CN102739229B - 单端转双端电路 - Google Patents

Abstract

一种单端转双端电路，包含一第一晶体管、一第二晶体管及一变压单元。该变压单元包括一第一电感元件、一第二电感元件及一第三电感元件。该第一电感元件与该第三电感元件根据一第一互耦参数进行一第一耦合，且该第二电感元件与该第三电感元件根据一第二互耦参数进行一第二耦合。

Description

单端转双端电路

技术领域

本发明涉及一种单端转双端电路，特别涉及一种具有增益补偿的单端转双端电路。

背景技术

一通信系统中，其接收端常常需要使用一个单端转双端电路，以将所接收之一射频(Radio frequency，RF)信号转换为一包括一第一差动电压与一第二差动电压的差动信号(Differential signal)，其中，在理想状况下该第一差动电压与该第二差动电压值相同，且相位差为180°。

以现有技术而言，一个单端转双端电路的相关电路及对应的小信号模型，如图1、2所示。简要说明如下：

第一晶体管M₁接收一射频信号后，在理想状况下，当第一晶体管M₁的栅极-源极等效阻抗Z_gs1、一第二晶体管M₂的栅极-源极等效阻抗Z_gs2、及一第三等效阻抗Z₃的值足够大(或是将这些等效阻抗Z_gs1、Z_gs2、Z₃视为趋近于无穷大)，且负载等效阻抗ZL的值足够小时，则该单端转双端电路可输出一第一差动电压V_o1及一第二差动电压V_o2如下：

$V_{o1}=-g_m\left(\frac{V_1}{2}\right)Z_1$

$V_{o1}=g_m\left(\frac{V_1}{2}\right)Z_2$

其中，Z₁是一第一等效阻抗，Z₂是一第二等效阻抗，V₁是一输入电压，及g_m是第一晶体管M₁(或第二晶体管M₂)的一跨导系数。而以现有技术而言，第一及第二等效阻抗Z₁、Z₂以电阻来实现，第三等效阻抗Z₃以电阻或晶体管来实现。

所以在理想状态下，当该第一等效阻抗Z₁与该第二等效阻抗Z₂相等时，该单端转双端电路会输出一组包括该第一差动电压V_o1与该第二差动电压V_o2的差动信号，且该第一差动电压V_o1与该第二差动电压V_o2的大小相同，相位差为180°。

然而，上述的单端转双端电路往往在应用时，因该第一晶体管M₁的栅极-源极等效阻抗Z_gs1、该第二晶体管M₂的栅极-源极等效阻抗Z_gs2或该第三等效阻抗Z₃的值不够大，而使得该输入电压V₁传送到一节点X处时会发生信号衰减，因此，节点X处的电压值V_X会小于该输入电压V₁的一半，并使得该第一晶体管M₁的栅极-源极电压V_gs1、该第二晶体管M₂的栅极-源极电压V_gs2不相等，因此，该组差动信号中的第一、第二差动电压V_o1、V_o2将因为增益不匹配而导致该组差动信号发生不平衡的状况，所以对于一通信系统的接收端电路设计而言，如何有效解决增益不匹配的问题，是相当值得研究改进的议题。

发明内容

因此，本发明的目的之一即在提供一种具有增益补偿的单端转双端电路。

于是，本发明单端转双端电路包含一第一晶体管、一第二晶体管及一变压单元。该第一晶体管具有一第一第一端、一第一第二端及用以接收一输入信号的一第一第三端。该第二晶体管具有一第二第一端、一第二第二端及一第二第三端。该变压单元包括一第一电感元件、一第二电感元件及一第三电感元件。该第一电感元件具有与该第一第二端耦接的一第一电感第一端，及耦接一电压源的一第一电感第二端。该第二电感元件具有耦接该电压源的一第二电感第一端，及与该第二第二端耦接的一第二电感第二端。该第三电感元件具有与该第一第一端及该第二第一端耦接的一第三电感第一端，及耦接至一地电位的一第三电感第二端。该第一电感元件与该第三电感元件根据一第一互耦参数进行一第一耦合，且该第二电感元件与该第三电感元件根据一第二互耦参数进行一第二耦合。

