CN106330132B - 一种中频双向有源巴伦 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种中频双向有源巴伦，包括电源调制单元、单转双单元、双转单单元、单端匹配单元以及差分匹配单元，电源调制单元分别与单转双单元以及双转单单元连接，单转双单元输入端与单端匹配单元连接，输出端与差分匹配单元连接，双转单单元输入端与差分匹配单元连接，输出端与单端匹配单元连接。本发明提供了一种对信号实现双向变换的中频有源巴伦芯片，有效降低了芯片的使用面积，同时避免使用信号开关引入额外的插入损耗和额外的噪声。

Description

一种中频双向有源巴伦

技术领域

本发明涉及芯片领域，尤其涉及一种中频双向有源巴伦。

背景技术

巴伦可以实现单端信号到差分信号的变换，对信号处理有着重要作用。当前接收系统芯片内部信号传输多采用差分模式，其好处是可以抑制偶次谐波和共模噪声，减小电源和地的干扰影响等，而在系统应用时，往往需要单端信号传输模式，因此在芯片输入端口的单转双巴伦和芯片输出端口的双转单巴伦不可或缺。

巴伦可以采用无源器件的方式实现，传统结构有变压器巴伦、LC巴伦、Marhand结构等，其特点是有较高的线性度，并同时满足双向使用要求，但是信号有一定衰减。无源巴伦在微波及射频频段面积较小，但是到了L波段以下的中频频段，体积很大，直接影响系统的微小型化设计需求，往往一个中频巴伦的体积会超过前端全部芯片的体积，并且对信号传输会产生衰减，需要额外的增益补偿。

而在中频段设计的有源巴伦，虽然可以大幅降低芯片体积，但传统的有源巴伦只能实现信号的单向变换，即单转双巴伦只能实现单端信号变换成差分信号的单一功能，而双转单巴伦只能实现差分信号变换成单端信号的单一功能，无法实现信号的双向变换功能。如果在单向有源巴伦间采用开关切换各路信号又会引入额外的插入损耗和噪声，因此，现有技术不能在降低芯片体积又不引入额外得损耗和额外的噪声的基础上实现实现信号的双向变换功能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种中频双向有源巴伦，提出基于电源调制的切换方式，在避免使用信号开关引入额外插入损耗和额外噪声的前提下，弥补无源巴伦在中频频段体积过大的缺点，同时解决有源巴伦无法实现信号双向变换功能的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种中频双向有源巴伦，包括电源调制单元、单转双单元、双转单单元、单端匹配单元以及差分匹配单元，其中：

所述电源调制单元分别与所述单转双单元和所述双转单单元连接，所述单转双单元的输入端与所述单端匹配单元连接、输出端与所述差分匹配单元连接，所述双转单单元的输入端与所述差分匹配单元连接、输出端与所述单端匹配单元连接。

本发明的有益效果是：本发明采用有源巴伦，有效降低芯片的使用面积，不需要外部元件即可实现电路功能，实现高集成度、微小型化设计，并提出基于电源调制的切换方式，避免使用信号开关引入额外的插入损耗和额外的噪声，同时电源切换解决有源巴伦双向变换功能的问题，利用反向截止的器件可以大幅度增加端口间的隔离。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步地，所述电源调制单元包括：单转双电源输出端口、双转单电源输出端口、第一PMOS管、第一NMOS管、第二PMOS管、第二NMOS管、第一反相器、第二反相器以及第三反相器，其中：

所述第一反相器和所述第二反相器的输入端相连作为输入控制信号的端口，所述第一反相器的输出端与所述第一PMOS管的栅极和所述第一NMOS管的栅极连接，所述第二反相器的输出端与所述第三反相器的输入端连接，所述第三反相器的输出端与所述第二PMOS管的栅极和所述第二NMOS管的栅极连接，所述第一PMOS管的栅极与所述第一NMOS管的栅极连接，所述第一PMOS管的源极与电源电压VDD连接，所述第一NMOS管的源极接地，所述第一PMOS管的漏极与所述第一NMOS管的漏极与所述单转双电源输出端口连接，所述第二PMOS管的栅极与所述第二NMOS管的栅极连接，所述第二PMOS管的源极与电源电压VDD连接，所述第二NMOS管的源极接地，所述第二PMOS管的漏极与所述第二NMOS管的漏极与所述双转单电源输出端口连接。

进一步地，所述单转双单元包括：单转双单元电源端口、单转双输入信号端口、第一单转双输出信号端口、第二单转双输出信号端口、第三NMOS管、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，其中：

