CN117595832A - 有源巴伦设计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及有源巴伦电路。有源巴伦电路包括：多个晶体管；输出传输线，所述输出传输线连接到所述晶体管的输出端子；输入传输线；以及耦合到晶体管的输入端子和输入传输线的多个串联电容器。

Description

有源巴伦设计

技术领域

本文件一般地但不限于巴伦，更具体地，涉及有源巴伦集成电路。

背景技术

巴伦在电子系统中用于将不平衡信号线与平衡信号线接口。一个示例应用是将平衡天线连接到不平衡同轴传输线。

巴伦可以是包括有源器件(例如晶体管)的有源巴伦或仅包括无源器件的无源巴伦。无源巴伦不消耗功率，并且具有良好的线性，以在输入信号功率变化时提供恒定的幅度和相位响应。然而，无源巴伦对于低频应用是大而笨重的，并且对于高频应用具有高插入损耗。无源巴伦在处理高功率应用的能力方面受到限制。此外，平衡-不平衡变换器应匹配平衡和不平衡线路的阻抗，以避免反射。通常，无源巴伦设计不够灵活，不能用于具有不同端口阻抗的多个应用中。

有源巴伦在尺寸上紧凑，并且比无源巴伦具有更宽的带宽。它们还能够处理更高的功率。然而，有源巴伦需要用于DC功率的电路电源，并且幅度和相位响应随着信号功率而变化。前置放大器通常被添加到有源巴伦设计中，以补偿增益损失并增加带宽。这使有源巴伦设计复杂化并增加了其尺寸。

附图说明

在不一定按比例绘制的附图中，相似的数字可以在不同的视图中描述相似的部件。具有不同字母后缀的相似数字可以表示相似组件的不同实例。附图以示例的方式但不以限制的方式概括地示出了本文档中讨论的各种实施例。

图1是有源巴伦电路的示例的电路示意图。

图2是有源巴伦电路的另一示例的电路示意图。

图3是有源巴伦电路的另一示例的电路示意图。

图4是有源巴伦电路的另一示例的电路示意图。

图5是有源巴伦电路的另一示例的电路示意图。

图6是桥接T形线圈传输线路的一个示例的电路示意图。

图7是有源巴伦电路的示例的电路示意图。

图8示出了连接到差分放大器的输入巴伦和输出巴伦的示例。

具体实施方式

如前所述，有源巴伦提供了优于无源巴伦的优点。除其他外，有源巴伦在尺寸上比无源巴伦更紧凑，并且具有更宽的带宽。然而，有源巴伦需要用于DC功率的电路电源，并且幅度和相位响应随着信号功率而变化。然而，前置放大器通常被添加到有源巴伦电路设计中，以补偿增益损失并增加带宽。使用前置放大器使有源巴伦的电路设计复杂化，并增加了有源巴伦电路的尺寸。

图1是有源巴伦电路100的示例的电路示意图。有源巴伦电路100包括三个端子或端口。在端口1处接收的不平衡信号在端口2和3处被转换为平衡差分信号。端口2处的信号与端口1处的信号异相180度，而端口3处的信号则与端口1的信号同相。该示例显示了端口1处的50欧姆不平衡输入阻抗以及端口2和3处的50欧姆平衡输出阻抗。可以使用其他阻抗(例如，100欧姆等)。

有源巴伦电路100具有分布式电路拓扑结构。它包括作为晶体管的有源器件和示意图中表示为电感器的人工传输线。在图1的示例中，有源器件(CPW1、CPW2、CPW3)是场效应晶体管(FET)。在另一个例子中，有源器件是异质结双极晶体管(HBT)。到晶体管的输入端子(例如，FET的栅极端子或HBT的基极端子)的传输线连接提供到端口3的非反相输出。该输入传输线由串联连接在端口1和端口3之间的电感器L7、L1、L6和L8组成。到晶体管的输出端子(例如，FET的漏极端子或HBT的集电极端子)的传输线连接使用输入端子和输出端子之间的反相特性来向端口2提供异相反相输出。该输出传输线由电感器L2、L4、L5和L3组成，这些电感器串联连接在两个DC阻断电容器(DC_Block1、DC_Block2)之间。电感器L2、L4、L5和L3也可以被呈现为诸如传输线之类的分布式元件。

