CN102868419B - 收发器及集成电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种收发器以及集成电路，该集成电路包括一平衡不平衡变压器、一晶体管对、以及一衰减电感绕组。该平衡不平衡变压器具有一外部边缘，包括一一次绕组以及一二次绕组。该一次绕组接收一输入信号。该二次绕组磁性耦接至该一次绕组，并且将该输入信号转换至一差分形式。该晶体管对连接至该二次绕组，放大该输入信号。该衰减电感绕组连接至该晶体管对，位于该平衡不平衡变压器的外部边缘之内。上述收发器以及集成电路，能够降低收发器电路的尺寸大小并且减少制造费用。

Description

收发器及集成电路
技术领域
本发明涉及通信技术，且特别有关于一种适用于收发器电路及集成电路。
背景技术
平衡不平衡变压器(BALUN)为一种宽频变压器，用于射频通信系统，通过将射频信号在一非平衡系统以及一平衡系统之间进行转换，藉此连接例如天线或同轴缆线的非平衡系统至例如差分放大器的平衡系统。由于上述平衡不平衡变压器设置于该天线以及该无线收发器之间，它会增加印刷电路板(PrintedCircuit Board，以下称为PCB)的面积以及费用，特别是在使用多个平衡不平衡变压器的多频带以及多模式收发器中。系统单芯片（System-on-Chip，SOC）技术的进步使该平衡不平衡变压器可以和其他射频以及基频电路整合入单一集成电路，藉此简化PCB的设计并且降低整个模组的费用。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种收发器以及集成电路，以解决前述问题。
本发明实施例的一种集成电路，包括一平衡不平衡变压器、一晶体管对、以及一衰减电感绕组。该平衡不平衡变压器具有一外部边缘，包括一一次绕组以及一二次绕组。该一次绕组接收一输入信号。该二次绕组磁性耦接至该一次绕组，并且将该输入信号转换至一差分形式。该晶体管对连接至该二次绕组，放大该输入信号。该衰减电感绕组连接至该晶体管对，位于该平衡不平衡变压器的外部边缘之内。
本发明实施例的一种收发器，包括一平衡不平衡变压器以及一接收器。该平衡不平衡变压器具有一外部边缘，包括一一次绕组以及一二次绕组。该一次绕组接收一输入信号。该二次绕组磁性耦接至该一次绕组，并且将该输入信号转换至一差分形式。一接收器，包括一晶体管对以及一衰减电感绕组。该晶体管对连接至该二次绕组，放大该输入信号。该衰减电感绕组连接至该晶体管对，位于该平衡不平衡变压器的外部边缘之内。
上述收发器以及集成电路，能够降低收发器电路之尺寸大小并且减少制造费用。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1为本发明一实施例的收发器的结构图；
图2为本发明一实施例的收发器芯片的电路图；
图3为本发明实施例的一次绕组2000、二次绕组2002以及源极衰减电感204的布线图。
具体实施方式
以下参考附图提供本发明实施例的详细描述。本发明的一些实施例可以适用于具有芯片式(on-chip)BALUN以及一低噪声放大器(Low Noise Amplifier，以下称为LNA)的集成电路(Integrated Circuit，以下称为IC)可配置RF前端，该LNA使用源极衰减电感（source degeneration inductor）。该平衡不平衡变压器、低噪声放大器、以及源极衰减电感可以制造于一单一IC上的一层或多层。该IC可还包括各种元件，例如电感、电容、电阻、晶体管、开关、微带(microstrip)或任何其他可以制造于其上的元件。该IC可适用于从一通信系统或个人通信系统中接收和/或传送RF信号，该通信系统或该个人通信系统可以例如为一无线局域网(Wireless Local Area Networks，WLAN)、一通用分组无线服务（General PacketRadio Service，GPRS）、一通用移动通信系统（Universal MobileTelecommunications System，UMTS）、一长期演进技术（Long Term Evolution，LTE)、或是以上的结合。该通信系统或该个人通信系统可使用频分双工（Frequency Division Duplexing，以下称为FDD)或时分双工（Time DivisionDuplexing，以下称为TDD)技术而实现。在该频分双工系统中，各无线通信装置在不同的频率上经由上行以及下行链路而相互通信。在该时分双工系统中，各无线通信装置通常以不对称的上行及下行数据率，在不同的时序里经由上行以及下行链路而相互通信。该无线通信装置可为一用户设备、一行动台、一网络接入点、或甚至一基站。该用户设备可以为手持行动电话、配备宽带适配器的个人电脑或者其他任何能够进行无线通信的装置。
