CN217770043U - 一种高平衡度有源巴伦电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种高平衡度有源巴伦电路，其包括射频信号输入端口、信号输入匹配级、单端转差分电路、输出负载级，其中，信号输入匹配级包括第一晶体管、第二晶体管、输入电阻、输入电感，单端转差分电路包括第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、电容。本实用新型无需再浪费芯片面积做复杂的匹配电路。该电路在前级连接时，不会因为高频反射而导致功率无法传递的问题。电路中引入了相位调整电感，通过电感的频相特性，补偿差分输出的相位不平衡性。通过负载采用带宽延展技术，使得移相器在很宽频率上保持增益的平坦。同时采用两层级联晶体管实现单端输入转差分输出增益级架构，更适合低压的应用。

Description

一种高平衡度有源巴伦电路

技术领域

本实用新型属于射频集成电路领域，特别是指一种高平衡度有源巴伦电路。

背景技术

在成本、集成度和功耗等方面因素的推动下CMOS技术突飞猛进。CMOS晶体管截止频率能够满足几GHz以上频段的集成电路设计。随着5G相控阵技术的发展，有源移相器因为设计灵活、移相精度高、方便校准等受到广泛关注。近年来随着科技发展，对移相器的带宽要求越来越高，实现大带宽的正交技术目前仅有多项滤波器技术，但是多项滤波器有很大的插入损耗，因此高性能的有源巴伦电路成为研究的难点。目前有源巴伦多采用“AnUltra-Compact，Linearly-Controlled Variable Phase Shifter Designed With a Novel RCpoly-Phase Filter”这篇文章提出的架构实现，如图1所示，这种实现方式实现的有源巴伦电路需要额外的输入匹配电路，带内平坦度差，幅度不平衡性大约1dB，相位不平衡性4°左右。可见，现有技术中的有源巴伦电路存在输入匹配电路浪费面积，很难满足高精度移相器对低相位、幅度不平衡性的要求。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种宽带匹配、高幅度、相位平衡性好的有源巴伦电路，以弥补现有技术在CMOS工艺下GHz宽带有源巴伦电路在设计方面的困难和不足。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

一种高平衡度有源巴伦电路，包括射频信号输入端口、信号输入匹配级、单端转差分电路、输出负载级，以及差分信号正向输出端口和差分信号反向输出端口，单端转差分电路具有正向输出分支和负向输出分支，输出负载级包括差分信号正向分支和差分信号反向分支，输出负载级的差分信号正向分支和差分信号反向分支上分别设置有一个电感，输出负载级的差分信号正向分支和差分信号反向分支的一端与电源连接，另一端一方面与单端转差分电路的正向输出分支和负向输出分支对应电连接，另一方面与差分信号正向输出端口和差分信号反向输出端口对应电连接；

所述信号输入匹配级包括第一晶体管、第二晶体管、输入电阻、输入电感，所述单端转差分电路包括第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、电容；

所述射频信号输入端口与第二晶体管的栅极、输入电阻的一端以及输入电感的一端电连接，输入电感的另一端连接第一晶体管的栅极，第一晶体管的源极接地，第一晶体管的漏极连接输入电阻的另一端以及第二晶体管的漏极，第二晶体管的源极连接电源；

第一晶体管的漏极连接第三晶体管的栅极，第三晶体管的源极接地，第三晶体管的漏极连接所述电容的一端以及第四晶体管的源极，第四晶体管的栅极连接电源，所述电容的另一端连接第五晶体管的栅极，第五晶体管的源极接地。

进一步地，所述射频信号输入端口、差分信号正向输出端口和差分信号反向输出端口处均设置有隔直电容。

进一步地，所述输出负载级的差分信号正向分支和差分信号反向分支中分别串联有一个电阻。

进一步地，还包括相位不平衡补偿网络，所述相位不平衡补偿网络包括差分信号正向分支和差分信号反向分支，相位不平衡补偿网络的差分信号正向分支和差分信号反向分支上分别设置有一个电感，位于差分信号正向分支的电感连接在第五晶体管的漏极与输出负载级的差分信号正向分支之间，位于差分信号反向分支的电感连接在第四晶体管的漏极与输出负载级的差分信号反向分支之间。

进一步地，所述第二晶体管为PMOS晶体管，第一晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管均为NMOS晶体管。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

