CN115765681A

CN115765681A - 一种宽带高平衡度有源巴伦电路

Info

Publication number: CN115765681A
Application number: CN202211435286.7A
Authority: CN
Inventors: 胡三明; 张凯博; 丁一凡; 沈一竹
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2022-11-16
Filing date: 2022-11-16
Publication date: 2023-03-07

Abstract

本发明公开了一种宽带高平衡度有源巴伦电路，包括差分信号产生电路，电压合成负反馈电路以及输出平衡缓冲器电路。其中差分信号产生电路由两级自偏置反相器级联组成，由反相器产生的差分信号首先与电压合成器的栅极相连，合成为单端信号后通过反馈回路与第一级反相器的输入端相连，实现输入阻抗匹配；其次与输出平衡缓冲器的栅极相连，完成输出阻抗匹配的同时将差分信号输出。本发明在自偏置反相器结构的基础上引入电压合成负反馈技术来代替传统的电阻负反馈技术，不仅拓展了工作带宽，而且提高了电路的对称性，通过在第二级反相器输出端并联一个以二极管连接方式的晶体管，改善了输出差分信号的幅相不平衡度以及电路整体的线性度。

Description

一种宽带高平衡度有源巴伦电路

技术领域

本发明涉及一种集成电路，尤其涉及一种宽带高平衡度有源巴伦电路。

背景技术

在通信等无线系统中，差分架构比单端架构具有更低的偶次非线性与更高的共模抑制比，另一方面，将无线系统设计成单端输入有利于节省引脚数量。为了实现信号的单端输入与差分架构无线系统的连接，需要额外引入一个巴伦结构。常见的做法是引入无源巴伦来实现单端信号转为差分信号。但是，当无线系统工作频率较低时，无源巴伦需要较大的感值，从而导致芯片面积大、成本高，同时无源巴伦的插损还会对后级电路造成一定的影响，另外，无源巴伦难以满足宽带需求。为了缓解这些难题，有源巴伦将巴伦功能与有源电路相结合，它可与后级电路高度集成，避免了无源巴伦带来的插损，并节省了芯片面积和成本。

目前，大多数有源巴伦电路均采用片外电感进行输入匹配实现宽带，但降低了集成度。另一方面，传统电阻负反馈匹配可实现片上集成，但带宽较窄。此外，当有源巴伦电路的工作频率变高时，输出信号的幅相不平衡度以及电路的线性度逐渐变差。因此，如何拓展有源巴伦电路的工作带宽，以及如何改善输出差分信号的幅相不平衡度和线性度，成为亟需解决的问题。

发明内容

技术问题：针对上述传统有源巴伦电路存在的带宽窄、幅相不平衡以及线性度差等问题，提出了一种宽带高平衡度有源巴伦电路，以拓展带宽，并改善输出差分信号的幅相不平衡度以及电路的线性度。

技术方案：本发明的一种宽带高平衡度有源巴伦电路，包括差分信号产生电路、电压合成负反馈电路以及输出平衡缓冲器电路；其中，差分信号产生电路的输入端和电压合成负反馈电路的输入端通过输入隔直电容接输入端，差分信号产生电路的输入端和电压合成负反馈电路的第一电压信号端、第二电压信号端分别对应接输出平衡缓冲器电路的输入端，输出平衡缓冲器电路的输出端为宽带高平衡度有源巴伦电路的正输出端和负输出端。

所述差分信号产生电路由两级反相器级联组成，第一级反相器由第一晶体管、第二晶体管以及第一电阻组成，第一晶体管与第二晶体管的栅极和栅极相连，漏极和漏极相连，第一晶体管的源极接地，第二晶体管的源极接电源，第一电阻一端连接第一晶体管和第二晶体管的栅极作为差分信号产生电路的输入端，另一端连接第一晶体管和第二晶体管的漏极即第一电压信号端；第二级反相器由第三晶体管、第四晶体管以及第二电阻组成，第三晶体管、第四晶体管的栅极和栅极相连，漏极和漏极相连，第三晶体管的源极接地，第四晶体管的源极接电源，第二电阻一端连接第三晶体管和第四晶体管的栅极即第一电压信号端，另一端连接第三晶体管和第四晶体管的漏极即第二电压信号端。

