CN114499458A - 输入前端匹配电路及输入前端匹配电路信号链结构 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种输入前端匹配电路及输入前端匹配电路信号链结构。该输入前端匹配电路，包括低通滤波器、第一静电防护二极管、第二静电防护二极管、第一电感、第一电阻和第三电阻；第一电阻的第一端、第三电阻的第一端、第一静电防护二极管的正极端、第二静电防护二极管的负极端均与低通滤波器的输入端相连接；第一静电防护二极管的负极端用于连接电源；第二静电防护二极管的正极端用于接地；第三电阻的第二端与第一电感的第一端相连接。本申请的输入前端匹配电路，包括低通滤波器和两个静电防护二极管，解决了非理想因素引起的信号衰减问题，带宽效果提升明显，并能够起到静电防护作用，提高了输入信号线性度，拓展了整体信号带宽。
Description
技术领域
本申请涉及电路技术领域，具体涉及一种输入前端匹配电路及输入前端匹配电路信号链结构。
背景技术
输入前端匹配电路是数据转换芯片接收外部输入信号的第一级电路，它的性能直接决定了输出信号的线性度和带宽。特别是对于超高采样率数据转换芯片，其输入信号频率达到GHz甚至几十GHz，对于输入前端的电路需要考虑由于芯片的封装、管脚等因素导致的信号不匹配而引起的信号完整性问题。常用的解决方法是通过50Ω的匹配电阻对输入信号源进行接收，由于信号源内阻一般为50Ω，则50Ω的匹配电阻可以达到阻抗匹配的效果，在输入信号源功率一定的情况下，匹配电阻可以获得最大信号功率。在理想情况下，该方式可以获得信号源一半的电压幅度。然而在实际的芯片设计中，会存在封装引线以及管脚等引起的一些非理想的因素，使的高频输入信号的幅度产生较大的失配，因此，需要有对应的解决办法来减少这些因素。
芯片在封装时会采用引线键合方式将芯片的管脚(Pad)和封装的引脚连接在一起，以达到电连接的目的。键合线一般会比较长，本身会引入一个较大的电感参数，在高频信号输入时，电感的阻抗会影响信号的阻抗匹配使信号产生较大的衰减。此外，芯片的管脚是一个面积较大的金属焊盘，在版图上具有较大的对地寄生电容，该电容也会对高频输入信号产生一定的衰减。
考虑上述的非理想因素，其等效电路图如图1所示。图1中，VS为信号源发生器，RS为模拟的信号源内阻，LW为芯片Pad与封装引脚的键合线的电感，Cpad为Pad焊盘到地的寄生电容。此时信号源的阻抗可以看做RS+jwLW，负载阻抗可以看做是
信号源的阻抗增加，负载的阻抗减小，阻抗匹配的关系不再成立，电路会呈现一个低通滤波的特性。在低频信号输入时，电感和电容的效应并不明显，对电路的影响较小，不会影响电路的低频特性；而在高频信号输入时，非理想的寄生参数会给输入信号带来较大的衰减，降低模拟输入信号的带宽。图2所示为现有技术的常用输入前端匹配电路信号链的电路结构原理图，包括依次连接的信号源发生器VS、信号源内阻RS、传输线电感LW、电容C和第二电阻R2，还包括电容Cpad和第三电阻RL，电容Cpad的第一端和第三电阻RL的第一端分别与电容C的第一端相连接，电容Cpad的第二端和第三电阻RL的第二端分别接地，电容C的第二端与信号输出端相连接。图3所示为利用仿真工具对图1所示的输入前端匹配电路进行仿真得到的带宽性能示意图，图3中，线框A中的数据为144.544MHz-6.28874dB，线框B中的数据为18.1713GHz-9.29137dB，线框M中的数据为dx:18.0268GHz dy:3.002628Db s:166.5647pdB/Hz，其中dy表示信号衰减的幅度(选取基准均为3dB，表示3dB带宽)，dx表示当前的带宽。由此可得，常用输入前端匹配电路的3dB带宽约为18GHz。现有技术中输入前端匹配电路会受到非理想因素影响而产生信号衰减问题，缺乏静电防护，输入信号线性度不佳，这些问题亟待解决。
发明内容
本申请的目的是提供一种输入前端匹配电路及输入前端匹配电路信号链结构。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。
根据本申请实施例的一个方面，提供一种输入前端匹配电路，包括低通滤波器、第一静电防护二极管、第二静电防护二极管、第一电感、第一电阻和第三电阻；所述第一电阻的第一端、所述第三电阻的第一端、所述第一静电防护二极管的正极端、所述第二静电防护二极管的负极端均与所述低通滤波器的输入端相连接；所述第一静电防护二极管的负极端用于连接电源；所述第二静电防护二极管的正极端用于接地；所述第三电阻的第二端与所述第一电感的第一端相连接，所述第一电感的第二端用于接地；所述第一电阻的第二端用于连接电源。