有源巴伦电路100包括连接在输入传输线和输出传输线之间的电阻-电容(RC)反馈路径102。RC反馈路径102还连接到DC偏置电感器(DC_Feed1)，所述DC偏置电感器连接到DC电压源(SRC1)。RC反馈路径102在操作频率范围上改善了相位和幅度的平坦性。有源巴伦电路100还包括连接到晶体管(CPW1、CPW2、CPW3)的输入端子和输入传输线的串联电容器104(C4、C5、C6)。串联电容器104改善了幅度平衡，消除了对附加前置放大器的需要。串联电容器104衰减通过有源巴伦电路100的信号的幅度，以在频率范围内保持增益平坦，并在频率操作范围内提供平坦的幅度响应。

有源巴伦电路100包括连接在输出传输线和电路地之间的并联电容器106(C1、C2、C3)。并联电容器106改善了在频率操作范围内的相位和幅度平衡。晶体管、RC反馈路径102、串联电容器104、并联电容器106以及输入和输出传输线可以在集成电路(IC)上制造。DC偏置电感器(DC_Feed)和DC阻断电容器(DC_Block1、DC_Block2)可以在IC外部。外部组件可以包括在单独的IC(例如，单独的芯片或倒装芯片)中，或者外部组件可以包含在电路板上。频率带宽的低频极限由DC偏置电感器和DC阻塞电容器的值设置。频率带宽的高频极限由输入和输出传输线的插入损耗以及晶体管的转换频率f_T来设置。

图2是有源巴伦电路200的另一示例的电路示意图。有源巴伦电路200用于将在端口2和3处接收的平衡信号转换为在端口1处的不平衡信号。端口2处的信号与端口1处的信号异相180度，而端口3处的信号则与端口1的信号同相。有源巴伦电路200具有分布式放大器电路拓扑结构。

有源巴伦电路200包括有源器件(CPW1、CPW2、CPW3)、连接到有源器件的输入的输入传输线以及连接到有源器件的输出的输出传输线。有源巴伦电路200包括连接到输入传输线、输出传输线、DC偏置电感器(DC_Feed1)和DC阻断电容器(DC_Block2)的RC反馈路径202。如在图1的示例中那样，RC反馈路径202在操作频率范围上提高了相位和幅度的平坦性。有源巴伦电路200还包括连接到有源器件的输入端子和输入传输线的串联电容器204(C4、C5、C6)，并且包括连接在输出传输线和电路地之间的并联电容器206(C1、C2、C3)。串联电容器204和并联电容器206改善了频率工作范围内的相位和幅度平衡，并且图2的有源巴伦电路200不需要前置放大器。

图3是有源巴伦电路300的另一示例的电路示意图。有源巴伦电路300用于将在端口2和3处接收的平衡信号转换为在端口1处的不平衡信号。有源巴伦电路300具有类似于图2的示例的分布式放大器拓扑，并且包括RC反馈路径202、串联电容器204和并联电容器206。图3中的示例包括级联结构308，级联结构308包含分别与晶体管CPW1、CPW2、CPW3以级联布置连接的晶体管CPW6、CPW7、CPW8。在级联结构308中，电感(L9、L10、L11)连接在级联连接的FET之间。电感器L9、L10、L11也可以被呈现为诸如传输线之类的分布式元件。级联电路结构308允许更大的RF电压摆动，这提高了有源巴伦电路300的频率响应的一分贝(1dB)压缩点。有源巴伦电路300还包括连接到晶体管CPW6、CPW7、CPW8的每个输入端子的电感器-电容器(LC)电路310。LC电路310进一步改善了频率工作范围内的相位和幅度平衡。

图4是有源巴伦电路400的另一示例的电路示意图。图4中的电路是与图2的有源巴伦电路200相同的电路拓扑，并且用于将在端口2和3处接收的平衡信号转换为在端口1处的不平衡信号。图4的有源巴伦电路400包括功率耦合电路412，其对端口1处的射频(RF)输出信号进行整流并将输出的功率耦合到DC。这可以减少用于操作电路400的总功率。输出功率的再循环可以导致有源器件的较低偏置点。在一些示例中，电路400包括检测耦合到DC的输出功率的量的功率检测器电路和根据检测到的功率调整有源器件的偏置的偏置控制电路。

