DE102014108135A1

DE102014108135A1 - Balun mit vier LC Elementen

Info

Publication number: DE102014108135A1
Application number: DE201410108135
Authority: DE
Inventors: Martin Fritz; Martin Handtmann; Paul Bradley
Original assignee: Avago Technologies General IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2013-06-10
Filing date: 2014-06-10
Publication date: 2014-12-11
Anticipated expiration: 2034-06-11
Also published as: CN104242856A; CN104242856B; JP5813822B2; US20140361834A1; DE102014108135B4; JP2014239425A; US9106204B2

Abstract

Ein Balun umfasst einen unabgeglichenen Port, der einen single-ended Anschluss hat, einen abgeglichenen Port, der einen ersten und einen zweiten differentiellen Anschluss, und einen ersten und einen zweiten Serien-Resonanz-LC-Schaltkreis. Der erste Serien-Resonanz-LC-Schaltkreis ist zwischen dem ersten und dem zweiten differentiellen Anschluss verbunden und umfasst ein erstes Element einer ersten Art und ein in Serie geschaltetes Element einer zweiten Art. Der zweite Serien-Resonanz-LC-Schaltkreis ist zwischen dem single-ended Anschluss und Masse verbunden und umfasst ein zweites und ein drittes Element der ersten Art und das eine in Serie verbundene Element der zweiten Art. Das eine Element der zweiten Art wird von dem ersten und dem zweiten Serien-Resonanz-LC-Schaltkreis geteilt. Der erste differentielle Anschluss ist zwischen dem einen Element der zweiten Art und dem dritten Element der ersten Art verbunden.

Description

HINTERGRUND
Tragbare Kommunikationseinrichtungen, wie etwa Mobiltelefone, Minicomputer (PDAs, personal digital assistants), elektrische Spieleinrichtungen, Laptop-Computer und dergleichen, sind dazu ausgebildet, über drahtlose Netzwerke zu kommunizieren. Demgemäß ist jede derartige tragbare Kommunikationseinrichtung auf einen Empfänger und einen Sender angewiesen, die zum Senden und Empfangen von Daten- und Steuerungssignalen über das drahtlose Netzwerk typischerweise mit einer einzigen oder gemeinsamen Antenne verbunden sind. Natürlich können der Empfänger und der Sender in einem Sende-Empfänger bzw. Transceiver eingebaut sein, der einen Empfängerabschnitt und einen Senderabschnitt aufweist. Um die gemeinsame Antenne zu benutzen, ist häufig ein Duplexer mit umfasst, um als Schnittstelle zwischen der Antenne und sowohl dem Empfängerabschnitt als auch dem Senderabschnitt zwischengeschaltet zu sein, so dass der Empfängerabschnitt in der Lage ist, Signale auf einer Empfangs(Downlink)-Frequenz zu empfangen, und der Senderabschnitt in der Lage ist, Sende-Signale auf einer anderen Sende(Uplink)-Frequenz zu senden. Das Empfangs- und das Sende-Signal können beispielsweise Radiofrequenz(RF)-Signale sein.
Verschiedenartige Arten von drahtlosen Netzwerken sind gemäß verschiedenen Kommunikationsstandards implementiert, wie etwa das allgemein gültige System für die mobile Telekommunikation (UMTS, universal mobile telecommunications system), das globale System für die mobile Kommunikation (GSM, global system for mobile communication), persönliche Kommunikationsdienste (PCS, personal communications services), digitale Zellennetze (DCS, digital cellular system), internationale mobile Telekommunikation (IMT, international mobile telecommunication) und erhöhte Datenraten für die GSM Evolution (EDGE, enhanced data rates for GSM evolution). Die Kommunikationsstandards identifizieren gesonderte Bänder zum Senden und Empfangen von Signalen. Beispielsweise stellt Band 1 ein Uplink-Frequenzband von 1920 MHz bis 1980 MHz und ein Downlink-Frequenzband von 2110 MHz bis 2170 MHz bereit, UMTS Band 2 (PCS) stellt ein Uplink-Frequenzband von 1850 MHz bis 1910 MHz und ein Downlink-Frequenzband von 1930 MHz bis 1990 MHz bereit, UMTS Band 3 (DCS) stellt ein Uplink-Frequenzband von 1710 MHz bis 1785 MHZ und ein Downlink-Frequenzband von 1805 MHz bis 1880 MHz bereit, UMTS Band 7 (IMT-E) stellt ein Uplink-Frequenzband von 2500 MHz bis 2570 MHz und ein Downlink-Frequenzband von 2620 MHz bis 2690 MHz bereit, und UMTS-Band 8 (GMS-900) stellt ein Uplink-Frequenzband von 880 MHz bis 915 MHz und ein Downlink-Frequenzband von 925 MHz bis 960 MH bereit. Dementsprechend würde ein Duplexer, der in Übereinstimmung mit einem UMTS Standard arbeitet, ein Sendefilter umfassen, das ein Durchlassband innerhalb des entsprechenden Uplink-Frequenzbands aufweist, und ein Empfangsfilter, das ein Durchlassband innerhalb des entsprechenden Downlink-Frequenzbandes aufweist.
Der Duplexer enthält zwei Bandpass-Filter mit verschiedenen Durchlassbändern, wodurch eine Interferenz zwischen dem Empfangs- und Sendesignal verhindert oder verringert wird. Das heißt, der Duplexer enthält ein Empfangsfilter, das ein Empfangs-Durchlassband zum Filtern der Empfangssignale und ein Sendefilter mit einem Sende-Durchlassband zum Filtern der Sendesignale. Das Band-Empfangs- und Sendefilter können akustische Resonator-Filterelemente umfassen, wie etwa akustische Oberflächenwellen (SAW, surface acoustic wave) oder akustische Volumenwellen(BAW, bulk acoustic wave)-Resonatoren, wie etwa beispielsweise dünne akustische Schichtvolumenresonatoren (FBARs, film bulk acoustic resonators) oder festmontierte Resonatoren (SMRs, solidly mounted resonators), zum Filtern des Empfangs- und des Sendesignals umfassen. Allgemein werden Impedanzanpassungs-Schaltkreise benötigt, um zu ermöglichen, dass der Duplexer mit dem Empfänger- und Senderabschnitt eines Sende-Empfängers bzw. Transceivers, respektive, eine Schnittstelle bilden kann.
FBAR Filter haben normalerweise unsymmetrische bzw. single-ended Eingangs- und Ausgangs-Anschlüsse für unsymmetrische bzw. single-ended Signale, während der Empfänger- oder der Senderabschnitt des Sende-Empfängers, mit dem die FBAR Filter eine Schnittstelle bilden, typischerweise differentielle Eingangs- und Ausgangsanschlüsse haben. Daher ist ein FBAR Filter auf eine Abgleicheinrichtung, wie etwa beispielsweise einen Balun (zusätzlich zu dem Impedanzanpassungs-Schaltkreis) angewiesen, um zwischen den single-ended und differentiellen Signalen umzuwandeln, so dass eine Schnittstelle mit dem Sender- und Empfängerabschnitt des Sende-Empfängers gebildet wird. Dies addiert sich auf die Größe, die Kosten und den Einfügungsverlust (insertion loss) der Komponenten.
Ein für derartige Anwendungen und Frequenzen geeignetes Balun umfasst typischerweise Induktor-Kondensator(LC)-Schaltkreise, die eine Anzahl von Induktoren und Kondensatoren benötigen. Ein derartiges Balun kann als ein „Balun mit diskreten Elementen” (lumped element balun) bezeichnet werden. Die wenigen enthaltenen Induktoren und Kondensatoren führen zu weniger Raum und niedrigeren Kosten des Baluns. Dementsprechend wurden Entwurfsaufwendungen unternommen, um eine zufriedenstellende Balun-Funktionalität mit so wenig wie möglich LC Elementen zu erzielen, wobei LC Element eine Reaktanz (oder Suszeptanz) bezeichnet, die typischerweise entweder als ein Induktor oder als ein Kondensator implementiert ist. Allgemein jedoch benötigen herkömmliche Baluns mindestens vier LC Elemente, wie dies in einem Balun vom Gittertyp (lattice-type balun) vorgefunden wird, und typischerweise mehr als vier LC Elemente. Größere Anzahlen von LC Elementen machen eine Implementierung schwieriger, führen typischerweise zu höheren Verlusten und benötigen eine größere Fläche. Selbst in dem Balun vom Gittertyp müssen die vier LC Elemente zwei Induktoren und zwei Kondensatoren umfassen. Dies kann in Technologien problematisch sein, wo eine Art eines LC Elements nicht so leicht oder so genau wie die andere Art eines LC Elements implementiert werden kann, oder nicht so förderlich für eine Raumeinsparung oder eine hohe Leistungsfähigkeit (z. B. höherer Qualitätsfaktor, weniger Abschwächung durch ungewünschte Kopplungseffekte usw.) ist. Außerdem hat ein Balun vom Gittertyp keine Gleichstrom-Blockierfähigkeit zwischen abgeglichenen und unabgeglichenen Ports. Dementsprechend wird ein Balun mit diskreten Elementen mit nicht mehr als vier LC Elementen benötigt, wobei mindestens drei der Elemente entweder alle Kondensatoren oder alle Induktoren sind.
ZUSAMMENFASSUNG
In einer repräsentativen Ausführungsform umfasst ein Balun einen unabgeglichenen („unbalanced”) Anschluss bzw. Port, der dazu ausgebildet ist, ein unsymmetrisches bzw. single-ended Signal anzulegen, einen ersten Kondensator, der zwischen dem unabgeglichenen Port und einem internen Knoten verbunden ist, einen Induktor, der zwischen dem internen Knoten und einem ersten differentiellen Anschluss eines abgeglichenen („balanced”) Ports verbunden ist, einen zweiten Kondensator, der zwischen dem ersten differentiellen Anschluss und Masse verbunden ist, und einen dritten Kondensator, der zwischen dem internen Knoten und einem zweiten differentiellen Anschluss des abgeglichenen Ports verbunden ist.
In einer anderen repräsentativen Ausführungsform umfasst ein Balun einen unabgeglichenen Anschluss bzw. Port, der dazu ausgebildet ist, ein unsymmetrisches bzw. single-ended Signal anzulegen, einen ersten Induktor, der zwischen dem unabgeglichenen Port und einem internen Knoten verbunden ist, einen Kondensator, der zwischen dem internen Knoten und einem ersten differentiellen Anschluss eines abgeglichenen Ports verbunden ist, einen zweiten Induktor, der zwischen dem ersten differentiellen Anschluss und Masse verbunden ist, und einen dritten Induktor, der zwischen dem internen Knoten und einem zweiten differentiellen Anschluss des abgeglichenen Ports verbunden ist.