进一步地，所述低通滤波器包括电容和第二电阻；所述电容的第一端用于作为所述低通滤波器的输入端；所述第二电阻的第一端与所述电容的第二端相连接，所述第二电阻的第二端用于连接电源；所述电容的第二端用于作为所述低通滤波器的输出端。
进一步地，所述低通滤波器包括电容、第二电阻和NPN型三极管；所述电容的第一端用于作为所述低通滤波器的输入端；所述第二电阻的第一端与所述电容的第二端相连接，所述第二电阻的第二端用于连接电源；所述NPN型三极管的集电极用于连接电源，所述NPN型三极管的基极与所述电容的第二端相连接，所述NPN型三极管的发射极用于作为所述低通滤波器的输出端。
进一步地，所述低通滤波器还包括稳压二极管；所述稳压二极管的负极端与所述电容的第二端相连接，所述稳压二极管的正极端用于接地。
进一步地，所述低通滤波器包括电容、第二电阻和复合管；所述电容的第一端用于作为所述低通滤波器的输入端；所述第二电阻的第一端与所述电容的第二端相连接，所述第二电阻的第二端用于连接电源；所述复合管的集电极用于连接电源，所述复合管的基极与所述电容的第二端相连接，所述复合管的发射极用于作为所述低通滤波器的输出端。
进一步地，所述复合管包括一个NPN型三极管和一个PNP型三极管，其中，所述PNP型三极管的发射极用于作为所述复合管的集电极，所述PNP型三极管的基极与所述NPN型三极管的集电极相连接，所述PNP型三极管的集电极与所述NPN型三极管的发射极连接在一起形成所述复合管的发射极，所述PNP型三极管的基极用于作为所述复合管的基极。
进一步地，所述复合管包括第一NPN型三极管和第二NPN型三极管，其中，所述第一NPN型三极管的基极用于作为所述复合管的基极，所述第一NPN型三极管的集电极与所述第二NPN型三极管的集电极连接在一起形成所述复合管的集电极，所述第一NPN型三极管的发射极与所述第二NPN型三极管的基极相连接，所述第二NPN型三极管的发射极用于作为所述复合管的发射极。
进一步地，所述第三电阻的阻值为50Ω。
根据本申请实施例的另一个方面，提供一种输入前端匹配电路信号链结构，其特征在于，包括信号源发生器、信号源内阻、传输线电感以及上述任一项所述的输入前端匹配电路；所述信号源发生器、所述信号源内阻、所述传输线电感以及所述输入前端匹配电路依次连接。
进一步地，所述信号源内阻的阻值为50Ω。
本申请实施例的其中一个方面提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本申请实施例提供的输入前端匹配电路，包括低通滤波器和两个静电防护二极管，解决了非理想因素引起的信号衰减问题，带宽效果提升明显，并能够起到静电防护作用，提高了输入信号线性度，拓展了整体信号带宽。
本申请的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者，部分特征和优点可以从说明书中推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本申请实施例了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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申请中记载的一些实施例，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示出了现有技术的输入前端匹配电路的电路原理图；
图2示出了现有技术的输入前端匹配电路信号链结构的电路原理图；
图3示出了现有技术的输入前端匹配电路信号链结构的模拟输入带宽仿真结果图；
图4示出了本申请一个实施方式的输入前端匹配电路的电路原理图；
图5示出了本申请另一实施方式的输入前端匹配电路的电路原理图；
图6示出了本申请另一实施方式的输入前端匹配电路的电路原理图；
图7示出了本申请另一实施方式的输入前端匹配电路的电路原理图；
图8示出了本申请另一实施方式的输入前端匹配电路的电路原理图；
图9示出了本申请一个实施方式的输入前端匹配电路信号链结构的电路原理图；
图10出了图9所示实施方式的输入前端匹配电路信号链结构的模拟输入带宽仿真结果图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本申请做进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
