CN102340295B

CN102340295B - 一种宽带有源巴伦电路

Info

Publication number: CN102340295B
Application number: CN201110143098.2A
Authority: CN
Inventors: 吴建辉; 赵强; 陈超; 黄成�; 李红; 白春风; 王旭东; 温俊峰; 张理振; 谢震
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University Wuxi Branch
Priority date: 2011-05-30
Filing date: 2011-05-30
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2031-05-30
Also published as: CN102340295A

Abstract

本发明公开了一种宽带有源巴伦电路，本发明将单端信号转换为双端平衡信号的过程分为两级：第一级提出了一种基于完全对称电路结构的电流复用单转双电路，电流复用单转双电路包括源跟随器、共源放大器和用于确保源跟随器与共源放大器对称偏置的静态偏置电路；第二级差分放大电路对前级得到的差分信号进行放大，差分放大电路与电流复用单转双电路输出端相连接，以满足后续电路对处理信号的要求，并且对前级输出的幅度失配有一定的纠正作用。本发明能在10GHz以内的输入电压信号下，得到幅度相等、相位差分的输出信号；后级只需要一级放大电路即可完成对幅值偏差的进一步完善，减小了电路规模。

Description

一种宽带有源巴伦电路

技术领域

本发明涉及一种巴伦电路，具体涉及一种宽带有源巴伦电路。

背景技术

在无线射频系统中，接收机前端被实践证明是最关键的模块。发射机通常发送的是单端信号，而出于提高系统对共模信号的抑制，从而消除毛刺和干扰，以提高系统可靠性和稳定性等的考虑，需要将接收到的信号转化为差分信号进行后续处理。在当今的应用中，一般采用巴伦电路来解决这一转化问题。

对于现有的常用巴伦电路，存在下列主要问题：(1)无源巴伦适用带宽过窄；(2)有源巴伦电路本身差分输出端的不对称导致的输出信号幅度和相位的不平衡；伪差分对在高频时输出相位幅度的失衡；(3)一些巴伦电路使用电感，以致受限于集成工艺，并且不适用于低频率的应用。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种能够在10GHz以内的输入电压信号下，得到幅度相等、相位差分输出信号的宽带有源巴伦电路，且具有输入电压信号频带范围宽、对小信号和大信号均适用等优点。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明包括电流复用单转双电路，电流复用单转双电路包括源跟随器、共源放大器和用于确保源跟随器与共源放大器对称偏置的静态偏置电路；源跟随器包括P型第三场效应管和P型第四场效应管，所述P型第三场效应管源极接电源电压，其漏极接P型第四场效应管源极；共源放大器包括P型第五场效应管和P型第六场效应管，所述P型第五场效应管源极接P型第四场效应管漏极，P型第五场效应管漏极接P型第六场效应管源极，P型第六场效应管漏极和栅极均接地；静态偏置电路包括P型第二场效应管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第二耦合电容、第五电容和电流镜；所述第二耦合电容一极接P型第三场效应管栅极，其另一极接电源电压；所述第五电容一极接P型第五场效应管源极，其另一极接电源电压；所述P型第二场效应管源极接电源电压，其栅极与漏极短接且与P型第三场效应管栅极相连接；所述第四电阻一极接P型第五场效应管栅极，其另一极接第二电阻一极；所述电流镜接第四电阻与第二电阻的公共端；所述第二电阻另一极接第一电阻及第三电阻一极；所述第三电阻另一极接P型第四场效应管栅极；所述第一电阻另一极接P型第二场效应管栅极与漏极的公共端。第二耦合电容的作用在于：通过交流耦合接地，达到电流复用的目的，同时确保了源跟随器与共源放大器具有相同的偏置电流。第五电容作用在于：在输入交流信号时，产生交流虚地的效果，以增强单端转双端过程中两路转换电路的相对独立性，提高转换精度。

本发明还包括与电流复用单转双电路输出端相连接的差分放大电路；差分放大电路包括P型第七场效应管、P型第八场效应管和P型第九场效应管；P型第七场效应管源极接电源电压，其栅极接P型第三场效应管栅极；P型第八场效应管栅极接P型第三场效应管漏极与P型第四场效应管源极的公共端，其源极接P型第七场效应管漏极，其漏极接第一输出；P型第九场效应管栅极接P型第五场效应管漏极与P型第六场效应管源极的公共端，其源极接P型第七场效应管漏极，其漏极接第二输出。以满足后续电路对处理信号的要求，并且对前级输出电压的幅度失配有一定的纠正作用。