In einer anderen repräsentativen Ausführungsform umfasst ein Balun mit vier LC Elementen einen unabgeglichenen Anschluss bzw. Port, der einen unsymmetrischen bzw. single-ended Anschluss aufweist, der auf Masse bezogen ist und dazu ausgelegt ist, ein unsymmetrisches bzw. single-ended Signal anzulegen, einen abgeglichenen Anschluss bzw. Port, der einen ersten und einen zweiten differentiellen Anschluss aufweist, die dazu ausgebildet sind, ein differentielles Signal anzulegen, einen ersten Serien-Resonanz-LC-Schaltkreis, der zwischen dem ersten und dem zweiten differentiellen Anschluss verbunden ist, und einen zweiten Serien-Resonanz-LC-Schaltkreis, der zwischen dem single-ended Anschluss und Masse verbunden ist. Der erste Serien-Resonanz-LC-Schaltkreis umfasst ein erstes Element einer ersten Art und ein in Serie verbundenes Element einer zweiten Art. Der zweite Serien-Resonanz-LC-Schaltkreis umfasst ein zweites und ein drittes Element der ersten Art und das eine in Serie verbundene Element der zweiten Art, wobei das zweite Element der ersten Art zwischen dem single-ended Anschluss und dem einen Element der zweiten Art verbunden ist, und das dritte Element der ersten Art zwischen dem einen Element der zweiten Art und Masse verbunden ist. Das eine Element der zweiten Art wird von dem ersten und dem zweiten Serien-Resonanz-LC-Schaltkreis geteilt, und der erste differentielle Anschluss ist zwischen dem einen Element der zweiten Art und dem dritten Element der ersten Art verbunden.
In einer anderen repräsentativen Ausführungsform umfasst ein Balun einen unabgeglichenen Anschluss bzw. Port, der dazu ausgebildet ist, ein unsymmetrisches bzw. single-ended Signal anzulegen, ein erstes Suszeptanzelement, das zwischen dem unabgeglichenen Port und einem internen Knoten verbunden ist, wobei das erste Suszeptanzelement ein physikalisch realisierbares LC Element umfasst, ein Reaktanzelement, das zwischen dem internen Knoten und einem ersten differentiellen Anschluss eines abgeglichenen Anschlusses bzw. Ports verbunden ist, ein zweites Suszeptanzelement, das zwischen dem ersten differentiellen Anschluss und Masse verbunden ist, und ein drittes Suszeptanzelement, das zwischen dem internen Knoten und einem zweiten differentiellen Anschluss des abgeglichenen Ports verbunden ist. Der unabgeglichene Port umfasst einen unsymmetrischen bzw. single-ended Anschluss, der eine erste komplexe Portimpedanz aufweist, und der abgeglichene Port umfasst differentielle Anschlüsse, die jeweils eine zweite komplexe Portimpedanz aufweisen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die beispielhaften Ausführungsformen werden am besten aus der folgenden ausführlichen Beschreibung verstanden, wenn diese mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird. Es wird betont, dass die verschiedenartigen Merkmale nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet sind. Tatsächlich können die Abmessungen zur Klarheit der Besprechung willkürlich vergrößert oder verkleinert werden. Wo immer möglich und praktisch, bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente.
1 ist ein Blockschaubild eines Sende-Empfängerschaltkreises, einschließlich eines Duplexers und eines Sende-Empfängers.
2 ist ein vereinfachtes Schaltbild eines Teils eines Empfangsfilters in dem Duplexer der 1.
3A ist ein vereinfachtes Schaltbild, das einen Balun mit vier LC Elementen gemäß einer repräsentativen Ausführungsform veranschaulicht.
3B ist ein vereinfachtes Schaltbild, das einen Balun mit vier LC Elementen gemäß einer repräsentativen Ausführungsform veranschaulicht.
4A ist ein vereinfachtes Schaltbild, das einen Balun mit vier Elementen gemäß einer anderen repräsentativen Ausführungsform veranschaulicht.
4B ist ein vereinfachtes Schaltbild, das einen Balun mit vier LC Elementen gemäß einer repräsentativen Ausführungsform veranschaulicht.
5 ist ein vereinfachtes Schaltbild, das einen Balun mit vier LC Elementen und mit komplexen Portimpedanzen gemäß einer repräsentativen Ausführungsform veranschaulicht.
6A bis 6G sind Schaubilder, die verschiedenartige simulierte Leistungsparameter des Balun gemäß einer repräsentativen Ausführungsform veranschaulichen.
7 ist ein vereinfachtes Schaltbild, das einen Gegentakt-Verstärker („push-pull amplifier”) gemäß einer repräsentativen Ausführungsform, der mehrere Baluns umfasst, veranschaulicht.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
In der folgenden ausführlichen Beschreibung werden, zum Zwecke der Erläuterung und nicht der Beschränkung, spezifische Einzelheiten offenbarende repräsentative Ausführungsformen dargelegt, um ein tiefes Verständnis der vorliegenden Lehren bereitzustellen. Es wird jedoch für einen Fachmann, der den Vorteil der vorliegenden Offenbarung hatte, offensichtlich, dass andere Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Lehren, die von den hierin offenbarten, spezifischen Einzelheiten abweichen, innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche verbleiben. Des Weiteren können Beschreibungen von wohl bekannten Geräten und Verfahren ausgelassen werden, um die Beschreibung der repräsentativen Ausführungsformen nicht zu verschleiern. Derartige Verfahren und Geräte sind klar innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Lehren.
Es wird verstanden, dass die Zeichnungen und die vielfältigen darin gezeigten Elemente nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Des Weiteren werden relative Ausdrücke, wie etwa „über”, „unter”, „Oberseite”, „Unterseite”, „oberer” und „unterer”, verwendet, um die Beziehungen der verschiedenartigen Elemente zueinander zu beschreiben, so wie dies in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht ist. Es wird verstanden, dass diese relativen Ausdrücke dazu gedacht sind, verschiedene Orientierungen des Geräts und/oder der Elemente zusätzlich zu der in den Zeichnungen dargestellten Orientierung zu umfassen. Wenn beispielsweise das Gerät in Bezug auf die Ansicht in den Zeichnungen invertiert wäre, dann wäre ein Element, das beispielsweise als „oberhalb” eines anderen Elements beschrieben ist, nun unterhalb dieses Elements.
Allgemein und gemäß verschiedenartiger Ausführungsformen wird ein Balun bereitgestellt, der aus vier LC Elementen besteht. In der folgenden Beschreibung werden grundlegende Schaltungen und die entsprechenden Vorteile mit Verweis auf Baluns beschrieben, die rein reale Portimpedanzen an dem unabgeglichenen und dem abgeglichenen Port haben, was in praktischen Anwendungen der normalere Fall ist. Es wird jedoch verstanden, dass die Schaltungen nicht auf rein reale Portimpedanzen beschränkt sind. Daher werden Beschreibungen von Baluns, die beliebige komplexe Impedanzen an dem unabgeglichenen und dem abgeglichenen Port aufweisen, ebenso bereitgestellt, was für einige Anwendungen vielleicht nützlich ist. Das Dimensionieren der Balun-Schaltkreise kann unter Verwendung von Formeln für rein reale Portimpedanzen, ebenso wie für komplexe Portimpedanzen, die unten angegeben sind, durchgeführt werden. Des Weiteren wird auch ein Beispiel des Balun-Schaltkreises in einer Konfiguration, die eine Gleichstrom(DC)-Versorgung ermöglicht, bereitgestellt, was in Anwendungen, wie etwa Gegentakt-Verstärker eingesetzt werden kann.
Gemäß verschiedenartiger Ausführungsformen umfasst in dem Fall rein realer Portimpedanzen das Balun einen ersten Serien-Resonanz-LC-Schaltkreis zum Bereitstellen eines abgeglichenen Ports für ein differentielles Signal, der ein erstes Element der ersten Art und ein Element der zweiten Art, die zwischen differentiellen Anschlüssen des abgeglichenen Ports in Serie verbunden sind. Das Balun umfasst auch einen zweiten Serien-Resonanz-LC-Schaltkreis zum Bereitstellen eines unabgeglichenen Ports für ein unsymmetrisches bzw. single-ended Signal, der ein zweites und ein drittes Element der ersten Art und das eine Element der zweiten Art, das zwischen einem single-ended Anschluss des unabgeglichenen Ports und Masse in Serie verbunden ist, umfasst. Das zweite Element der ersten Art kann zwischen dem single-ended Anschluss und dem einen Element der zweiten Art verbunden sein, das dritte Element der ersten Art kann zwischen dem einen Element der zweiten Art und Masse verbunden sein, und einer der differentiellen Anschlüsse kann zwischen dem dritten Element der ersten Art und dem einen Element der zweiten Art verbunden sein. Insbesondere wird das eine Element der zweiten Art von dem ersten und dem zweiten Serien-Resonanz-LC-Schaltkreis geteilt.
Im Vergleich zu dem oben erwähnten Balun vom Gittertyp minimiert der Balun gemäß der verschiedenartigen Ausführungsformen eine Art der LC Elemente. Dies ist vorteilhaft, wo eine Implementierung von dieser Art eines LC Elements schwierig ist, außergewöhnlich viel Raum einnimmt und/oder eine hohe Leistungsfähigkeit beeinflusst. Insbesondere verwendet das Balun vom Gittertyp im Prinzip nicht gekoppelte Tief- und Hochpassfilter, während die hierin besprochenen, verschiedenartigen Ausführungsformen zwei elektrisch verbundene LC-Serien-Resonanz-Schaltkreise verwenden.
1 ist ein Blockdiagramm eines Transceiver- bzw. Sende-Empfängerschaltkreises, einschließlich eines Duplexers und eines Transceivers bzw. Sende-Empfängers. Mit Verweis auf 1 umfasst der Sende-Empfängerschaltkreis 100 einen Sende-Empfänger 110, der über einen Duplexer 130 mit einer gemeinsamen Antenne 120 verbunden ist. Der Sende-Empfänger 110 umfasst einen Sendeabschnitt 110Tx zum Senden von Sendesignalen zu der Antenne 120 und einen Empfängerabschnitt 110Rx zum Empfangen von Empfangssignalen von der Antenne 120. Der Senderabschnitt 110Tx ist mit einem Sendefilter 131 in dem Duplexer 130 verbunden, und der Empfängerabschnitt 110Rx ist mit einem Empfangsfilter 132 in dem Duplexer verbunden, wobei der Sende- und Empfangsfilter 131 und 132 beispielsweise FBAR Filter oder SMR BAW Filter sein können. Der Sendefilter 131 und der Empfangsfilter 132 sind über ein Antennenimpedanzanpassungsnetzwerk 125 mit der gemeinsamen Antenne 120 verbunden, um sicherzustellen, dass der Sendefilter 131 und der Empfangsfilter 132 nicht als Fehlanpassungsnetzwerk zwischen der gemeinsamen Antenne 120 und dem anderen Filter fungieren. Das Antennenimpedanzanpassungsnetzwerk 125 kann ein Shunt-Induktor nach Masse oder eine Übertragungsleitung sein, die beispielsweise zwischen dem Empfangsfilter 132 und einem gemeinsamen Verbindungspunkt der Antenne 120, der Übertragungsleitung und dem Sendefilter 131 verbunden ist, obwohl andere Implementierungen umfasst sein können.
Wie das oben im Hinblick auf den Empfänger- und Senderabschnitt, die differentielle Eingangs- und Ausgangsanschlüsse haben, besprochen worden ist, weil der Empfängerabschnitt 110Rx typischerweise ein differentielles Eingangssignal benötigt, verläuft das von dem Empfangsfilter 132 bereitgestellte single-ended Ausgangssignal durch das Balun 140, welches ein abgeglichenes Balun ist, das ein single-ended Signal in ein differentielles Signal umwandelt und das eine Impedanzanpassung in Bezug auf den Single-ended Ausgangsanschluss des Empfangsfilters 132 und die differentiellen Eingangsanschlüsse des Empfängerabschnitts 110Rx bereitstellt.
