CN101421919A - 使用pin二极管的宽带差分信号的可变衰减 - Google Patents

Abstract

在此公开一种用于宽带差分信号的可变衰减的系统(800)。宽带差分信号的可变衰减的示例性系统包括衰减设备(830，840，850，860)，这些衰减设备被布置成使得差分信号正端上的衰减设备在差分信号负端上具有相应的衰减设备(835，845，855，865)，并且两个相应设备在相同半导体管芯(801，802)上。

Description

使用PIN二极管的宽带差分信号的可变衰减

技术领域

本发明一般地涉及电子，尤其涉及一种用于衰减宽带差分信号的系统和方法。

背景

在包括卫星、电缆、以及DSL系统的许多系统中都使用了宽带数据通信。在这些系统中，越来越多地使用差分信令以传送宽带通信。在传送差分信号时，通常期望控制差分信号的输出功率。通常利用衰减器电路控制输出功率。一种用于单端宽带可变衰减方法在工业中被完全确定。所以，一种衰减差分信号的方法是能够将差分信号转换成单端信号，衰减该单端信号，然后将单端信号反向转换成差分信号。将信号从差分转换到单端并且然后反转该处理的过程引入了许多不期望的特性，包括尺寸、成本、插入损耗降级、以及频率响应降级。

所以，至今在工业中没有提出用于解决上述缺陷和不足的需求。

附图简述

参考附图能够较好地理解公开内容的许多方面。附图中的组件没有必要按比例绘制，重点是用于清楚地例示本发明的原理。而且，在附图中，相似的附图标记在全部视图中表示相应的部分。

图1是PIN二极管的立体图。

图2是图1中PIN二极管的电阻对应PIN二极管的二极管正向电流的曲线图。

图3是串联电路中使用的图1的PIN二极管的电路图。

图4是并联电路中使用的图1的PIN二极管的电路图。

图5是单端衰减电路中使用的图1的PIN二极管的电路图。

图6是差分衰减电路中使用的图1的PIN二极管的电路图。

图7是使用图1的PIN二极管的差分宽带衰减器的电路图。

图8是使用图1的PIN二极管的差分衰减器的电路图。

详细描述

在此公开一种用于宽带差分信号的可变衰减系统。为了便于本发明的描述，参考附图讨论能够用于实现宽带差分信号的可变衰减系统的示例系统。尽管详细描述了该系统，但是将可以领会到：该系统是为说明性目的而被提供的并且在不脱离本发明原理的情况下不同的修改也是可行的。在描述完实例系统之后，将提供该系统的操作的示例来解释能够使用该系统以提供宽带差分信号的可变衰减的方式。

现在详细地参考附图，其中，类似附图标记指示通篇若干视图中相应部分，图1是PIN二极管的立体图。PIN二极管由于它们的宽带阻抗对正向电流而在宽带差分信号的衰减中是有益的。在宽带频率上，能够将PIN二极管建模电流控制电阻器。其为硅半导体二极管，其中电阻性本征区域130夹在p型区域120和n型区域140之间。当正向偏置PIN二极管100时，空穴和电子被注入到I区域130。这些电荷彼此之间不会立刻消灭；相反它们在被称为载流子寿命的平均时间内持续存在。这产生平均存储电荷Q，其将I区域130的有效电阻降低到标称源电阻。

当PIN二极管100是零或反偏压时，I区域130中没有存储电荷并且PIN二极管100呈现为寄生电容器形式的高阻抗，与并行寄生电阻并联。通过改变绝缘体区域130的宽度和二极管面积110，能够构建不同几何结构的PIN二极管以产生不同电阻性特性。具有不同电阻性特性的PIN二极管在切换元件以控制射频信号时是有用的。在这些应用中，取决于绝缘体区域中所存储电荷的电平，能够将PIN二极管偏置到高或低阻抗器件状态。

图2给出了用于衰减器应用的典型PIN二极管中电阻对应正向电流的曲线图。这种可预知且可靠的关系被用在衰减电路。为增加二极管的电阻，减小二极管的正向电流。为减小二极管的电阻，增加二极管的正向电流。

