍適用于了各種金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFETs；可以把現(xiàn)代晶體管的中頻波段(＜270MHz)視為低頻來(lái)處理，這樣新的雙轉(zhuǎn)單balun電路結(jié)構(gòu)的分析能夠建立在低頻的基礎(chǔ)上；這種新的有源雙轉(zhuǎn)單balun主要應(yīng)用于中頻差分雙轉(zhuǎn)單信號(hào)電路；具有降低成本、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。


下面結(jié)合

和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
附圖1為公知的有源雙轉(zhuǎn)單balun電路原理圖；附圖2為公知的高線性雙轉(zhuǎn)單balun電路原理圖；附圖3為公知的中頻無(wú)源雙轉(zhuǎn)單balun之一電路原理圖；附圖4為公知的中頻無(wú)源雙轉(zhuǎn)單balun之二電路原理圖；附圖5為本發(fā)明的有源雙轉(zhuǎn)單balun電路原理圖；附圖6為本發(fā)明有發(fā)射極跟隨器的等效電路原理圖；附圖7為本發(fā)明的等效電路原理圖；附圖8為本發(fā)明的實(shí)施例之一基于捷智SiGe90 N型雙極性晶體管器件電流增益/H21/的仿真結(jié)果，該器件被偏置在截止頻率fT峰值附近的示意圖；
附圖標(biāo)號(hào)說(shuō)明10-第一N型雙極性晶體管；20-第二N型雙極性晶體管；
具體實(shí)施例方式請(qǐng)參閱附圖5、6、7、8所示，本發(fā)明由電源、晶體管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管及集成電路等部件組成，該電路由一對(duì)N型雙極性晶體管組成，具體為一退化電阻RE的第二N型雙極性晶體管(20)和第一N型雙極性晶體管(10)構(gòu)架在一起，結(jié)合為一有源差分雙轉(zhuǎn)單電路，其中第一N型雙極性晶體管(10)的基極與差分輸入端的正極VIN相連接，集電極與電源VCC相連接，發(fā)射極與第二N型雙極性晶體管(20)的集電極相連接；第二N型雙極性晶體管(20)的基極與差分輸入端的負(fù)極VIN相連接，集電極輸出分為兩路，一路與第一N型雙極性晶體管(10)的發(fā)射極相連接后至單端輸出VOUT端，另一路經(jīng)由負(fù)載電阻RL后接地。
所述的中頻模擬/混頻信號(hào)應(yīng)用的有源差分雙轉(zhuǎn)單電路的一對(duì)N型雙極性晶體管或?yàn)橐粚?duì)P型雙極性晶體管或?yàn)橐粚?duì)N型金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管或?yàn)镻型金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
所述的中頻模擬/混頻信號(hào)應(yīng)用的有源差分雙轉(zhuǎn)單電路的一對(duì)N型雙極性晶體管的型號(hào)或?yàn)橄嗤钠骷?duì)或?yàn)椴幌嗤钠骷?duì)。
所述的中頻模擬/混頻信號(hào)應(yīng)用的有源差分雙轉(zhuǎn)單電路的退化電阻RE的阻值與負(fù)載電阻RL的阻值相同，作為不變參數(shù)。
所述的中頻模擬/混頻信號(hào)應(yīng)用的有源差分雙轉(zhuǎn)單電路的有源差分雙轉(zhuǎn)單電路或?yàn)橛杉呻娐方M成或?yàn)橛煞至⒃骷M成。
本發(fā)明實(shí)施例的具體工作原理為請(qǐng)參閱附圖8所示，本發(fā)明重點(diǎn)基于中頻運(yùn)用。由于工藝尺寸的持續(xù)縮小，我們可以把中頻的波段視為低頻來(lái)處理。圖8展示了基于捷智的鍺硅SiGe90 N型雙極性晶體管NPN標(biāo)準(zhǔn)器件電流增益|H21|隨頻率變化的仿真結(jié)果，通常高的截止頻率(fT)對(duì)應(yīng)于較高的器件頻率帶寬。|H21|保持了常數(shù)直到頻率達(dá)到了270MHz，這意味著我們可以把現(xiàn)代晶體管的中頻波段(＜270MHz)視為低頻來(lái)處理；這樣新的雙轉(zhuǎn)單balun電路結(jié)構(gòu)的分析能夠建立在低頻的基礎(chǔ)上。