所述第三NMOS管的栅极与所述单转双输入信号端口连接，所述第三NMOS管的漏极与所述第一单转双输出信号端口连接，所述第三NMOS管的源极与所述第二单转双输出信号端口连接，所述第三NMOS管的栅极分别与所述第三电阻和所述第四电阻的一端连接，所述第三电阻的另一端与所述单转双单元电源端口连接，所述第四电阻的另一端接地，所述第三NMOS管的源极与所述第二电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端接地，所述第三NMOS管的漏极与所述第一电阻的一端连接，所述第一电阻的另一端与所述单转双单元电源端口连接。

进一步地，所述双转单单元包括：双转单单元电源端口、第一双转单输入信号端口、第二双转单输入信号端口、双转单输出信号端口、第四NMOS管、第五NMOS管、第五电阻、第六电阻、第七电阻和第八电阻，其中：

所述第四NMOS管的栅极作为所述第一双转单输入信号端口，所述第五NMOS管的栅极作为所述第二双转单输入信号端口，所述第四NMOS管的源极与所述第五NMOS管的漏极连接并与所述双转单输出信号端口连接，所述第四NMOS管的栅极与所述第五电阻的一端连接，所述第五电阻的另一端与所述双转单单元电源端口连接，所述第四NMOS管的漏极与所述双转单单元电源端口连接，所述第五NMOS管的栅极与所述第六电阻的一端连接，所述第六电阻的另一端分别与所述第七电阻的一端和所述第八电阻的一端连接，所述第七电阻的另一端与所述双转单单元电源端口连接，所述第八电阻的另一端接地，所述第五NMOS管的源极接地。

进一步地，所述单端匹配单元和差分匹配单元均为电阻、电容、电感等无源匹配器件。

本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种中频双向有源巴伦的结构原理图；

图2为本发明实施例提供的一种中频双向有源巴伦的电源调制单元的电路原理图；

图3为本发明实施例提供的一种中频双向有源巴伦的单转双单元的电路原理图；

图4为本发明实施例提供的一种中频双向有源巴伦的双转单单元的电路原理图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1.电源调制单元，1-1.单转双电源输出端口，1-2.双转单电源输出端口，1-3.第一PMOS管，1-4.第一NMOS管，1-5.第二PMOS管，1-6.第二NMOS管，1-7.第一反相器，1-8.第二反相器，1-9.第三反相器，

2.单转双单元，2-1.单转双单元电源端口，2-2.单转双输入信号端口，2-3.第一单转双输出信号端口，2-4.第二单转双输出信号端口，2-5.第二NMOS管，2-6.第一电阻，2-7.第二电阻，2-8.第三电阻，2-9.第四电阻，

3.双转单单元，3-1.双转单单元电源端口，3-2.第一双转单输入信号端口，3-3.第二双转单输入信号端口，3-4.双转单输出信号端口，3-5.第四NMOS管，3-6.第五NMOS管，3-7.第五电阻，3-8.第六电阻，3-9.第七电阻，3-10.第八电阻，

4.单端匹配单元，5.差分匹配单元。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

在本发明的一个实施中，如图1所示，为本发明实施例提供的一种中频双向有源巴伦的结构原理图，图中电源调制单元1分别与单转双单元2和双转单单元3连接，单转双单元2的输入端与单端匹配单元4连接、输出端与差分匹配单元5连接，双转单单元3的输入端与差分匹配单元5连接、输出端与单端匹配单元4连接。

控制信号控制电源调制单元1可以给单转双单元2和双转单单元3的电源端口分别提供电源电压VDD或是地电压GND。

可选地，单端匹配单元和差分匹配单元均可以采用电阻、电容、电感等无源匹配器件，根据实际工作波段和输入输出阻抗要求，选取不同的元件。

上述实施例中提供的巴伦芯片，有效降低芯片的使用面积，不需要外部元件即可实现电路功能，实现高集成度、微小型化设计，并提出基于电源调制的切换方式，避免使用信号开关引入额外的插入损耗和额外的噪声，同时电源切换解决有源巴伦双向变换功能的问题，利用反向截止的器件可以大幅度增加端口间的隔离。

可选地，在本发明的另一个实施例中，图2为本发明图1中所示的一种中频双向有源巴伦的电源调制单元1的电路原理图。电源调制单元1包括：单转双电源输出端口1-1、双转单电源输出端口1-2、第一PMOS管1-3、第一NMOS管1-4、第二PMOS管1-5、第二NMOS管1-6、第一反相器1-7、第二反相器1-8以及第三反相器1-9，其中：