2 ist ein vereinfachtes Schaltbild eines Abschnitts eines veranschaulichenden Empfangsfilters 132 in dem Duplexer 130 der 1. In dem dargestellten Beispiel ist das Empfangsfilter 132 ein FBAR Empfangsfilter, der mehrere FBARs umfasst, die zum Zwecke der Veranschaulichung als ein Filter von der Leiterart dargestellt sind mit repräsentativen Serien-FBARs 231 und 232 sowie repräsentativen Shunt-FBARs 233 und 234, die ebenfalls in Serie verbundene Induktoren (nicht gezeigt) aufweisen können, respektive. Selbstverständlich können in dem Empfangsfilter 132 auch andere Anzahlen und Kombinationen von Serien- und/oder Shunt-FBARs umfasst sein, und/oder es können andere Arten von Filtern oder single-ended oder differentiellen elektrischen Einrichtungen bereitgestellt sein. Das Empfangsfilter 132 umfasst ferner einen Impedanzanpassungsschaltkreis 235, der in Serie zwischen dem letzten FBAR (FBAR 232) des Empfangsfilters 132 und dem single-ended Anschluss 236 verbunden ist. Der Impedanzanpassungsschaltkreis 235 kann beispielsweise einen in Serie verbundenen Induktor umfassen. Die Impedanz des single-ended Anschlusses 236 in Bezug auf Referenzmasse (z. B. etwa 50 Ohm) ist durch die repräsentative Impedanz 237 angezeigt. Insbesondere wäre eine Anzeige der Impedanz 237 nicht vorhanden, wenn das Empfangsfilter 132 und das Balun 140 miteinander verbunden sind.
3A ist ein vereinfachtes Schaltbild, das das Balun mit vier LC Elementen gemäß einer repräsentativen Ausführungsform veranschaulicht.
Mit Verweis auf 3A umfasst das Balun 300A einen unabgeglichenen Port 310 und einen abgeglichenen Port 320, für die angenommen wird, dass sie zur Erleichterung der Beschreibung rein reale Portimpedanzen aufweisen. Die kompliziertere Situation, in der unabgeglichene und abgeglichene Ports komplexe Impedanzen aufweisen, wird unten mit Verweis auf 5 besprochen. Der unabgeglichene Port 310 umfasst einen auf Masse bezogenen, single-ended Anschluss 301 und hat eine Referenzimpedanz Ra (z. B. etwa 50 Ohm), wie dies durch einen Widerstand 351 angedeutet ist. Der abgeglichene Port 320 umfasst einen ersten und einen zweiten differentiellen Anschluss 302 und 303, die jeweils eine Referenzimpedanz Rb aufweisen, wenn sie auf Masse bezogen sind (z. B. etwa 50 Ohm oder etwa 100 Ohm differentiell), wie dies durch Widerstände 352 und 353, respektive, angedeutet ist.
Das Balun 300A kann an dem abgeglichenen Port 320 auch einen optionalen Masseanschluss (nicht gezeigt) zur Verbindung mit Referenzmasse umfassen. Der Masseanschluss wird benötigt, um einen unabgeglichenen Stromfluss zu ermöglichen, wenn der abgeglichene Port 320 an einem nicht vollständigen differentiellen Schaltkreis befestigt ist oder wenn der abgeglichene Port 320 von nicht vollständig differentiellen Signalen getrieben wird. Allgemein ist der optionale Masseanschluss nicht verbunden, wenn der abgeglichene Port 320 vollständig differentiell getrieben wird. Der Masseanschluss wird auch benötigt, wenn von einer Anwendung eine Gleichstrom(DC)-Versorgung benötigt wird, wie dies beispielsweise unten mit Verweis auf 3B besprochen wird.
In einer veranschaulichenden Konfiguration kann der single-ended Anschluss 301 des abgeglichenen Ports 310 mit einem unabgeglichenen Port eines elektrischen Schaltkreises, wie etwa beispielsweise eines Filterschaltkreises (z. B. der FBAR Empfangsfilter 132 des Duplexers 130) oder eines Antennenschaltkreises (z. B. die Antenne 120 gefolgt von einem abgeglichenen Filterschaltkreis) verbunden sein, um ein single-ended Signal zu empfangen. Der erste und zweite differentielle Anschluss 302 und 303 des abgeglichenen Ports können beispielsweise mit einem abgeglichenen Port eines Sende-Empfängers (z. B. Empfängerabschnitt 110Rx des Transceivers 110) oder einem abgeglichenen Filterschaltkreis verbunden sein, um ein differentielles Signal auszugeben. Auch kann ein dem single-ended Anschluss 301 beaufschlagtes Signal ein Radiofrequenz(RF)-Signal aus dem Empfangsfilter sein. Jedoch ist das Balun 300A nicht auf diese Anwendung begrenzt und kann verwendet werden, um single-ended Signale in differentielle Signale und umgekehrt zwischen verschiedenartigen Arten von abgeglichenen und unabgeglichenen elektrischen Einrichtungen umzuwandeln.
Das Balun 300A umfasst vier LC Elemente, von denen drei eine Art eines LC Elements (Kondensator) sind und von denen nur eines das LC Element der anderen Art (Induktor) ist. Insbesondere umfasst das Balun 300A einen ersten Kondensator 311, einen zweiten Kondensator 312, einen dritten Kondensator 313 und einen Induktor 314. Allgemein ist beabsichtigt, dass der Begriff „Kondensator” irgendein oder jedes beliebige Zwei-Port-Element, das einen Kapazitätswert aufweist, abdeckt, und ist beabsichtigt, dass der Begriff „Induktor” irgendein Zwei-Port-Element, das einen Induktanzwert aufweist, abdeckt. In der dargestellten Ausführungsform ist der erste Kondensator 311 zwischen dem single-ended Anschluss 301 des unabgeglichenen Ports 310 und einem internen Knoten 315, der zwischen dem Induktor 314 und dem dritten Kondensator 313 angeordnet ist, verbunden. Der Induktor 314 ist zwischen dem internen Knoten 315 und dem ersten differentiellen Anschluss 302 des abgeglichenen Ports 320 verbunden. Der zweite Kondensator 312 ist zwischen dem ersten differentiellen Anschluss 302 und Masse verbunden. Der dritte Kondensator 313 ist zwischen dem internen Knoten 315 und dem zweiten differentiellen Anschluss 303 des abgeglichenen Ports 320 verbunden. Allgemein arbeiten die Kondensatoren als ein Gleichstrom(DC)-Block, und daher sind in dem Balun 300A keine zusätzlichen Blockierkondensatoren erforderlich. In verschiedenen Ausführungsformen können eine oder mehrere des ersten bis dritten Kondensators 311 bis 313 innerhalb des abgeglichenen und/oder unabgeglichenen Schaltkreises (z. B. Empfangsfilter 132) mit dem es verbunden ist, implementiert sein. Beispielsweise kann der erste Kondensator 311 insbesondere als ein Serien-Resonator des Empfangsfilters 132 implementiert sein, z. B. realisiert sein als ein FBAR mit einer von dem Filter-Durchlassband getrennten Resonanzfrequenz, so dass das Verhalten des Resonators in dem Durchlassband im Wesentlichen kapazitiv ist. Dementsprechend kann in verschiedenartigen Ausführungsformen der Induktor 314 innerhalb des abgeglichenen und/oder des unabgeglichenen Schaltkreises, mit dem das Balun 300A verbunden ist, implementiert werden.
In der gezeigten Ausführungsform bilden der Induktor 314 und der dritte Kondensator 313 einen ersten Resonanz-Serien-LC-Schaltkreis aus, der ein differentielles Signal an dem ersten und dem zweiten differentiellen Anschluss 302 und 303 des abgeglichenen Ports 320 anlegt. Der erste Kondensator 311, der Induktor 314 und der zweite Kondensator 312 bilden einen zweiten Resonanz-Serien-LC-Schaltkreis nach Masse aus, der ein single-ended Signal an dem single-ended Anschluss 301 des unabgeglichenen Ports 310 anlegt. Sowohl der erste als auch der zweite Resonanz-Serien-LC-Schaltkreis sind über den gemeinsamen Induktor 314 gekoppelt.
Zum Zweck der Besprechung hat der erste Kondensator 311 einen ersten Kapazitätswert C1, hat der zweite Kondensator 312 einen zweiten Kapazitätswert C2 und hat der dritte Kondensator 313 einen dritten Kapazitätswert C3. In einer Ausführungsform ist der erste Kapazitätswert C1 des ersten Kondensators 311 im Wesentlichen gleich dem zweiten Kapazitätswert C2 des zweiten Kondensators 312, und der zweite Kapazitätswert C2 ist im Wesentlichen gleich zweimal der dritte Kapazitätswert C3 des dritten Kondensators. In dieser gesamten Offenbarung wird der Ausdruck „im Wesentlichen” verwendet, um anzudeuten, dass die tatsächlichen Werte und Beziehungen von den berechneten idealen Werten und Beziehungen ein klein wenig abweichen können, um Abweichungen in physikalischen Realisierungen zu berücksichtigen, die z. B. durch Störeffekte und dergleichen bewirkt werden, wie das für einen Fachmann offensichtlich wäre.
Der dritte Kapazitätswert ist im Wesentlichen gemäß Gleichung (1) bestimmt, in der ω gleich 2πf ist, f die Ziel-Entwurfsfrequenz des Baluns 300A ist, die von der Betriebsfrequenz der Anwendung und daher von der Frequenz des angelegten Signals abhängt. Das heißt, die Ziel-Entwurfsfrequenz ist eine Frequenz, für die das Balun 300A entworfen ist, während die Betriebsfrequenz der Frequenzbereich ist, in dem das Balun 300A anwendbar ist. Weil die Ziel-Entwurfsfrequenz eine Frequenz ist, ist die Betriebsfrequenz normalerweise ein Frequenzband, wie etwa die oben erwähnten beispielhaften Frequenzbänder. Weiter im Hinblick auf Gleichung (1) ist Ra die Impedanz des single-ended Anschlusses 301 bezogen auf Masse und Rb ist die Impedanz von sowohl dem ersten als auch dem zweiten differentiellen Anschluss 302 und 303, die jeweils auf Masse bezogen sind.
Beispielsweise können sowohl die Impedanz Ra als auch die Impedanz Rb etwa 50 Ohm sein, obwohl die Impedanzwerte variieren können, um für eine beliebige bestimmte Situation einzigartige Vorteile bereitzustellen oder um anwendungsspezifische Entwurfserfordernisse von verschiedenen Implementierungen zu erfüllen.
Der Induktor 314 hat einen Induktanzwert L1, der im Wesentlichen gemäß Gleichung (2) bestimmt ist. L1 = 1 / ω² × C3 (2)
Einige Halbleitertechnologien, einschließlich Dünnschicht-Technologien, erlauben die Realisierung von Kondensatoren mit kleiner Größe. Beispielsweise in Technologien wie etwa komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS) (Gate-Kapazität) und FBAR (z. B. um Resonatoren zu implementieren), sind Kondensatoren allgemein leichter und stabiler zu implementieren als Induktoren und zeigen typischerweise eine bessere Leistungsfähigkeit (z. B. höherer Qualitätsfaktor Q) innerhalb einer kleineren Fläche. Daher verringert in derartigen Technologien allgemein die Verwendung von drei Kondensatoren (erster bis dritte Kondensator 311 bis 313) und nur einen Induktor (Induktor 314) die Menge an physikalischem Raum, der für die Implementierung des Balun 300A erforderlich ist. Des Weiteren ist aufgrund des höheren Qualitätsfaktors Q der Kondensatoren der Einführungsverlust des Balun 300A verringert.
