CN112994727A

CN112994727A - 采用独立差动单端转换器的收发机结构及差动收发机

Info

Publication number: CN112994727A
Application number: CN202110144712.0A
Authority: CN
Inventors: 郭哲嘉; 余岱原; 邱伟茗
Original assignee: Shenzhen Southern Silicon Valley Semiconductor Co ltd
Current assignee: Shenzhen Southern Silicon Valley Semiconductor Co ltd
Priority date: 2021-02-02
Filing date: 2021-02-02
Publication date: 2021-06-18

Abstract

本发明公开了一种采用独立差动单端转换器的收发机结构及差动收发机，涉及射频通信芯片领域，解决了现有的收发机共享一个差动单端转换器所产生的负载效应显著增加的技术问题。本发明包括发射机输出级、发射机匹配电路、接收机输入级、接收机匹配电路、第一差动单端转换器、第二差动单端转换器、多工器、信号输入输出端口；所述信号输入输出端口的数量为1个。本发明妥善解决了发射机与接收机因共享一个差动单端转换器而产生的负载效应，使得收发机与接收机保有良好电性性能；同时，本发明共用一个信号输入输出端口，节省了封装针脚数目，简化印刷电路板的设计，提升了芯片的竞争力。

Description

采用独立差动单端转换器的收发机结构及差动收发机

技术领域

本发明涉及射频通信芯片技术领域，尤其涉及一种采用独立差动单端转换器的收发机结构及差动收发机。

背景技术

传统收发机电路中，使用了差动技术(differential)具备许多好处：以发射机来说，如图1a所示，一般来说晶体管可承受的电压峰值有限，为了提升输出功率只能不断提升输出电流，进而造成负载阻抗降低，当阻抗降得太低会导致匹配困难，此时使用差动架构可在维持相同信号电流的情形下直接增加输出电压，不但提升输出功率同时还增加负载阻抗，进一步降低匹配难度。以接收机来说，如图1b所示，接收机面对环境中存在的各种干扰，若采取差动型式的设计，这些环境干扰噪声在差动输入端则常以共模噪声(common-modenoise)的形式出现，而良好的差动设计可消除共模噪声，又能保持输入信号不受影响。

当收发机采用差动架构时，由于系统端最终通常只用一个天线端口，而天线端口又是单端信号，因此，必须经过多级的电路处理，如图2所示，这些电路包含收发机各自的匹配电路，将发射机与接收机电路结合的多工器，以及最后的差动单端转换器。传统上这些电路元件都配置于印刷电路板上，并使用表面贴装元件工艺(SMD,Surface Mount Device)来实现，好处是弹性较大，可不断尝试SMD元件搭配以达到理想中的特性，然而，使用过多SMD元件不但增加成本，同时也会增加印刷电路板的面积，因此，近年来渐渐往芯片内部整合输入输出电路的趋势来发展。

将输入输出电路收进芯片内，发射机与接收机采用差动结构也有许多电性上的好处，发射机可增加输出功率，接收机可增进抗噪声能力。然而由于天线通常为单端设计，差动结构的收发机还需要差动单端转换器将信号转能单端形式。现有技术中发射机与接收机常共享一个差动单端转换器，然而，这样的结构使得发射机与接收机之间的负载效应会大幅，提升设计难度，尤其发射机与接收机需要的阻抗通常落差很大，匹配难度也相应提升；如图3所示，发射机大信号输出时，过大的电压甩动可能损坏接收机的前级电路。因此，如何设计多工器以降低收发机之间的负载效应是亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种采用独立差动单端转换器的收发机结构及差动收发机。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种采用独立差动单端转换器的收发机结构，包括发射机输出级、发射机匹配电路、接收机输入级、接收机匹配电路、第一差动单端转换器、第二差动单端转换器、多工器和信号输入输出端口；所述信号输入输出端口与所述多工器连接；