输入前端匹配电路是接收外部高频信号的第一级电路，它的性能好坏直接决定了信号输出的线性度和带宽，因此是高速率转换芯片中输入电路的关键。为了解决现有技术中非理想因素带来的信号衰减问题，进而增加信号的3dB模拟带宽，本申请实施例提供了一种输入前端匹配电路。
本申请的一个实施例提供了一种输入前端匹配电路，包括低通滤波器、第一静电防护二极管、第二静电防护二极管、第一电感、第一电阻和第三电阻；第一电阻的第一端、第三电阻的第一端、第一静电防护二极管的正极端、第二静电防护二极管的负极端均与低通滤波器的输入端相连接；第一静电防护二极管的负极端用于连接电源；第二静电防护二极管的正极端用于接地；第三电阻的第二端与第一电感的第一端相连接，第一电感的第二端用于接地；第一电阻的第二端用于连接电源。
在某些实施方式中，低通滤波器包括电容和第二电阻；该电容的第一端用于作为该低通滤波器的输入端；第二电阻的第一端与该电容的第二端相连接，第二电阻的第二端用于连接电源；该电容的第二端用于作为该低通滤波器的输出端。
如图4所示的实施方式，该输入前端匹配电路包括第一静电防护二极管Dio1、第二静电防护二极管Dio2、第一电感L、第一电阻R1、电容C、第二电阻R2和第三电阻RL。电容C与第二电阻R2组成低通滤波器。第一电阻R1的第一端、第三电阻RL的第一端、第一静电防护二极管Dio1的正极端、第二静电防护二极管Dio2的负极端均与电容C的第一端相连接；第二电阻R2的第一端与电容C的第二端相连接。第一静电防护二极管Dio1的负极端连接电源VDD。第二静电防护二极管Dio2的正极端接地。第三电阻RL的第二端与第一电感L的第一端相连接，第一电感L的第二端接地。第一电阻R1的第二端连接电源VDD。第二电阻R2的第二端连接电源VDD。电容C的第一端连接信号输入端，电容C的第二端连接信号输出端，信号VIN由信号输入端输入，信号VOUT由信号输出端输出。其中VIN为输入到芯片内部的信号，紧接着VIN的两个二极管Dio1和Dio2为静电防护(Electro-Static discharge，ESD)二极管。ESD功能即利用二极管本身的特性，对芯片进行静电释放的功能。
第三电阻RL和第一电感L是为了做阻抗匹配使用。为了接收输入信号达到更好的效果，一般情况下，阻抗匹配电阻为50Ω。这是由于信号源内阻一般为50Ω，因此50Ω匹配电阻可以达到阻抗匹配的最佳效果，在输入信号源功率一定的情况下，匹配电阻可以获得最大信号功率。因此在某些实施方式中，第三电阻RL的阻值优选为50Ω。同时第一电感L的加入拓展了整体电路的带宽。
电阻R1的作用是为了防止当输入信号VIN的共模为0时，输入信号向下的摆幅可能会反向击穿ESD二极管Dio2，影响输入信号的线性度，加入R1可提高整体输入信号的线性度。
电容C和电阻R2共同组成了一个低通滤波器的结构，即为信号频率低的信号可以顺利的通过该电路进行信号传输，信号频率高的信号则不能通过该电路进行传输。其中电容C的大小不能太小，其后面的结构输入缓冲器存在固有的寄生电容，它会与电容C产生分压。如果电容C容值过大，则经过这里的信号的衰减幅度会超过10％以上，会严重影响后级对原始输入信号的识别与传输；如果电容C的容值过小，则起不到本身低通滤波器的作用，因此这里电容C的大小要根据实际需求进行计算设置。
在某些实施方式中，该低通滤波器包括电容、第二电阻和NPN型三极管；该电容的第一端用于作为该低通滤波器的输入端；该第二电阻的第一端与该电容的第二端相连接，该第二电阻的第二端用于连接电源；该NPN型三极管的集电极用于连接电源，该NPN型三极管的基极与该电容的第二端相连接，该NPN型三极管的发射极用于作为该低通滤波器的输出端。电容和第二电阻能够对信号起到滤波作用，NPN型三极管能够放大该低通滤波器的等效滤波电容量，从而起到降低该低通滤波器的截止频率的作用。
如图5所示的实施方式，在图4所示实施方式的基础上增加了NPN型三极管VT1，VT1的集电极连接电源VDD。
在某些实施方式中，该低通滤波器还包括稳压二极管；该稳压二极管的负极端与该电容的第二端相连接，该稳压二极管的正极端用于接地。稳压二极管能够使NPN型三极管VT1的基极电压保持稳定，从而使NPN型三极管VT1的发射极输出的电压也比较稳定。
如图6所示的实施方式，在图5所示实施方式的基础上增加了稳压二极管VD。