1)本实用新型在电路内实现了输入匹配，因此不需要另外为电路设计偏置电匹配网络，一方面降低了设计复杂度，另一方面降低芯片面积。

2)本实用新型在电路中设置了相位调整电感，通过电感的频相特性，可补偿差分输出的相位不平衡性。

3)本实用新型充分考虑到输出匹配、电路增益与带宽问题。

4)本实用新型采用两层级联晶体管实现单端输入转差分输出的功能，增益高，更适合低压的应用。

附图说明

图1是现有技术中一种有源巴伦的电路原理图；

图2是本实用新型的有源巴伦电路原理图；

图3是本实用新型中有源巴伦电路的输入匹配仿真图；

图4是本实用新型中有源巴伦电路的差分输出信号的相位差仿真结果；

图5是本实用新型中有源巴伦电路的幅度不平衡性仿真结果；

图6是本实用新型中有源巴伦电路的增益频率特性仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步的详细说明。

如图2所示，一种高平衡度有源巴伦电路，包括信号输入匹配级、单端转差分电路、相位不平衡补偿网络、输出负载级四部分。其中，晶体管M₁、M₂，电阻R₁，电感L₅，电容C₁构成信号输入匹配级；晶体管M₃、M₄、M₅，电容C₂构成单端转差分电路，晶体管M₃、M₄构成cascode增益级；电感L₁、L₂构成相位不平衡补偿网络；电感L₃、L₄，电阻R₂、R₃构成输出负载级，同时具有输出匹配与带宽延展功能；电容C₃、C₄是隔直电容。

这些器件的具体连接关系如下：

在输入匹配级，射频输入信号V_in连接电容C₁的一端，电容C₁的另一端连接PMOS晶体管M₂的栅极、电阻R₁的一端、电感L₅的一端，电感L₅的另一端连NMOS接晶体管M₁栅极。晶体管M₁源极连接地。M₁漏极连电阻R₁另一端，同时连接PMOS晶体管M₂的漏极。晶体管M₂的源极连接电源VDD。

在单端转差分电路中，晶体管M₁的漏极连接NMOS晶体管M₃的栅极，M₃的源极接地。M₃的漏极连接电容C₂的一端，同时连接NMOS晶体管M₄的源极，晶体管M₄的栅极连接VDD。M₄的源极连接电容C₂的一端，电容C₂的另一端连接NMOS晶体管M₅的栅极，晶体管M₅的源极接地。

晶体管M₅的漏极接电感L₁的一端，晶体管M₄的漏极接电感L₂的一端。

在相位不平衡补偿网络中，电感L₁的另一端连接电容C₃的一端，同时连接电阻R₂的一端；电感L₂的另一端连接电容C₄的一端，同时连接电阻R₃的一端。在输出负载级中，电阻R₂的另一端连接电感L₃的一端，电感L₃的另一端连接VDD；电阻R₃的另一端连接电感L₄的一端，电感L₄的另一端连接VDD。电容C₃的另一端连接输出V_OUTP，电容C₄的另一端连接输出V_OUTN。

该电路中的NMOS和PMOS晶体管均采用CMOS工艺所支持的射频管，栅长选工艺能够支持的最小尺寸；电感采用普通的片上平面螺旋结构，电阻为多晶硅电阻，电容为MOM电容。表1列出了上述电路所采用器件的参数值：

表1.有源巴伦电路实施例器件参数

由图2可以得到该有源巴伦电路的输入阻抗：

式中，ω表示角频率，C_gs1表示输入晶体管M₁的栅极电容，L_g1表示电感L₅的值，C_gs2表示输入晶体管M₂的栅极电容。g_m1表示晶体管M₁的跨导，g_m2表示晶体管M₂的跨导，R₁表示电阻R₁的阻值。

当输入信号角频率ω₁和ω₂满足以下条件时，输入阻抗匹配：

ω₁＝0 (3)

输出端采用并联电感谐振技术，流过负载电阻的电流由于电感L₃/L₄的作用而被延长，这可以加速负载电容的充电速率。电感L₃/L₄进一步推迟了电流流入其它网络的时间，从而提高系统带宽。这里直接给出最后的推导结论：