所述发射机输出级、发射机匹配电路、第一差动单端转换器、多工器依次连接；所述接收机输入级、接收机匹配电路、第二差动单端转换器、多工器依次连接。

优选的，所述多工器包括第一开关、第二开关、电感及电容；所述第一开关、电感、电容及第二开关依次连接；所述第一开关、第二开关分别与所述第一差动单端转换器、第二差动单端转换器连接。

优选的，所述第一开关、第二开关均为MOSFET晶体管；所述第一差动单端转换器、第二差动单端转换器均为线圈型电磁耦合元件。

优选的，所述第一差动单端转换器包括原边的第一组线圈N1和次边的第二组线圈N2；所述第一组线圈N1包括抽头、第一正极端口和第一负极端口；所述第二组线圈N2包括第二正极端口和第二负极端口；所述第二正极端口与所述电感的一端、所述信号输入输出端口均连接，所述电感的另一端与所述第一开关的漏极连接；所述第一开关的源极与所述第二负极端口连接且接地；所述抽头连接有直流电源。

优选的，所述第二差动单端转换器包括原边的第三组线圈N3和次边的第四组线圈N4；所述第三组线圈N3包括第三正极端口和第三负极端口；所述第四组线圈N4包括第四正极端口和第四负极端口；所述第四正极端口与所述第二开关的漏极、电容的一极板均连接，所述电容的另一极板与所述电感的一端、所述信号输入输出端口均连接；所述第二开关的源极与所述第四负极端口连接且接地。

优选的，所述发射机匹配电路包括串联的第一匹配电容和第二匹配电容；所述第一匹配电容的一端与所述发射机输出级的输出正端及所述第一差动单端转换器的所述第一正极端口均连接；所述第二匹配电容的一端与所述发射机输出级的输出负端及所述第一差动单端转换器的所述第一负极端口均连接；所述第一匹配电容的另一端和所述第二匹配电容的另一端连接且接地。

优选的，所述接收机匹配电路包括并联的第一匹配电感和第二匹配电感；所述第一匹配电感的两端分别与所述接收机输入级的输入正端及所述第二差动单端转换器的所述第三正极端口连接；所述第二匹配电感的两端分别与所述接收机输入级的输入负端及所述第二差动单端转换器的所述第三负极端口连接。

优选的，所述发射机输出级的一端与发射机连接；所述发射机输出级为功率放大器；所述接收机输入级的一端与接收机连接；所述接收机输入级为低噪声放大器。

优选地，所述收发机结构的收发模式包括发射机模式和接收机模式。所述收发机结构处于发射机模式时，所述第一开关、第二开关均为连通状态；所述收发机结构处于接收机模式时，所述第一开关、第二开关均为断开状态。

本发明还提供了一种差动收发机，包括上文所述的采用独立差动单端转换器的收发机结构。

实施本发明的技术方案，具有如下优点或有益效果：

(1)本发明发射机与接收机均设置有各自独立的差动单端转换器，并通过多工器实现收发机与信号输入输出端口之间的通信，此结构妥善解决了发射机与接收机因共用一个差动单端转换器而产生的负载效应，并对本发明收发机结构中的元件起到了良好的保护，使得发射机与接收机保有良好电性性能。(2)本发明发射机、接收机共用一个信号输入输出端口，节省了封装针脚数目，同时简化印刷电路板的设计，方便终端产品的规划使用，提升了芯片的竞争力。

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的介绍，显而易见，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，附图中：