在某些实施方式中，该低通滤波器包括电容、第二电阻和复合管；该电容的第一端用于作为该低通滤波器的输入端；该第二电阻的第一端与该电容的第二端相连接，该第二电阻的第二端用于连接电源；该复合管的集电极用于连接电源，该复合管的基极与该电容的第二端相连接，该复合管的发射极用于作为该低通滤波器的输出端。
在某些实施方式中，该复合管包括一个NPN型三极管和一个PNP型三极管，其中，该PNP型三极管的发射极用于作为该复合管的集电极，该PNP型三极管的基极与该NPN型三极管的集电极相连接，该PNP型三极管的集电极与该NPN型三极管的发射极连接在一起形成该复合管的发射极，该PNP型三极管的基极用于作为该复合管的基极。
如图7所示的实施方式，复合管由一个NPN型三极管VT1和一个PNP型三极管VT2构成。
在某些实施方式中，该复合管包括第一NPN型三极管和第二NPN型三极管，其中，该第一NPN型三极管的基极用于作为该复合管的基极，该第一NPN型三极管的集电极与该第二NPN型三极管的集电极连接在一起形成该复合管的集电极，该第一NPN型三极管的发射极与该第二NPN型三极管的基极相连接，该第二NPN型三极管的发射极用于作为该复合管的发射极。
如图8所示，复合管由第一NPN型三极管VT3和第二NPN型三极管VT4构成。
复合管能够直接替换图5或图6中的NPN型三极管VT1，相比较于单个三极管，复合管能够进一步地提高放大倍数，降低截止频率，滤波效果更好。
本申请的另一个实施例提供了一种输入前端匹配电路信号链结构，包括信号源发生器、信号源内阻、传输线电感以及上述任一实施方式的输入前端匹配电路；该信号源发生器、该信号源内阻、该传输线电感以及该输入前端匹配电路依次连接。
在某些实施方式中，该信号源内阻的阻值为50Ω。
如图9所示的输入前端匹配电路信号链结构，包括信号源发生器Vs、信号源内阻Rs、传输线电感Lw以及图4所示实施方式的输入前端匹配电路。
如图9所示，虚线左侧为外部的信号产生结构示意图，包括依次连接的信号源发生器VS、模拟的信号源内阻RS以及用于传输信号到达芯片内部的传输线电感LW，虚线右侧为图4所示的输入前端匹配电路。传输线电感LW与电容C的第一端相连接。
通过仿真工具仿真对比图3所示的输出点带宽和图10所示的电路带宽，查看VOUT点的增益，测量得到VOUT点的3dB带宽。图10中，线框K中的数据为144.544MHz-7.27156dB，线框P中的数据为32.2717GHz-10.2731dB，线框Q中的数据为dx:32.1272GHz dy:3.001516dB s:93.42612pdB/Hz。
在与图3所示相同的仿真条件下，将图10所示的3dB带宽与图3进行对比，可以确定本申请实施例提出的输入前端匹配电路3dB带宽(即模拟输入带宽)约为32GHz，说明本申请实施例的带宽效果提升明显。
本申请实施例不仅很好地解决了芯片封装时电感引起的信号衰减，和Pad对地寄生电容引起高频输入信号的衰减这两种非理想因素，还起到了ESD保护、提高输入信号线性度和拓展整体信号带宽的作用，对比常用的输入前端匹配电路，本申请实施例所提出的输入前端匹配电路带宽效果提升明显，最大带宽可达32GHz，因此也适用于高频信号输入的转换器电路，输入信号的频率可达20GHz以上。
本申请实施例的输入前端匹配电路可以应用于单端输入信号、高速率的信号接收电路，可以应用于高速率的数据转换芯片的前端来接收高质量的信号，可以提高信号的3dB模拟输入带宽。
本申请实施例应用于超高采样率的数据转换芯片的前端电路来接收高质量的信号，支持的输入信号的频率可达20GHz以上，提高了信号的3dB模拟输入带宽，减小了非理想因素导致的信号衰减。
以上所述实施例仅表达了本申请的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种输入前端匹配电路，其特征在于，包括低通滤波器、第一静电防护二极管、第二静电防护二极管、第一电感、第一电阻和第三电阻；所述第一电阻的第一端、所述第三电阻的第一端、所述第一静电防护二极管的正极端、所述第二静电防护二极管的负极端均与所述低通滤波器的输入端相连接；所述第一静电防护二极管的负极端用于连接电源；所述第二静电防护二极管的正极端用于接地；所述第三电阻的第二端与所述第一电感的第一端相连接，所述第一电感的第二端用于接地；所述第一电阻的第二端用于连接电源。
2.根据权利要求1所述的输入前端匹配电路，其特征在于，所述低通滤波器包括电容和第二电阻；所述电容的第一端用于作为所述低通滤波器的输入端；所述第二电阻的第一端与所述电容的第二端相连接，所述第二电阻的第二端用于连接电源；所述电容的第二端用于作为所述低通滤波器的输出端。