Jeder von dem ersten bis dritten Kondensator 311 bis 313 und dem Induktor 314, respektive, hat einen positiven Kapazitäts- oder Induktanzwert und ist daher physikalisch realisierbar. Daher ist eine alleinstehende Implementierung des Baluns 300A möglich, wobei das Balun 300A zwischen irgendeinem (impedanzangepassten) unabgeglichenen Eingang/Ausgang und einem abgeglichenen Ausgang/Eingang verbunden werden kann. Es gibt keine begrenzenden Erfordernisse im Hinblick auf andere Teile oder Komponenten, mit denen das Balun 300A verbunden ist, oder im Hinblick auf die Anwendung als solche. Des Weiteren ist das Balun 300A dadurch, dass er Impedanzanpassung ebenso wie Modusumwandlung zwischen unabgeglichenen Signalen an dem unabgeglichenen Port 310 und abgeglichenen Signalen an den abgeglichenen Port 320 bereitstellt, ein abgeglichener Balun. Beispielsweise kann die auf Masse bezogene Impedanz des single-ended Anschlusses 301 an die Impedanz des single-ended Anschlusses (z. B. single-ended Anschluss 326) eines Filters oder eines anderen single-ended elektrischen Geräts angepasst sein, und eine differentielle Impedanz zwischen dem ersten und dem zweiten differentiellen Anschluss 302 und 303 kann an die Impedanz der differentiellen Eingangsanschlüsse eines Empfängerabschnitts (z. B. Empfängerabschnitt 110Rx) eines Sende-Empfängers oder eines anderen differentiellen elektrischen Geräts angepasst sein.
Im Hinblick auf abgeglichene nach unabgeglichene Transformationen ermöglicht das Balun 300A jede beliebige Transformation einer rein realen Portimpedanz zwischen dem unabgeglichenen Port 310 und dem abgeglichenen Port 320 mittels einer geeigneten Dimensionierung, z. B. unter Verwendung einfacher mathematischer Gleichungen, wie das für einen Fachmann offensichtlich wäre. Daher ist beispielsweise ein zusätzliches Impedanzumwandlungsnetzwerk nicht erforderlich, wenn das Balun 300A verwendet wird, was Schaltkreisimplementierungsfläche (z. B. IC Chip-Fläche) einspart und allgemein Gesamtverluste für Anwendungen, die auch eine Impedanztransformation erfordern, verbessert.
Weil das Balun 300A nur einen Induktor erfordert, ist es in verschiedenen Ausführungsformen möglich, das FBAR Filter und das Balun in ein kleineres Gehäuse einzupassen. Dies ist insbesondere wahr, wenn einige oder alle von dem ersten bis dritten Kondensator 311 bis 313 in dem FBAR Filter-Chip hergestellt werden. Dies führt zu einer Verringerung der Größe und der Kosten und verbessert den Einführungsverlust. Beispielsweise kann ein Duplexer, der das Balun 300A umfasst, in einen 2,0 mm × 1,6 mm Formfaktor eingepasst werden, was die für Handapparat-Duplexer erforderliche, nächste Generation der Größenverringerung ist.
3B ist ein vereinfachtes Schaltbild, das einen Balun mit vier LC Elementen gemäß einer repräsentativen Ausführungsform veranschaulicht.
Mit Verweis auf 3 ist das Balun 300B ähnlich wie das Balun 300A, mit der Ausnahme, dass es für eine Gleichstrom(DC)-Versorgung ausgelegt ist, wie dies etwa von einer Anwendung benötigt wird. Das heißt, zusätzlich zu dem ersten Kondensator 311, dem zweiten Kondensator 312, dem dritten Kondensator 313 und dem Induktor 314 (dem RF Teil) umfasst das Balun 300B einen Bypass-Induktor 318, der parallel zu dem dritten Kondensator 313 zwischen dem internen Knoten 315 und dem zweiten differentiellen Anschluss 303 verbunden ist. Der Bypass-Induktor 318 ermöglicht eine Gleichstrom(DC)-Versorgung über einen Gleichstrom(DC)-Versorgungskontakt 308, der ebenfalls mit dem internen Knoten 315 verbunden ist. Allgemein stellt der Bypass-Induktor 318 effektiv einen Kurzschluss für Gleichstrom(DC)-Signale und einen offenen Schaltkreis für Wechselstrom(AC)-Signale bereit. Der Bypass-Induktor 318 kann innerhalb der Balun-Schaltung, beispielsweise auf dem gleichen Substrat, oder als eine externe Komponente, implementiert sein. In alternativen Konfigurationen kann der Gleichstrom-Versorgungskontakt 308 mit dem ersten differentiellen Anschluss 302 oder dem zweiten differentiellen Anschluss 303 zusammenfallen. Außerdem kann ein Versorgungsinduktor (nicht gezeigt) hinzugefügt werden, um RF- und DC-Teile voneinander zu entkoppeln, so dass der Balun-Schaltkreis nicht von der Gleichstromquelle in dem Betriebsfrequenzbereich des Baluns belastet wird, und es können Blockierkondensatoren (nicht gezeigt) hinzugefügt werden, um Oszillationen zu unterdrücken, die von dem Gleichstrompfad an den Gleichstrom-Versorgungskontakt 308 herkommen.
4A ist ein vereinfachtes Schaltbild, das einen Balun mit vier LC Elementen gemäß einer anderen repräsentativen Ausführungsform veranschaulicht.
Mit Verweis auf 4A umfasst das Balun 400A einen unabgeglichenen Port 410 und einen abgeglichenen Port 420, für die zur Erleichterung der Beschreibung angenommen wird, dass sie rein reale Portimpedanzen haben. Der unabgeglichene Port 410 umfasst einen auf Masse bezogenen, single-ended Anschluss 401 und hat eine Referenzimpedanz Ra (z. B. etwa 50 Ohm), wie dies durch den Widerstand 451 angedeutet ist. Der abgeglichene Port 420 umfasst einen ersten und einen zweiten differentiellen Anschluss 402 und 403, von denen jeder eine Referenzimpedanz Rb hat, wenn sie auf Masse bezogen ist (z. B. etwa 50 Ohm oder etwa 100 Ohm differentiell), wie dies durch die Widerstände 452 und 453, respektive, angedeutet ist. Das Balun 400A kann an dem abgeglichenen Port 402 auch einen optionalen Masseanschluss (nicht gezeigt) zur Verbindung mit Referenzmasse umfassen. Der Masseanschluss wird benötigt, um einen unabgeglichenen Stromfluss zu ermöglichen, wenn der abgeglichene Port 420 mit einem nicht vollständig differentiellen Schaltkreis verbunden ist oder wenn der abgeglichene Port 420 von nicht vollständig differentiellen Signalen getrieben wird. Allgemein ist der optionale Masseanschluss nicht verbunden, wenn der abgeglichene Port 420 vollständig differentiell getrieben wird. Der Masseanschluss wird ebenfalls benötigt, wenn von einer Anwendung eine Gleichstromversorgung benötigt wird, wie dies beispielsweise unten mit Verweis auf 4B besprochen wird.
In einer veranschaulichenden Ausführungsform kann der single-ended Anschluss 401 des unabgeglichenen Ports 410 mit einem unabgeglichenen Port eines elektrischen Schaltkreises, wie etwa beispielsweise einem Filterschaltkreis (z. B. ein FBAR Empfangsfilter 132 des Duplexers 130) oder ein Antennenschaltkreis (z. B: Antenne 120 gefolgt von einem abgeglichenen Filterschaltkreis) verbunden werden, um ein single-ended Signal zu empfangen. Der erste und der zweite differentielle Anschluss 402 und 403 des abgeglichenen Ports 420 kann beispielsweise mit einem abgeglichenen Port eines Sende-Empfängers (z. B. Empfängerabschnitt 110Rx des Sende-Empfängers 110) oder einem abgeglichenen Filterschaltkreis verbunden werden, um ein differentielles Signal auszugeben. Auch kann ein dem single-ended Anschluss 401 zugeführtes Signal ein RF Signal aus dem Empfangsfilter sein. Jedoch ist der Balun 400A nicht auf diese Anwendung begrenzt und kann verwendet werden, um single-ended Signale in differentielle Signale und umgekehrt zwischen verschiedenen Arten von unabgeglichenen und abgeglichenen elektrischen Geräten umzuwandeln.
So wie das Balun 300A umfasst das Balun 400A lediglich vier LC Elemente, von denen drei eine Art eines LC Elements sind und von denen nur eines die andere Art des LC Elements ist. In dem Balun 400A sind jedoch drei Induktoren und nur ein Kondensator. Insbesondere umfasst das Balun 400A einen ersten Induktor 411, einen zweiten Induktor 412, einen dritten Induktor 413 und einen Kondensator 414. Das Balun 400A kann vorteilhaft sein für Technologien, in denen Induktoren vorteilhafter implementiert werden können als Kondensatoren, oder es kann eine wünschenswerte Alternative für eine alleinstehende Implementierung sein, z. B. unter Verwendung von Komponenten für Oberflächenmontage (SMD, surface mounted device).
In der gezeigten Ausführungsform ist der erste Induktor 411 zwischen dem single-ended Anschluss 401 des unabgeglichenen Ports 410 und einem internen Knoten 415 verbunden, der zwischen dem Kondensator 414 und dem dritten Induktor 413 angeordnet ist. Der Kondensator 414 ist zwischen dem internen Knoten 415 und dem ersten differentiellen Anschluss 402 des abgeglichenen Ports 420 verbunden. Der zweite Induktor 412 ist zwischen dem ersten differentiellen Anschluss 402 und Masse verbunden. Der dritte Induktor 413 ist zwischen dem internen Knoten 415 und dem zweiten differentiellen Anschluss 403 des abgeglichenen Ports 420 verbunden. In verschiedenartigen Ausführungsformen können einer oder mehrere des ersten bis dritten Induktors 411 bis 413 innerhalb des abgeglichenen und/oder des unabgeglichenen Schaltkreises (z. B. Empfangsfilter 132), mit dem er verbunden ist, implementiert werden. Beispielsweise kann insbesondere der erste Induktor 411 als ein Drahtanschluss des Empfangsfilters 132 angesehen werden. Ebenso kann in verschiedenartigen Ausführungsformen der Kondensator 414 innerhalb des abgeglichenen oder unabgeglichenen Schaltkreises, mit dem das Balun 400A verbunden ist, implementiert werden.
In der gezeigten Ausführungsform bilden der Kondensator 414 und der dritte Induktor 413 einen ersten Resonanz-Serien-LC-Schaltkreis, der an dem ersten und zweiten differentiellen Anschluss 402 und 403 des abgeglichenen Ports 420 ein differentielles Signal anlegt. Der erste Induktor 411, der Kondensator 412 und der zweite Induktor 412 bilden einen zweiten Resonanz-Serien-LC-Schaltkreis nach Masse aus, der an dem single-ended Anschluss 401 des unabgeglichenen Ports 410 ein single-ended Signal anlegt. Sowohl der erste als auch der zweite Resonanz-Serien-LC-Schaltkreis sind über den gemeinsamen Kondensator 414 verbunden.