而本发明的另一目的即在提供一种具有增益补偿的单端转双端电路。

于是，本发明单端转双端电路包含一第一晶体管、一第二晶体管及一变压单元。该第一晶体管具有一第一第一端、一第一第二端及用以接收一输入信号的一第一第三端。该第二晶体管具有一第二第一端、一第二第二端及一第二第三端。该变压单元包括一第一电感元件、一第二电感元件及一第三电感元件。该第一电感元件具有与该第一第二端耦接的一第一电感第一端及耦接一电压源的一第一电感第二端。该第二电感元件具有耦接该电压源的一第二电感第一端及与该第二第二端耦接的一第二电感第二端。该第三电感元件具有与该第一第一端及该第二第一端耦接的一第三电感第一端及耦接至一地电位的一第三电感第二端。该第一电感元件与该第三电感元件根据一互耦参数进行一第一耦合，且该第二电感元件与该第三电感元件根据该互耦参数进行一第二耦合。

附图说明

图1是现有技术单端转双端电路的电路图；

图2是现有技术单端转双端电路的小信号模型图；

图3是本发明单端转双端电路的优选实施例的电路图；

图4是优选实施例的等效电路图；

图5是优选实施例的一变压单元的一实施方式；

图6是优选实施例的变压单元的另一实施方式；及

图7是优选实施例的变压单元的又一实施方式。

【主要元件符号说明】

11第一晶体管

12第二晶体管

13变压单元

131第一电感元件

132第二电感元件

133第三电感元件

134第四电感元件

81第一线圈单元

82第二线圈单元

91第一传输线段

92第二传输线段

93第三传输线段

具体实施方式

有关本发明的前述及其它技术内容、特点与效果，在以下配合参考图式的一个优选实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。

参阅图3，本发明单端转双端电路的一优选实施例包含一第一晶体管11、一第二晶体管12及一变压单元13。

该第一晶体管11具有一第一第一端、一第一第二端及用以接收一输入信号的一第一第三端。该第二晶体管12具有一第二第一端、一第二第二端及一第二第三端。在本实施例中，该第一、第二晶体管11、12皆是N型金属氧化物半导体场效应晶体管，第一第一端及第二第一端是源极，第一第二端及第二第二端是漏极，第一第三端及第二第三端是栅极。

该变压单元13包括一第一电感元件131、一第二电感元件132及一第三电感元件133。该第一电感元件131具有与该第一第二端耦接的一第一电感第一端及耦接一电压源V_DD的一第一电感第二端。该第二电感元件132具有耦接该电压源V_DD的一第二电感第一端及与该第二第二端耦接的一第二电感第二端。该第三电感元件133具有与该第一第一端及该第二第一端耦接的一第三电感第一端(以下称此共同接点为节点X)，及耦接至一地电位的一第三电感第二端。该第一电感元件131与该第三电感元件133根据一互耦参数进行一第一耦合，且该第二电感元件132与该第三电感元件133根据该互耦参数进行一第二耦合。

为了方便说明，图3电路的等效电路如图4所示，也就是说该第三电感元件133可等效为两个第四电感元件134以并联方式耦接，其中，每一个第四电感元件134的电感值L₄大小皆为该第三电感元件133的电感值L₃的两倍(即L₄＝2×L₃)。

以下参阅图4，并据此说明本优选实施例的相关理论基础。

当本实施例工作于一第一周期(即该输入信号的正半周期)时，由于一交流电流流经该等第四电感元件134，因此根据该变压单元13中的互耦关系，在该第一、第二电感元件131、132会产生一第一电感电流I_k，且电流方向为流出该第一电感元件131，该第一电感电流I_k的计算方式如下：

$I_k=I_4\·K\·\sqrt{\frac{{2L}_3}{L_0}}$

其中，I₄为流经该等第四电感元件134的电流，K为该互耦系数，且L₀＝L₁＝L₂，也就是说该第一、第二电感元件131、132的电感值分别为L₁、L₂，且其互相相等。

同理，当本实施例工作于一第二周期(即该输入信号的负半周期)时，在该第一、第二电感元件131、132会产生一第二电感电流I_k’，其中该第二电感电流I_k’与该第一电感电流I_k大小相同，且该第二电感电流I_k’的电流方向为流入该第二电感元件132。

由上，假设第一晶体管11的第一第三端电压V₁＝V_IN，第二晶体管12的第二第三端电压V₂＝0，可以计算出一第一差动电压V_o1(从该第一电感第一端输出)及一第二差动电压V_o2(从该第二电感第二端输出)如下所示：