所述电压合成负反馈电路由第一隔直电容、第二隔直电容、第一偏置电阻、第二偏置电阻、第六晶体管、第七晶体管、反馈回路电容以及反馈回路电阻组成；其中，第一隔直电容的一端连接第三晶体管和第四晶体管的漏极即第二电压信号端，另一端接第六晶体管的栅极；第二隔直电容的一端连接第一晶体管和第二晶体管的漏极即第一电压信号端，另一端接第七晶体管的栅极，反馈电阻的一端连接第一晶体管和第二晶体管的栅极作为电压合成负反馈电路的输入端，另一端通过反馈回路电容接第六晶体管的漏极和第七晶体管的源极；采用该负反馈结构来实现输入阻抗匹配。

所述输出平衡缓冲器电路由两个非对称的电压合成器结构组成，第一个电压合成器结构包括第三隔直电容、第四隔直电容、第七隔直电容、第八晶体管、第九晶体管、第三偏置电阻、第四偏置电阻；其中，第八晶体管的栅极通过第三隔直电容接第一电压信号端，通过第三偏置电阻接偏置电压,第八晶体管的漏极通过第七隔直电容接正输出端；第九晶体管的栅极通过第四隔直电容接第二电压信号端，通过第四偏置电阻接电源,第八晶体管的源极通过第七隔直电容接正输出端；

第二个电压合成器结构包括第五隔直电容、第六隔直电容、第八隔直电容、第五偏置电阻、第六偏置电阻、第十晶体管、第十一晶体管；其结构形式与第一个电压合成器结构一致，整体构成两个非对称的电压合成器结构，通过该结构来改善由反相器产生的差分信号的幅相不平衡度。

所述输出平衡缓冲器中的第八晶体管、第九晶体管、第十晶体管、第十一晶体管的栅宽选择应使输出的差分信号幅相平衡度达到最优。

所述差分信号产生电路的第二电压信号端，该第二电压信号端与地之间还设有第五晶体管，第五晶体管的栅极与漏极相连同时接第二电压信号端，第五晶体管的源极接地，通过并联该晶体管来改善电路整体的线性度。

所述输入隔直电容与电压合成负反馈电路共同完成输入阻抗匹配。

所述偏置电压选择应使输出的差分信号幅相平衡度达到最优。

有益效果：本发明的优点在于本发明提供一种宽带高平衡度有源巴伦电路，由差分信号产生电路、电压合成负反馈电路、输出平衡缓冲器电路组成。本发明在自偏置反相器结构的基础上引入电压合成负反馈技术来代替传统的电阻负反馈技术，不仅扩展了工作带宽，而且提高了电路的对称性，通过在第二级反相器输出端并联一个以二极管连接方式的晶体管，改善了输出差分信号的幅相不平衡度以及电路整体的线性度。

附图说明

图1为本发明中有源巴伦电路示意图；

图2为本发明中有源巴伦电路输入以及输出端口的反射系数；

图3为本发明中有源巴伦电路的差分增益；

图4为本发明中有源巴伦电路输出差分信号的幅度差以及相位差；

图5为本发明中有源巴伦电路的输入1dB压缩点。

图中有：第一晶体管M1、第二晶体管M2、第一电阻R1、第三晶体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5、第二电阻R2、第一隔直电容C1、第二隔直电容C2、第一偏置电阻Rbias1、第二偏置电阻Rbias2、第六晶体管M6、第七晶体管M7、反馈回路电容Cf、反馈回路电阻Rf、第三隔直电容C3、第四隔直电容C4、第五隔直电容C5、第六隔直电容C6、第七隔直电容C7、第八隔直电容C8、第三偏置电阻Rbias3、第四偏置电阻Rbias4、第五偏置电阻Rbias5、第六偏置电阻Rbias6、第八晶体管M8、第九晶体管M9、第十晶体管M10、第十一晶体M11管、输入隔直电容Cin、电源VDD、输入端口IN、正输出端OUT+、负输出端OUT-。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做更进一步的解释，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