图1a是现有技术发射机之功率放大器的示意图；

图1b是现有技术接收机之低噪声放大器的示意图；

图2是现有技术差动收发机的共埠架构的示意图；

图3是现有技术在IC内部的差动收发机电路示意图；

图4是本发明收发机结构的整体结构示意图；

图5是本发明收发机结构的电路结构示意图。

10、发射机输出级；101、输出正端；102、输出负端；11、发射机匹配电路；110、第一匹配电容；111、第二匹配电容；20、接收机输入级；201、输入正端；202、输入负端；21、接收机匹配电路；210、第一匹配电感；211、第二匹配电感；3、信号输入输出端口；4、多工器；40、第一开关；41、第二开关；42、电感；43、电容；5、第一差动单端转换器；51、第一正极端口；52、第一负极端口；53、第二正极端口；54、第二负极端口；55、抽头；6、第二差动单端转换器；61、第三正极端口；62、第三负极端口；300、直流电源。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下文将要描述的各种示例性实施例将要参考相应的附图，这些附图构成了示例性实施例的一部分，其中描述了实现本发明可能采用的各种示例性实施例，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。应明白，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明公开的一些方面相一致的装置和方法的例子，还可使用其他的实施例，或者对本文列举的实施例进行结构和功能上的修改，而不会脱离本发明的范围和实质。在其他情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定的“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“接通”、“连接”应做广义理解，例如，可以是电连接或可以相互通信；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

现有的收发机技术产品包括发射机、接收机，为节省芯片的面积，发射机、接收机常共用一个差动单端转换器，共享一个差动单端转换器的代价就是收发机之间的负载效应会显著增加，匹配难度也相应提升，其原因在于发射机输出大功率信号，需求的阻抗通常较低，而接收机考虑耗电与低噪声的因素，需求的阻抗通常较高，两者的阻抗通常落差颇大；另外当发射机大信号输出时，过大的电压甩动可能损坏接收机的前级电路。另一方面，现有技术产品发射机、接收机分别设置了信号输入输出端口，增加了封装针脚数目，导致印刷电路板较为复杂，不利于终端产品的规划和使用。基于上述技术问题，本发明提出了如下技术解决方案的实施例。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。如图4-5出了本发明实施例提供的电路示意图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。

实施例一：

如图4所示，本发明收发机结构包括发射机输出级10、发射机匹配电路11、接收机输入级20、接收机匹配电路21、第一差动单端转换器5、第二差动单端转换器6、多工器4和信号输入输出端口3。具体地，信号输入输出端口3的数量为1个，信号输入输出端口3与多工器4连接；发射机输出级10、发射机匹配电路11、第一差动单端转换器5、多工器4依次连接，接收机输入级20、接收机匹配电路21、第二差动单端转换器6、多工器4依次连接。

本实施例的发射机输出级10、发射机匹配电路11，接收机输入级20、接收机匹配电路21分别设置独立的第一差动单端转换器5、第二差动单端转换器6，对于发射机低阻抗负载需求与接收机的高阻抗负载需求之间的匹配，可方便的利用各自的差动单端转换器来实现阻抗转换，从而显著降低发射机与接收机间的负载效应，增强收发结构的电性功能。本发明的另一方面，发射机、接收机的信号通过多工器4进行合并，并传送至共用的信号输入输出端口3，有利于减少封装针脚数目，简化印刷电路板，有效提升芯片的竞争力。

进一步地，多工器4包括第一开关40、第二开关41、电感42及电容43。具体地，第一开关40、电感42、电容43及第二开关41依次连接；第一开关40、第二开关41分别与第一差动单端转换器5、第二差动单端转换器6连接。优选的，第一开关40、第二开关41均为MOSFET晶体管，开关采用三极管可较好实现发射信号与接收信号的动态调整；优选的，第一差动单端转换器5、第二差动单端转换器6均为电磁耦合元件，电磁耦合元件为线圈型电磁耦合元件。差动单端转换器采用不同的线圈比，即可实现信号输入输出端口3的阻抗转换至高阻抗或低阻抗的需求；此外由于差动单端转换器为电磁耦合元件，发射机与接收机之间的直流电源隔离可自然实现，省去了增加耦合电容的需求，进而经过差动单端转换器之后，发射机及接收机均为单端信号。由此，最大化减少元件的使用，降低了成本。