上述P型第八场效应管栅极还连接第五电阻，P型第九场效应管栅极还连接第六电阻；第五电阻和第六电组的电阻值相同，且两者的另一极接同一偏置电压。用于对P型第八场效应管栅极和P型第九场效应管进行静态偏置。

上述P型第八场效应管漏极还连接第七电阻，P型第九场效应管漏极还连接第八电阻，第七电阻及第八电阻的另一极均接地。对单转双电路的输出进行等比例放大。

上述P型第八场效应管漏极与第二输出之间设有第九耦合电容；P型第九场效应管漏极与第一输出之间设有第八耦合电容。

上述P型第三场效应管漏极与P型第四场效应管源极的公共端和P型第八场效应管栅极之间设有第六耦合电容；P型第五场效应管漏极与P型第六场效应管源极的公共端和P型第九场效应管栅极之间设有第七耦合电容。第六耦合电容和第七耦合电容作为巴伦电路产生差分信号输出的交流耦合供后级放大。

上述P型第四场效应管栅极还连接有第三耦合电容，P型第五场效应管栅极还连接有第四耦合电容；第三耦合电容及第四耦合电容另一极接同一输入电压信号。

本发明能在10GHz以内的输入电压信号下，得到幅度相等、相位差分的输出信号；具有输入电压信号频带范围宽，输出信号幅度相位匹配精确的优点；使用第五电容达到电流复用的效果，从而节省了功耗；后级只需要一级差分放大电路即可完成对幅值偏差的进一步完善，减小了电路规模，适用于多种应用场合；本发明可以用于射频前端单转双电路、本振产生电路等射频模块。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

图1为本发明的电路框图；

图2为图1的电路原理图；

图3为本发明的幅频响应仿真曲线；

图4为本发明的相频响应仿真曲线。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参见图1和图2，本发明将单端信号转换为双端平衡信号的过程分为两级：第一级提出了一种基于完全对称电路结构的电流复用单转双电路，获得一定带宽内，相位精确的差分信号；第二级差分放大电路对前级得到的差分信号进行放大，差分放大电路与电流复用单转双电路输出端相连接，以满足后续电路对处理信号的要求，并且对前级输出电压的幅度失配有一定的纠正作用。

本发明包括电流复用单转双电路和与电流复用单转双电路输出端相连接的差分放大电路。

电流复用单转双电路包括源跟随器、共源放大器和用于确保源跟随器与共源放大器对称偏置的静态偏置电路。

源跟随器包括P型第三场效应管P3和P型第四场效应管P4，P型第三场效应管P3源极接电源电压，其漏极接P型第四场效应管P4源极。

共源放大器包括P型第五场效应管P5和P型第六场效应管P6，P型第五场效应管P5源极接P型第四场效应管P4漏极，P型第五场效应管P5漏极接P型第六场效应管P6源极，P型第六场效应管P6漏极和栅极均接地。

P型第三场效应管P3、P型第四场效应管P4、P型第五场效应管P5和P型第六场效应管P6结构相同。

P型第四场效应管P4栅极和P型第五场效应管P5栅极接同一输入电压信号Vin；P型第四场效应管P4栅极与输入电压信号Vin之间设有第三耦合电容C3，P型第五场效应管P5栅极与输入电压信号Vin之间设有第四耦合电容C4；第三耦合电容C3正极接输入电压信号Vin，其负极接P型第四场效应管P4栅极，第四耦合电容C4正极接输入电压信号Vin，其负极接P型第五场效应管P5栅极。

静态偏置电路包括P型第二场效应管P2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第二耦合电容C2、第五电容C5和电流镜。

第二耦合电容C2负极接P型第三场效应管P3栅极，其正极接电源电压。第二耦合电容的作用在于：通过交流耦合接地，达到电流复用的目的，同时确保了源跟随器与共源放大器具有相同的偏置电流。

第五电容C5负极接P型第五场效应管P5源极，其正极接电源电压，第五电容C5作用在于：在输入交流信号时，产生交流虚地的效果，以使产生的差分信号相对独立，达到了电流复用的目的。

P型第二场效应管P2源极接电源电压，其栅极与漏极短接且与P型第三场效应管P3栅极相连接。

第四电阻R4负极接P型第五场效应管P5栅极，其正极接第二电阻R2负极。N型第三场效应管N3漏极接第二电阻R2负极和第四电阻R4正极，其源极接地，其栅极与N型第一场效应管N1相连接组成电流镜。第二电阻R2正极接第一电阻R1负极和第三电阻R3正极。第三电阻R3负极接P型第四场效应管P4栅极。第一电阻R1正极接P型第二场效应管P2栅极与漏极的公共端。