作为一种非限制性实施例，如在此所述的衰减电路的至少一个实施例可用在宽带电信系统的首端单元中的千兆比特正交调幅(GQMA)射频(RF)板中。可将该电路用在GQMA RF板上以对要从首端设备传送到客户端设备的信号的振幅进行设置。本领域普通技术人员将意识到在此所公开的至少一个实施例的其他应用。

图3示出了串联连接的开关电路300中的PIN二极管的使用的电路图。当PIN二极管350被正向偏置并且呈现为RF发生器360和负载370之间的低正向电阻时，该二极管处于导通功率状态。对于截止功率状态而言，二极管350是零或反偏压，以至于其呈现为电源360和负载370之间的高阻抗。在串联连接的开关中，可获得的最大绝缘主要取决于PIN二极管的电容，同时插入损耗取决于二极管电阻。经由RF扼流圈320施加控制电压305以控制PIN二极管350的电阻。电容器311和312是隔直流电容器并且电阻器313是并联电阻器。电容器311和312将负载320和发生器360与二极管350相隔离。

图4给出了示出并联开关电路400中连接在源460和负载470之间的PIN二极管450的电路图。如图3的串联开关所示那样，经由RF扼流圈420施加控制电流405以控制PIN二极管350的并联电阻。并联二极管开关为许多应用提供高的绝缘，因为该二极管是被热沉淀在一个电极上，与串联型开关相比，其能够处理更多的射频功率。在一些开关设计中，绝缘和功率消耗是二极管的正向电阻的函数，但是插入损耗主要取决于PIN二极管的电容。

在衰减器应用中，不但在开关处于其最高和最低值中，而且在两者之间的有限值中使用PIN二极管的电阻特性。当正向偏置时，PIN二极管的电阻特性很大程度上取决于绝缘体区域130的宽度。PIN二极管衰减器电路广泛地应用在自动增益控制(AGC)和RF电平应用中，也广泛应用在电子控制衰减器和调制器中。图5示出了一种RF电平应用的典型配置。PIN二极管衰减器采用很多形式，其范围包括用作为开关的简单串联或并联二极管、或在衰减器的整个动态范围上维持几乎恒定输入和输出阻抗的较为复杂的结构。参考图3，发生器360产生信号的衰减受控于经由RF扼流圈320施加的控制电流305。随着通过PIN二极管350的电流的增加，PIN二极管350的电阻减小。同样，在图4中，通过改变二极管450的电阻，施加到PIN二极管450的控制电流405设置衰减电平。

图5是例示了一种衰减差分输入信号的方法的电路图。将差分输入信号施加到电路500的变压器510，在后者中该差分输入信号被转换成单端信号。该单端信号被施加到PIN二极管的衰减器电路。衰减器电路的一个示例使用如图5设置的PIN二极管530、540、550和560。二极管530和540与单端输入串联连接，而二极管550和560连接在关于单端输入的并联电路。控制电流505被施加在二极管530和540之间以控制二极管电路的电阻，从而控制衰减。连接到DC电压506的分压电阻器517和570提供用于并联二极管550和560的偏置电压。二极管550和560中的并联电阻产生用于输入和输出的阻抗匹配以实现高衰减。电容器511和512是隔直流电容器，而电阻器515和516是并联电阻器。电容器513是AC滤波器。在单端信号已被衰减之后，其被提供到变压器520，在那里该信号被转换回差分信号。从差分到单端再回到差分的这种转换引入上述的许多问题。

图6提供了一种在差分配置中使用图5的单端衰减器的电路。其减轻了单端电路的转换问题。一组四个二极管被用于衰减差分信号的正端，而另一组四个二极管被用于衰减差分信号的负端。在差分输入603的正端上，电阻器670形成偏置电压。二极管630和640在正端上与输出609串联连接，而二极管650和660分别经由电阻器610和615并联连接到偏置电压612和617。电容器604、606、613、614是隔直流电容器。在差分输入607的差分输入的负端上，电阻器675提供偏置电压，二极管635和645与输出611串联连接，而二极管655和665经由电阻器610和615并联连接到偏置电压612和617。