图1为本发明一实施例的收发器1的结构示意图，包括一平衡不平衡变压器100、一低噪声放大器102、一功率放大器(Power Amplifier，以下称为PA)104。该收发器芯片10整合该平衡不平衡变压器100、该LNA102以及该PA104于其上，藉以执行模拟信号处理，以及一基带模块（未示出）执行数字信号处理。该收发器芯片10可以是该无线通信装置的一部分，允许经由一单一天线12的输出以及输入数据传输，该天线12可以是芯片式(on-chip)的或外部连接式的(off-chip)。在芯片式天线的例子中，该天线12可以藉由该收发器芯片10内的微带而实现，而在外部连接式天线的例子中，该天线12可以藉由一不平衡的输入线（feedline）而连接至该收发器芯片10，该不平衡的输入线可为一同轴电缆(coaxial cable)、一微带线(microstrip)、或带状线（stripline）。该天线12可以为平衡的或是不平衡的。一平衡的天线为不直接连接至地极(ground或earth)并且对于该地极是平衡的，而一不平衡的天线包括一导体直接连接至地极。该平衡的天线可以为折合偶极天线(Folded Dipole)，并且该不平衡的天线可以为单极天线(Monople)。在传送期间，该PA 104对一输出RF信号Sout±执行功率放大，据以驱动该天线12用于输出传送。在接收期间，该LNA 102在增加少噪声和失真或不增加噪声和失真至该放大的输入RF信号Sin±’的情况下，放大该天线12侦测到的一输入RF信号Sin±。该LNA102以及该PA104经由该平衡不平衡变压器100耦接至该天线12，该平衡不平衡变压器100将一电子信号进行一非平衡以及平衡之间的转换，藉此连接一非平衡电路（该天线12或该非平衡输入线）至一平衡电路（该LNA102或该PA104）。该收发器芯片10还可以包括一TR(transmit/receive)开关（未示出）以及一基带模块（未示出）。该TR开关在传送期间将该LNA102隔离于该PA104，并且在接收期间将该PA104从该LNA102断开连接。在传送期间该基带模块产生该输出数字信号至该PA104，并且在接收期间该基带模组处理来自该LNA102的输入数字信号。
该平衡不平衡变压器100耦接于一非平衡电路（一天线或一同轴缆线）以及一平衡电路（该LNA102以及该PA104）之间，以转换信号于非平衡（单端）信号和平衡（差分）信号形式之间，亦即，将一输入RF信号Sin±由该单端形式转换至该差分形式，并且将一输出RF信号Sout±由该差分形式转换至该单端形式。该输入以及输出RF信号的差分形式分别由Sin±以及Sout±所代表。这些信号的差分对包括于两条分离的线路上分别传送的两个互补信号，以及能够使所需的信号特性，例如共模抑制(common mode rejection)、增加的噪声免除力(immunity)、以及降低的电磁干扰得以实现。在一些实施例里，该平衡不平衡变压器100能够产生阻抗转换以及增益转换。例如，一4：1平衡不平衡变压器可提供16：1的阻抗转换，亦即将800欧姆的阻抗转换为50欧姆，以及一1：2平衡不平衡变压器可提供1：2的增益转换。
该LNA102以一放大增益来放大该输入RF信号Sin±，同时对于放大后的输入RF信号Sin±’产生很少或者不产生噪声和失真，从而使得该接收路径的功率损耗得以减低，并且由连续电路阶段所产生的噪声对该输入RF信号Sin±的信噪比(Signal-to-Noise Ratio，以下称为SNR)只产生很小的影响。该LNA102具有低噪声指数(Noise Figure，NF)、足够的增益、宽广的操作带宽、高线性度、稳定度、以及低输入以及输出电压驻波比(Voltage Standing Wave Ratio，以下称为VSWR)。该LNA102对该输入RF信号Sin±的该SNR产生很小或大致上没有降级（degradation）的影响，并且由噪声指数所表示。该LNA102设置于该天线12以及该平衡不平衡变压器100附近并且在其第一个放大阶段具有很高的放大率，藉以减低该天线12以及该LNA102之间的接收路径上该接收的输入RF信号Sin±的信号损失，并且对该放大的输入RF信号Sin±’提供低噪声指数。另外，该LNA102设置在离数字时钟一段距离的位置，藉此降低来自该数字时钟的信号干扰，该数字时钟在该基带模组内用于数字处理。