3.根据权利要求1所述的输入前端匹配电路，其特征在于，所述低通滤波器包括电容、第二电阻和NPN型三极管；所述电容的第一端用于作为所述低通滤波器的输入端；所述第二电阻的第一端与所述电容的第二端相连接，所述第二电阻的第二端用于连接电源；所述NPN型三极管的集电极用于连接电源，所述NPN型三极管的基极与所述电容的第二端相连接，所述NPN型三极管的发射极用于作为所述低通滤波器的输出端。
4.根据权利要求3所述的输入前端匹配电路，其特征在于，所述低通滤波器还包括稳压二极管；所述稳压二极管的负极端与所述电容的第二端相连接，所述稳压二极管的正极端用于接地。
5.根据权利要求1所述的输入前端匹配电路，其特征在于，所述低通滤波器包括电容、第二电阻和复合管；所述电容的第一端用于作为所述低通滤波器的输入端；所述第二电阻的第一端与所述电容的第二端相连接，所述第二电阻的第二端用于连接电源；所述复合管的集电极用于连接电源，所述复合管的基极与所述电容的第二端相连接，所述复合管的发射极用于作为所述低通滤波器的输出端。
6.根据权利要求5所述的输入前端匹配电路，其特征在于，所述复合管包括一个NPN型三极管和一个PNP型三极管，其中，所述PNP型三极管的发射极用于作为所述复合管的集电极，所述PNP型三极管的基极与所述NPN型三极管的集电极相连接，所述PNP型三极管的集电极与所述NPN型三极管的发射极连接在一起形成所述复合管的发射极，所述PNP型三极管的基极用于作为所述复合管的基极。
7.根据权利要求5所述的输入前端匹配电路，其特征在于，所述复合管包括第一NPN型三极管和第二NPN型三极管，其中，所述第一NPN型三极管的基极用于作为所述复合管的基极，所述第一NPN型三极管的集电极与所述第二NPN型三极管的集电极连接在一起形成所述复合管的集电极，所述第一NPN型三极管的发射极与所述第二NPN型三极管的基极相连接，所述第二NPN型三极管的发射极用于作为所述复合管的发射极。
8.根据权利要求1所述的输入前端匹配电路，其特征在于，所述第三电阻的阻值为50Ω。
9.一种输入前端匹配电路信号链结构，其特征在于，包括信号源发生器、信号源内阻、传输线电感以及权利要求1-8中任一项所述的输入前端匹配电路；所述信号源发生器、所述信号源内阻、所述传输线电感以及所述输入前端匹配电路依次连接。
10.根据权利要求9所述的输入前端匹配电路信号链结构，其特征在于，所述信号源内阻的阻值为50Ω。
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH11204736A (ja) * | 1998-01-19 | 1999-07-30 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 入力保護回路 |
| US20020017960A1 (en) * | 2000-08-01 | 2002-02-14 | Jeong Yeon Moon | High-frequency oscillation circuit |
| US8947840B1 (en) * | 2009-10-23 | 2015-02-03 | Pmc-Sierra, Inc. | Method and apparatus for improving the signal integrity of high-speed serial data receivers using coupled inductors |
| CN211880370U (zh) * | 2020-04-27 | 2020-11-06 | 成都优博创通信技术股份有限公司 | 一种低通滤波器与滤波电路 |
-
2021
- 2021-02-19 CN CN202110189008.7A patent/CN114499458A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH11204736A (ja) * | 1998-01-19 | 1999-07-30 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 入力保護回路 |
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