Zum Zweck der Besprechung hat der erste Induktor 411 einen ersten Induktanzwert L1, hat der zweite Induktor 412 einen zweiten Induktanzwert L2, hat der dritte Induktor 413 einen dritten Induktanzwert L3 und hat der Kondensator 414 einen Kapazitätswert C1. In einer Ausführungsform ist der erste Induktanzwert L1 des ersten Induktors 411 im Wesentlichen gleich dem zweiten Induktanzwert L2 des zweiten Induktors 412. Der zweite Induktanzwert L2 ist im Wesentlichen gemäß Gleichung (3) bestimmt, in der ω gleich 2πf ist, wobei f die Ziel-Entwurfsfrequenz des Balun 400A ist, die von der Betriebsfrequenz der Anwendung abhängt und daher von der Frequenz des angelegten Signals abhängt, wie oben besprochen. L2 = 1 / 2ω² × C1 (3)
Der dritte Induktanzwert L3 ist im Wesentlichen gemäß Gleichung (4) bestimmt, in der Ra die Impedanz des auf Masse bezogenen, single-ended Anschlusses 401 ist und Rb die jeweils auf Masse bezogene Impedanz von sowohl dem ersten als auch dem zweiten differentiellen Anschluss 402 und 403 ist.
Der Kapazitätswert C1 des Kondensators 414 kann im Wesentlichen gemäß Gleichung (5) bestimmt werden. C1 = 1 / ω² × L3 (5)
Allgemein verringert die Verwendung von drei Induktoren (erster bis dritter Induktor 411–413) und einem Kondensator (Kondensator 414) die Menge von physikalischem Raum in Modulen, die beispielsweise drahtgebundene (wirebond) Techniken verwenden, weil die Induktanz der Drahtbonden verwendet werden kann, um zumindest einen Teil von einem oder mehreren der benötigten Induktanzwerte zu realisieren. Außerdem kann eine Implementierung unter Verwendung von SMDs robuster und reproduzierbar sein, weil Serien-Induktoren weniger empfindlich auf Störeffekte (z. B. aufgrund von Lötmittel-Pads) als Serien-Kondensatoren sind, und durch kleine Einstellungen auf entsprechende Werte leichter zu kompensieren sind. Auch ist die Verwendung von drei Induktoren (erster bis dritter Induktor 411 bis 413) und einem Kondensator (Kondensator 414) vorteilhaft beispielsweise für Mikrowellen-Anwendungen (z. B. Radar), weil in diesem Frequenzbereich Induktoren allgemein leichter zu implementieren sind als Kondensatoren.
Jeder von dem ersten bis dritten Induktor 411 bis 413 und dem Kondensator 414 hat einen positiven Wert und ist folglich physikalisch realisierbar. Daher ist eine alleinstehende Implementierung des Baluns 400A möglich, wobei das Balun 400A zwischen irgendeinem (impedanzangepassten) unabgeglichenen Eingang/Ausgang und einem abgeglichenen Ausgang/Eingang verbunden werden kann. Es gibt keine begrenzenden Anforderungen im Hinblick auf andere Teile oder Komponenten, mit denen das Balun 400A verbunden ist, oder im Hinblick auf die Anwendung selbst. Des Weiteren ist das Balun 400A dadurch, dass es Impedanzanpassung ebenso wie Modusumwandlung zwischen unabgeglichenen Signalen am unabgeglichenen Port 410 und abgeglichenen Signalen am abgeglichenen Port 420 bereitstellt, ein abgeglichenes Balun. Beispielsweise kann die Impedanz des auf Masse bezogenen, single-ended Anschlusses 401 an die Impedanz des single-ended Anschlusses (z. B. single-ended Anschluss 236) eines Filters angepasst sein, und eine differentielle Impedanz zwischen dem ersten und zweiten differentiellen Anschluss 402 und 403 kann an eine Impedanz des differentiellen Anschlusses eines Empfängerabschnitts (z. B. Empfängerabschnitt 110Rx eines Sende-Empfängers) angepasst sein.
Im Hinblick auf Transformationen von abgeglichen nach unabgeglichen ermöglicht das Balun 400A jede beliebige Transformation einer rein realen Portimpedanz zwischen dem unabgeglichenen Port 410 und dem abgeglichenen Port 420 mittels geeignetem Dimensionieren, z. B. unter Verwendung von einfachen mathematischen Gleichungen, wie das für einen Fachmann offensichtlich wäre. Daher ist beispielsweise ein zusätzliches Impedanztransformernetzwerk nicht erforderlich, wenn das Balun 400A verwendet wird, was Schaltkreis-Implementierungsfläche (z. B. IC Chip-Fläche oder PCB Fläche) einspart und allgemein Gesamtverluste für Anwendungen, die auch eine Impedanztransformation benötigen, verbessert.
4B ist ein vereinfachtes Schaltbild, das einen Balun mit vier LC Elementen gemäß einer repräsentativen Ausführungsform zeigt.
Mit Verweis auf 4B ist das Balun 400B ähnlich dem Balun 400A, mit Ausnahme, dass es für eine Gleichstrom(DC)-Versorgung ausgelegt ist, wie dies z. B. von einer Anwendung benötigt wird. Das heißt, zusätzlich zu dem ersten Induktor 411, dem zweiten Induktor 412, dem dritten Induktor 413 und dem Kondensator 414 (dem RF Teil), umfasst das Balun 400B einen Bypass-Induktor 418, der parallel zu dem Kondensator 414 zwischen dem internen Knoten 415 und dem ersten differentiellen Anschluss 402 verbunden ist. Der Bypass-Induktor 418 ermöglicht eine Gleichstrom(DC)-Versorgung über einen Gleichstrom(DC)-Versorgungskontakt 408, der mit dem zweiten Induktor 412 verbunden ist. Der Bypass-Induktor 418 kann beispielsweise innerhalb des Balun-Schaltkreises, auf demselben Substrat oder als eine externe Komponente implementiert sein. In alternativen Konfigurationen kann der Gleichstrom-Versorgungskontakt mit dem internen Knoten 415, dem ersten differentiellen Anschluss 402 oder dem zweiten differentiellen Anschluss 403 übereinstimmen, in welchen Fällen der zweite Induktor 412 des Weiteren über einen zusätzlichen Gleichstrom-Blockierkondensator (hier nicht gezeigt) mit dem mit RF Masse verbundenen Knoten 408 in Serie verbunden ist. Außerdem kann ein Versorgungsinduktor (nicht gezeigt) hinzugefügt werden, um RF und Gleichstrom-(DC)-Teile voneinander zu entkoppeln, so dass das Balun 400B von der Gleichstromquelle in dem Betriebsfrequenzbereich des Balun nicht belastet wird, und es können Blockierkondensatoren (nicht gezeigt) hinzugefügt werden, um Oszillationen zu unterdrücken, die von dem Gleichstrompfad an dem Gleichstrom-Versorgungskontakt 408 herkommen.
5 ist ein vereinfachtes Schaltbild, das einen Balun mit vier LC Elementen zeigt, der verallgemeinert dadurch ist, dass er beliebige komplexe Portimpedanzen gemäß repräsentativer Ausführungsformen umfasst. Insbesondere verwendet 5 Reaktanzen X und Suszeptanzen B als Elemente anstelle von Kondensatoren und/oder Induktoren. Um komplexe Impedanzen bereitzustellen, kann die Referenzimpedanz Za gleich Ra + Xa·j sein und Zb kann Rb + Xb·j sein, wobei Ra und Rb Widerstände sind, Xa und Xb Reaktanzen sind und j der imaginäre Operator ist.
Mit Verweis auf 5 umfasst das Balun 500 einen unabgeglichenen Port 510 und einen abgeglichenen Port 520, die komplexe Portimpedanzen haben können. Der unabgeglichene Port 510 umfasst einen auf Masse bezogenen, single-ended Anschluss 501 und hat eine Referenzimpedanz Za, wie dies durch die Impedanz 551 angedeutet ist. Der abgeglichene Port 520 umfasst einen ersten und einen zweiten differentiellen Anschluss 502 und 503, von denen jeder eine Referenzimpedanz Zb hat, wenn auf Masse bezogen, wie dies durch die Impedanzen 552 und 553, respektive, angedeutet ist.
Das Balun 500 umfasst vier LC Elemente, die wie oben erwähnt, als Reaktanzen X und Suszeptanzen B angedeutet sind. Insbesondere umfasst das Balun 500 ein erstes Suszeptanzelement 511, ein zweites Suszeptanzelement 512, ein drittes Suszeptanzelement 513 und ein Reaktanzelement 514. In der dargestellten Ausführungsform ist das erste Suszeptanzelement 511 zwischen dem single-ended Anschluss 501 des unabgeglichenen Ports 510 und dem internen Knoten 515, der zwischen dem Reaktanzelement 514 und dem dritten Suszeptanzelement 513 angeordnet ist, verbunden. Das Reaktanzelement 514 ist zwischen dem internen Knoten 515 und dem ersten differentiellen Anschluss 502 des abgeglichenen Ports 520 verbunden. Das zweite Suszeptanzelement 512 ist zwischen dem ersten differentiellen Anschluss 502 und Masse verbunden. Das dritte Suszeptanzelement 513 ist zwischen dem internen Knoten 515 und dem zweiten differentiellen Anschluss 503 des abgeglichenen Ports 520 verbunden. In verschiedenartigen Ausführungsformen können eines oder mehrere von dem ersten bis dritten Suszeptanzelement 511 bis 513 und das Reaktanzelement 514 innerhalb des abgeglichenen und/oder unabgeglichenen Schaltkreises (z. B. Empfangsfilter 132), mit dem es verbunden ist, implementiert sein.
Zum Zweck der Besprechung hat das erste Suszeptanzelement 511 einen ersten Suszeptanzwert B1, das zweite Suszeptanzelement 512 hat einen zweiten Suszeptanzwert B2 und das dritte Suszeptanzelement 513 hat einen dritten Suszeptanzwert B3. Das Reaktanzelement hat einen Reaktanzwert X0. Der erste bis dritte Suszeptanzwert B1 bis B3 und der Reaktanzwert X0 sind durch wohl bekannte mathematische Gleichungen in Kapazitäts- und/oder Induktanzwerte umwandelbar, wie es für einen Fachmann offensichtlich wäre. Gemäß unterschiedlicher Ausführungsformen ist jede Suszeptanz und Reaktanz ein physikalisch realisierbares LC Element, d. h. ein Induktor oder ein Kondensator, mit einem positiven Wert. Wie oben erwähnt, sind Kondensatoren und Induktoren physikalisch nur implementierbar, wenn sie positive Werte haben, was insbesondere für eine Implementierung als eine alleinstehende Schaltung erforderlich ist. Dementsprechend sind Suszeptanzen mit positiven Werten und Reaktanzen mit negativen Werten typischerweise als Kondensatoren realisiert, wohingegen Reaktanzen mit positiven Werten und Suszeptanzen mit negativen Werten typischerweise als Induktoren realisiert sind. Des Weiteren werden die in 5 gezeigte Schaltung und die unten besprochenen Beziehungen die oben erwähnten Baluns 300A und 400A und die entsprechenden Gleichungen (1) bis (5), respektive, unter Verwendung rein realer Impedanzen bereitstellen.
In der dargestellten Ausführungsform ist der Reaktanzwert X0 im Wesentlichen gleich dem Reziproken des dritten Suszeptanzwerts B3 und der zweite Suszeptanzwert B2 ist im Wesentlichen gleich zweimal dem dritten Suszeptanzwert B3. Der dritte Suszeptanzwert B3 ist im Wesentlichen gemäß Gleichung (6) bestimmt, in der Yb gleich dem Reziproken der Referenzamplitude Zb ist und „Re” den Realteil der identifizierten Variablen bezeichnet. Auch zeigen das positive/negative Vorzeichen (+/–) in Gleichung (6) zwei Schaltkreise an, bei denen das negative Vorzeichen, das anstelle des positiven Vorzeichens verwendet wird, den entsprechenden komplementären Schaltkreis bereitstellt.