该输入RF信号Sin±传送至包括一混频器、一滤波器、一模拟至数字转换器的一接收器前端（未图示），该接收器前端进行滤波程序、下转换、以及模拟至数字转换藉以输出用于该基带模组内数字处理的该数字基频信号。该下转换的该解调变频率由该无线通信装置所使用之通信标转所定义。
该LNA102可以藉由一共源极（Common Source）、一共射极(CommonEmitter)、或一共源共栅（Cascode）配置所实现，并且为了输入匹配的目的而使用电感源极衰减（inductive source degeneration）。该电感源极衰减用于提供一种用以产生该输入阻抗匹配的该阻抗值的实部的方法，使得当从该栅极或该基极看时可观察到该阻抗值的实部。该增益由一元件单位增益频率（unity-gainfrequency）、在该LNA及该平衡不平衡变压器间接口的负载、以及该负载阻抗所决定。
该放大器可被配置为一互导(transconductance)放大器，放大并且转换该输入RF信号Sin±至一电流形式。使用直接连接一被动混频器至该互导放大器的配置，可以形成一电流模式接口并且提供所需的电路特性，该电路特性例如包括在射频频率下该信号处理的速度增加以及线性度增加。
在传送程序中，一输出数字信号被输出至一传送器前端（未示出），用于模拟转换、上转换、以及其他滤波程序，其中在传送该输出RF信号Sout±至该PA104之前，该信号转换至一模拟形式，上转换到一射频频率、并且移除所不想要的信号组成，该PA104增加该输出RF信号Sout±的功率输出电平至一预定的功率范围或一预定的功率电平，该预定的功率范围或该预定功率电平由该服务网所设定。该PA104具有高效率、高增益、高输出功率压缩(P1dB)、其输入以及输出端的低反射损失，以及低热消耗。该上转换的调变频率由该无线通信装置使用的通信标准进行定义。
图2为本发明一实施例的收发器芯片10的电路图，包括一平衡不平衡变压器200、一低噪声放大器202、一源极衰减电感对204。
该平衡不平衡变压器200包括一一次绕组2000以及一二次绕组2002，转换该天线12所侦测的该输入RF信号Sin±至一对差分信号，其中每个差分信号是另一个差分信号的180度反相。该一次绕组2000为一非平衡构造，连接至该天线12以获取该输入RF信号Sin±。该二次绕组2002为一平衡构造，磁性耦接至该一次绕组2000，用于转换该输入RF信号Sin±至一差分形式，并且输出该输入RF信号Sin±的该差分对信号至该低噪声放大器202。该二次绕组2002可为一电感，其中央耦接至该地极或一参考电压。该一次绕组2000以及二次绕组2002可以具有1：1的圈数比，藉以直接提供差分信号转换。该一次绕组2000以及二次绕组2002可以具有1：N的圈数比，藉以提供电压增益以及阻抗转换。在一些实施例中，该收发器芯片10的顶部两层可用于该一次绕组2000以及该二次绕组2002。该一次绕组2000以及该二次绕组2002两者皆对称地绕线于该顶部两层，并且该顶部两层的线圈设置为并连方式，以及于该线圈的中央具有一有限空间。该平衡不平衡变压器200占据该收发器芯片10上固定的面积，包括围绕该中央空间的一外部边缘以及一内部边缘。
该LNA202为一全差分模式，并且包括一晶体管对，该晶体管对包括一第一晶体管2020以及第二晶体管2020。该LNA202为源极衰减模式，用以提供该输入匹配的一电阻组成。该第一晶体管2020以及第二晶体管2020为MOSFET晶体管，并且以共源极方式连接。该第一晶体管2020以及第二晶体管2020分别于其栅极接收来自该二次绕组2002的该输入RF信号的该差分输入，藉以在该漏极获得放大的输出电流。该放大增益由该第一晶体管2020及该第二晶体管2020的该单位增益频率所决定，该单位增益频率正比于互导值并且反比于该栅极对源极电容。该输入负载被该栅极-源极间电容所影响，所以可以使用其他的调整元件以降低或共振掉(resonate out)该输入电容。在一些实施例中，可透过将一个或多个栅极电感合并为该栅极之前的该调整元件以降低或共振掉该输入电容，为该LNA202产生一更纯粹的电阻性输入，该电阻性输入由该源极衰减电感204提供。该第一晶体管2020及该第二晶体管2020于其源极连接至该源极衰减电感204。该LNA102连接至一被动混频器并且在该源极衰减电感204及该混频器间具有一低阻抗接口。