图5是有源巴伦电路500的另一示例的电路示意图。有源巴伦电路500具有与图2的有源巴伦电路200相同的电路拓扑，并且用于将在端口2和3处接收的平衡信号转换为在端口1处的不平衡信号。在图5的电路中，输入传输线和输出传输线的部分被桥接的T形线圈传输线514代替。图6是可以在图5的有源巴伦电路500中使用的桥接T形线圈传输线514的示例的电路示意图。与图2的电路示例相比，如图5所示，在输入传输线和输出传输线中使用桥接的T形线圈传输线514扩展了电路500在较高频率端的频率范围。

图7是有源巴伦电路700的另一示例的电路示意图。有源巴伦电路700具有与图2的有源巴伦电路200相同的电路拓扑，并且用于将在端口1处接收的不平衡信号转换为在端口2和3处的平衡差分信号。但是，图7的电路700包括连接到每个FET的源极端子(或每个HBT的发射极端子)的电阻器(R1、R2、R3)，而不是使用如图1中那样连接到FET的栅极端子(或HBT的基极端子)上的串联电容器和电阻器。

图8示出了连接到差分放大器824的电路800、输入巴伦820和输出巴伦822的示例。输入巴伦820可以是包括在图1或图7中的有源巴伦电路中的任一个。输出巴伦822可以是包括在图2-5中的有源巴伦电路中的任一个。图8的电路可以将在输入端(IN)接收的不平衡信号转换为提供给差分放大器824的平衡差分信号，并且将来自差分放大器822的平衡的差分信号转换为在输出端(OUT)的不平衡的信号。

本文描述的有源巴伦电路实例在不需要前置放大器的情况下改进了巴伦性能，从而减小了有源巴伦的尺寸。所描述的有源巴伦电路示例具有三个电路部分。可以添加额外的电路部分以提高性能。此外，电路示例示出了在平衡端子处的50欧姆阻抗和在不平衡端子处50欧姆阻抗。电路示例中可以使用其他端子阻抗(例如，100欧姆等)。其他端子可以是不同于一对一的比率。例如，有源巴伦电路可以将50欧姆的不平衡信号转换为100欧姆的平衡差分信号，或者将100欧姆的不均衡信号转换为50欧姆的平衡的差分信号。

附加说明和示例

示例1包括主题(例如巴伦电路)，包括多个晶体管、连接到晶体管的输出端子的输出传输线、输入传输线、以及耦合到晶体管的输入端子和输入传输线的多个串联电容器。

在示例2中，示例1的主题可选地包括多个并联电容器，并且每个并联电容器连接在晶体管的输出端子与电路接地之间。

在示例3中，示例1和2中的一个或两个的主题可选地包括电阻-电容(RC)反馈路径，该RC反馈路径包括串联连接在输入传输线和输出传输线之间的电阻器和电容器。

在示例4中，示例1-3的一个或任意组合的主题可选地包括：连接到输入传输线的一端的第一端口、连接到输出传输线的第二端口、连接到输入传输线与第一端口不同的端部的第三端口，并且所述巴伦电路将在所述第一端口处接收的不平衡信号转换为在所述第二和第三端口处的平衡信号。

在示例5中，示例1-3的一个或任意组合的主题可选地包括：连接到输入传输线的一端的第一端口、连接到输出传输线的第二端口、连接到输入传输线与第一端口不同的端部的第三端口，并且所述巴伦电路将在所述第二端口和所述第三端口处接收的平衡信号转换为在所述第一端口处的不平衡信号。

在示例6中，示例1-5中的一个或任意组合的主题可选地包括连接到第一端口的功率耦合电路。

在示例7中，示例1-6中的一个或任意组合的主题可选地包括：所述输入传输线和所述输出传输线中的至少一个包括桥接T形线圈传输线。

在示例8中，示例1-7中的一个或任意组合的主题可选地包括：多个晶体管，所述多个晶体管包括多个级联结构。每个级联结构包括两个级联连接的场效应晶体管(FET)，其中输出传输线连接到级联结构的第一FET的漏极端子，并且串联电容器连接到级联结构的第二FET的栅极端子。