A.輸入電阻分析如圖5所示的新雙轉(zhuǎn)單balun電路，我們需要確認(rèn)差分信號(hào)Vin+和Vin-有相同的輸入電阻。當(dāng)Vin+信號(hào)上升，Vout信號(hào)將會(huì)跟隨。假如確保Vin-保持不變，我們將會(huì)導(dǎo)出等效的電路如圖6所示。真實(shí)的情況是當(dāng)Vin-信號(hào)差分下降，電流IE將隨之有所變化。這將會(huì)改變趨于理想的電流源特性為高阻的(＞＞RL)非理想電流源。圖6中的等效電路仍然能夠有效地確認(rèn)上述的分析結(jié)果。當(dāng)Vin-上升，Vout會(huì)下降。由于Vin+差分地同時(shí)下降，假設(shè)ΔVin-＝ΔVin+＝ΔVout，(Vin+-Vout)將會(huì)保持直流電壓不變，電流IC將不會(huì)變化如圖7所示。當(dāng)ΔVin-＝ΔVin+≠ΔVout，IC將改變趨于理想的電流源特性為高阻的(＞＞RL)非理想電流源。圖7中的等效電路仍然能夠有效地確認(rèn)上述的分析結(jié)果?；谏厦娴姆治觯l(fā)射極跟隨器的輸入電阻RinU可以表達(dá)為RinU＝Rb+(β+1)(re+RL)(1a)式中Rb為基極電阻，β是電流增益，re是發(fā)射極-基極結(jié)電阻。
共發(fā)射極的輸入電阻RinD可以表達(dá)為Rind＝Rb+(β+1)(re+RE)(1b)假如在設(shè)計(jì)中選擇RE＝RL，RinU將會(huì)等于RinD，并且Vin+和Vin-將有相同的輸入電阻。
B.電壓增益分析從圖5的新雙轉(zhuǎn)單balun電路結(jié)構(gòu)看，我們也需要確認(rèn)差分信號(hào)Vin+和Vin-對(duì)Vout分別將有相等的電壓增益。在發(fā)射極跟隨器中(圖6)中，電壓增益可以表達(dá)為Vout/Vin+＝gmRL/(1+gmRL) (2a)式中g(shù)m是器件的跨導(dǎo)。
在共發(fā)射極結(jié)構(gòu)中(圖7)中，電壓增益可以表達(dá)為Vout/Vin-＝-gmRL/(1+gmRE) (2b)由于Vin+和Vin-是差分信號(hào)，如果選取RE＝RL，(2a)和(2b)的電壓增益將是相等的。
C.設(shè)計(jì)關(guān)鍵基于以上的分析，相對(duì)于各自的差分信號(hào)，不管需要多大的電流，新雙轉(zhuǎn)單balun都可以自動(dòng)的提供相等的輸入阻抗值和電壓增益。這意味著新雙轉(zhuǎn)單balun實(shí)現(xiàn)了運(yùn)用兩個(gè)N型雙極性晶體管NPN器件或n型場(chǎng)效應(yīng)晶體管nFETs或p型場(chǎng)效應(yīng)晶體管pFETs推Vin+和拉Vin-.；這個(gè)推-拉功能通常是需要由一對(duì)N型雙極性晶體管NPN和P型雙極性晶體管PNP器件或n型場(chǎng)效應(yīng)晶體nFETs和p型場(chǎng)效應(yīng)晶體管pFETs來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
如果確保RE＝RL＝R 并且gmR＞＞1，新雙轉(zhuǎn)單balun可以實(shí)現(xiàn)電壓增益接近但是永遠(yuǎn)小于1。在雙極器件中的gm可以表示為gm＝IC/VT(2c)式中VT是熱電壓，在室溫中是26毫伏。
新的雙轉(zhuǎn)單balun也是一個(gè)阻抗變挽器。它能夠?qū)⒏咦杩棺兺斐赡繕?biāo)阻抗。不管使用多大面積的雙極器件，如果能夠控制電流IC和gm，我們將可以實(shí)現(xiàn)電壓增益的控制和阻抗的變換。
在電路設(shè)計(jì)應(yīng)用中，設(shè)計(jì)者需要掌握以下的設(shè)計(jì)關(guān)鍵1)使用盡可能相同的器件2)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)RE＝RL3)通過(guò)控制電流來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓增益的控制和阻抗的匹配使用雙極器件和50ohm負(fù)載，我們可以得到有用的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如表I所示。
表I.電壓增益隨電流的變化

結(jié)論針對(duì)在中頻模擬/混頻信號(hào)的應(yīng)用，我們發(fā)明了一種新的有源雙轉(zhuǎn)單balun，它是由2個(gè)NPNs或nFETs或pFETs組成，克服了已有的雙轉(zhuǎn)單baluns的缺點(diǎn)。使用新的雙轉(zhuǎn)單balun，我們可以通過(guò)自動(dòng)的輸入電阻和電壓增益的匹配實(shí)現(xiàn)推-拉功能。這一有源雙轉(zhuǎn)單balun能夠低功耗地應(yīng)用于阻抗變挽器和差分雙轉(zhuǎn)單器件上。