输出609上的电阻器680设置偏置电压，负输出611上的电阻器685设置偏置电压。经由RF扼流圈将衰减控制电压605施加到正和负衰减电路两者。在正端，RF扼流圈690电连接在串联二极管630和640之间。在负端，RF扼流圈695电连接在二极管635和645之间。RF扼流圈690和695两者都电连接到衰减控制电压605。差分输入信号路径的正端和负端两者上的衰减二极管的这种配置使得能够在不转换到单端信号的情况下进行信号的差分衰减。

图7展示了一种使用数组多个二极管701、702来实现差分衰减的方法。一组四个二极管701被用于衰减差分信号的正端，而另一组四个二极管702被用于衰减差分信号的负端。在差分输入703的正端，电阻器770形成偏置电压。二极管730和740在正端上与输出709串联连接，而二极管750和760分别经由电阻器710和715并联连接到偏置电压712和717。在差分输入707的差分输入的负端上，电阻器775提供偏置电压，二极管735和745与输出711串联连接，而二极管755和765经由电阻器710和715并联连接到偏置电压712和717。电容器704、706、713和714是隔直流电容器。输出709上电阻器780设置偏置电压，而负输出711上的电阻器785设置偏置电压。经由RF扼流圈而将衰减控制电压705施加到正和负衰减电路两者。在正端，RF扼流圈790电连接在串联二极管730和740之间。在负端，RF扼流圈795电连接在二极管735和745之间。RF扼流圈790和795两者都电连接到衰减控制电压705。差分输入信号路径的正端和负端两者上的衰减二极管的这种配置使得能够在不转换到单端信号的情况下进行信号的差分衰减。

在一个实施例中，二极管730、740、750和760在相同的衬底上，在相同的电路芯片上，二极管735、745、755和765制作在不同衬底上的不同管芯上。二极管735、745、755和765可以在一个衬底上。在该实施例中，可以多种配置来布置二极管，但是差分对正端上的二极管和差分对负端上的二极管位于不同的半导体管芯上。这些配置的问题在于：例如，二极管750和755的特性可以是不同的，因为它们制造在不同的半导体管芯上。正端上的组中的二极管可具有与负端上的组中的二极管不同的特性。利用衰减控制电压705上的单一变化，正端二极管组上出现与负端二极管组上不同的衰减，因为每一组、或者至少单个二极管组处在不同的衬底上。

RF系统的差分设计依赖于关于该系统的完整性和性能的正和负路径之间信号功率的平衡。差分衰减器的正负路径之间不同的衰减量造成衰减器的输出上不平衡的RF信号电平。这将进一步导致不期望的特征，诸如削弱的用于取消随后增益阶段中偶次谐波能量的能力。

通过特殊组的二极管布置能够改善改变特性的这个问题。为实现该目的，差分衰减器正端上的二极管将在相同的半导体封装中，并因此在相同管芯上、在差分衰减器的负端上具有相应的二极管。例如，在图8中，使用一组四个二极管801来形成用于差分信号正端和负端的衰减器的前半部，并且使用另一组四个二极管802来形成用于差分信号正端和负端的衰减器的后半部。在差分输入803的正端，电阻器870建立偏置电压。在正端上，二极管830和840与输出809串联连接，而二极管850和860分别经由电阻器810和815而并联连接到偏置电压812和817。

电容器804、806、813、814是隔直流电容器。在差分输入807的差分输入的负端上，电阻器875提供偏置电压，二极管835和845与输出811串联连接，而二极管855和865经由电阻器810和815并联连接到偏置电压812和817。输出809上的电阻器880设置偏置电压，而负输出811上的电阻器885设置偏置电压。衰减控制电压805经由RF扼流圈而被提供到正和负衰减电路两者。在正端，RF扼流圈890电连接在串联连接的二极管830和840之间。在负端上，RF扼流圈895电连接在二极管835和845之间。RF扼流圈890和895两者都电连接到衰减控制电压805。差分输入信号路径上的正和负端上的这种衰减二极管配置使得能够在不转换到单端信号的情况下进行信号的差分衰减。

