CN103595366A - 一种0.6～1.2GHz CMOS二阶点阵巴伦 - Google Patents

Abstract

本发明涉及互补金属氧化物半导体工艺二阶点阵平衡至非平衡转换器结构，为了实现巴伦输出特性的超宽带和电路芯片的小尺寸，本发明一种0.6～1.2GHz CMOS二阶点阵巴伦结构由两个LC低通滤波器和两个LC高通滤波器组成；两个LC低通滤波器为输入信号的正向部分提供通路，两个LC高通滤波器为输入信号的反向部分提供通路；其中一个低通滤波器和一个高通滤波器构成基本功能滤波器，另外一个低通滤波器和另外一个高通滤波器构成相位补偿滤波器，端口1为非平衡端，输入或输出非平衡信号；端口2、3为两个平衡端，其中端口2输入输出平衡信号的正向部分，端口3输入输出平衡信号的反向部分。本发明巴伦结构具有高带宽，体积小，低噪声，结构简单的优点。

Description

一种0.6～1.2GHz CMOS二阶点阵巴伦

技术领域

本发明涉及一种巴伦结构，尤其是一种0.6～1.2GHz的CMOS片上二阶点阵巴伦结构。 

背景技术

在无线通信中，射频前端系统往往会使用一些平衡式电路来提高其性能，因此，差分信号成为必不可少的输入形式，即在单端信号和差分信号之间需要一个平衡－非平衡转换器(balanced-unbalanced，简称巴伦(BALUN))，以实现单端输入到差分输入的转化。它的作用是将高频信号从单端输入变成平衡输出，并完成阻抗匹配。巴伦已经成为无线通信系统里的重要元件之一，通常应用于平衡混频器、平衡放大器、天线馈电网络等电路中，可以说是无线局域网射频前端电路设计的一项关键技术,直接影响着无线通信的性能和质量，对其体积、成本的要求也与日俱增。如今在集成电路领域，许多电路需要平衡的输入和输出，从而用来减少电路的噪声和高次谐波，改善电路的动态范围，因此，集成电路对片上巴伦的需求也越来越高。 

巴伦是一种三端口器件,由一个不平衡端口和两个平衡端口组成。两个平衡端口的信号有相同的幅值,但是有180°的相移。巴伦的形式有多种,但从总体上可分为有源巴伦和无源巴伦两大类。最早期的巴伦都是分布形式的，最近几年最流行的巴伦结构是Marchand巴伦，Marchand巴伦由于有较好的输出等幅值和输出180°相移,并且带宽较宽,所以被许多设计者选用。但是Marchand巴伦由两段四分之一波长耦合线构成,会占用较大的面积,特别是在低频段。另外随着集成电路技术的快速发展，电路尺寸在不断地减小，集成电路对巴伦的需求也在不断提高，传统分布式的巴伦结构无法在集成电路上实现。解决这个问题的方法之一是采用有源巴伦结构，这种结构具有较小的体积，但是有源巴伦由于要使用晶体管等有源器件,所以不可避免地会产生噪声和功耗，其在噪声和节能方面的表现较差。所以现在为了解决上述问题，满足集成电路对巴伦的需求，急需要一种新型的无源片上巴伦。 

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种0.6～1.2GHz CMOS二阶点阵巴伦结构，该巴伦采用CMOS工艺，主要应用于带差分结构的CMOS射频集成电路中（如射频功率放大器，低噪声放大器，混频器），其工作频率覆盖到0.6～1.2GHz，并且具有体积小，低噪声，结构简单的优点。 

为了解决上述技术问题，本发明一种0.6～1.2GHz CMOS二阶点阵巴伦结构，由两个LC低通滤波器和两个LC高通滤波器组成；所述两个LC低通滤波器为输入信号的正向部分提 供通路，所述两个LC高通滤波器为输入信号的反向部分提供通路；其中一个LC低通滤波器和一个LC高通滤波器构成基本功能滤波器，另外一个LC低通滤波器和另外一个LC高通滤波器构成相位补偿滤波器，所述相位补偿滤波器保证了巴伦输出正向信号和反向信号的180°相位差；所述基本功能滤波器中的LC低通滤波器和LC高通滤波器的一端共用端口1，所述基本功能滤波器中的LC低通滤波器的另一端为端口2，所述基本功能滤波器中的LC高通滤波器的另一端为端口3；所述相位补偿滤波器中的LC低通滤波器和LC高通滤波器的一端共同接地，所述相位补偿滤波器中的LC低通滤波器的另一端为端口2，所述相位补偿滤波器中的LC高通滤波器的另一端为端口3；两个LC低通滤波器和两个LC高通滤波器中电感和电容的数值按照以下公式得出： 

$\left\{\begin{array}{c}{L}_{\mathrm{LP}}=\frac{{\mathrm{mZ}}_s}{{\mathrm{n\ω}}_0}\\ C_{\mathrm{LP}}=\frac{1}{{\mathrm{mnZ}}_s{\mathrm{\ω}}_0}\\ L_{\mathrm{HP}}=\frac{\mathrm{mn}{Z}_s}{{\mathrm{\ω}}_0}\\ C_{\mathrm{HP}}=\frac{n}{{\mathrm{mZ}}_s{\mathrm{\ω}}_0}\end{array}\right.$