该源极衰减电感204为一螺旋形状构造，包括三个端点，其中一个端点连接至地，以及其他两个端点分别连接至该第一晶体管2020及该第二晶体管2020的源极，藉以在不增添额外噪声的前提下而加入一实部至该输入阻抗。由于该共源极LNA202理想上没有输入电阻，只有输入电容，该源极衰减电感204藉此提供一电阻性组成而与一传输线的阻性特性相匹配，该传输线的阻性特性通常为50欧姆。因此该源极衰减电感204的电感值由输入匹配中所需的电阻性组成而决定。该源极衰减电感204设置在该平衡不平衡变压器200的该内部或外部边缘内并且被该平衡不平衡变压器200所包围。当该平衡不平衡变压器200内的电流改变时会感应一互感，对该源极衰减电感204产生新增的电感值。因此，当为输入阻抗匹配提供所需的电感值时，该源极衰减电感204的自感值Ls能够得以降低。
本实施例示例了包含具有源极衰减的一共源极放大器的LNA，该实施例将该源极衰减电感204设置于该平衡不平衡变压器200的外部边缘或内部边缘内，据以降低该源极衰减电感204所需的自感，从而减少电感线圈的物理大小以及IC电路的尺寸大小，以降低制造费用，而同时提供宽频而具有低噪声的输入阻抗匹配，并且对该后级电路允许一电流模式接口。
虽然在本实施例中该第一晶体管2020及该第二晶体管2020使用共源极配置的MOSFET晶体管，但是本领域技术人员可以知道该放大器晶体管还可以由BJT晶体管所实现，并且可以由共源共栅或多阶配置的方式来实现，本领域技术人员可以在不偏离本发明精神的情况下对该收发器电路2做合适的更动。
图3为本发明一实施例的该一次绕组2000、该二次绕组2002以及该源极衰减电感204的布线图。
该一次绕组2000以及该二次绕组2002由两个螺旋微带线所实现。该平衡不平衡变压器200藉由在该收发器芯片10上的一或多层将该两个螺旋微带线互相缠绕而实现。该一次绕组2000为一非平衡构造，其一端连接至该天线12据以接收该输入RF信号Sin±，以及其其他端连接到地。该二次绕组2002为一平衡构造，磁性耦接该一次绕组2000，用于将该输入RF信号Sin±转换至差分形式，并且将该输入RF信号Sin±的差分对输出至该LNA202。在一些实施例中，该收发器芯片10的该顶端两层被用于该一次绕组2000以及该二次绕组2002。该一次绕组2000以及该二次绕组2002两者皆设置为对称地绕线，并且该两层的线圈设置为并连方式，以及该线圈的中央具有一有限空间。该平衡不平衡变压器200占据该收发器芯片10上固定的面积，包括一外部边缘以及围绕该中央空间的一内部边缘。在图3的实施例中，该一次及二次绕组的圈数比是2：5，并且该外部及内部边缘由该二次绕组2002所定义。
该源极衰减电感204由该收发器芯片10上的螺旋线圈所实现，包括三个端点，其中一个端点位于该螺旋线圈的中央，以及另外两个端点距离该中央端点的距离大致相等。该中央端点连接至该地极，并且该另外两端点分别连接至该第一晶体管2020以及第二晶体管2020的源极，以在不增加额外噪声的前提下生成该输入阻抗的实部。该源极衰减电感204占据该收发器芯片10的一有限面积，设置在该平衡不平衡变压器200围绕的空间内，藉以减低收发器电路大小并且减低制造费用。该源极衰减电感204可以在该收发器芯片10的一层或多层上实现，并且可以和该平衡不平衡变压器200位于相同或不同层。在一些实施例中，该源极衰减电感204设置在该平衡不平衡变压器200的内部边缘内。在其他实施例中，该源极衰减电感204设置在该平衡不平衡变压器200的外部边缘内。特别是，该源极衰减电感204设置在和该二次绕组2002相邻之处，使得该源极衰减电感204具有和该二次绕组2002平行的线圈(turn)，并且该平行的线圈之间具有一有限的间隔。该平行线圈之间的间隔使得一互感能够藉由相邻的该二次绕组2002而产生，并且该间隔可以是例如5到10微米的范围。该二次绕组2002内流通的电流具有和该源极衰减电感204内的电流一相同方向，因此产生一磁通量(magnetic flux)，该磁通量更藉由一磁耦合系数(magnetic couplingfactor)k而对该源极衰减电感204形成磁耦合(magnetic coupling)，并且产生一与该源极衰减电感204的电流相同方向的电流，据此增加该总电流以及增加该电感值。该源极衰减电感204的该互感以及自感电感值Ls能够结合以产生用于输入匹配目的所需的电感值，藉此和传统布线方法相比降低了自感值Ls。
虽然图3中该一次绕组2000和该二次绕组2002的线圈比为2：5，本领域技术人员可以了解其他的线圈比也可以在不偏移本发明精神下实现。