Der erste Suszeptanzwert B1 ist (per Definition) gleich dem Negativen des Reziproken des ersten Reaktanzwerts X1 (in 5 nicht gezeigt). Der erste Reaktanzwert ist X1 ist im Wesentlichen gemäß Gleichung (7) bestimmt, in der „Im” den Imaginärteil der identifizierten Variabeln bezeichnet.
Wie oben erwähnt, können der in 5 dargestellte Schaltkreis und die identifizierten Beziehungen, einschließlich der Gleichungen (6) und (7), verwendet werden, um das Balun 300A und seinen komplementären Balun-Schaltkreis 400A bereitzustellen. Wenn beispielsweise Referenzimpedanzen Za = Zb = 50 Ohm und Gleichung (6) mit einem positiven Vorzeichen verwendet werden, dann ist der Reaktanzwert X0 etwa 70,7 Ohm und der erste Suszeptanzwert B1 ist etwa 28 mS, der zweite Suszeptanzwert B2 ist etwa 28 mS und der dritte Suszeptanzwert B3 ist etwa 14 mS. Unter Verwendung wohl bekannter Gleichungen ist der Reaktanzwert X0 in einen Induktanzwert L1 von etwa 5,26 nH umwandelbar, und der erste Suszeptanzwert B1 ist in einen ersten Kapazitätswert C1 von etwa 2,10 pF umwandelbar, der zweite Suszeptanzwert B2 ist in einen zweiten Kapazitätswert C2 von etwa 2,10 pF umwandelbar, und der dritte Suszeptanzwert B3 ist in einen dritten Kondensatorwert C3 von etwa 1,05 pF umwandelbar. Der entsprechende äquivalente komplementäre Schaltkreis wird durch Verwendung von Gleichung (6) mit einem negativen Vorzeichen erzielt. Wenn wiederum die Referenzimpedanzen Za = Zb = 50 Ohm ist, ist der Reaktanzwert X0 etwa –70,7 Ohm, ist der Suszeptanzwert B1 etwa –28 mS, ist der Suszeptanzwert B3 etwa –28 mS und ist der Suszeptanzwert B3 etwa –14 mS. Der Reaktanzwert X0 ist in einen Kapazitätswert C1 von etwa 1,05 pF umwandelbar, der erste Suszeptanzwert B1 ist in einen ersten Induktanzwert L1 von etwa 2,7 nH umwandelbar, der zweite Suszeptanzwert B2 ist in einen zweiten Induktanzwert L2 von etwa 2,7 nH umwandelbar, und der dritte Suszeptanzwert B3 ist in einen dritten Induktanzwert L3 von etwa 5,26 nH umwandelbar.
Die 6A bis 6G sind Schaubilder, die verschiedene simulierte Leistungsparameter des Baluns mit vier LC Elementen gemäß einer repräsentativen Ausführungsform darstellen. In der Simulation empfängt das Balun 300A ein unabgeglichenes Signal im Band 1, das eine Zielfrequenz von 2140 GHz hat. Das Balun 300A war wie oben beschrieben konfiguriert, einschließlich der Gleichungen (1) und (2), wobei Ra und Rb zu 50 Ohm angenommen waren, so dass der erste Kapazitätswert C1 gleich etwa 2,10 pF, der zweite Kapazitätswert C2 gleich etwa 2,10 pF war, der dritte Kapazitätswert C3 gleich etwa 1,05 pF war, und der Induktanzwert L1 etwa 5,26 nH war. In der nachfolgenden Beschreibung werden S-Parameter verwendet, um die Leistung von Signalen, die sich zwischen irgendwelchen zwei Ports des Baluns 300A bewegen, anzudeuten, wie das in dem Fachgebiet bekannt ist, wobei der single-ended Anschluss Port „1” ist, der erste differentielle Anschluss 302 Port „2” ist und der zweite differentielle Anschluss 303 Port „3” ist, und wobei jeder der Ports zum Zweck der Besprechung auf Masse bezogen.
Die Kurve 501 in 6A zeigt eine Amplituden-Unausgeglichenheit zwischen dem ersten und dem zweiten differentiellen Anschluss 302 und 303, wobei der single-ended Anschluss 301 und der erste und der zweite differentielle Anschluss 302 und 303 auf Masse bezogen sind. Die horizontale Achse stellt die Frequenz des empfangenen Signals in GHz dar und die vertikale Achse stellt die Differenzen in den Größen, ausgedrückt in Dezibel (dB) dar. Insbesondere ist eine Amplituden-Unausgeglichenheit die Differenz in der Größe zwischen einem ersten Signalpfad von dem single-ended Anschluss 301 zu dem ersten differentiellen Anschluss 302 und einem zweiten Signalpfad von dem single-ended Anschluss 301 zu dem zweiten differentiellen Anschluss 303 (dB(S₁₂)–db(S₁₃)). Für ideale Baluns ist die Amplituden-Unausgeglichenheit 0 dB, was von dem Balun 300A an der Ziel-Entwurfsfrequenz von 2140 GHz erfüllt wird. Dies zeigt an, dass das von dem Balun 300A bereitgestellte, differentielle Ausgangssignal im Wesentlichen über dem ersten und dem zweiten differentiellen Anschluss 302 und 303 hinsichtlich der Amplitude ausgeglichen ist.
Die Kurve 502 von 6B stellt eine Phasen-Unausgeglichenheit zwischen dem ersten und zweiten differentiellen Anschluss 302 und 303 dar, wobei der single-ended Anschluss 301 und der erste und der zweite differentielle Anschluss 302 und 303 auf Masse bezogen sind. Die horizontale Achse stellt die Frequenz des empfangenen Signals in GHz dar und die vertikale Achse stellt die Differenzen in der Phase in Grad dar. Insbesondere ist eine Phasen-Unausgeglichenheit die Differenz der Phasenverschiebungen zwischen dem ersten Signalpfad von dem single-ended Anschluss 301 zu dem ersten differentiellen Anschluss 302 und dem zweiten Signalpfad von dem single-ended Anschluss 301 zu dem zweiten differentiellen Anschluss 303 (Phase(S₁₂)–Phase(S₁₃)). Für ideale Baluns ist die Phasen-Unausgeglichenheit +/–180°, was von dem Balun 300A an der Ziel-Entwurfsfrequenz von 2140 GHz erfüllt wird. Dies zeigt an, dass die Signale, die das von dem Balun 300A bereitgestellte differentielle Ausgangssignal ausbilden, im Wesentlichen 180° außer Phase sind.
Die Kurve 503 in 6C zeigt das Gleichtakt-Unterdrückungsverhältnis (CMRR, common mode rejection ratio) für integrierte Verstärker. CMRR ist die Neigung eines Baluns, die Übertragung eines an dem unabgeglichenen Port angelegten Signals in ein Gleichtaktsignal (common mode signal) an dem abgeglichenen Port zurückzuweisen. Der unabgeglichene Port wird durch den auf Masse bezogenen, single-ended Anschluss 301 ausgebildet, während der abgeglichene Port durch den ersten und den zweiten differentiellen Anschluss 302 und 303 ausgebildet wird. Je niedriger der CMRR, ausgedrückt in dB, ist, desto besser ist die Leistungsfähigkeit des Balun. CMRR Werte von etwa –15 dB sind ausgezeichnet für nicht-ideale, praktische Balun-Schaltkreise. In 6C stellt die horizontale Achse die Frequenzen des empfangenen Signals in GHz dar und die vertikale Achse stellt das Verhältnis, ausgedrückt in dB, der Summe der Stärken des ersten und des zweiten Signalpfads und der Differenz zwischen den Stärken des ersten und des zweiten Signalpfads dar (dB(|S₁₃ + S₁₂|/|S₁₃ – S₁₂|)), wobei der single-ended Anschluss und der erste und der zweite differentielle Anschluss 302 und 303 auf Masse bezogen sind und wobei der erste Signalpfad von dem single-ended Anschluss 301 zu dem ersten differentiellen Anschluss 302 und der zweite Signalpfad von dem single-ended Anschluss 301 zu dem zweiten differentiellen Anschluss 302 ist. Wie in 6C gezeigt, nähert sich CMRR in einer idealisierten Simulation bei der Ziel-Entwurfsfrequenz von 2140 GHz an unendlich an, was andeutet, dass ein an dem differentiellen Port angelegtes Gleichtaktsignal vollständig unterdrückt wird und folglich nicht zu dem abgeglichenen Port 310 übertragbar ist.
Die Kurven 504 und 505 in 6D zeigen den Einfügungsverlust (insertion loss) in dB des Baluns 300A, wobei der single-ended Anschluss 301 und der erste und der zweite differentielle Anschluss 302 und 303 auf Masse bezogen sind. Ein Einfügungsverlust ist der Verlust von Leistung in einem Signalpfad. In 6D zeigt die Kurve 504 den Einfügungsverlust des ersten Signalpfads von dem single-ended Anschluss 301 zu dem ersten differentiellen Anschluss 302 (dB(S₁₂)), und die Kurve 505 zeigt den Einfügungsverlust des zweiten Signalpfads von dem single-ended Anschluss 301 zu dem zweiten differentiellen Anschluss 303 (dB(S₁₃)). Für ideale, verlustlose Baluns ist der Einfügungsverlust von jedem Signalpfad –3 dB, was von dem Balun 300A an der Ziel-Entwurfsfrequenz von 2140 GHz erfüllt wird.
Die Kurve 506 in 6E zeigt den Rückwärtsverlust (return loss) in dB des Balun 300A, wobei der single-ended Anschluss 301 und der erste und der zweite differentielle Anschluss 302 und 303 auf Masse bezogen sind. Rückwärtsverlust ist hier definiert als das Verhältnis der reflektierten Leistung zu der ankommenden Leistung, ausgedrückt in dB. Die Kurve 506 zeigt insbesondere den Rückwärtsverlust an dem single-ended Anschluss 302 (dB(S₁₁)). Je niedriger der Rückwärtsverlust, ausgedrückt in dB, ist, desto besser ist die Leistungsfähigkeit des Balun 300A. Für einen unabgeglichenen Port (unabgeglichener Port 310) werden typischerweise Werte von –12 dB benötigt.
Die Kurve 507 in 6F zeigt den Gleichtakt-Rückwärtsverlust (common mode return loss) in dB des Balun 300A, und die Kurve 508 in 6G zeigt den Gegentakt-Rückwärtsverlust (differential mode return loss) in dB des Balun 300A, wobei der single-ended Anschluss 301 und der erste und der zweite differentielle Anschluss 302 und 303 auf Masse bezogen sind. Ein Rückwärtsverlust in dB des abgeglichenen Ports 320 für den Gleichtaktmodus ist bestimmt als dB(0,5·(S₃₃ + S₂₂) + 0,5·(S₃₂ + S₂₃)). Für ein an dem abgeglichenen Port 320 angelegtes Gleichtaktsignal wird ein Wert in der Nähe von Null benötigt, was von dem Balun 300A an der Ziel-Entwurfsfrequenz von 2140 GHz erfüllt wird. Außerdem ist der Rückwärtsverlust in dB des abgeglichenen Ports 320 für den Differentialbetrieb als dB(0,5·(S₃₃ + S₂₂) – 0,5·(S₃₂ + S₂₃)) bestimmt. Für praktische Balun-Schaltkreise ist typischerweise etwa –12 dB für ein an dem abgeglichenen Port 320 angelegtes Differentialbetriebssignal, was von dem Balun 300A bei der Ziel-Entwurfsfrequenz von 2140 GHz erfüllt wird. Allgemein gilt hinsichtlich des Rückwärtsverlusts des Differentialbetriebs an dem abgeglichenen Port 320, dass je niedriger der Wert des Rückwärtsverlusts, ausgedrückt in dB, ist, desto besser ist die Leistungsfähigkeit des Balun 300A. Die Kurve 508 in 6G zeigt, dass der Rückwärtsverlust sich in einer idealisierten Simulation bei der Ziel-Entwurfsfrequenz an unendlich annähert.