式中，L_LP，C_LP分别为低通滤波器的电感值和电容值，L_HP和C_HP分别为高通滤波器的电感值和电容值，m，n均为可调系数，其中，m用于决定该巴伦的输出阻抗，n为低通滤波器谐振频率与该巴伦中心频率的比值；Z_s为输入源阻抗，ω₀为输入信号角速度。 

与现有技术相比，本发明的有益效果是： 

1.频率范围宽，该巴伦最大的特点在于通过对称地改变正向和反向阻抗变换器的中心频率实现巴伦的超宽带；2.体积小，由于采用了电感电容器件且电路结构简单，所以该巴伦体积很小，特别是在低频率时，该巴伦相比其他技术的巴伦体积优势更加明显;3.结构简单，设计方便，该巴伦结构仅含有12个无源器件（由于对称性，只有4个器件的取值需要计算），且电路设计时不需要进行电磁仿真。 

附图说明

图1是本发明巴伦结构的基本原理图； 

图2是本发明巴伦结构中LC低通滤波器的基本原理图； 

图3是本发明巴伦结构中LC高通滤波器的基本原理图。 

图4是1阶点阵巴伦基本原理图 

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。 

本发明一种0.6～1.2GHz CMOS二阶点阵巴伦结构，由两个LC低通滤波器和两个LC高通滤波器组成，其基本原理图如附图1所示；所述两个LC低通滤波器为输入信号的正向部分提供通路，所述两个LC高通滤波器为输入信号的反向部分提供通路；其中一个LC低通滤波器和一个LC高通滤波器构成基本功能滤波器，另外一个LC低通滤波器和另外一个LC高通滤波器构成相位补偿滤波器，所述相位补偿滤波器保证了巴伦输出正向信号和反向信号的180°相位差；所述基本功能滤波器中的LC低通滤波器和LC高通滤波器的一端共用端口1，所述基本功能滤波器中的LC低通滤波器的另一端为端口2，所述基本功能滤波器中的LC高通滤波器的另一端为端口3；所述相位补偿滤波器中的LC低通滤波器和LC高通滤波器的一端共同接地，所述相位补偿滤波器中的LC低通滤波器的另一端为端口2，所述相位补偿滤波器中的LC高通滤波器的另一端为端口3；两个LC低通滤波器和两个LC高通滤波器中电感和电容的数值按照以下公式得出： 

$\left\{\begin{array}{c}{L}_{\mathrm{LP}}=\frac{{\mathrm{mZ}}_s}{{\mathrm{n\ω}}_0}\\ C_{\mathrm{LP}}=\frac{1}{{\mathrm{mnZ}}_s{\mathrm{\ω}}_0}\\ L_{\mathrm{HP}}=\frac{\mathrm{mn}{Z}_s}{{\mathrm{\ω}}_0}\\ C_{\mathrm{HP}}=\frac{n}{{\mathrm{mZ}}_s{\mathrm{\ω}}_0}\end{array}\right.$

式中，L_LP，C_LP分别为低通滤波器的电感值和电容值，L_HP和C_HP分别为高通滤波器的电感值和电容值，m，n均为可调系数，其中，m用于决定该巴伦的输出阻抗，n为低通滤波器谐振频率与该巴伦中心频率的比值；Z_s为输入源阻抗，ω₀为输入信号角速度。 

图1示出了本发明巴伦结构原理图，该巴伦是一种三端口器件,由一个不平衡端口和两个平衡端口组成。其中端口1为非平衡端口，用于输入或输出非平衡信号；端口2和端口3为两个平衡端口，其中端口2输入输出平衡信号的正向部分，端口3输入输出平衡信号的反向部分。当非平衡信号从端口1输入时，信号中的正向部分从端口2输出，反向部分从端口3输出，并且两部分的相位相差180°，这样便将非平衡信号转化为平衡信号；当两个相位相差180°的平衡信号从端口2和端口3输入时，其中正向部分从端口2流入，反向部分从端口3流入，通过巴伦信号合成，在端口1可得出一个二者相加的非平衡信号。 

1阶的点阵巴伦结构如图4所示，该结构由两个电感和两个电容组成，电感相当于最简单的低通滤波器，电容相当于最简单的高通滤波器，该结构巴伦Q值较大，带宽很窄，无法满足应用要求。本发明则很好地解决了这一问题，该巴伦由两个LC低通滤波器和两个LC高通滤波器构成，LC低通滤波器和LC高通滤波器的基本结构如附图2和3所示。该LC低通滤波器由两个串联电感和一个并联到地的电容组成，高通滤波器由两个串联电容和一个并联到地的电感组成，相比1阶点阵巴伦所用的电感和电容，该低通滤波器和高通滤波器具有更高的带宽。 

