CN103095222B - 一种带有失配补偿技术的有源Balun - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种带有失配补偿技术的有源Balun，其特征在于，包括单端转差分级（1）和失配补偿级（2），单端转差分级（1）的输出与失配补偿级（2）的输入相连。本发明的单端转差分级电路可以将单端输入信号转化为差分输出信号；失配补偿级针对单端转差分级产生的输出差分信号失配进行调节，使差分输出信号保持匹配；单端转差分级电路的共栅管提供输入匹配，省去了无源匹配网络；输入和输出端的电感分别和寄生电容谐振，减小了信号损失，提高了电路增益。

Description

一种带有失配补偿技术的有源Balun

技术领域

本发明涉及一种带有失配补偿技术的有源Balun(巴伦)，属于模拟/射频集成电路技术领域。

背景技术

接收机的功能主要是通过放大、下混频、滤波等功能实现对调制信号的提取，传统的接收机主要包括接收天线、低噪声放大器、混频器、滤波器、可变增益放大器、ADC等电路模块。其中大部分的电路模块都采用差分结构，比如低噪声放大器和混频器。差分结构相比单端结构拥有更好的隔离度，比如可以很好的抑制衬底引起的噪声及干扰信号的泄漏等，因此广泛应用在通信电路设计中。但由于技术的限制，接收机天线部分一般都采用单端设计，因此需要在接收天线和低噪声放大器之间加入Balun，以实现单端转差分功能。Balun主要分有源和无源两种结构。无源Balun通过螺旋线圈的电磁耦合实现功能，占用的芯片面积较大，影响系统的集成度，增加了芯片成本。而且随着频率的提高，无源Balun的损耗也越来越大，这对当今的高频通信系统是一个挑战。

有源Balun相比无源Balun具有一定的优势，首先它可以实现单端信号变差分的功能，其次它还可以提供一定信号增益，最后由于有源Balun主要利用MOS管实现，因此占用的面积较小，非常利于系统集成。

现有有源Balun的主流结构由共栅共源级构成，共栅级提供同相信号，共源极提供反向信号，如中国专利申请号为201010141720.1的申请，其电路结构如图1所示，用共栅级的输入低阻抗提供输入匹配，通过适当的参数设计可以消除共栅级的噪声。该电路适用于宽带应用，但是电路还是会产生一定的输出失配，而且随着频率的提高，输出失配还会继续恶化。

发明内容

本发明技术解决问题：为了解决现有的有源Balun存在的输出端信号相位和幅度存在失配的问题，提供了一种带有失配补偿技术的有源Balun。

为此，本发明提供了如下的技术方案：一种带有失配补偿技术的有源Balun，包括：单端转差分级(1)和失配补偿级(2)，单端转差分级(1)的输出与失配补偿级(2)的输入相连；单端转差分级(1)将单端输入信号转化为差分输出信号，失配补偿级(2)将差分输出信号与单端转差分级输出信号叠加，对差分输出信号进行补偿，减小失配。

所述单端转差分级(1)包括共栅管NM1、共源管NM2；输入信号分别进入共栅管NM1的源级和共源管NM2的栅极，在两个管子的漏极产生差分输出信号，交流耦合电容C1位于共栅管NM1的源级和共源管NM2的栅极之间，用来提供共源管直流偏置和交流信号；共栅管NM1的源级采用电感L1接地以减小寄生电容的影响，同时可以提供输入匹配。

所述单端转差分级(1)采用共栅共源极(CGCS)连接的方式，NM1的源极与NM2的栅极相连，耦合电容C1提供直流偏置和交流输入；NM1的漏极和NM2的漏极分别与NM3和NM4的源级相连，PM1和PM2也采用交流耦合方式输入。

所述失配补偿级(2)包括共源放大器PM1和PM2、共栅管NM3和NM4；共栅管NM3和NM4的源级分别和单端转差分级(1)的共栅管NM1、共源管NM2的漏极相连，NM3和NM4主要是提供输入和输出信号之间的隔离，同时也能够提高输出电阻；C2和C3将单端转差分级(1)中的NM1、NM2产生的差分输出信号分别加到共源放大器PM2和PM1的输入端；共源放大器PM1和PM2产生差分输出信号和共栅管NM3和NM4的差分输出信号叠加，对差分信号进行补偿，减小失配；电感L2接在NM3、NM4的源端，用于和NM1、NM2漏端，NM3、NM4源端以及PM1、PM2的栅端寄生电容进行谐振，减小信号的损失；电感L3接在共源放大器PM1和PM2输出端的两侧，减小输出端的信号损失，从而提高电路增益。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的失配补偿级和单端转差分级形成电流复用，节省了功耗；失配补偿级可以输出一定增益的信号，同时也可以减小输出信号相位和幅度的失配；该结构使用的频率范围较广，适合于宽带和高频电路。

