CN104009718A

CN104009718A - 一种宽带低失调的有源Balun电路

Info

Publication number: CN104009718A
Application number: CN201410256287.4A
Authority: CN
Inventors: 李巍; 昌浩
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2014-06-11
Filing date: 2014-06-11
Publication date: 2014-08-27
Anticipated expiration: 2034-06-11
Also published as: CN104009718B

Abstract

本发明属于集成电路技术领域，具体为一种应用于宽带低失调的有源Balun电路。它由共源放大器和源跟随器组成。晶体管M1和电阻Rp、Rd构成共源放大器，输入信号VIN通过电容Cc耦合至共源放大器栅极，输出了反相信号VOUT-；晶体管M2、M3和电阻Rp1、电容Cf构成源跟随器，将信号VIN输入到源跟随器，输出同相信号VOUT+，这样便实现了基本的有源Balun电路。该电路结构在源跟随器引入电容Cf作为调节相位平衡的自由度因子，配合共源放大器中调节幅度平衡的电阻Rd，使得有源Balun电路在宽频带范围内同时实现较小的相位失调和幅度失调。该电路可用CMOS、BiMOS等工艺实现。

Description

一种宽带低失调的有源Balun电路

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种应用于宽带、低幅度失调和相位失调的有源Balun电路，可用于射频微波接收机前端等需要低失调的单端输入差分输出的模拟集成电路中。

背景技术

随着通信和半导体技术的发展，各种移动通信和无线数据传输迅速发展，而同时，人们对无线通信技术的高速率和大带宽要求越来越强烈，这促使人们不断去开发利用更高频带资源和研究超高频的无线通信技术。而同时，无线通信集成电路却朝着高度集成的片上系统的方向发展，因此实现宽带高频的射频平衡-非平衡阻抗变换器（Balun）已成为无线集成电路设计的必然要求。对于射频微波的Balun电路，如果采取无源Marchand Balun电路，不仅有信号增益的损失，而且占用面积很大；而如果继续采用传统的电容交叉耦合（CCC：Capacitor Cross Coupled）模式的有源Balun电路，虽然电路占用面积小，但由于寄生电容效应的影响，高频时其产生的差分信号很难在宽频带范围内同时实现较小的幅度失调和相位失调。因此，实现高频、宽带、低相位失调和幅度失调的有源Balun电路成为一个很大的设计挑战。

发明内容

本发明的目的是设计一种具有低失调和宽带特点的用于接收机系统中射频前端有源Balun电路，可工作在射频微波频段。

本发明设计的用于接收机系统中射频前端有源Balun电路，它由共源放大器（CS）和源跟随放大器（CD）组成，如图1所示。晶体管M1和电阻Rp、Rd构成共源放大器：晶体管M1是放大管，其栅端为信号输入端，漏端是信号输出端，源端连接到地；电阻Rd作为负载，它的一端接在电源上，而另一端接在M1晶体管的漏端；输入信号VIN通过电容Cc耦合至M1晶体管栅极输入端，而在其漏端输出反相信号VOUT-。

晶体管M2、M3和电阻Rp1、电容Cf构成源跟随放大器：晶体管M2是放大管，其栅端为信号输入端，漏端接在电源上，而源端是信号输出端；晶体管M3是晶体管M2的有源负载，其漏端连接于晶体管M2的源极，而源端连接到地；电容Cf加载在晶体管M2的源极输出端和地之间；输入信号VIN加载在晶体管M2栅极输入端，而在其源极输出同相信号VOUT+。

直流偏置电压Vgg、Vgg1由外部输入，并通过交流隔离电阻Rp、Rp1分别加载在晶体管M1、M3的栅极上。

该电路晶体管M1和晶体管M3的栅极直流偏置电压Vgg、Vgg1由外部输入，它们对电路的直流功耗、源跟随放大器的增益、共源放大器的相位偏离程度有影响，应根据实际工作情况进行优化。

本发明中，“源跟随放大器”获得同相相位输出，通过合理设置晶体管M2、M3尺寸和Vgg1偏置电压，可获得源跟随放大器最大幅度输出。

本发明中， “共源放大器”获得反相相位输出，通过合理设置晶体管M1尺寸、偏置电压Vgg和负载阻抗Rd，可获得共源放大器最小相位差偏离程度输出。

本发明中，“源跟随放大器”中负载电容 Cf是寄生电容较小的MIM（金属绝缘层金属）电容，调节该电容大小可以改变源跟随放大器中输出信号相位偏离输入信号相位的程度，由此实现电路较小的相位失调。