上述4个滤波器可以分为两个部分，第一部分为基本滤波器，包括共用端口为端口1，另一端口2或端口3的一对低通滤波器和高通滤波器，这一部分实现了巴伦的基本功能，其中低通滤波器为输入信号的正向部分提供通路，高通滤波器为输入信号的反向部分提供通路，从而使从1端口流入的非平衡信号转换为平衡信号从端口2、3流出；第二部分为相位补偿滤波器，包括共用端口为接地端，另一端口2或端口3的一对低通滤波器和高通滤波器，这一部分的作用为保证了巴伦输出正向信号和反向信号的180°相位差。 

巴伦的正向通路和反向通路可以看做两个阻抗变换器，该巴伦最大的特点在于通过对称地改变正向和反向阻抗变换器的中心频率实现巴伦的超宽带。即可以将正向阻抗变换器的工作中心频率转变为巴伦工作中心频率的n倍，同时将反向阻抗变换器的工作中心频率转变为巴伦工作中心频率的1/n。 

了解了该巴伦的基本工作原理之后，下一步便要计算组成该巴伦的电感和电容的具体数值。通过数学分析得出，组成该巴伦的电感和电容的如下公式所示： 

$\left\{\begin{array}{c}{L}_{\mathrm{LP}}=\frac{{\mathrm{mZ}}_s}{{\mathrm{n\ω}}_0}\\ C_{\mathrm{LP}}=\frac{1}{{\mathrm{mnZ}}_s{\mathrm{\ω}}_0}\\ L_{\mathrm{HP}}=\frac{\mathrm{mn}{Z}_s}{{\mathrm{\ω}}_0}\\ C_{\mathrm{HP}}=\frac{n}{{\mathrm{mZ}}_s{\mathrm{\ϖ}}_0}\end{array}\right.$

式中L_LP，C_LP为低通滤波器的电感和电容值，L_HP和C_HP为高通滤波器的电感和电容值，m，n为可调系数，其中，m决定了该巴伦的输出阻抗，n为低通滤波器谐振频率与该巴伦中心频率的比值，Z_s为输入源阻抗，ω₀为输入信号角速度。 

通过选取不同的m和n值，便可以得出不同特性的二阶点阵巴伦，m与巴伦的输出阻抗有关，n值与巴伦的带宽与衰减有关。 

确定了巴伦各个器件的取值后，接下来重要的便是器件的布局和布线。由于在CMOS工艺中电感和电容的体积较大，因此为了实现电路的小尺寸，器件的布局要紧凑，但同时也要考虑电感电容在近距离时的相互影响。另外，为了保证输出平衡信号的相位差为180°，在器件布局时器件一定要对称。 

综上，为了实现巴伦输出特性的超宽带和电路芯片的小尺寸，本发明采用了高低通滤波器结构的二阶点阵巴伦。该发明相比其他巴伦结构具有如下优点：高带宽，体积小，低噪声，结构简单。 

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。 

Claims (1)

1.一种0.6～1.2GHz CMOS二阶点阵巴伦结构，由两个LC低通滤波器和两个LC高通滤波器组成；所述两个LC低通滤波器为输入信号的正向部分提供通路，所述两个LC高通滤波器为输入信号的反向部分提供通路；

其中一个LC低通滤波器和一个LC高通滤波器构成基本功能滤波器，另外一个LC低通滤波器和另外一个LC高通滤波器构成相位补偿滤波器，所述相位补偿滤波器保证了巴伦输出正向信号和反向信号的180°相位差；

所述基本功能滤波器中的LC低通滤波器和LC高通滤波器的一端共用端口1，所述基本功能滤波器中的LC低通滤波器的另一端为端口2，所述基本功能滤波器中的LC高通滤波器的另一端为端口3；

所述相位补偿滤波器中的LC低通滤波器和LC高通滤波器的一端共同接地，所述相位补偿滤波器中的LC低通滤波器的另一端为端口2，所述相位补偿滤波器中的LC高通滤波器的另一端为端口3；

两个LC低通滤波器和两个LC高通滤波器中电感和电容的数值按照以下公式得出：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_{\mathrm{LP}}=\frac{{\mathrm{mZ}}_s}{{\mathrm{n\ω}}_0}\\ C_{\mathrm{LP}}=\frac{1}{{\mathrm{mnZ}}_s{\mathrm{\ω}}_0}\\ L_{\mathrm{HP}}=\frac{\mathrm{mn}{Z}_S}{{\mathrm{\ω}}_0}\\ C_{\mathrm{HP}}=\frac{n}{{\mathrm{mZ}}_s{\mathrm{\ω}}_0}\end{array}\right.$

式中，Ｌ_LP，Ｃ_LP分别为低通滤波器的电感值和电容值，L_HP和C_HP分别为高通滤波器的电感值和电容值，m，n均为可调系数，其中，m用于决定该巴伦的输出阻抗，n为低通滤波器谐振频率与该巴伦中心频率的比值；Z_s为输入源阻抗，ω₀为输入信号角速度。

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