TWI487184B - 效能平衡-非平衡轉換器 - Google Patents

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TWI487184B TW097105437A TW97105437A TWI487184B TW I487184 B TWI487184 B TW I487184B TW 097105437 A TW097105437 A TW 097105437A TW 97105437 A TW97105437 A TW 97105437A TW I487184 B TWI487184 B TW I487184B
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Description

效能平衡－非平衡轉換器
本發明係有關於平衡－非平衡轉換器(balun)之相關技術。
平衡－非平衡轉換器(balun)為轉換於平衡及非平衡電性信號之間的電子裝置。平衡－非平衡轉換器典型用於達成系統間之相容性。它們常用於現代通訊系統中，尤其係於手機及資料傳輸網路中之頻率轉換混合器中。
傳統上，藉由利用單極雙通(SPDT)開關來實現與平衡－非平衡轉換器關聯的傳送/接收雙工。此架構仰賴經過開關之低損耗來達成有效率之無線電傳輸。然而，將SPDT開關放置於RF信號的通過路徑中正常會有一些通過損耗。
相關技藝的上述範例及有關之限制僅意圖為例示性而非窮舉性。對熟悉此技藝者而言，在閱讀本說明書及研讀圖示後，相關技藝的其他限制為顯而易見者。
連同意圖為範例及說明性而非範圍限制性的系統、工具、及方法描述下列實施例及其之態樣。在各種實施例中，已減少或排除上述問題之一或更多，而其他實施例有關於其他改善。
有效率之平衡－非平衡轉換器雙工的技術包括提供經過平衡－非平衡轉換器之無開關路徑。在接收模式中，堵住傳送路徑並將信號導向無開關接收路徑。在傳送模式中，堵住接收路徑並將信號導向無開關傳送路徑。
此說明書中的說明描述此技術以及實施此技術的系統範例。
在下列說明中，提出各種特定細節以提供主張專利權之標的物的範例之了解。然而，熟悉相關技藝者將理解到可排除特定細節之一或更多或與其他構件結合等等。在其他範例中，並未詳細顯示或描述眾所周知的實施方式或操作，以避免模糊主張專利權之標的物的態樣。
第1圖描繪TX/RX雙工平衡－非平衡轉換器(balun)系統100之一範例。雙工平衡－非平衡轉換器系統100包括共同埠102、第一共同傳輸線104、第二共同傳輸線106、接收器埠108、第一接收(RX)傳輸線110、第二RX傳輸線112、開關114、傳送器埠116、開關118、第一傳送(TX)傳輸線120、及第二TX傳輸線122。第1圖之範例中所描繪的構件可統稱為平衡－非平衡轉換器，雖然額外的構件可視為平衡－非平衡轉換器的一部分，以及可省略某些構件只要留下相關的功能。
雙工平衡－非平衡轉換器系統100的一項優點為平衡－非平衡轉換器構件有效率，因為信號不通過與平衡－非平 衡轉換器關聯的開關。再者，系統簡單到應足以在單一CMOS晶粒上連同其他收發器構件一起加以實施。
在第1圖的範例中，共同埠102可稱為非平衡埠。在無線實施例中，共同埠102典型耦合至天線(未顯示)，可透過其接收及傳送射頻(RF)信號。帶通瀘波器經常，但非必要，耦合在天線與共同埠102之間。功能上，BPF亦可出現在傳送器、低雜訊放大器(LNA)、功率放大器(PA)或其他構件中。
在第1圖的範例中，第一共同傳輸線104及第二共同傳輸線106可包括1/4波長傳輸線。雖共同傳輸線104及106描繪成不同的構件，可將共同傳輸線104及106實施為單體結構(亦即，具有所示功能的單一傳輸線)。在任何情況中，第一共同傳輸線104係界定為在共同埠102及虛擬接地124之間的傳輸線(或該傳輸線的一部分)；第二共同傳輸線106係界定為在虛擬接地124之後的傳輸線(或該傳輸線的一部分)。如第1圖之範例中的箭頭所示，電流從共同埠102流經第一共同傳輸線104、經過虛擬接地124、及經過第二共同傳輸線106。參照RX及TX傳輸線討論此電流的意義。