在示例9中，示例8的主题可选地包括：电感器，该电感器连接到级联结构的第一FET的源极端子和级联结构的第二FET的漏极端子。

在示例10中，示例8和9中的一个或两个的主题可选地包括：多个电感器-电容器(LC)电路，每个LC电路连接到级联结构的第一FET的栅极端子。

示例11包括主题(例如电子设备)，或者可以可选地与示例1-10中的一个或任意组合组合以包括这样的主题，包括：包括第一集成电路(IC)的巴伦电路。第一IC包括：输入传输线；输出传输线；多个晶体管，其中每个晶体管包括连接到输出传输线的第一输出端子；多个并联电容器，其中每个并联电容器耦合到晶体管的输出端子和电路接地；以及耦合到晶体管的输入端子和输入传输线的多个串联电容器。

在示例12中，示例11的主题可选地包括：连接到输出传输线的每一端的DC阻断电容器，以及连接到输出传输线和DC电路电源的直流(DC)偏置电感器。

在示例13中，示例12的主题可选地包括被包括在第二IC中的DC阻断电容器和DC偏置电感器。

在示例14中，示例12和13中的一个或两个的主题可选地包括：第一IC，该第一IC包括电阻-电容(RC)反馈路径，该RC反馈路径包括串联连接在输入传输线和输出传输线之间的电阻器和电容器。

在示例15中，示例12-14的一个或任意组合的主题可选地包括：连接到输入传输线的一端的第一端口、连接到输出传输线的DC阻断电容器、连接到DC阻断电容器的第二端口、连接至输入传输线与第一端口不同的端部的第三端口，并且所述巴伦电路将在所述第一端口处接收的不平衡信号转换为在所述第二和第三端口处的平衡信号。

在示例16中，示例12-14的一个或任意组合的主题可选地包括：连接到输入传输线的一端的第一端口、连接到输出传输线的第二端口、连接至输入传输线与第一端口不同的一端的第三端口，并且所述巴伦电路将在所述第二端口和所述第三端口处接收的平衡信号转换为在所述第一端口处的不平衡信号。

在示例17中，示例12-16的一个或任意组合的主题可选地包括：多个晶体管，所述多个晶体管包括多个级联结构，其中每个级联结构包括两个级联连接的场效应晶体管(FET)，其中所述输出传输线连接到所述级联结构的第一FET的漏极端子，并且串联电容器连接到级联结构的第二FET的栅极端子。

示例18包括主题(例如电子设备)，或者可以可选地与示例1-17中的一个或任意组合组合以包括这样的主题，包括：包括第一集成电路(IC)的巴伦电路。第一IC包括：输入传输线；输出传输线；多个晶体管，每个晶体管包括连接到所述输出传输线的第一输出端子和连接到所述输入传输线的控制端子；多个电阻器，每个电阻器耦合到所述晶体管的第二输出端子和电路接地；第一端口，所述第一端口连接到所述输入传输线的一端；连接到所述输出传输线的第二端口；第三端口，所述第三端口连接到所述输入传输线的与所述第一端口不同的端部。所述巴伦电路将在所述第二端口和所述第三端口处接收的平衡信号转换为在所述第一端口处的不平衡信号。

在示例19中，示例18的主题可选地包括多个晶体管，该多个晶体管包括多个场效应晶体管(FET)，每个场效应晶体管包括栅极端子、源极端子和漏极端子，并且FET的栅极端子连接到输入传输线。

在示例20中，示例18的主题可选地包括多个晶体管，所述多个晶体管包括多个异质结双极晶体管(HBT)，每个晶体管包括基极端子、集电极端子和发射极端子，并且HBT的基极端子连接到输入传输线。

这些非限制性实例可以以组合的任何排列进行组合。以上详细描述包括对附图的参考，附图形成详细描述的一部分。附图以图解的方式示出了可以实践本发明的具体实施例。这些实施例通常也被称为“实例”。这些实例可以包括除了所示或所描述的那些之外的元件。然而，本发明人还考虑了仅提供所示或描述的那些元件的示例。此外，本发明人还考虑使用关于特定示例(或其一个或多个方面)或关于本文所示或所述的其它示例(或其中一个或更多个方面)所示或描述的那些元件(或其的一个或更少个方面)的任何组合或排列的示例。