本發(fā)明的有關(guān)特征1.請(qǐng)參閱附圖5、6、7所示，其電路的構(gòu)成有一個(gè)退化電阻(RE)的NPN三極管和另一個(gè)NPN三極管疊加在一起。
這個(gè)電路采用了NPN三極管，但又不僅限于NPN三極管。這個(gè)器件可以是一對(duì)PNP三極管，一對(duì)NMOSFETs或者是一對(duì)PMOSFETs。
2.在第一項(xiàng)特征中，那個(gè)有源器件應(yīng)該是相同的器件對(duì)，但又可以是不同的器件。
3.在第一項(xiàng)特征中，退化電阻(RE)應(yīng)該與負(fù)載(RL)同樣阻值，但也可以是不一樣的。
4.在第一項(xiàng)特征中，這個(gè)電路是應(yīng)用在中頻段。器件對(duì)在工作中一直保持著良好的匹配。然而，這個(gè)電路可以不受頻率的限制，在比中頻更高的頻段中應(yīng)用。
5.在第一項(xiàng)聲明中的電路可以在所有的集成電路領(lǐng)域例如CMOS，BiCMOS，Bipolar等工藝中應(yīng)用，但也不限于這些領(lǐng)域。它也可以用PCB板上的分立器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種中頻模擬/混頻信號(hào)應(yīng)用的有源差分雙轉(zhuǎn)單電路，該裝置有電源、晶體管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管及集成電路，其特征在于由一對(duì)N型雙極性晶體管組成，具體為一退化電阻RE的第二N型雙極性晶體管(20)和第一N型雙極性晶體管(10)構(gòu)架在一起，結(jié)合為一有源差分雙轉(zhuǎn)單電路，其中第一N型雙極性晶體管(10)的基極與差分輸入端的正極VIN相連接，集電極與電源VCC相連接，發(fā)射極與第二N型雙極性晶體管(20)的集電極相連接；第二N型雙極性晶體管(20)的基極與差分輸入端的負(fù)極VIN相連接，集電極輸出分為兩路，一路與第一N型雙極性晶體管(10)的發(fā)射極相連接后至單端輸出VOUT端，另一路經(jīng)由負(fù)載電阻RL后接地。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中頻模擬/混頻信號(hào)應(yīng)用的有源差分雙轉(zhuǎn)單電路，其特征在于所述的一對(duì)N型雙極性晶體管或?yàn)橐粚?duì)P型雙極性晶體管或?yàn)橐粚?duì)N型金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管或?yàn)镻型金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中頻模擬/混頻信號(hào)應(yīng)用的有源差分雙轉(zhuǎn)單電路，其特征在于所述的一對(duì)N型雙極性晶體管的型號(hào)或?yàn)橄嗤钠骷?duì)或?yàn)椴幌嗤钠骷?duì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中頻模擬/混頻信號(hào)應(yīng)用的有源差分雙轉(zhuǎn)單電路，其特征在于所述的退化電阻RE的阻值與負(fù)載電阻RL的阻值相同，保持不變的比率參數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中頻模擬/混頻信號(hào)應(yīng)用的有源差分雙轉(zhuǎn)單電路，其特征在于所述的有源差分雙轉(zhuǎn)單電路或?yàn)橛杉呻娐方M成或?yàn)橛煞至⒃骷M成。
全文摘要
一種涉及中頻模擬/混頻信號(hào)應(yīng)用的有源差分雙轉(zhuǎn)單電路，尤指一種主要用于無(wú)線收發(fā)器中的混頻器中轉(zhuǎn)化中頻差分信號(hào)到單端信號(hào)輸出的雙轉(zhuǎn)單電路。該裝置由電源、晶體管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管及集成電路等部件組成，該電路由一對(duì)N型雙極性晶體管組成，一退化電阻R
文檔編號(hào)H04B1/40GK1921294SQ200610116089
公開(kāi)日2007年2月28日 申請(qǐng)日期2006年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月15日
發(fā)明者馬平西, 李偉 申請(qǐng)人:捷智半導(dǎo)體研發(fā)(上海)有限公司