在第1圖的範例中，第一RX傳輸線110及第二RX傳輸線112可包括1/4波長傳輸線。雖RX傳輸線110及112描繪成不同的構件，可將RX傳輸線110及112實施為單體結構(亦即，具有所示功能的單一傳輸線)。在任何情況中，第一RX傳輸線110係界定為在RX埠108的 負極終端及接地之間的傳輸線(或該傳輸線的一部分)；第二RX傳輸線112係界定為在RX埠108的正極終端及接地之間的傳輸線(或該傳輸線的一部分)；或反之亦然。如第1圖之範例中的箭頭所示，電流從RX埠108的負極終端流經第一RX傳輸線110到接地，以及從接地經過第二RX傳輸線112到RX埠108的正極終端。
在第1圖的範例中，開關114顯示成在開啟位置中，其導致上述參照RX傳輸線110及112所述之電流流向。應注意到關閉開關114會使RX傳輸線110及112呈現出高阻抗。將參照RX及TX狀態於後描述。開關114可包括得致能開關功能的任何已知或方便的構件，包括但不限於一或更多電晶體。
在第1圖的範例中，TX埠116包括兩終端：正極及負極。為了說明，如第1圖中的箭頭所示，可導出TX埠116的正極及負極終端，因為電流朝正極終端流去。
在第1圖的範例中，第一TX傳輸線118及第二TX傳輸線120可包括1/4波長傳輸線。雖TX傳輸線118及120描繪成不同的構件，可將TX傳輸線118及120實施為單體結構(亦即，具有所示功能的單一傳輸線)。在任何情況中，第一TX傳輸線118係界定為在TX埠116的負極終端及接地之間的傳輸線(或該傳輸線的一部分)；第二TX傳輸線120係界定為在TX埠116的正極終端及接地之間的傳輸線(或該傳輸線的一部分)；或反之亦然。如第1圖之範例中的箭頭所示，電流從TX埠116的負 極終端流經第一TX傳輸線118到接地，以及從接地經過第二TX傳輸線120到TX埠116的正極終端。
在第1圖的範例中，開關122顯示成在開啟位置中，其導致上述參照TX傳輸線118及120所述之電流流向。應注意到關閉開關122會使TX傳輸線118及120呈現出高阻抗。將參照RX及TX狀態於後描述。開關122可包括得致能開關功能的任何已知或方便的構件，包括但不限於一或更多電晶體。
如前述，第1圖描繪在開啟位置中之開關114及122。當開關114及122皆在開啟位置中時，系統100可稱為在TX/RX模式中。亦即，系統100能夠同時TX/RX。一般而言，此模式在實施時需要一些注意。詳言之，LNA不能變成飽和，此在功率太大、濾波器不足以保護LNA變飽和或其他原因時可能會發生。
在TX模式中，開關114為關閉，但開關122為開啟。如前述，這會造成RX傳輸線110及112呈現高阻抗負載。當此發生時，來自TX埠116的信號，遵守法柆第定律，會被導向共同埠102。詳言之，平衡的TX電流會在共同(非平衡)埠上感應信號。TX信號亦會在RX傳輸線上感應電流。非平衡傳輸線上的電流會在RX傳輸線上感應電流，但在不同方向中。由開關114短路的節點實際上變成電流抵消節點，使RX傳輸線對其餘的結構有最小負載效應。由於信號被引導，其無需通過開關。有利地，引導信號免除與使信號通過開關有關的損耗。
在RX模式中，開關114為開啟，但開關122為關閉。如前述，這會造成TX傳輸線118及120呈現高阻抗負載。當此發生時，來自共同埠102的信號，遵守法柆第定律，會被導向RX埠108。由開關122短路的節點實際上變成電流抵消節點，使RX傳輸線對其餘的結構有最小負載效應。電流抵消模式在平衡－非平衡轉換器的操作頻率呈現高阻抗，並且為其餘的電路帶來最小負載效應。由於信號被引導，其無需通過開關。有利地，引導信號免除與使信號通過開關有關的損耗。
從此說明很明顯地，控制電路(未圖示)藉由用已知或方便之方式開啟或關閉開關114及122而將系統100設定成任何模式。雙工平衡－非平衡轉換器在短路RX埠時作為TX平衡－非平衡轉換器，以及在短路TX埠時作為RX平衡－非平衡轉換器，以及在沒有短路任一埠時作為同時TX/RX平衡－非平衡轉換器。短路兩埠一般會導致關閉狀態，其可或可不被視為「有用的」狀態。