如图5所示，第一差动单端转换器5包括原边的第一组线圈N1和次边的第二组线圈N2，第一组线圈N1包括抽头55、第一正极端口51和第一负极端口52，第二组线圈N2包括第二正极端口53和第二负极端口54。具体地，第二正极端口53与电感42的一端、信号输入输出端口3均连接，电感42的另一端与第一开关40的漏极连接，第一开关40的源极与第二负极端口54连接且接地，抽头55为中间抽头(center-tap)，连接有直流电源300，发射机的直流偏压透过中间抽头供给，直接透过线圈设定发射机的输出的偏压点。进一步地，第二差动单端转换器6包括原边的第三组线圈N3和次边的第四组线圈N4；第三组线圈N3包括第三正极端口61和第三负极端口62；第四组线圈N4包括第四正极端口63和第四负极端口64；具体地，第四正极端口63与第二开关41的漏极、电容43的一极板均连接，电容43的另一极板与电感42的一端、信号输入输出端口3均连接；第二开关41的源极与第四负极端口64连接且接地。

具体的，发射机匹配电路11包括串联的第一匹配电容110和第二匹配电容111，第一匹配电容110的一端与发射机输出级10的输出正端101及第一差动单端转换器5的第一正极端口51均连接，第二匹配电容111的一端与发射机输出级10的输出负端102及第一差动单端转换器5的第一负极端口52均连接；第一匹配电容110的另一端和第二匹配电容111的另一端连接且接地。接收机匹配电路21包括并联的第一匹配电感210和第二匹配电感211，第一匹配电感210的两端分别与接收机输入级20的输入正端201及第二差动单端转换器6的第三正极端口61连接，第二匹配电感211的两端分别与接收机输入级20的输入负端202及第二差动单端转换器6的第三负极端口62连接。

具体的，发射机输出级10的一端与发射机连接；发射机输出级10为功率放大器；接收机输入级20的一端与接收机连接；接收机输入级20为低噪声放大器。

在本实施例中，收发机结构的收发模式包括发射机模式和接收机模式，当收发机结构处于发射机模式时，第一开关40、第二开关41均为连通状态；当收发机结构处于接收机模式时，第一开关40、第二开关41均为断开状态。具体地，当发射机发射信号时，第一开关40与第二开关41均为连通，第二开关41将接收机端的负载直接连通到地，可保护接收机输入级20及接收机匹配电路21不被过大的电压甩动损坏，同时，在第一差动单端转换器5、第二差动单端转换器6与多工器4构成的电路中，并联的电感42与串联的电容43形成一共振网络，当共振频率为本收发结构的系统信号频率时，共振网络将具有极高阻抗，进而降低对发射机的负载效应。当接收机接收信号时，第一开关40与第二开关41均为断开，由于发射机需求低阻抗的缘故，从互易定理可知，从信号输入输出端口3往第一差动单端转换器5传输时匹配了高阻抗，发射机对接收机的负载效应减弱甚多，而串联的电容43亦可再针对发射机的阻抗进行匹配调整。

实施例二：

本发明还提供了一种差动收发机，包括实施例一所述的采用独立差动单端转换器的收发机结构。

综上所述，本发明设置有各自独立的差动单端转换器，并通过多工器实现收发机与单个信号输入输出端口之间的通信，此结构妥善解决了发射机与接收机因共享一个差动单端转换器而产生的负载效应，并对本收发机结构中的元件起到了良好的保护，使得发射机与接收机保有良好电性性能；另一方面，本发明共享一个信号输入输出端口，节省了封装针脚数目，同时简化印刷电路板的设计，方便终端产品的规划使用，提升了芯片的竞争力。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等同替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本发明的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种采用独立差动单端转换器的收发机结构，其特征在于，包括发射机输出级(10)、发射机匹配电路(11)、接收机输入级(20)、接收机匹配电路(21)、第一差动单端转换器(5)、第二差动单端转换器(6)、多工器(4)和信号输入输出端口(3)；所述信号输入输出端口(3)与所述多工器(4)连接；