(2)本发明失配补偿级的输入和输出端加入了并联电感，可以分别和对应位置的寄生电容谐振，减小信号损失，从而提高电路的增益。

(3)本发明的失配补偿级对目前比较主流的单端转差分级都比较适用，因此可以广泛地应用与各种有源Balun电路中。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是传统有源Balun电路结构示意图；

图2是本发明的具体实施方式提供的带有失配补偿技术的有源Balun的电路结构示意图；

图3是本发明的失配补偿级的具体工作原理；

图4是其他实施例1的电路结构；

图5是其他实施例2的电路结构；

图6是其他实施例3的电路结构；

图7是负载为电阻的传统有源Balun的差分输出电压增益幅度比较；

图8是本发明的具体实施方式提供的带有失配补偿技术的有源Balun的差分输出电压增益幅度比较；

图9是负载为电阻的传统有源Balun的差分输出电压增益相位比较(180度基准)；

图10是本发明的具体实施方式提供的带有失配补偿技术的有源Balun的差分输出电压增益相位比较(180度基准)。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的具体实施方式提供了一种带有失配补偿技术的有源Balun，如图2所示，包括单端转差分级1和失配补偿级2，其中单端转差分级1的输出与失配补偿级2的输入相连。

具体的，输入信号分别进入单端转差分级1共栅管的源级和共源管的栅极，在两个管子的漏极产生差分输出信号，交流耦合电容C1用来提供共源管直流偏置和交流信号；共栅管NM3、NM4的源级分别和NM1、NM2的漏极相连，主要是为了提高输入和输出级的隔离度，增加输出阻抗。电感L1和NM1的源级相连，主要是为了提供输入阻抗匹配和减小寄生电容影响。电感L2的两端分别和NM3、NM4的源级相连，也是为了减小寄生电容的影响。

失配补偿级2的具体工作原理如图3所示，PM1和PM2的漏极与NM3和NM4的漏极分别相连，电路采用交流耦合电容方式，将NM1和NM2产生的带有失配的差分信号I1和I2分别输入到PM2和PM1的栅极，PM1和PM2漏极将分别产生失配的输出信号I4和I3，如图3。理想情况下，NM3和NM4在对I1和I2的没有影响，相当于电流缓冲器，因此NM3和NM4的输出电压仍可看为I1和I2。在图3中，I1与I4相加成为Iout1，I2和I3相加为Iout2，从而输出失配得到一定的补偿。电感L3接在输出级两侧，主要是为了减小输出端寄生电容的影响。

具体信号走向如图2所示，以(+)表示与输入信号同相，(-)表示与输入信号反向，从NM1的源端输入信号为(+)，NM1的漏极产生信号为(+)，NM1的源级通过电容C1和NM2的栅极相连，因此NM2的漏极产生与输入信号反向的(-)；NM3和NM4对不会改变输出信号的相位，因此NM3和NM4的漏极保持与NM1和NM2漏极同相位的信号输出；NM1的漏极与PM2的栅极通过电容相连，因此PM2漏极产生和NM1漏极反向信号(-)，同理PM1漏极产生与NM2漏极反向信号(+)。最终，PM1输出的(+)和NM3输出的(+)相加得到Vout1，PM2输出的(-)和NM4输出的(-)相加得到Vout2，Vout1和Vout2为一对已修正过的差分信号。

其他实施例1：

失配补偿级2也可以删去NM3和NM4管，如图4所示。将NM1和NM2的漏极与PM1和PM2的漏极直接相连，这种结构相对于图2的优点在于电路的电压阈度较大。电路的其他部分与图2相同。