Wie oben erwähnt, können die Baluns gemäß der verschiedenartigen Ausführungsformen mit irgendeiner Mehrzahl von RF Schaltkreise implementiert werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Lehren abzuweichen. Beispielsweise können die Baluns dazu ausgelegt werden, single-ended Signale von einem Filter, einschließlich Punkt-Filtern und Filtern in Multiplexer-Schaltkreisen, wie etwa Duplexer, Triplexer, Quadplexer, Quintplexer und dergleichen umzuwandeln. Die RF Schaltkreise, in denen die Balune implementiert sind, können auch Verstärker-Schaltkreise umfassen, wie etwa Gegentakt-Verstärker, wie nachfolgend mit Verweis auf 7 besprochen wird. Außerdem und wie oben erwähnt, sind die Baluns gemäß der verschiedenen Ausführungsformen in der Lage, Betriebsmodi in beiden Richtungen, unabgeglichene in abgeglichene Signale ebenso wie abgeglichene in unabgeglichene Signale, umzuwandeln.
Ebenfalls wie oben erwähnt, können die Balune gemäß der verschiedenartigen Ausführungsformen als alleinstehende Geräte (z. B. unter Verwendung von SMD-Komponenten) implementiert werden, oder sie können mit den RF Schaltkreisen integriert sein. Die RF Schaltkreise können beispielsweise aus einem Chip oder mehreren Chips, einem Gehäuse und/oder einem einzelnen oder mehreren Schichten von Substraten bestehen. In verschiedenartigen Implementierungen können die Chips der RF Schaltkreise Filter-Chips (z. B. einschließlich mehrfache akustische Resonatoren) und/oder Verstärker-Chips (z. B. einschließlich mehrfache Transistoren) umfassen. In einer integrierten Konfiguration mit dem RF Schaltkreis kann das Balun in einem Chip, in einem Gehäuse, in einem einzelnen oder mehrlagigen Substrat, auf der Oberseite eines Substrats (z. B. unter Verwendung von SMDs) oder in verschiedenartigen Kombinationen hieraus implementiert werden.
7 ist ein vereinfachtes Schaltbild, das einen mehrere Baluns umfassenden Gegentakt-Verstärker gemäß einer repräsentativen Ausführungsform veranschaulicht. Wie oben erwähnt, benötigt eine derartige Anwendung Gleichstrom(DC)-Versorgungs-Fähigkeit, daher ist jeder der mehreren Baluns in dem gezeigten Beispiel ein für eine Gleichstrom-Versorgung ausgelegter Balun 300B ist.
Mit Verweis auf 7 umfasst der Gegentakt-Verstärker 600 einen ersten und einen zweiten Balun 300B-1 und 300B-2, von denen jeder so ausgebildet ist, wie das oben mit Verweis auf 3B besprochen wurde. Das heißt, das erste Balun 300B-1 umfasst einen ersten Kondensator 311-1, der zwischen einem single-ended Anschluss 301-1 eines unabgeglichenen Ports 310-1 und einem internen Knoten 315-1, der zwischen einem Induktor 314-1 und einem dritten Kondensator 313-1 angeordnet ist, verbunden ist. Der Induktor 314-1 ist zwischen dem internen Knoten 315-1 und einem ersten differentiellen Knoten 302-1 des abgeglichenen Ports 320-1 verbunden. Der zweite Kondensator 312-1 ist zwischen dem ersten differentiellen Knoten 301-1 und Masse verbunden. Der dritte Kondensator 313-1 ist zwischen dem internen Knoten 315-1 und einem zweiten differentiellen Knoten 303-1 des abgeglichenen Ports 320-1 verbunden. Ein Bypass-Induktor 318-1 ist parallel zu dem dritten Kondensator 313-1 zwischen dem internen Knoten 315-1 und dem zweiten differentiellen Knoten 303-1 verbunden. In ähnlicher Weise umfasst das zweite Balun 300B-2 einen ersten Kondensator 312-2, der zwischen einem single-ended Anschluss 301-2 eines unabgeglichenen Ports 310-2 und einem internen Knoten 315-2, der zwischen einem Induktor 314-2 und einem dritten Kondensator 313-2 angeordnet ist, verbunden ist. Der Induktor 314-2 ist zwischen dem internen Knoten 315-2 und einem ersten differentiellen Knoten 302-2 des abgeglichenen Ports 320-2 verbunden. Ein zweiter Kondensator 312-2 ist zwischen dem ersten differentiellen Knoten 302-2 und Masse verbunden. Der dritte Kondensator 313-2 ist zwischen dem internen Knoten 315-2 und einem zweiten differentiellen Knoten 303-2 des abgeglichenen Ports 320-2 verbunden. Ein Bypass-Induktor 318-2 ist parallel zu dem dritten Kondensator 313-2 zwischen dem internen Knoten 315-2 und dem zweiten differentiellen Knoten 303-2 verbunden.
Der Gegentakt-Verstärker 600 umfasst ferner einen ersten und einen zweiten Transistor 610 und 620, die mit den abgeglichenen Ports 320-1 und 320-2 des ersten und des zweiten Baluns 300B-1 und 300B-2 verbunden sind. Beispielsweise ist der erste Transistor 610 als ein Bipolar-Transistor (BJT) mit einer Basis, die mit dem ersten differentiellen Knoten 302-1 verbunden ist, einem Kollektor, der mit dem ersten differentiellen Knoten 302-2 verbunden ist, und einem Emitter, der mit Masse verbunden ist, dargestellt und der zweite Transistor 620 ist als ein BJT mit einer Basis, die mit dem zweiten differentiellen Knoten 303-1 (und folglich mit dem Bypass-Induktor 318-1 verbunden ist), einem Kollektor, der mit dem zweiten differentiellen Knoten 303-2 (und folglich mit dem Bypass-Induktor 318-2 verbunden ist) und einem mit Masse verbundenen Emitter dargestellt. Obwohl sie als BJT vom NPN Typ dargestellt sind, wird verstanden, dass der erste und der zweite Transistor 610 und 620 als andere Arten von Transistoren implementiert sein können, wie etwa BJTs vom PNP Typ, oder verschiedenartige Arten von Feldeffekt-Transistoren (FETs), ohne vom Umfang der vorliegenden Lehren abzuweichen.
Eine erste Gleichstrom-Versorgung wird für den ersten Balun 300B-1 mittels einer Gleichstrom-Spannungsquelle 633, die mit dem Gleichstrom-Zuführungskontakt 308-1 des ersten Balun 300B-1 über einen ersten Versorgungsinduktor 631 verbunden ist, bereitgestellt. Ein erster Blockierkondensator 632 ist zwischen dem ersten Versorgungsinduktor 631 und Masse verbunden. Zusätzliche Kondensatoren (nicht gezeigt) können parallel zu dem ersten Blockierkondensator 632 umfasst sein, um die Unterdrückung von ungewünschten Oszillationen, die von dem Gleichstrom-Pfad kommen, zu verbessern. In gleicher Art ist eine zweite Gleichstrom-Versorgung für den zweiten Balun 300B-2 mittels der Gleichstrom-Spannungsquelle 643, die mit dem Gleichstrom-Versorgungskontakt 308-2 des zweiten Balun 300B-2 über einen zweiten Versorgungsinduktor 641 verbunden ist, bereitgestellt. Ein zweiter Blockierkondensator 642 ist zwischen dem zweiten Versorgungsinduktor 641 und Masse verbunden. Zusätzliche Kondensatoren (nicht gezeigt) können parallel mit dem zweiten Blockierkondensator 642 umfasst sein, um die Unterdrückung von ungewünschten Oszillationen, die von dem Gleichstrompfad kommen, zu verbessern. Somit stellt der Gegentakt-Verstärker 600 ein Beispiel für eine Konfiguration dar, in der die Anwendung von Baluns eine Gleichstrom-Versorgungsfähigkeit erfordert.
Durchgängig durch die Offenbarung können die Frequenz der Signale und/oder die realen/komplexen Portimpedanzen, und folglich die entsprechenden Werte der LC-Komponenten, variieren, um einzigartige Vorteile für irgendeine bestimmte Situation bereitzustellen oder um anwendungsspezifische Entwurfserfordernisse von verschiedenen Implementierungen zu erfüllen.
Die verschiedenen Komponenten, Materialien, Strukturen und Parameter sind als Veranschaulichung und lediglich als Beispiel und nicht in irgendeinem begrenzenden Sinn umfasst. Im Hinblick auf diese Offenbarung können die Fachleute die vorliegende Lehre implementieren, indem sie ihre eigenen Anwendungen und ebenso die erforderlichen Komponenten, Materialien, Strukturen und Ausstattung bestimmen, um diese Anwendungen zu implementieren, wobei sie innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche bleiben.

Claims

Ein Balun, aufweisend: einen unabgeglichenen Port, der dazu ausgelegt ist, ein single-ended Signal anzulegen, einen ersten Kondensator, der zwischen dem unabgeglichenen Port und einem internen Knoten verbunden ist, einen Induktor, der zwischen dem internen Knoten und einem ersten differentiellen Anschluss eines abgeglichenen Ports verbunden ist, einen zweiten Kondensator, der zwischen dem ersten differentiellen Anschluss und Masse verbunden ist, und einen dritten Kondensator, der zwischen dem internen Knoten und einem zweiten differentiellen Anschluss des abgeglichenen Ports verbunden ist.
Das Balun gemäß Anspruch 1, wobei das single-ended Signal ein Radio-Frequenz(RF)-Signal umfasst, das von einem unabgeglichenen Port eines RF-Schaltkreises, der zumindest eines aus den Folgenden: ein Chip, ein Gerätegehäuse, insbesondere ein Deckel, und ein Substrat umfasst, bereitgestellt wird.
Das Balun gemäß Anspruch 2, wobei die RF-Schaltung mindestens einen Filter-Chip umfasst, der eine Mehrzahl von akustischen Resonatoren oder eine Antennenschaltung umfasst.
Das Balun gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei mindestens einer der Folgenden: der erste Kondensator, der zweite Kondensator, der dritte Kondensator und der Induktor in oder auf dem zumindest einem aus den Folgenden: der Chip, das Gerätegehäuse, insbesondere der Deckel, und das Substrat des RF Schaltkreises implementiert ist.
Das Balun gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Induktor und der dritte Kondensator einen ersten Resonanz-Serien-LC-Schaltkreis ausbilden, der den abgeglichenen Port bereitstellt, und der erste Kondensator, der Induktor und der zweite Kondensator einen zweiten Resonanz-Serien-LC-Schaltkreis ausbilden, der den unabgeglichenen Port bereitstellt.