为了更加详细的描述，作为正差分衰减器输入侧上的并联二极管的二极管850和作为差分衰减器输入负端上的并联二极管的二极管855在相同半导体封装的相同管芯上。对于二极管而言，没有必要将它们容纳在一封装中，只要将它们容纳在同一管芯上就行。同样，二极管830和835在同一半导体封装的同一管芯上。二极管840和845在同一半导体封装的同一管芯上，而二极管860和865在同一半导体封装的同一管芯上。

如图8所示，组801的优选实施例包括二极管830、850、835和855。组802的优选实施例包括二极管840、860、845和865。图8所示的电路在同一管芯上设置4个二极管。然而，该电路适用其上制造有任意数量二极管的管芯，只要差分对正端上所使用的管芯上的二极管在差分对负端上所使用的管芯上具有相应的二极管就行。另外，一个管芯上的每个正端二极管在同一管芯上具有附带相同功能的相应负端二极管。利用以该方式布置的设备，衰减特性在差分衰减器的正端和负端上将基本相似。同一半导体管芯上的两个相似设备将展现出基本相似的特性，该包括正向电压、失真等等。在该方式中，差分衰减器在差分对的正端和负端上能够实现基本相似的衰减。

应当强调的是：本发明的上述实施例，特别是任意“优选的”实施例仅仅是实现的可能示例，仅仅为清楚理解公开内容的原理而进行阐述。可对上述公开内容的实施例作出许多改变和修改而基本上不脱离公开内容的精神和原理。所有这些修改和变化旨在在此被包含在本公开以及当前公开的范围内，并且由所附权利要求来保护。

Claims (10)

1.一种用于衰减差分信号的系统，包括：

差分输入，包括正端和负端；

差分输出，包括正端和负端；

多个半导体管芯，电连接在所述差分输入和所述差分输出之间；以及

多个衰减设备，制作在所述多个半导体管芯的每一个上，以使得包括在所述正端上的所述差分输入和所述差分输出之间电连接的衰减设备的半导体管芯还包括在所述负端上的所述差分输入和所述差分输出之间的互补衰减设备。

2.权利要求1所述的系统，其特征在于，所述衰减设备的至少一个包括可变衰减设备。

3.权利要求1所述的系统，其特征在于，至少一个衰减设备包括宽带衰减设备。

4.权利要求2所述的系统，其特征在于，所述多个半导体管芯的至少一个包括：

以串联的方式与所述正端上的所述差分输入和差分输出电连接的衰减设备；

以串联的方式与所述负端上的所述差分输入和差分输出电连接的衰减设备；

电连接在所述正端和可变控制输入之间的衰减设备；以及

电连接在所述负端和可变控制输入之间的衰减设备。

5.权利要求1所述的设备，其特征在于，至少一个衰减设备包括PIN二极管。

6.一种QAM调制器，包括：

包括正端和负端的差分输入；

包括正端和负端的差分输出；

电连接在所述差分输入和差分输出之间的多个半导体管芯；以及

制作在所述多个半导体管芯的每一个上的多个衰减设备，以使得包括电连接在所述正端上的所述差分输入和所述差分输出之间的衰减设备的半导体管芯还包括所述负端上的所述差分输入与所述差分输出之间的互补衰减设备。

7.权利要求6所述的系统，其特征在于，至少一个衰减设备包括PIN二极管。

8.权利要求7所述的系统，其特征在于，所述衰减设备的至少一个包括可变衰减设备。

9.权利要求7所述的系统，其特征在于，所述衰减设备的至少一个包括宽带衰减设备。

10.权利要求7所述的系统，其特征在于，所述多个半导体管芯的至少一个包括：

与所述正端上的所述差分输入和差分输出串联的衰减设备；

与所述负端上的所述差分输入和差分输出串联的衰减设备；

在所述正端和可变控制输入之间的衰减设备；以及

在所述负端和可变控制输入之间的衰减设备。

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