本实施例提供一种宽带高平衡度有源巴伦电路，如图1、2所示，由差分信号产生电路、电压合成负反馈电路、输出平衡缓冲器电路组成。

所述差分信号产生电路由两级反相器级联组成，第一级反相器由第一晶体管M1、第二晶体管M2以及第一电阻R1组成。第一晶体管M1与第二晶体管M2的栅极和栅极相连，漏极和漏极相连，第一晶体管M1的源极接地，第二晶体管M2的源极接电源VDD，第一电阻R1一端连接第一晶体管M1和第二晶体管M2的栅极，另一端连接第一晶体管M1和第二晶体管M2的漏极Vn。第二级反相器由第三晶体管M3、第四晶体管M4以及第二电阻R2组成。第三晶体管M3与第四晶体管M4的栅极和栅极相连，漏极和漏极相连，第三晶体管M3的源极接地，第四晶体管M4的源极接电源VDD，第二电阻R2一端连接第三晶体管M3和第四晶体管M4的栅极，另一端连接第三晶体管M3和第四晶体管M4的漏极Vp；

所述电压合成负反馈电路由第一隔直电容C1、第二隔直电容C2、第一偏置电阻Rbias1、第二偏置电阻Rbias2、第六晶体管M6、第七晶体管M7、反馈回路电容Cf以及反馈回路电阻Rf组成。第六晶体管M6的栅极连接第一隔直电容C1的一端，同时与第一偏置电阻Rbias1的一端相连，第一偏置电阻Rbias1的另一端连接偏置电压Vbias。第七晶体管M7的栅极连接第二隔直电容C2的一端，同时与第二偏置电阻Rbias2的一端相连，第二偏置电阻Rbias2的另一端连接电源VDD。第六晶体管M6的漏极连接第七晶体管M7的源级，第六晶体管M6的源级接地，第七晶体管M7的漏极接电源VDD。反馈回路电容Cf一端连接第六晶体管M6的漏极，另一端与反馈电阻Rf的一端相连；

所述输出平衡缓冲器电路由第三隔直电容C3、第四隔直电容C4、第五隔直电容C5、第六隔直电容C6、第七隔直电容C7、第八隔直电容C8、第三偏置电阻Rbias3、第四偏置电阻Rbias4、第五偏置电阻Rbias5、第六偏置电阻Rbias6、第八晶体管M8、第九晶体管M9、第十晶体管M10、第十一晶体M11管组成。第八晶体管M8的栅极连接第三隔直电容C3的一端，同时与第三偏置电阻Rbias3的一端相连，第三偏置电阻Rbias3的另一端连接偏置电压Vbias，第九晶体管M9的栅极连接第四隔直电容C4的一端，同时与第四偏置电阻Rbias4的一端相连，第四偏置电阻Rbias4的另一端连接电源VDD。第八晶体管M8的漏极连接第九晶体管M9的源级，第八晶体管M8的源级接地，第九晶体管M9的漏极接电源VDD。第七隔直电容C7一端连接第八晶体管M8的漏极，另一端与信号输出端OUT+。第十晶体管M10的栅极连接第五隔直电容C5的一端，同时与第五偏置电阻Rbias5的一端相连，第五偏置电阻Rbias5的另一端连接偏置电压Vbias，第十一晶体管M11的栅极连接第六隔直电容C6的一端，同时与第六偏置电阻Rbias6的一端相连，第六偏置电阻Rbias6的另一端连接电源VDD。第十晶体管M10的漏极连接第十一晶体管M11的源级，第十晶体管M10的源级接地，第十一晶体管M11的漏极接电源VDD。第八隔直电容C8一端连接第十晶体管M10的漏极，另一端与信号输出端OUT-；

所述电压合成负反馈电路中的第一隔直电容C1连接第三晶体管M3和第四晶体管M4的漏极Vp，第二隔直电容C2连接第一晶体管M1和第二晶体管M2的漏极Vn。反馈电阻Rf连接第一晶体管M1和第二晶体管M2的栅极，采用该负反馈结构来实现输入阻抗匹配。