式中，L表示L₃/L₄的值，R代表电阻R₂的值，C表示输出端负载电容。k是参考系数，k值影响系统的最大平坦度延时，一般k在0.5左右。

该有源巴伦的增益为：

A_V(jω)＝g_m3(g_m1+g_m2)(r₀₁//r₀₂)(R+jωL₄)/(R+jωL₄+jωL₂) (6)

式中，输入晶体管M₃的跨导为g_m3，晶体管M₁与晶体管M₂的小信号阻抗为r₀₁与r₀₂，r₀₁//r₀₂表示r₀₁与r₀₂的并联电阻。L₄代表电感L₄的值，L₂代表电感L₂的值。

图3是该电路的输入端反射系数仿真图，从图中可以看到，该电路从4GHz到8GHz输入端反射系数小于-12.3dB。

图4是该电路的差分输出相位差，输出的相位不平衡性小于1.2°。

图5是差分输出端的幅度不一致性仿真结果，从图5可以看到，差分输出端的幅度不一致性小于0.39dB。

图6是差分输出端的增益仿真曲线，增益平坦度小于0.3dB。

总之，本实用新型电路在有源巴伦中加入输入匹配增益级，它是由电感、输入晶体管、隔离电容、电组构成的，无需再浪费芯片面积做复杂的匹配电路。该电路在前级连接时，不会因为高频反射而导致功率无法传递的问题。该电路还引入了相位调整电感，通过电感的频相特性，补偿差分输出的相位不平衡性。该电路的负载采用带宽延展技术，使得移相器在很宽频率上保持增益的平坦。此外，该电路还采用两层级联晶体管实现单端输入转差分输出增益级架构，更适合低压的应用。

本实用新型在低频波段具有高性能的输入匹配、很小的幅度不平衡与相位不平衡特性，并具有较高的增益平坦度。

Claims (5)

1.一种高平衡度有源巴伦电路，包括射频信号输入端口、信号输入匹配级、单端转差分电路、输出负载级，以及差分信号正向输出端口和差分信号反向输出端口，单端转差分电路具有正向输出分支和负向输出分支，输出负载级包括差分信号正向分支和差分信号反向分支，输出负载级的差分信号正向分支和差分信号反向分支上分别设置有一个电感，输出负载级的差分信号正向分支和差分信号反向分支的一端与电源连接，另一端一方面与单端转差分电路的正向输出分支和负向输出分支对应电连接，另一方面与差分信号正向输出端口和差分信号反向输出端口对应电连接；

其特征在于，所述信号输入匹配级包括第一晶体管、第二晶体管、输入电阻、输入电感，所述单端转差分电路包括第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、电容；

所述射频信号输入端口与第二晶体管的栅极、输入电阻的一端以及输入电感的一端电连接，输入电感的另一端连接第一晶体管的栅极，第一晶体管的源极接地，第一晶体管的漏极连接输入电阻的另一端以及第二晶体管的漏极，第二晶体管的源极连接电源；

第一晶体管的漏极连接第三晶体管的栅极，第三晶体管的源极接地，第三晶体管的漏极连接所述电容的一端以及第四晶体管的源极，第四晶体管的栅极连接电源，所述电容的另一端连接第五晶体管的栅极，第五晶体管的源极接地。

2.根据权利要求1所述的一种高平衡度有源巴伦电路，其特征在于，所述射频信号输入端口、差分信号正向输出端口和差分信号反向输出端口处均设置有隔直电容。

3.根据权利要求1所述的一种高平衡度有源巴伦电路，其特征在于，所述输出负载级的差分信号正向分支和差分信号反向分支中分别串联有一个电阻。

4.根据权利要求1所述的一种高平衡度有源巴伦电路，其特征在于，还包括相位不平衡补偿网络，所述相位不平衡补偿网络包括差分信号正向分支和差分信号反向分支，相位不平衡补偿网络的差分信号正向分支和差分信号反向分支上分别设置有一个电感，位于差分信号正向分支的电感连接在第五晶体管的漏极与输出负载级的差分信号正向分支之间，位于差分信号反向分支的电感连接在第四晶体管的漏极与输出负载级的差分信号反向分支之间。

5.根据权利要求1所述的一种高平衡度有源巴伦电路，其特征在于，所述第二晶体管为PMOS晶体管，第一晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管均为NMOS晶体管。

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