本发明中，“共源放大器”中负载电阻Rd是多晶硅电阻，通过调节该电阻阻值的大小可以改变共源放大器的电路增益，由此实现电路较小的幅度失调。

本发明中，耦合电容Cc是寄生电容较小的MIM（金属绝缘层金属）电容，调节该电容大小可获得最大输入信号传输，使共源放大器栅输入端获得最大的输入信号。

本发明中，偏置电阻Rp、Rp1可以是多晶硅电阻。

本发明电路摒弃传统的电容交叉耦合（CCC：Capacitor Cross Coupled）模式的有源Balun电路，采用共源放大器和源跟随放大器组成的简单结构。在源跟随器引入电容Cf作为调节相位平衡的自由度因子，结合共源放大器调节幅度平衡的负载电阻Rd，使得有源Balun电路在宽频带范围内同时实现较小的幅度失调和相位失调。

具体来说，本发明在源跟随器输出端引入电容Cf作为调节相位平衡的自由度因子，结合共源放大器调节幅度平衡的负载电阻Rd，使得有源Balun电路在宽频带范围内同时实现较小的幅度失调和相位失调。由于寄生电容的影响，共源放大器输出信号相比于输入信号，相位差会偏离180°，且随频率提高而偏离程度越来越大，同时负载电阻Rd的变化对电路增益影响很明显，而对相位差的影响小；同样，源跟随放大器在寄生电容影响下，输出信号的相位会偏离输入信号的相位，且偏离程度也会随频率提高而增加，但其偏离程度要远远小于共源放大器中相位差偏离程度，因此产生很大的相位失调。在源跟随放大器中引入电容Cf，改变其容值大小，很明显地影响源跟随放大器中输出信号的相位偏离程度，而对电路增益的影响小。因此可以通过源跟随放大器中的电容Cf和共源放大器中的负载电阻Rd，在宽频带范围内同时实现较小的幅度失调和相位失调。

该有源Balun电路结构中的“共源放大器”，晶体管M1存在的寄生栅漏电容Cgd跨接在输入输出两端，在Miller效应下增大了其对输出信号幅度和相位的影响。考虑所有寄生电容效应下其交流小信号等效电路图（如图2所示），图中，其中Rd即为负载电阻，Cdb是晶体管M1漏端寄生的到地电容，ro是晶体管M1的输出阻抗；图中Cgd和Cgs分别表示晶体管M1寄生的栅漏电容和栅源电容；图中g_mV_gs表示晶体管M1等效跨导电流源。根据其等效电路图可以获得共源放大器传输函数的幅频特性和相频特性分别为公式（1）和公式（2）所示：

（1）

（2）

通过公式（1）和公式（２）可知，在寄生电容的影响下，共源放大器输出信号相比于输入信号，相位差会偏离180°，且随频率提高而偏离程度越来越大；虽然负载电阻Rd的变化通过改变对电路幅频特性和相频特性均有影响，然而公式表明其主要影响电路的幅度特性，而对电路相位差的影响较小。因此负载电阻Rd主要影响电路的幅度而对电路的相位差影响较小。

该有源Balun电路结构中的“源跟随放大器”，考虑所有寄生电容效应下其等效交流小信号电路图（如图3所示），图中，表示晶体管M3的输出阻抗，括号内是电路输出结点到地的寄生电容，包含有晶体管M3的寄生栅漏电容、晶体管M3漏端到衬底的寄生电容和晶体管M2源端到衬底的寄生电容；图中表示晶体管M2的输出阻抗；图中Cgs2表示晶体管M2的寄生栅源电容；图中g_m2V_gs2表示晶体管M2等效跨导电流源。根据其等效电路图可以获得源跟随放大器传输函数的幅频特性和相频特性分别为公式（3）和公式（4）所示：

（3）

（4）

其中

（5）

（6）

（7）

通过观察公式（３）至公式（７）可知，在寄生电容影响下，源跟随放大器输出信号的相位会偏离输入信号的相位，且偏离程度也会随频率提高而增加，但通过仿真可知其偏离程度要远远小于共源放大器中相位差偏离程度，因此差分输出信号产生很大的相位失调。此时在源跟随放大器中引入电容Cf，修改公式（７）为：

　　　　　　　　　　　　（８）

改变电容Cf容值大小，将会很明显改变的，再通过公式（６）中的改变直接传递到源跟随放大器相频特性而影响输出信号的相位偏离程度，而电容Cf容值改变对的影响小而对电路增益的影响较小。因此引入电容Cf主要影响电路的相位差而对电路幅度的影响较小。