所述输出平衡缓冲器电路中的第三隔直电容C3和第六隔直电容C6连接第一晶体管M1和第二晶体管M2的漏极Vn，第四隔直电容C4和第五隔直电容C5连接第一晶体管M3和第二晶体管M4的漏极Vp。输出平衡缓冲器电路将差分信号输出的同时完成输出阻抗匹配。

所述第五晶体管M5的栅极与漏极相连，同时连接第三晶体管M3和第四晶体管M4的漏极，第五晶体管M5的源极接地，通过并联该晶体管来改善电路整体的线性度。

从工作原理上讲，本发明了提供一种宽带高平衡度的有源巴伦电路，本发明在自偏置反相器结构的基础上引入电压合成负反馈技术，不仅扩展了工作带宽，而且提高了电路的对称性，通过在第二级反相器输出端并联一个以二极管连接方式的晶体管，改善了输出差分信号的幅相不平衡度以及电路整体的线性度。更为具体的讲：

本发明采用的电压合成结构相比于传统的电阻负反馈结构能够使差分端口同时参与反馈控制，一定程度上提高了反相器级联结构的对称性，同时也提高了反馈电阻两端的增益，等效地提高了反馈电阻的阻值，相比于传统的电阻负反馈结构，在输入匹配的情况下，电压合成负反馈结构所需的反馈电阻阻值更小,因为输入匹配带宽由反馈回路的电容以及电阻产生的时间常数来决定，由于电阻的减小从而一定程度扩展了带宽。

本发明在第二级反相器输出端并联一以二极管连接方式的晶体管，考虑到两级反相器输出的差分信号幅度差较大，通过并联该晶体管来调整第二级反相器信号的输出增益，使得最终产生的差分信号幅度差减小；同时并联该晶体管对反相器的晶体管进行分流，引入额外的二阶、三阶非线性分量，在输出结点三阶非线性分量相互抵消，对第二级反相器进行了非线性补偿，从而提高了电路整体的线性度。

基于上述工作原理，本实施例基于CMOS工艺，对上述电路进行了设计与仿真，验证了本发明的实用性。

图2给出了设计的有源巴伦电路的各个端口的反射系数，其中输入端口的反射系数在5.89～14.06GHz频率范围内均小于-10dB，相对带宽达到82％，输出端口的反射系数在大于4GHz时均小于-10dB。图3给出了设计的有源巴伦电路的差分增益，在1.44～15.24GHz频率范围内，差分增益为2.23dB至5.23dB，3dB带宽为165.5％。图4给出了设计的有源巴伦电路的输出差分信号的幅度差以及相位差，在4～18GHz频率范围内幅度差为-0.543dB至0.195dB，相位差为178°至179.8°。图5给出了设计的有源巴伦电路的输入1dB压缩点，为-9.95dBm。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种宽带高平衡度有源巴伦电路，其特征在于，包括差分信号产生电路、电压合成负反馈电路以及输出平衡缓冲器电路；其中，差分信号产生电路的输入端和电压合成负反馈电路的输入端通过输入隔直电容(C_in)接输入端(IN)，差分信号产生电路的输入端和电压合成负反馈电路的第一电压信号端(V_N)、第二电压信号端(V_p)分别对应接输出平衡缓冲器电路的输入端，输出平衡缓冲器电路的输出端为宽带高平衡度有源巴伦电路的正输出端(OUT+)和负输出端(OUT-)。

2.根据权利要求1所述的宽带高平衡度有源巴伦电路，其特征在于，所述差分信号产生电路由两级反相器级联组成，第一级反相器由第一晶体管(M1)、第二晶体管(M2)以及第一电阻(R1)组成，第一晶体管(M1)与第二晶体管(M2)的栅极和栅极相连，漏极和漏极相连，第一晶体管(M1)的源极接地，第二晶体管(M2)的源极接电源(VDD)，第一电阻(R1)一端连接第一晶体管(M1)和第二晶体管(M2)的栅极作为差分信号产生电路的输入端，另一端连接第一晶体管(M1)和第二晶体管(M2)的漏极即第一电压信号端(V_N)；第二级反相器由第三晶体管(M3)、第四晶体管(M4)以及第二电阻(R2)组成，第三晶体管(M3)、第四晶体管(M4)的栅极和栅极相连，漏极和漏极相连，第三晶体管(M3)的源极接地，第四晶体管(M4)的源极接电源(VDD)，第二电阻(R2)一端连接第三晶体管(M3)和第四晶体管(M4)的栅极即第一电压信号端(V_N)，另一端连接第三晶体管(M3)和第四晶体管(M4)的漏极即第二电压信号端(V_p)。