差分放大电路包括P型第七场效应管P7、P型第八场效应管P8和P型第九场效应管P9。

P型第七场效应管P7源极接电源电压，其栅极接P型第三场效应管P3栅极。

P型第八场效应管P8栅极接P型第三场效应管P3漏极与P型第四场效应管P4源极的公共端，其源极接P型第七场效应管P7漏极，其漏极接第一输出Vo1。

P型第九场效应管P9栅极接P型第五场效应管P5漏极与P型第六场效应管P6源极的公共端，其源极接P型第七场效应管P7漏极，其漏极接第二输出Vo2。

P型第八场效应管P8栅极还连接第五电阻R5正极，P型第九场效应管P9栅极还连接第六电阻R6正极；第五电阻R5和第六电组的电阻值相同，且两者的负极接同一偏置电压Vbias。

P型第八场效应管P8漏极还连接第七电阻R7正极，P型第九场效应管P9漏极还连接第八电阻R8正极，第七电阻R7及第八电阻R8负极均接地。

P型第三场效应管P3漏极与P型第四场效应管P4源极的公共端和P型第八场效应管P8栅极之间设有第六耦合电容C6，第六耦合电容C6正极接P型第三场效应管P3漏极与P型第四场效应管P4源极的公共端，其负极接P型第八场效应管P8栅极；P型第五场效应管P5漏极与P型第六场效应管P6源极的公共端和P型第九场效应管P9栅极之间设有第七耦合电容C7，第七耦合电容C7正极接P型第五场效应管P5漏极与P型第六场效应管P6源极的公共端，其负极接P型第九场效应管P9栅极。第六耦合电容C6和第七耦合电容C7作为巴伦电路产生差分信号输出的交流耦合供后级放大。

P型第八场效应管P8漏极与第二输出Vo2之间设有第九耦合电容C9，第九耦合电容C9正极接P型第八场效应管P8漏极，其负极接第二输出Vo2；P型第九场效应管P9漏极与第一输出Vo1之间设有第八耦合电容C8，第八耦合电容C8正极接P型第九场效应管P9漏极，其负极接第一输出Vo1。

电流复用单转双电路主体由P型第三场效应管P3、P型第四场效应管P4、P型第五场效应管P5和P型第六场效应管P6四个PMOS管串联组成。第五电容C5产生交流虚地效果以使产生的差分信号相对独立，使静态偏置时，串联的P型第三场效应管P3、P型第四场效应管P4、P型第五场效应管P5和P型第六场效应管P6，对于交流信号产生P型第三场效应管P3、P型第四场效应管P4的串联路径与P型第五场效应管P5、P型第六场效应管P6的串联路径并联的效果。第一电阻R1、第三电阻R3、第二电阻R2和第四电阻R4在P型第四场效应管P4、P型第五场效应管P5两个PMOS管上产生稳定偏置，从而使四个PMOS管组成的主路径电流保持恒定。四个PMOS管设计参数一致，又具有相同的偏置电流，从而在P型第四场效应管P4源极和P型第五场效应管P5漏极输出信号在低频下对输入电压信号的放大倍数绝对值严格相同均为

其中，gm3、gm4，gm5和gm6分别是对应的场效应管的跨导；r_o是采用栅漏短接形式场效应管(P3、P4、P5和P6)的电阻；

同时相位相差180度，该结构在高频时传输函数为其中，A是电路的放大倍数，P_i为电路极点，S是频率分析的参数；

由管子参数的对称设计，两个输出的传输函数相同，所以两个输出端的高频相移也相同，从而V1输出为输入电压信号Vin的同相等值信号，V2输出为输入电压信号Vin的反相等值信号。

静态偏置电路使P型第四场效应管P4、P型第五场效应管P5的栅电压偏置在适当位置，保证各个管子处于饱和区。又P型第三场效应管P3、P型第四场效应管P4、P型第五场效应管P5和P型第六场效应管P6通路静态电流由电流镜偏置在固定位置，所以P型第三场效应管P3、P型第四场效应管P4、P型第五场效应管P5和P型第六场效应管P6的跨导值均相等，达到了在不同频率下幅度和相位的匹配。

本发明P型第二场效应管P2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、N型第三场效应管N3组成的分压结构以及N型第三场效应管N3镜像为电流源为电路提供了静态偏置，使P型第四场效应管P4、P型第五场效应管P5工作在饱和区。输入单端电压信号，通过第三耦合电容C3、第四耦合电容C4交流耦合分别作用于P型第四场效应管P4栅极、P型第五场效应管P5栅极，P型第四场效应管P4源极输出与输入电压信号Vin同相的放大信号，P型第五场效应管P5漏极输出与输入电压信号Vin反相的放大信号。