Das Balun gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei: ein dritter Kapazitätswert C3 des dritten Kondensators im Wesentlichen wie folgt bestimmt ist:
ein zweiter Kapazitätswert C2 des zweiten Kondensators im Wesentlichen gleich zweimal der dritte Kapazitätswert C3 ist, ein erster Kapazitätswert C1 des ersten Kondensators im Wesentlichen gleich dem zweiten Kapazitätswert C2 ist, und ein Induktanzwert L1 des Induktors im Wesentlichen wie folgt bestimmt ist: L1 = 1 / ω² × C3, wobei f eine Ziel-Entwurfsfrequenz des Baluns ist, die von der Betriebsfrequenz einer Anwendung abhängt, ω gleich 2πf ist, Ra eine Referenzimpedanz des unabgeglichenen Ports in Bezug auf Masse und Rb eine Referenzimpedanz von sowohl dem ersten als auch dem zweiten differentiellen Anschluss des abgeglichenen Ports ist, wobei sowohl der erste als auch der zweite differentielle Anschluss auf Masse bezogen sind.
Das Balun gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der erste Kondensator als ein Gleichstrom(DC)-Block arbeitet.
Das Balun gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner aufweisend: einen Bypass-Induktor, der parallel zu dem dritten Kondensator zwischen dem internen Knoten und dem zweiten differentiellen Anschluss verbunden ist, wobei der Bypass-Induktor eine Gleichstrom(DC)-Versorgung über einen Gleichstrom(DC)-Versorgungskontakt ermöglicht.
Ein Gegentakt-Verstärkerschaltkreis, aufweisend: mindestens einen Balun gemäß Anspruch 8, einen ersten Transistor, der mit dem ersten differentiellen Anschluss des abgeglichenen Ports des mindestens einen Balun verbunden ist, einen zweiten Transistor, der mit dem zweiten differentiellen Anschluss des abgeglichenen Ports des zumindest einen Balun verbunden ist, einen Versorgungsinduktor, der in Serie zwischen einer Gleichstrom(DC)-Spannungsquelle und dem Gleichstrom(DC)-Versorgungskontakt des mindestens einen Balun verbunden ist, und mindestens einen Blockierkondensator, der zwischen dem Versorgungsinduktor und Masse verbunden ist.
Ein Balun, aufweisend: einen unabgeglichenen Port, der dazu ausgebildet ist, ein single-ended Signal anzulegen, einen ersten Induktor, der zwischen dem unabgeglichenen Port und einem internen Knoten verbunden ist, einen Kondensator, der zwischen dem internen Knoten und einem ersten differentiellen Anschluss eines abgeglichenen Ports verbunden ist, einen zweiten Induktor, der zwischen dem ersten differentiellen Anschluss und Masse verbunden ist, und einen dritten Induktor, der zwischen dem internen Knoten und einem zweiten differentiellen Anschluss des abgeglichenen Ports verbunden ist.
Das Balun gemäß Anspruch 10, wobei das single-ended Signal ein Radiofrequenz(RF)-Signal umfasst, das von einem unabgeglichenen Port eines RF Schaltkreises, der mindestens eines der Folgenden: ein Chip, ein Gerätegehäuse, insbesondere ein Deckel, und ein Substrat umfasst, bereitgestellt ist.
Das Balun gemäß Anspruch 11, wobei der RF Schaltkreis mindestens einen Filter-Chip umfasst, der eine Mehrzahl von akustischen Resonatoren umfasst.
Das Balun gemäß Anspruch 11 oder 12, wobei zumindest einer aus den Folgenden: der erste Induktor, der zweite Induktor, der dritte Induktor und der Kondensator in oder auf dem mindestens einen aus den Folgenden: der Chip, das Gerätegehäuse, insbesondere der Deckel, und das Substrat des RF Schaltkreises implementiert ist.
Das Balun gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei der Kondensator und der dritte Induktor einen ersten Resonanz-Serien-LC-Schaltkreis ausbilden, der den abgeglichenen Port bereitstellt, und der erste Induktor, der Kondensator und der zweite Induktor einen zweiten Resonanz-Serien-LC-Schaltkreis ausbilden, der den single-ended Port bereitstellt.
Das Balun gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei: ein dritter Induktanzwert L3 des dritten Induktors im Wesentlichen wie folgt bestimmt ist:
ein Kapazitätswert C1 des Kondensators im Wesentlichen wie folgt bestimmt ist: C1 = 1 / ω² × L3 ein zweiter Induktanzwert L2 des zweiten Induktors im Wesentlichen wie folgt bestimmt ist: L2 = 1 / 2ω² × C1, und ein erster Induktanzwert L1 des ersten Induktors im Wesentlichen gleich dem zweiten Induktanzwert L2 ist, wobei f die Soll-Entwurfs-Frequenz des Baluns ist, die von einer Betriebsfrequenz einer Anwendung abhängt, ω gleich 2πf ist, Ra eine Referenzimpedanz des unabgeglichenen Ports in Bezug auf Masse ist, und Rb eine Referenzimpedanz von sowohl dem ersten als auch dem zweiten differentiellen Anschluss des abgeglichenen Ports ist, wobei sowohl der erste als auch der zweite differentielle Anschluss auf Masse bezogen sind.
Das Balun gemäß einem der Ansprüche 10 bis 15, ferner aufweisend: einen Bypass-Induktor, der parallel zu dem Kondensator zwischen dem internen Knoten und dem ersten differentiellen Anschluss verbunden ist, wobei der Bypass-Induktor eine Gleichstrom(DC)-Versorgung über einen Gleichstrom(DC)-Versorgungskontakt ermöglicht.
Ein Gegentakt-Verstärkerschaltkreis, aufweisend: mindestens einen Balun gemäß Anspruch 16, einen ersten Transistor, der mit dem ersten differentiellen Anschluss des abgeglichenen Ports des zumindest einen Baluns verbunden ist, einen zweiten Transistor, der mit dem zweiten differentiellen Anschluss des abgeglichenen Ports des mindestens einen Baluns verbunden ist, einen Versorgungsinduktor, der in Serie zwischen einer Gleichstrom(DC)-Spannungsquelle und dem Gleichstrom(DC)-Versorgungskontakt des mindestens einen Baluns verbunden ist, und mindestens einen Blockierkondensator, der zwischen dem Versorgungsinduktor und Masse verbunden ist.
Ein Balun mit vier LC Elementen, aufweisend: einen unabgeglichenen Port, der einen auf Masse bezogenen, single-ended Anschluss umfasst und dazu ausgebildet ist, ein single-ended Signal anzulegen, einen abgeglichenen Port, der einen ersten und einen zweiten differentiellen Anschluss umfasst, die dazu ausgelegt sind, ein differentielles Signal anzulegen, einen ersten Serien-Resonanz-LC-Schaltkreis, der zwischen dem ersten und dem zweiten differentiellen Anschluss verbunden ist, wobei der erste Serien-Resonanz-LC-Schaltkreis ein erstes Element einer ersten Art und ein Element einer zweiten Art, die in Serie verbunden sind, umfasst, und einen zweiten Serien-Resonanz-LC-Schaltkreis, der zwischen dem single-ended Anschluss und Masse verbunden ist, wobei der zweite Serien-Resonanz-LC-Schaltkreis ein zweites und ein drittes Element der ersten Art und das eine in Serie geschaltetes Element der zweiten Art umfasst, wobei das zweite Element der ersten Art zwischen dem single-ended Anschluss und dem einen Element der zweiten Art verbunden ist, und das dritte Element der ersten Art zwischen dem einen Element der zweiten Art und Masse verbunden ist, wobei das eine Element der zweiten Art von dem ersten und zweiten Serien-Resonanz-LC-Schaltkreis geteilt wird, und wobei der erste differentielle Anschluss zwischen dem einen Element der zweiten Art und dem dritten Element der ersten Art verbunden ist.
Das Balun gemäß Anspruch 18, wobei die erste Art eines Elements ein Kondensator und die zweite Art eines Elements ein Induktor ist.
Das Balun gemäß Anspruch 18, wobei die erste Art eines Elements ein Induktor und die zweite Art eines Elements ein Kondensator ist.
Ein Balun, aufweisend: einen unabgeglichenen Port, der dazu ausgebildet ist, ein single-ended Signal anzulegen, wobei der unabgeglichene Port einen single-ended Anschluss umfasst, der eine erste komplexe Portimpedanz hat, ein erstes Suszeptanzelement, das zwischen dem unabgeglichenen Port und einem internen Knoten verbunden ist, wobei das erste Suszeptanzelement ein physikalisch realisierbares LC Element umfasst, ein Reaktanzelement, das zwischen dem internen Knoten und einem ersten differentiellen Anschluss eines abgeglichenen Ports verbunden ist, wobei der abgeglichenen Port differentielle Anschlüsse umfasst, die jeweils eine zweite komplexe Portimpedanz haben, ein zweites Suszeptanzelement, das zwischen dem ersten differentiellen Anschluss und Masse verbunden ist, und ein drittes Suszeptanzelement, das zwischen dem internen Knoten und einem zweiten differentiellen Anschluss des abgeglichenen Ports verbunden ist.
Das Balun gemäß Anspruch 21, wobei ein dritter Suszeptanzwert B3 im Wesentlichen wie folgt bestimmt ist:
ein Reaktanzwert X0 im Wesentlichen gleich dem Kehrwert des dritten Suszeptanzwerts B3 ist, ein zweiter Suszeptanzwert B2 im Wesentlichen gleich zweimal dem dritten Suszeptanzwert B3 ist, und ein erster Suszeptanzwert B1 im Wesentlichen gleich einem Negativen des Kehrwerts eines ersten Reaktanzwerts X1 ist, wobei der erste Reaktanzwert X1 im Wesentlichen wie folgt bestimmt ist: X1 = – 1 / B2 – Im(Yb) / B2 × B3 – Im(Za), wobei Za eine Referenzimpedanz des unabgeglichenen Ports in Bezug auf Masse ist, Zb eine Referenzimpedanz von sowohl dem ersten als auch dem zweiten differentiellen Anschluss des abgeglichenen Ports ist, wobei sowohl der erste als auch der zweite differentielle Anschluss auf Masse bezogen sind, Yb gleich dem Kehrwert von Zb ist, und wobei Re den Realteil bezeichnet und Im den Imaginärteil bezeichnet.
Das Balun gemäß Anspruch 21, wobei ein dritter Suszeptanzwert B3 im Wesentlichen wie folgt bestimmt ist:
wobei ein Reaktanzwert X0 im Wesentlichen gleich dem Kehrwert des dritten Suszeptanzwerts B3 ist, ein zweiter Suszeptanzwert B2 im Wesentlichen gleich zweimal der dritte Suszeptanzwert B3 ist, und ein erster Suszeptanzwert B1 im Wesentlichen gleich einem Negativen des Kehrwerts eines ersten Reaktanzwerts X1 ist, wobei der erste Reaktanzwert X1 im Wesentlichen wie folgt bestimmt ist: X1 = – 1 / B2 – Im(Yb) / B2 × B3 – Im(Za), wobei Za eine Referenzimpedanz des unabgeglichenen Ports in Bezug auf Masse ist, Zb eine Referenzimpedanz von sowohl dem ersten als auch dem zweiten differentiellen Anschluss des abgeglichenen Ports ist, wobei sowohl der erste als auch der zweite differentielle Anschluss auf Masse bezogen sind, Yb gleich dem Kehrwert von Zb ist, und wobei Re einen Realteil und Im einen Imaginärteil bezeichnet.