$V_{o1}=-(g_{m1}{V}_{\mathrm{gs}1}-I_k)Z_{L1}$

$=-(g_{m1}{V}_{\mathrm{gs}1}-I_4\·K\·\sqrt{\frac{{2L}_3}{L_0}})Z_{L0}$

$=-[g_{m1}(V_{\mathrm{IN}}-V_X)-I_4\·K\·\sqrt{\frac{{2L}_3}{L_0}}]Z_{L0}$

$V_{o2}=-(g_{m2}{V}_{\mathrm{gs}2}+I_k)Z_{L2}$

$=-(g_{m2}{V}_{\mathrm{gs}2}+I_4\·K\·\sqrt{\frac{{2L}_3}{L_0}})Z_{L0}$

$=-[g_{m2}(-V_X)+I_4\·K\·\sqrt{\frac{{2L}_3}{L_0}}]Z_{L0}$

其中，g_m1、g_m2分别为该第一、第二晶体管11、12的跨导系数，V_gs1为该第一晶体管11的第一第三端-第一第一端电压、V_gs2为该第二晶体管12的第二第三端-第二第一端电压，I_k为该第一电感电流，Z_L1、Z_L2分别为该第一、第二电感元件131、132的等效阻抗，Z_L1＝Z_L2＝Z_L0，V_X为节点X处的电压值。

假设g_m1＝g_m2＝g_m，则节点X处的电压值V_X如下式所示：

$V_X=\frac{(g_m+Y_{\mathrm{gs}1})\·Z_{L3}}{1+({2g}_m+Y_{\mathrm{gs}1}+Y_{\mathrm{gs}2})\·Z_{L3}}\·V_{\mathrm{IN}}=A\·V_{\mathrm{IN}}$

且流经该等第四电感元件134的电流I4如下所示：

I₄＝g_m(V_IN)+(V_IN-AV_IN)Y_gs1+(-AV_IN)Y_gs2

＝[g_m+(1-A)Y_gs1+(-A)Y_gs2]V_IN

其中，Y_gs1为该第一晶体管11的第一第三端-第一第一端等效电抗、Y_gs2为该第二晶体管21的第二第三端-第二第一端等效电抗，Z_L3为该第三电感元件133的等效阻抗，且A为一匹配参数。

因此，根据以上方程式，可以得到该第一差动电压V_o1及该第二差动电压V_o2与该输入电压V_IN的关系如下所示：

$\frac{V_{o1}}{V_{\mathrm{IN}}}=-\{g_m(1-A)-[g_m+(1-A)Y_{\mathrm{gs}1}+(-A)Y_{\mathrm{gs}2}]\·K\·\sqrt{\frac{{2L}_3}{L_0}}\}{Z}_{L0}$

$\frac{V_{o2}}{V_{\mathrm{IN}}}=-\{g_m(-A)+[g_m+(1-A)Y_{\mathrm{gs}1}+(-A)Y_{\mathrm{gs}2}]\·K\·\sqrt{\frac{{2L}_3}{L_0}}\}{Z}_{L0}$

根据上述，当本优选实施例的单端转双端电路发生增益不匹配现象(也就是说，该第一晶体管11的第一第三端-第一第一端等效阻抗Z_gs1、该第二晶体管12的第二第三端-第二第一端等效阻抗Z_gs2或该第三电感元件133的等效阻抗Z_L3不够大)时，该匹配参数A的值将会小于0.5，如果该第一至第三电感元件131～133无耦合(也就是说，该互耦系数K为0)，则

$\left|\frac{V_{o1}}{V_{\mathrm{IN}}}\right|>\left|\frac{V_{o2}}{V_{\mathrm{IN}}}\right|$

因此，该第一差动电压V_o1及该第二差动电压V_o2会不平衡。

如果在设计时使该变压单元13的该互耦系数K如下所示：

$K=\frac{g_m}{2[g_m+(1-A)Y_{\mathrm{gs}1}+(-A)Y_{\mathrm{gs}2}]\·\sqrt{\frac{{2L}_3}{L_0}}}$

该第一耦合可以使得该第一差动电压V_o1的绝对值变小，该第二耦合可以使得该第二差动电压V_o2的绝对值变大，从而该第一差动电压V_o1与该第二差动电压V_o2的大小相同(也就是说，该第一差动电压V_o1的绝对值实质上等于该第二差动电压V_o2的绝对值)，且相位差为180°。