本实施例显示具有电感源极衰减的共源极放大器的一实际布线图，通过将该源极衰减电感204设置在该平衡不平衡变压器200的外部或内部边缘内而降低该源极衰减电感204所需的自感，从而在提供宽频输入阻抗匹配、低输出负载、以及对后级电路提供电流模式接口时同时允许该电感线圈的实际大小以及该IC电路大小的降低，以及制造费用的降低。
本发明描述的各种逻辑区块、模组、以及电路的操作以及功能可以利用电路硬件或嵌入式软件代码加以实现，该嵌入式软件代码可以由一处理器存取以及执行。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，本领域任何技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许更动与润饰，因此本发明的保护范围当视本发明的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (17)

1.一种集成电路，其特征在于，包括：一平衡不平衡变压器，一晶体管对以及一衰减电感绕组；其中，
该平衡不平衡变压器包括：
一一次绕组，接收一输入信号；以及
一二次绕组，磁性耦接至该一次绕组，并且将该输入信号转换至一差分形式；
该晶体管对，连接至该二次绕组，放大该输入信号；
该衰减电感绕组，连接至该晶体管对；
其中，在实际布线中，该平衡不平衡变压器具有一外部边缘，该衰减电感绕组设置在该平衡不平衡变压器围绕的空间内，且该衰减电感绕组设置在该外部边缘内。
2.如权利要求1所述的集成电路，其中，该平衡不平衡变压器还具有一内部边缘，并且该衰减电感绕组还由该平衡不平衡变压器的该内部边缘所环绕。
3.如权利要求1所述的集成电路，其中，该二次绕组以及该衰减电感绕组均具有一线圈，这两个线圈相互平行，并且该二次绕组与该衰减电感绕组的该平行的两个线圈之间具有一间隔。
4.如权利要求3所述的集成电路，其中，该间隔大小由该二次绕组以及该衰减电感绕组之间的磁耦合系数k而决定。
5.如权利要求3所述的集成电路，其中，该间隔在5到10微米的范围之内。
6.如权利要求3所述的集成电路，其中，该间隔用于增加该二次绕组以及该衰减电感绕组之间的磁耦合效应。
7.如权利要求3所述的集成电路，其中，该二次绕组以及该衰减电感绕组的该平行的两个线圈彼此相邻。
8.如权利要求3所述的集成电路，其中，该二次绕组以及该衰减电感绕组的该平行的两个线圈的电流方向相同，以加强该衰减电感绕组的感应效应。
9.如权利要求1所述的集成电路，其中，该平衡不平衡变压器以及该衰减电感绕组设置在该集成电路的一相同层或不同层上。
10.如权利要求1所述的集成电路，其中该衰减电感绕组由一螺旋绕组实现，包括三个端点，其中一个端点位于该螺旋绕组的中央，以及另外两个端点距离该中央端点的距离大致相等，该中央端点连接至接地，另外两个端点分别连接至该晶体管对中的两个晶体管。
11.如权利要求10所述的集成电路，其中，该晶体管对为一MOS晶体管对，该二次绕组连接至该MOS晶体管对的栅极，该衰减电感绕组的该另外两个端点分别连接至该MOS晶体管对的两个MOS晶体管的源极。
12.如权利要求1所述的集成电路，其中，该一次绕组以及该二次绕组具有不同数量的圈数，并且该平衡不平衡变压器对该输入信号提供电压增益。
13.一种收发器，其特征在于，包括：一平衡不平衡变压器及一接收器；其中，
该平衡不平衡变压器，包括：
一一次绕组，接收一输入信号；以及
一二次绕组，磁性耦接至该一次绕组，将该输入信号转换至一差分形式；以及
该接收器，包括：
一晶体管对，连接至该二次绕组并且放大该输入信号；以及
一衰减电感绕组，连接至该晶体管对；
其中，在实际布线中，该平衡不平衡变压器具有一外部边缘，该衰减电感绕组设置在该平衡不平衡变压器围绕的空间内，且该衰减电感绕组设置在该外部边缘内。
14.如权利要求13所述的收发器，其特征在于，还包括一传送器，放大一输出信号，其中，该平衡不平衡变压器还将该输出信号转换至一单端形式。
15.如权利要求13所述的收发器，其中，该平衡不平衡变压器还具有一内部边缘，并且该衰减电感绕组还由该平衡不平衡变压器的该内部边缘所环绕。
16.如权利要求13所述的收发器，其中，该二次绕组以及该衰减电感绕组各具有一线圈，该两个线圈相互平行，并且该二次绕组以及该衰减电感绕组的该平行的两个线圈之间具有一间隔。
17.如权利要求16所述的收发器，其中，该间隔用于增加该二次绕组以及该衰减电感绕组之间的磁耦合效应。
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