其他实施例2：

单端转差分级1也可以采用共源共源极(CSCS)连接的方式，如图5所示。NM1的漏极与NM2的栅极相连，耦合电容C1提供直流偏置和交流输入。NM1的漏极和NM2的漏极分别与NM3和NM4的源级相连，PM1和PM2也采用交流耦合方式输入，具体的连接方式和图2相同。信号从NM1的栅极输入，NM1在漏极产生一个反向信号，反向信号加到NM2的栅极，则NM2的漏极又会产生与NM2栅极反向的信号,这样NM1的漏极和NM2的漏极就产生了反向差分信号。不过，这种差分信号幅度和相位存在一定的失配，因此可以利用图2或图4中的失配补偿级2对信号输出进行补偿，具体工作原理与与图2类似。

其他实施例3：

单端转差分级1采用图6所示结构，信号从NM1的栅极输入，在NM1的漏极产生反向输出电压，NM5为电流源，小信号输出电阻很大，NM1的源级产生与栅极同相位的输出电压，经过NM2在NM2的漏极产生与NM1漏极反向的电压信号，从而形成差分输出。由于共源极的寄生电容影响，输出的差分信号存在一定的失配，因此将NM1和NM2的漏极与图2或者图4提出的失配补偿级2相连，可以对差分信号进行校正，产生较为理想的输出信号。具体工作原理与图2类似。

图7所示为传统有源Balun的差分输出电压增益幅度比较，从图中可以看出在不采用失配补偿技术时，差分电压增益幅度有着比较明显的失配，失配幅度一般大于0.5dB，而且失配随着频率的增加而增加。

图8所示为采用失配补偿技术的有源Balun，从图中可以看出在本结构相比传统结构可以很好的控制差分电压增益幅度失配，失配幅度一般小于0.2dB，而且在宽带内保持稳定，不会随着频率变化产生明显改变。

图9所示为传统有源Balun的差分输出电压增益相位比较，从图中可以看出在不采用失配补偿技术时，差分电压增益相位有着比较明显的失配，失配幅度一般大于2度，而且失配随着频率的增加而增加。

图10所示为采用失配补偿技术的有源Balun，从图中可以看出在本结构相比传统结构可以很好的控制差分电压增益相位失配，失配幅度一般小于0.5度，而且在宽带内保持稳定，不会随着频率变化产生明显改变。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明较佳的几种具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种带有失配补偿技术的有源Balun，其特征在于：包括单端转差分级(1)和失配补偿级(2)，单端转差分级(1)的输出与失配补偿级(2)的输入相连；单端转差分级(1)将单端输入信号转化为差分输出信号，失配补偿级(2)将差分输出信号与单端转差分级输出信号叠加，对差分输出信号进行补偿，减小失配；

所述单端转差分级(1)包括共栅管NM1、共源管NM2；输入信号分别进入共栅管NM1的源级和共源管NM2的栅极，在两个管子的漏极产生差分输出信号，交流耦合电容C1位于共栅管NM1的源级和共源管NM2的栅极之间，用来提供共源管直流偏置和交流信号；共栅管NM1的源级采用电感L1接地以减小寄生电容的影响，同时可以提供输入匹配。

2.根据权利要求1所述的带有失配补偿技术的有源Balun，其特征在于：所述单端转差分级(1)采用共栅共源极(CGCS)连接的方式，NM1的源极与NM2的栅极相连，耦合电容C1提供直流偏置和交流输入；失配补偿级(2)包括共栅管NM3和NM4，NM1的漏极接至NM3的源级，NM2的漏极接至NM4的源级。

3.根据权利要求1所述的带有失配补偿技术的有源Balun，其特征在于：所述失配补偿级(2)包括共源放大器PM1和PM2、共栅管NM3和NM4；共栅管NM3的源级和单端转差分级的的共栅管NM1的漏极相连，共栅管NM4的源级和单端转差分级的的共栅管NM2的漏极相连，NM3和NM4主要是提供输入和输出信号之间的隔离，同时也能够提高输出电阻；C2和C3将单端转差分级(1)中的NM1产生的差分输出信号加到共源放大器PM2的输入端，将NM2产生的差分输出信号加到共源放大器PM1的输入端，共源放大器PM1和PM2产生差分输出信号和共栅管NM3和NM4的差分输出信号叠加，对差分信号进行补偿，减小失配；电感L2接在NM3、NM4的源端，用于和NM1、NM2漏端，NM3、NM4源端以及PM1、PM2的栅端寄生电容进行谐振，减小信号的损失；电感L3接在共源放大器PM1和PM2输出端的两侧，减小输出端的信号损失，从而提高电路增益。