因此，该变压单元13的互耦系数K可用以补偿单端转双端电路发生增益不匹配的问题。然而因为实际应用上的差异或实施上述电路时的误差，第一晶体管11的跨导系数g_m1可能会不等于第二晶体管12的跨导系数g_m2，第一电感元件131的电感值L1可能不等于第二电感元件132的电感值L2，第一、第二电感元件131、132与第三电感元件133间的第一、第二互耦参数及其相关的第一、第二耦合可能不相同，但依本实施例所披露的方式与精神也可进行补偿单端转双端电路所发生的增益不匹配的问题。

根据上述理论基础，若是应用本实施例于一高频应用时，例如：车用防撞雷达(大约工作在77GHz)，本实施例单端转双端电路的变压单元13的一实施方式可以如图5所示，以一传输线模型(Transmission line model)具体实现之。

联合参阅图3、5，该第一电感元件131以一第一传输线段91来实现，该第二电感元件132以一第二传输线段92来实现，该第三电感元件133以一第三传输线段93来实现，且该第一、第二传输线段91、92的长度实质上为该输入信号的波长的八分之一(即λ/8)，该第三传输线段93的长度实质上为该输入信号的波长的四分之一(即λ/4)，而利用该第一、第二、第三传输线段91、92、93互耦效应可以补偿单端转双端电路发生增益不匹配的问题。

或者，若应用本实施例于一中低频应用时，本实施例单端转双端电路的变压单元13的一实施方式可以如图6所示，以一变压器模型具体实现之。

联合参阅图3、6，该第一电感元件131及该第二电感元件132以一第一线圈单元81来实现，该第三电感元件133以一第二线圈单元82来实现，该第一线圈单元81以共平面的方式围绕该第二线圈单元82来设置，该第二线圈单元82与该第一线圈单元81相间隔一第一距离d，该第一距离d影响该互耦参数K，且该第一距离d愈短，该互耦参数K愈大。因此，在设计时，通过调整该第一距离d，可以改变该互耦参数K，以补偿单端转双端电路发生增益不匹配的问题。

联合参阅图3、7，相似于图6的实施方式，其中，该第一线圈单元81以非共平面的方式围绕该第二线圈单元82来设置，该第二线圈单元82与该第一线圈单元81相间隔一第二距离b，该第二距离b影响该互耦参数K，且该第二距离b愈短，该互耦参数K愈大。因此，在设计时，通过调整该第二距离b，可以改变该互耦参数K，以补偿单端转双端电路发生增益不匹配的问题。

补充说明的是，图5～图7仅为本实施例单端转双端电路应用于不同产品时，变压单元13优选的三个实施方式，但专利范围并不以此为限。

值得注意的是，该第一电感元件131与该第三电感元件133也可以是根据一第一互耦参数进行一第一耦合，该第二电感元件132与该第三电感元件133也可以是根据一第二互耦参数进行一第二耦合。在设计时，可以改变该第一、第二互耦参数，以补偿单端转双端电路发生增益不匹配的问题。

综上所述，上述实施例可以利用耦合以补偿一单端转双端电路的增益不匹配问题，因此确实能达成本发明的目的。

然而以上所述者，仅为本发明的优选实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即大凡依本发明权利要求范围及发明说明内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (15)

1.一种单端转双端电路，其包含：

一第一晶体管，具有一第一第一端、一第一第二端及用以接收一输入信号的一第一第三端；

一第二晶体管，具有一第二第一端、一第二第二端及一第二第三端，其中，所述第二第三端交流接地；以及

一变压单元，包括：

一第一电感元件，具有与所述第一第二端耦接的一第一电感第一端及耦接一电压源的一第一电感第二端；

一第二电感元件，具有耦接所述电压源的一第二电感第一端及与所述第二第二端耦接的一第二电感第二端；及

一第三电感元件，具有与所述第一第一端及所述第二第一端耦接的一第三电感第一端及耦接至一地电位的一第三电感第二端；

其中，所述第一电感元件与所述第三电感元件根据一第一互耦参数进行一第一耦合，且所述第二电感元件与所述第三电感元件根据一第二互耦参数进行一第二耦合。

2.根据权利要求1所述的单端转双端电路，其中，所述第一电感第一端输出一第一差动电压，所述第一耦合使得所述第一差动电压的绝对值变小。

3.根据权利要求1所述的单端转双端电路，其中，所述第二电感第二端输出一第二差动电压，所述第二耦合使得所述第二差动电压的绝对值变大。

4.根据权利要求1所述的单端转双端电路，其中，所述第一电感第一端输出一第一差动电压，所述第二电感第二端输出一第二差动电压，所述单端转双端电路通过所述第一耦合及所述第二耦合进行增益补偿。