因此，可以通过引入源跟随放大器中调节相位平衡的自由度因子电容Cf，结合共源放大器中调节幅度平衡的自由度因子负载电阻Rd，在宽频带范围内同时实现较小的幅度失调和相位失调，解决之前幅度平衡和相位平衡难以同时满足的问题。此时幅度平衡和相位平衡时分别如公式（９）和公式（１０）所示：

（９）

（１０）。

附图说明

图1为本发明有源Balun电路原理图。

图2为考虑寄生电容效应后共源放大器交流小信号等效电路图。

图3为考虑寄生电容效应后源跟随放大器交流小信号等效电路图。

图4为差分信号幅度失调与频率关系。

图5为差分信号相位失调与频率关系。

具体实施方式

以一个低幅度失调和相位失调、输入频率在24.25GHz~26.65GHz 的宽频带的有源Balun电路设计为例。

设计电路如图1所示。采用TSMC 0.13μm RF CMOS 1P8M 工艺，仿真工具为Cadence SpectreRF，采用1.2V电源电压。其中Vgg=Vgg1=620mV。

其中MOS管全部是射频NMOS管，电阻为高阻值多晶硅电阻，电容为MIM电容，第八层金属走线。

输入信号大小为-40dBm信号时，版图PSS仿真下有源Balun在24.25GHz~26.65GHz宽频率范围内的幅度失调低于0.16dB，相位失调低于0.9°；电路的静态直流功耗是2.8mW。可以得到差分信号幅度失调和频率之间的关系如图4所示，而差分信号相位失调和频率之间的关系如图5所示，可见在信号频率范围内实现差分信号幅度失调低于0.16dB；相位失调低于0.9°。

具体仿真结果总结如下表：

（版图后仿真结果：TT Corner）

（版图后仿真结果：FF Corner）

（版图后仿真结果：SS Corner）

。

Claims

1. 一种宽带低失调的有源Balun电路，其特征在于由共源放大器和源跟随放大器组成；其中，共源放大器由第一晶体管M1和第一电阻Rp、第二电阻Rd构成，第一晶体管M1是放大管，其栅端为信号输入端，漏端是信号输出端，源端连接到地；第二电阻Rd作为负载，它的一端接在电源上，另一端接在第一晶体管M1的漏端；输入信号VIN通过第一电容Cc耦合至第一晶体管M1栅极输入端，在第一晶体管M1漏端输出反相信号VOUT-；

源跟随放大器由第二晶体管M2、第三晶体管M3和第三电阻Rp1、第二电容Cf构成，第二晶体管M2是放大管，其栅端为信号输入端，漏端接在电源上，源端是信号输出端；第三晶体管M3是第二晶体管M2的有源负载，其漏端连接于第二晶体管M2的源极，源端连接到地；第二电容Cf加载在第二晶体管M2的源极输出端和地之间；输入信号VIN加载在第二晶体管M2栅极输入端，在第二晶体管M2源极输出同相信号VOUT+；

直流偏置电压Vgg、Vgg1由外部输入，并通过交流隔离第一电阻Rp、第三电阻Rp1分别加载在第一晶体管M1、第三晶体管M3的栅极上。

2. 如权利要求1所述的有源Balun电路，其特征在于源跟随放大器获得同相相位输出，通过合理设置第二晶体管M2、第三晶体管M3尺寸和Vgg1偏置电压，获得源跟随放大器最大幅度输出。

3. 如权利要求1所述的有源balun电路，其特征在于共源放大器获得反相相位输出，通过合理设置第一晶体管M1尺寸、偏置电压Vgg和第二电阻Rd，获得共源放大器最小相位差偏离程度输出。

4. 如权利要求1所述的有源Balun电路，其特征在于源跟随放大器中第二电容 Cf是寄生电容较小的MIM电容，调节该电容大小可以改变源跟随放大器中输出信号相位偏离输入信号相位的程度，由此实现电路较小的相位失调。

5. 如权利要求1所述的有源Balun电路，其特征在于共源放大器中第二Rd是多晶硅电阻，通过调节该电阻阻值的大小可以改变共源放大器的电路增益，由此实现电路较小的幅度失调。

6. 如权利要求1所述的有源Balun电路，其特征在于第一电容Cc是寄生电容较小的MIM电容，调节该电容大小尽量获得最大输入信号传输，使共源放大器栅输入端获得最大的输入信号。

7. 如权利要求1所述的有源Balun电路，其特征在于第一电阻Rp、第三电阻Rp1是多晶硅电阻。