3.根据权利要求1所述的宽带高平衡度有源巴伦电路，其特征在于，所述电压合成负反馈电路由第一隔直电容(C1)、第二隔直电容(C2)、第一偏置电阻(Rbias1)、第二偏置电阻(Rbias2)、第六晶体管(M6)、第七晶体管(M7)、反馈回路电容(Cf)以及反馈回路电阻(Rf)组成；其中，第一隔直电容(C1)的一端连接第三晶体管(M3)和第四晶体管(M4)的漏极即第二电压信号端(V_p)，另一端接第六晶体管(M6)的栅极；第二隔直电容(C2)的一端连接第一晶体管(M1)和第二晶体管(M2)的漏极即第一电压信号端(V_N)，另一端接第七晶体管(M7)的栅极，反馈电阻(Rf)的一端连接第一晶体管(M1)和第二晶体管(M2)的栅极作为电压合成负反馈电路的输入端，另一端通过反馈回路电容(Cf)接第六晶体管(M6)的漏极和第七晶体管(M7)的源极；采用该负反馈结构来实现输入阻抗匹配。

4.根据权利要求1所述的宽带高平衡度有源巴伦电路，其特征在于，所述输出平衡缓冲器电路由两个非对称的电压合成器结构组成，第一个电压合成器结构包括第三隔直电容(C₃)、第四隔直电容(C₄)、第七隔直电容(C₇)、第八晶体管(M₈)、第九晶体管(M₉)、第三偏置电阻(R_bias3)、第四偏置电阻(R_bias4)；其中，第八晶体管(M₈)的栅极通过第三隔直电容(C₃)接第一电压信号端(V_N)，通过第三偏置电阻(R_bias3)接偏置电压(V_bias),第八晶体管(M₈)的漏极通过第七隔直电容(C₇)接正输出端(OUT+)；第九晶体管(M₉)的栅极通过第四隔直电容(C₄)接第二电压信号端(V_p)，通过第四偏置电阻(R_bias4)接电源(VDD),第八晶体管(M₈)的源极通过第七隔直电容(C₇)接正输出端(OUT+)；

第二个电压合成器结构包括第五隔直电容(C5)、第六隔直电容(C6)、第八隔直电容(C8)、第五偏置电阻(Rbias5)、第六偏置电阻(Rbias6)、第十晶体管(M10)、第十一晶体管(M11)；其结构形式与第一个电压合成器结构一致，整体构成两个非对称的电压合成器结构，通过该结构来改善由反相器产生的差分信号的幅相不平衡度。

5.根据权利要求1所述的宽带高平衡度有源巴伦电路，其特征在于，所述输出平衡缓冲器中的第八晶体管(M₈)、第九晶体管(M₉)、第十晶体管(M10)、第十一晶体管(M11)的栅宽选择应使输出的差分信号幅相平衡度达到最优。

6.根据权利要求1所述的宽带高平衡度有源巴伦电路，其特征在于，所述差分信号产生电路的第二电压信号端(V_p)，该第二电压信号端(V_p)与地之间还设有第五晶体管(M5)，第五晶体管(M5)的栅极与漏极相连同时接第二电压信号端(V_p)，第五晶体管(M5)的源极接地，通过并联该晶体管来改善电路整体的线性度。

7.根据权利要求1所述的宽带高平衡度有源巴伦电路，其特征在于，所述输入隔直电容(C_in)与电压合成负反馈电路共同完成输入阻抗匹配。

8.根据权利要求1所述的宽带高平衡度有源巴伦电路，其特征在于，所述偏置电压(V_bias)选择应使输出的差分信号幅相平衡度达到最优。