5.根据权利要求4所述的单端转双端电路，其中，所述增益补偿使得所述第一差动电压的绝对值实质上等于所述第二差动电压的绝对值。

6.根据权利要求1所述的单端转双端电路，其中，所述第一电感元件及所述第二电感元件通过一第一线圈单元来实现，所述第三电感元件通过一第二线圈单元来实现，所述第一线圈单元以围绕所述第二线圈单元的方式来设置，所述第二线圈单元与所述第一线圈单元相间隔一第一距离，所述第一距离影响所述第一互耦参数与所述第二互耦参数，且所述第一距离越短，所述第一互耦参数与所述第二互耦参数越大。

7.根据权利要求1所述的单端转双端电路，其中，所述第一电感元件及所述第二电感元件以一第一线圈单元来实现，所述第三电感元件以一第二线圈单元来实现，所述第一线圈单元以非共平面的方式围绕所述第二线圈单元来设置，所述第二线圈单元与所述第一线圈单元相间隔一第二距离，所述第二距离影响所述第一互耦参数与所述第二互耦参数，且所述第二距离越短，所述第一互耦参数与所述第二互耦参数越大。

8.根据权利要求1所述的单端转双端电路，其中，所述第一电感元件通过一第一传输线段来实现，所述第二电感元件通过一第二传输线段来实现，所述第三电感元件通过一第三传输线段来实现，且所述第一传输线段、所述第二传输线段的长度实质上为所述输入信号的波长的八分之一，所述第三传输线段的长度实质上为所述输入信号的波长的四分之一。

9.一种单端转双端电路，其包含：

一第一晶体管，具有一第一第一端、一第一第二端及用以接收一输入信号的一第一第三端；

一第二晶体管，具有一第二第一端、一第二第二端及一第二第三端，其中，所述第二第三端交流接地；以及

一变压单元，包括：

一第一电感元件，具有与所述第一第二端耦接的一第一电感第一端及耦接一电压源的一第一电感第二端；

一第二电感元件，具有耦接所述电压源的一第二电感第一端及与所述第二第二端耦接的一第二电感第二端；及

一第三电感元件，具有与所述第一第一端及所述第二第一端耦接的一第三电感第一端及耦接至一地电位的一第三电感第二端；

其中，所述第一电感元件与所述第三电感元件根据一互耦参数进行一第一耦合，且所述第二电感元件与所述第三电感元件根据所述互耦参数进行一第二耦合。

10.根据权利要求9所述的单端转双端电路，其中，所述第一电感第一端输出一第一差动电压，所述第一耦合使得所述第一差动电压的绝对值变小。

11.根据权利要求9所述的单端转双端电路，其中，所述第二电感第二端输出一第二差动电压，所述第二耦合使得所述第二差动电压的绝对值变大。

12.根据权利要求9所述的单端转双端电路，其中，所述第一电感第一端输出一第一差动电压，所述第二电感第二端输出一第二差动电压，所述单端转双端电路通过所述第一耦合及所述第二耦合进行一增益补偿。

13.根据权利要求12所述的单端转双端电路，其中，所述增益补偿使得所述第一差动电压的绝对值实质上等于所述第二差动电压的绝对值。

14.根据权利要求9所述的单端转双端电路，其中，所述互耦参数K如下所示：

$K=\frac{g_m}{2[g_m+(1-A)Y_{\mathrm{gs}1}+(-A)Y_{\mathrm{gs}2}]\·\sqrt{\frac{2L_3}{L_0}}}$

其中，g_m为所述第一晶体管、所述第二晶体管的跨导系数，A为一匹配参数，Y_gs1为所述第一晶体管的第一第三端-第一第一端等效电抗、Y_gs2为所述第二晶体管的第二第三端-第二第一端等效电抗，L₃为所述第三电感元件的电感值，及L₀为所述第一电感元件、所述第二电感元件的电感值。

15.根据权利要求14所述的单端转双端电路，其中，所述匹配参数如下所示：

$A=\frac{(g_m+Y_{\mathrm{gs}1})\·Z_{L3}}{1+(2g_m+Y_{\mathrm{gs}1}+Y_{\mathrm{gs}2})\·Z_{L3}}$

其中，Z_L3为所述第三电感元件的等效阻抗。