如果本文件与通过引用并入的任何文件之间的用法不一致，则以本文件中的用法为准。

在本文件中，术语“一个”或“一种”用于包括一个或多个，与“至少一个”或“一个或更多”的任何其他实例或用法无关，这在专利文件中是常见的，除非另有说明，否则“A或B”包括“A但不包括B”、“B但不包括A”和“A和B”。在本文件中，术语“包括”和“其”用作各自术语“包含”和“其中”的简明英语等价物。此外，在以下方面，术语“包括”和“包含”是开放式的，即系统、装置、物品、组合物、配方，包括除了在权利要求中的这样的术语之后列出的那些元素之外的元素的工艺仍然被认为落入该权利要求的范围内。此外，在以下方面，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标签，并不旨在对其对象施加数字要求。

本文描述的方法示例可以是至少部分地由机器或计算机实现的。一些示例可以包括计算机可读介质或用指令编码的机器可读介质，所述指令可操作来配置电子设备以执行如以上示例中所描述的方法。这种方法的实现可以包括代码，例如微代码、汇编语言代码、更高级的语言代码等。这样的代码可以包括用于执行各种方法的计算机可读指令。该代码可以形成计算机程序产品的一部分。例如，这样的指令可以由一个或多个处理器读取和执行，以实现包括方法的操作的执行。指令是任何合适的形式，例如但不限于源代码、编译代码、解释代码、可执行代码、静态代码、动态代码等。

此外，在一个示例中，代码可以有形地存储在一个或多个易失性、非暂时性或非易失性有形计算机可读介质上，例如在执行期间或在其他时间。这些有形计算机可读介质的示例可以包括但不限于硬盘、可移动磁盘、可移动光盘(例如，光盘和数字视盘)、磁带盒、存储卡或记忆棒、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)等。

以上描述旨在说明，而不是限制性的。例如，上述实例(或其一个或多个方面)可以彼此组合使用。可以使用其他实施例，例如由本领域普通技术人员在回顾以上描述时使用。提供摘要是为了允许读者快速确定技术公开的性质。提交本文件时有一项谅解，即本文件不用于解释或限制权利要求的范围或含义。此外，在以上详细描述中，可以将各种特征分组在一起以简化本公开。这不应被解释为意图使无人认领的公开特征对任何权利要求都是必不可少的。相反，本发明的主题可以在于特定公开的实施例的少于所有的特征。因此，以下方面在此被作为示例或实施例并入到详细描述中，每个方面独立地作为单独的实施例，并且可以设想这样的实施例可以以各种组合或排列彼此组合。

Claims (20)

1.一种巴伦电路，包括：

多个晶体管；

输出传输线，所述输出传输线连接到所述晶体管的输出端子；

输入传输线；和

多个串联电容器，耦合到所述晶体管的输入端子和所述输入传输线。

2.根据权利要求1所述的巴伦电路，包括多个分流电容器，其中每个分流电容器连接在晶体管的输出端子与电路接地之间。

3.根据权利要求1所述的巴伦电路，包括电阻-电容(RC)反馈路径，所述RC反馈路径包括串联连接在所述输入传输线和所述输出传输线之间的电阻器和电容器。

4.根据权利要求1所述的巴伦电路，包括：

第一端口，所述第一端口连接到所述输入传输线的一端；

连接到所述输出传输线的第二端口；

第三端口，所述第三端口连接到所述输入传输线的与所述第一端口不同的端部；和

其中所述巴伦电路将在所述第一端口处接收的不平衡信号转换为在所述第二端口和所述第三端口处的平衡信号。

5.根据权利要求1所述的巴伦电路，包括：

第一端口，所述第一端口连接到所述输入传输线的一端；

连接到所述输出传输线的第二端口；

第三端口，所述第三端口连接到所述输入传输线的与所述第一端口不同的端部；和

其中所述巴伦电路将在所述第二和第三端口处接收的平衡信号转换为在所述第一端口处的不平衡信号。

6.根据权利要求1所述的巴伦电路，包括连接到所述第一端口的功率耦合电路。

7.根据权利要求1所述的巴伦电路，其中所述输入传输线和所述输出传输线中的至少一个包括桥接T形线圈传输线。

8.根据权利要求1所述的巴伦电路，其中所述多个晶体管包括多个级联结构，每个级联结构包括两个级联连接的场效应晶体管，其中所述输出传输线连接到所述级联结构的第一FET的漏极端子，并且串联电容器连接到所述级联结构的第二FET的栅极端子。