第一反相器1-7和第二反相器1-8的输入端相连作为输入控制信号的端口，第一反相器1-7的输出端与第一PMOS管1-3的栅极和第一NMOS管1-4的栅极连接，第二反相器1-8的输出端与第三反相器1-9的输入端连接，第三反相器1-9的输出端与第二PMOS管1-5的栅极和第二NMOS管1-6的栅极连接，第一PMOS管1-3的栅极与第一NMOS管1-4的栅极连接，第一PMOS管1-3的源极与电源电压VDD连接，第一NMOS管1-4的源极接地，第一PMOS管1-3的漏极与第一NMOS管1-4的漏极与单转双电源输出端口1-1连接，第二PMOS管1-5的栅极与第二NMOS管1-6的栅极连接，第二PMOS管1-5的源极与电源电压VDD连接，第二NMOS管1-6的源极接地，第二PMOS管1-5的漏极与第二NMOS管1-6的漏极与双转单电源输出端口1-2连接。

可选地，在本发明的另一个实施例中，图3为本发明图1中所示的一种中频双向有源巴伦的单转双单元2的电路原理图。单转双单元2包括：单转双单元电源端口2-1、单转双输入信号端口2-2、第一单转双输出信号端口2-3、第二单转双输出信号端口2-4、第三NMOS管2-5、第一电阻2-6、第二电阻2-7、第三电阻2-8和第四电阻2-9，其中：

第三NMOS管2-5的栅极与单转双输入信号端口2-2连接，第三NMOS管2-5的漏极与第一单转双输出信号端口2-3连接，第三NMOS管2-5的源极与第二单转双输出信号端口2-4连接，第三NMOS管2-5的栅极分别与第三电阻2-8和第四电阻2-9的一端连接，第三电阻2-8的另一端与单转双单元电源端口2-1连接，第四电阻2-9的另一端接地，第三NMOS管2-5的源极与第二电阻2-7的一端连接，第二电阻2-7的另一端接地，第三NMOS管2-5的漏极与第一电阻2-6的一端连接，第一电阻2-6的另一端与单转双单元电源端口2-1连接。

单端信号从第三NMOS管2-5的栅极输入，在第三NMOS管2-5的源级和漏极分别产生幅度相等、相位相差180度的交流电流，通过第一电阻2-6和第二电阻2-7分别得到幅度相等、相位相差180度的差分电压信号输出。第三电阻2-8和第四电阻2-9分别为第三NMOS管2-5提供偏置。

可选地，在本发明的另一个实施例中，图4为本发明图1中所示的一种中频双向有源巴伦的双转单单元3的电路原理图。双转单单元3包括：双转单单元电源端口3-1、第一双转单输入信号端口3-2、第二双转单输入信号端口3-3、双转单输出信号端口3-4、第四NMOS管3-5、第五NMOS管3-6、第五电阻3-7、第六电阻3-8、第七电阻3-9和第八电阻3-10，其中：

第四NMOS管3-5的栅极作为第一双转单输入信号端口3-2，第五NMOS管3-6的栅极作为第二双转单输入信号端口3-3，第四NMOS管3-5的源极与第五NMOS管3-6的漏极连接并与双转单输出信号端口3-4连接，第四NMOS管3-5的栅极与第五电阻3-7的一端连接，第五电阻3-7的另一端与双转单单元电源端口3-1连接，第四NMOS管3-5的漏极与双转单单元电源端口3-1连接，第五NMOS管3-6的栅极与第六电阻3-8的一端连接，第六电阻3-8的另一端分别与第七电阻3-9的一端和第八电阻3-10的一端连接，第七电阻3-9的另一端与双转单单元电源端口3-1连接，第八电阻3-10的另一端接地，第五NMOS管3-6的源极接地。

差分信号从第四NMOS管3-5的栅极和第五NMOS管3-6的栅极输入，第四NMOS管3-5工作于源极跟随器状态，第五NMOS管3-6工作于共源放大状态，在第四NMOS管3-5的源极和第五NMOS管3-6的漏极产生相位相同的叠加交流电流，通过第四NMOS管3-5和第五NMOS管3-6互为负载产生合并的单端信号。

可选地，本发明工作于单端信号变换为差分信号模式时，控制信号通过电源调制单元1，给单转双单元2的电源提供电源电压VDD，而给双转单单元3的电源提供地电压GND，使单转双单元2工作而双转单单元3截止，信号从单端端口输入，在差分端口得到单端到差分变换的差分信号。

本发明工作于差分信号变换为单端信号模式时，控制信号通过电源调制单元1，给单转双单元1的电源提供地电压GND，而给双转单单元3的电源电压提供电源电压VDD，使单转双单元2截止而双转单单元3工作，信号从差分端口输入，在单端端口得到差分到单端变换合并的单端信号。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种中频双向有源巴伦，其特征在于，包括：电源调制单元(1)、单转双单元(2)、双转单单元(3)、单端匹配单元(4)以及差分匹配单元(5)，其中：

所述电源调制单元(1)分别与所述单转双单元(2)和所述双转单单元(3)连接，所述单转双单元(2)的输入端与所述单端匹配单元(4)连接、输出端与所述差分匹配单元(5)连接，所述双转单单元(3)的输入端与所述差分匹配单元(5)连接、输出端与所述单端匹配单元(4)连接。