所述发射机输出级(10)、发射机匹配电路(11)、第一差动单端转换器(5)、多工器(4)依次连接；

所述接收机输入级(20)、接收机匹配电路(21)、第二差动单端转换器(6)、多工器(4)依次连接。

2.根据权利要求1所述的采用独立差动单端转换器的收发机结构，其特征在于，所述多工器(4)包括第一开关(40)、第二开关(41)、电感(42)及电容(43)；

所述第一开关(40)、电感(42)、电容(43)及第二开关(41)依次连接；

所述第一开关(40)、第二开关(41)分别与所述第一差动单端转换器(5)、第二差动单端转换器(6)连接。

3.根据权利要求2所述的采用独立差动单端转换器的收发机结构，其特征在于，所述第一开关(40)、第二开关(41)均为MOSFET晶体管；

所述第一差动单端转换器(5)、第二差动单端转换器(6)均为线圈型电磁耦合元件。

4.根据权利要求3所述的采用独立差动单端转换器的收发机结构，其特征在于，所述第一差动单端转换器(5)包括原边的第一组线圈N1和次边的第二组线圈N2；

所述第一组线圈N1包括抽头(55)、第一正极端口(51)和第一负极端口(52)；所述第二组线圈N2包括第二正极端口(53)和第二负极端口(54)；

所述第二正极端口(53)与所述电感(42)的一端、所述信号输入输出端口(3)均连接，所述电感(42)的另一端与所述第一开关(40)的漏极连接；所述第一开关(40)的源极与所述第二负极端口(54)连接且接地；

所述抽头(55)连接有直流电源(300)。

5.根据权利要求4所述的采用独立差动单端转换器的收发机结构，其特征在于，所述第二差动单端转换器(6)包括原边的第三组线圈N3和次边的第四组线圈N4；

所述第三组线圈N3包括第三正极端口(61)和第三负极端口(62)；所述第四组线圈N4包括第四正极端口(63)和第四负极端口(64)；

所述第四正极端口(63)与所述第二开关(41)的漏极、电容(43)的一极板均连接，所述电容(43)的另一极板与所述电感(42)的一端、所述信号输入输出端口(3)均连接；所述第二开关(41)的源极与所述第四负极端口(64)连接且接地。

6.根据权利要求5所述的采用独立差动单端转换器的收发机结构，其特征在于，所述发射机匹配电路(11)包括串联的第一匹配电容(110)和第二匹配电容(111)；

所述第一匹配电容(110)的一端与所述发射机输出级(10)的输出正端(101)及所述第一差动单端转换器(5)的所述第一正极端口(51)均连接；所述第二匹配电容(111)的一端与所述发射机输出级(10)的输出负端(102)及所述第一差动单端转换器(5)的所述第一负极端口(52)均连接；

所述第一匹配电容(110)的另一端和所述第二匹配电容(111)的另一端连接且接地。

7.权利要求6所述的采用独立差动单端转换器的收发机结构，其特征在于，所述接收机匹配电路(21)包括并联的第一匹配电感(210)和第二匹配电感(211)；

所述第一匹配电感(210)的两端分别与所述接收机输入级(20)的输入正端(201)及所述第二差动单端转换器(6)的所述第三正极端口(61)连接；所述第二匹配电感(211)的两端分别与所述接收机输入级(20)的输入负端(202)及所述第二差动单端转换器(6)的所述第三负极端口(62)连接。

8.权利要求6所述的采用独立差动单端转换器的收发机结构，其特征在于，所述发射机输出级(10)的一端与发射机连接；所述发射机输出级(10)为功率放大器；

所述接收机输入级(20)的一端与接收机连接；所述接收机输入级(20)为低噪声放大器。

9.权利要求6所述的采用独立差动单端转换器的收发机结构，其特征在于，所述收发机结构的收发模式包括发射机模式和接收机模式；

所述收发机结构处于发射机模式时，所述第一开关(40)、第二开关(41)均为连通状态；

所述收发机结构处于接收机模式时，所述第一开关(40)、第二开关(41)均为断开状态。

10.一种差动收发机，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的采用独立差动单端转换器的收发机结构。