9.根据权利要求8所述的巴伦电路，包括电感器，所述电感器连接到所述级联结构的第一FET的源极端子和所述级联结构的第二FET的漏极端子。

10.根据权利要求8所述的巴伦电路，包括多个电感器-电容器(LC)电路，每个LC电路连接到所述级联结构的第一FET的栅极端子。

11.一种电子设备，包括：

包括第一集成电路(IC)的巴伦电路，所述第一集成电路包括：

输入传输线；

输出传输线；

多个晶体管，每个晶体管包括连接到所述输出传输线的输出端子；

多个并联电容器，每个并联电容器耦合到所述晶体管的输出端子和电路接地；和

多个串联电容器，耦合到所述晶体管的输入端子和所述输入传输线。

12.根据权利要求11所述的电子设备，包括：

DC阻断电容器，连接到所述输出传输线的每一端；和

直流(DC)偏置电感器，连接到所述输出传输线和DC电路电源。

13.根据权利要求12所述的电子设备，其中所述DC阻断电容器和所述DC偏置电感器被包括在第二IC中。

14.根据权利要求12所述的电子设备，其中所述第一IC包括电阻-电容(RC)反馈路径，所述RC反馈路径包括串联连接在所述输入传输线和所述输出传输线之间的电阻器和电容器。

15.根据权利要求12所述的电子设备，包括：

第一端口，所述第一端口连接到所述输入传输线的一端；

DC阻断电容器，连接到所述输出传输线；

第二端口，所述第二端口连接到所述DC阻断电容器；

第三端口，所述第三端口连接到所述输入传输线的与所述第一端口不同的端部；和

其中所述巴伦电路将在所述第一端口处接收的不平衡信号转换为在所述第二端口和所述第三端口处的平衡信号。

16.根据权利要求12所述的电子设备，包括：

第一端口，所述第一端口连接到所述输入传输线的一端；

连接到所述输出传输线的第二端口；

第三端口，所述第三端口连接到所述输入传输线的与所述第一端口不同的端部；和

其中所述巴伦电路将在所述第二端口和所述第三端口处接收的平衡信号转换为在所述第一端口处的不平衡信号。

17.根据权利要求12所述的电子器件，其中所述多个晶体管包括多个级联结构，其中每个级联结构包括两个级联连接的场效应晶体管(FET)，其中所述输出传输线连接到所述级联结构的第一FET的漏极端子，并且串联电容器连接到所述级联结构的第二FET的栅极端子。

18.一种电子设备，包括：

包括第一集成电路(IC)的巴伦电路，所述第一集成电路包括：

输入传输线；

输出传输线；

多个晶体管，每个晶体管包括连接到所述输出传输线的第一输出端子和连接到所述输入传输线的控制端子；

多个电阻器，每个电阻器耦合到所述晶体管的第二输出端子和电路接地；

第一端口，所述第一端口连接到所述输入传输线的一端；

连接到所述输出传输线的第二端口；

第三端口，所述第三端口连接到所述输入传输线的与所述第一端口不同的端部；和

其中所述巴伦电路将在所述第二端口和所述第三端口处接收的平衡信号转换为在所述第一端口处的不平衡信号。

19.根据权利要求18所述的电子设备，

其中所述多个晶体管包括多个场效应晶体管(FET)，每个场效应晶体管包括栅极端子、源极端子和漏极端子；和

其中FET的栅极端子连接到所述输入传输线。

20.根据权利要求18所述的电子设备，

其中所述多个晶体管包括多个异质结双极晶体管(HBT)，每个晶体管包括基极端子、集电极端子和发射极端子；和

其中所述HBT的基极端子连接到所述输入传输线。