2.根据权利要求1所述的一种中频双向有源巴伦，其特征在于，所述电源调制单元(1)包括：单转双电源输出端口(1-1)、双转单电源输出端口(1-2)、第一PMOS管(1-3)、第一NMOS管(1-4)、第二PMOS管(1-5)、第二NMOS管(1-6)、第一反相器(1-7)、第二反相器(1-8)以及第三反相器(1-9)，其中：

所述第一反相器(1-7)和所述第二反相器(1-8)的输入端相连作为输入控制信号的端口，所述第一反相器(1-7)的输出端与所述第一PMOS管(1-3)的栅极和所述第一NMOS管(1-4)的栅极连接，所述第二反相器(1-8)的输出端与所述第三反相器(1-9)的输入端连接，所述第三反相器(1-9)的输出端与所述第二PMOS管(1-5)的栅极和所述第二NMOS管(1-6)的栅极连接，所述第一PMOS管(1-3)的栅极与所述第一NMOS管(1-4)的栅极连接，所述第一PMOS管(1-3)的源极与电源电压VDD连接，所述第一NMOS管(1-4)的源极接地，所述第一PMOS管(1-3)的漏极与所述第一NMOS管(1-4)的漏极与所述单转双电源输出端口(1-1)连接，所述第二PMOS管(1-5)的栅极与所述第二NMOS管(1-6)的栅极连接，所述第二PMOS管(1-5)的源极与电源电压VDD连接，所述第二NMOS管(1-6)的源极接地，所述第二PMOS管(1-5)的漏极与所述第二NMOS管(1-6)的漏极与所述双转单电源输出端口(1-2)连接。

3.根据权利要求2所述的一种中频双向有源巴伦，其特征在于，所述单转双单元(2)包括：单转双单元电源端口(2-1)、单转双输入信号端口(2-2)、第一单转双输出信号端口(2-3)、第二单转双输出信号端口(2-4)、第三NMOS管(2-5)、第一电阻(2-6)、第二电阻(2-7)、第三电阻(2-8)和第四电阻(2-9)，其中：

所述第三NMOS管(2-5)的栅极与所述单转双输入信号端口(2-2)连接，所述第三NMOS管(2-5)的漏极与所述第一单转双输出信号端口(2-3)连接，所述第三NMOS管(2-5)的源极与所述第二单转双输出信号端口(2-4)连接，所述第三NMOS管(2-5)的栅极分别与所述第三电阻(2-8)和所述第四电阻(2-9)的一端连接，所述第三电阻(2-8)的另一端与所述单转双单元电源端口(2-1)连接，所述第四电阻(2-9)的另一端接地，所述第三NMOS管(2-5)的源极与所述第二电阻(2-7)的一端连接，所述第二电阻(2-7)的另一端接地，所述第三NMOS管(2-5)的漏极与所述第一电阻(2-6)的一端连接，所述第一电阻(2-6)的另一端与所述单转双单元电源端口(2-1)连接。

4.根据权利要求3所述的一种中频双向有源巴伦，其特征在于，所述双转单单元(3)包括：双转单单元电源端口(3-1)、第一双转单输入信号端口(3-2)、第二双转单输入信号端口(3-3)、双转单输出信号端口(3-4)、第四NMOS管(3-5)、第五NMOS管(3-6)、第五电阻(3-7)、第六电阻(3-8)、第七电阻(3-9)和第八电阻(3-10)，其中：

所述第四NMOS管(3-5)的栅极作为所述第一双转单输入信号端口(3-2)，所述第五NMOS管(3-6)的栅极作为所述第二双转单输入信号端口(3-3)，所述第四NMOS管(3-5)的源极与所述第五NMOS管(3-6)的漏极连接并与所述双转单输出信号端口(3-4)连接，所述第四NMOS管(3-5)的栅极与所述第五电阻(3-7)的一端连接，所述第五电阻(3-7)的另一端与所述双转单单元电源端口(3-1)连接，所述第四NMOS管(3-5)的漏极与所述双转单单元电源端口(3-1)连接，所述第五NMOS管(3-6)的栅极与所述第六电阻(3-8)的一端连接，所述第六电阻(3-8)的另一端分别与所述第七电阻(3-9)的一端和所述第八电阻(3-10)的一端连接，所述第七电阻(3-9)的另一端与所述双转单单元电源端口(3-1)连接，所述第八电阻(3-10)的另一端接地，所述第五NMOS管(3-6)的源极接地。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种中频双向有源巴伦，其特征在于，所述单端匹配单元(4)和所述差分匹配单元(5)均由无源匹配器件组成。