由于P型第三场效应管P3、P型第四场效应管P4和P型第五场效应管P5、P型第六场效应管P6两对放大管完全对称，而且第五电容C5起了交流接地的作用，使两对管子分别构成了共源放大器结构和源跟随器结构，并达到了电流复用的目的节约了功耗。并且差分输出端的输出阻抗在很宽的频带范围内保持一致，从而使两个输出信号(V1和V2)在宽带范围内幅值相等，相差精确保持180°，得到理想的差分信号。双端信号分别通过第六耦合电容C6、第七耦合电容C7与差分放大电路交流耦合，并通过后级差分放大器放大后输出满足后续处理电路所需幅度的差分信号。

参见图3，从幅频响应仿真曲线可以看出，本设计在10GHz以内频率的信号输入下，能保持输出信号的幅值基本相等。

参见图4，从相频响应仿真曲线可以看出，本设计在5GHz以内频率信号输入条件下，输出信号相位差基本保持180°的理想值，从5GHz以上频率才开始产生相位差小幅偏移，直到10GHz，只产生10°至20°的相差偏移。

通过仿真结果，可以说明，本发明实现了宽带幅度和相位的匹配。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种宽带有源巴伦电路，其特征在于，包括电流复用单转双电路，所述电流复用单转双电路包括源跟随器、共源放大器和用于确保源跟随器与共源放大器对称偏置的静态偏置电路；

所述源跟随器包括P型第三场效应管和P型第四场效应管，所述P型第三场效应管源极接电源电压，其漏极接P型第四场效应管源极；

所述共源放大器包括P型第五场效应管和P型第六场效应管，所述P型第五场效应管源极接P型第四场效应管漏极，P型第五场效应管漏极接P型第六场效应管源极，P型第六场效应管漏极和栅极均接地；

所述静态偏置电路包括P型第二场效应管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第二耦合电容、第五电容和电流镜；所述第二耦合电容一极接P型第三场效应管栅极，其另一极接电源电压；所述第五电容一极接P型第五场效应管源极，其另一极接电源电压；所述P型第二场效应管源极接电源电压，其栅极与漏极短接且与P型第三场效应管栅极相连接；所述第四电阻一极接P型第五场效应管栅极，其另一极接第二电阻一极；所述电流镜接第四电阻与第二电阻的公共端；所述第二电阻另一极接第一电阻及第三电阻一极；所述第三电阻另一极接P型第四场效应管栅极；所述第一电阻另一极接P型第二场效应管栅极与漏极的公共端。

2.根据权利要求1所述的宽带有源巴伦电路，其特征在于，还包括与电流复用单转双电路输出端相连接的差分放大电路；

所述差分放大电路包括P型第七场效应管、P型第八场效应管和P型第九场效应管；

所述P型第七场效应管源极接电源电压，其栅极接P型第三场效应管栅极；所述P型第八场效应管栅极接P型第三场效应管漏极与P型第四场效应管源极的公共端，其源极接P型第七场效应管漏极，其漏极接第一输出；所述P型第九场效应管栅极接P型第五场效应管漏极与P型第六场效应管源极的公共端，其源极接P型第七场效应管漏极，其漏极接第二输出。

3.根据权利要求2所述的宽带有源巴伦电路，其特征在于，所述P型第八场效应管栅极还连接第五电阻，所述P型第九场效应管栅极还连接第六电阻；所述第五电阻和第六电组的电阻值相同，且两者的另一极接同一偏置电压。

4.根据权利要求2所述的宽带有源巴伦电路，其特征在于，所述P型第八场效应管漏极还连接第七电阻，所述P型第九场效应管漏极还连接第八电阻，所述第七电阻及第八电阻的另一极均接地。

5.根据权利要求2所述的宽带有源巴伦电路，其特征在于，所述P型第八场效应管漏极与第二输出之间设有第九耦合电容；所述P型第九场效应管漏极与第一输出之间设有第八耦合电容。

6.根据权利要求2所述的宽带有源巴伦电路，其特征在于，所述P型第三场效应管漏极与P型第四场效应管源极的公共端和P型第八场效应管栅极之间设有第六耦合电容；所述P型第五场效应管漏极与P型第六场效应管源极的公共端和P型第九场效应管栅极之间设有第七耦合电容。

7.根据权利要求1或2所述的宽带有源巴伦电路，其特征在于，所述P型第四场效应管栅极还连接有第三耦合电容，所述P型第五场效应管栅极还连接有第四耦合电容；所述第三耦合电容及第四耦合电容另一极接同一输入电压信号。