第2圖描繪可用於TX/RX雙工平衡－非平衡轉換器中之傳輸線200的一範例。舉例而言，傳輸線為交疊傳輸線。在第2圖的範例中，由於頗難辨明傳輸線200，於第3圖的範例中分開描繪傳輸線200之部分。在第3圖的範例中，可見到傳送交疊傳輸線302、共同交疊傳輸線304、及接收交疊傳輸線306的範例。
第4圖描繪TX/RX格柵平衡－非平衡轉換器400的一範例。概念上，TX/RX格柵平衡－非平衡轉換器400與參 照第1圖所述的平衡－非平衡轉換器類似。詳言之，當開關1在關閉狀態而開關2為開啟，平行LC槽L2/C2及L4/C4在操作頻率共振，並且對共同埠呈現高阻抗負載。在此狀態中，在共同埠出現的任何信號會被導向接收埠。當開關2關閉而開關1開啟，平行LC槽L1/C1及L3/C3在操作頻率共振，並且對共同埠呈現高阻抗負載。在此狀態中，在共同埠出現的任何信號會被導向傳送埠。
第5圖描繪具有雙TX埠開關之TX/RX平衡－非平衡轉換器系統500的一範例。第5圖與第1圖類似(在此不再描述類似構件)。TX/RX平衡－非平衡轉換器系統500包括雙TX埠開關502及504(取代第1圖的開關122)。當開關502及504皆在開啟狀態而開關514關閉時，電路在TX模式中操作。當開關514打開而開關502及504在關閉狀態中時，發生RX操作。具有雙埠開關的電路之基本操作與原始電路相同，但加上各開關可受到「半」差動電壓擺動的優點。這可導致較小裝置，因此較少寄生負載。雙開關實施例可應用至兩埠之一或兩者。
第6圖描繪TX/RX雙工平衡－非平衡轉換器的功能圖600。在第6圖的範例中，共同埠602、RX埠604、及TX埠606描繪成互相連接的管線。資料從共同埠602通過管線到RX埠604，或從TX埠606到共同埠602。概念上，當共同埠602發送資料至RX埠604時，若TX埠606為開啟，會有一些經過TX埠606的損耗。然而，若當共同埠602發送資料至RX埠604時堵住TX埠，可減少或排 除損耗。同樣的情形亦在當從TX埠606發送資料至共同埠602時若堵住RX埠604時發生。
第7圖描繪在接收模式中TX/RX雙工之方法的一範例之一流程圖700。雖此圖為了說明而以特定順序描述功能模組，程序不限於任何特定順序或配置。熟悉相關技藝者可理解到可省略、重新配置、結合及/或以各種方式修改在此圖中描繪的各個模組。
在第7圖的範例中，流程圖700在模組702開始，其中堵住傳送埠。可藉由使傳送埠共振出電路之外來堵住傳送埠。例如，可將傳送路徑切換至接地，藉此將傳送路徑呈現為高阻抗負載。
在第7圖的範例中，流程圖進至模組704，其中呈現信號至共同埠。例如，可在操作上連接至共同埠的天線上接收信號。
在第7圖的範例中，流程圖進至模組706，其中將信號導向接收埠。若傳送路徑呈現為高阻抗負載，信號可更有效地導向與接收路徑及傳速路徑兩者耦合之共同傳輸線。由於信號被導向，無需傳送信號通過例如SPDT，其在當允許信號沿著路徑時為關閉。因此，可言著無開關的路徑將信號導向接收埠。
第8圖描繪在傳送模式中TX/RX雙工之方法的一範例之一流程圖800。在第8圖的範例中，流程圖800在模組802開始，其中堵住接收埠、進至模組804，其中在傳送埠呈現信號、及在模組806將信號導至共同埠後結束。
在此描述的系統可實施於許多可能的硬體、韌體、及軟體系統之任一者上。典型地，可在矽晶片上的硬體中實施諸如在此描述的那些系統。在硬體中實施在此所述的演算法，例如但不限於RTL編碼。然而，可有其他的實施例。特定實施例對於在此描述之技術及主張專利權之標的物之了解並非關鍵性。
為了進一步改善性能，可增加迴路返回校準或預先扭曲。可個別或結合地使用這兩種技術以潛在地改善系統性能。
可與在此描述的放大器一起使用其他已知或方便之放大器效能增進技術。例如，放大器之供應電壓的包跡(envelop)追蹤。作為另一範例，針對MOS放大器，藉由動態偏壓閘極而改善效能之技術。類似地，可動態偏壓BJT放大器基極。可使用功率放大器的這些效能改善技術來獲得更佳性能。
如此所用，「實施例」一詞意指用來舉例性而非限制性說明之實施例。
熟悉該項技藝者應理解到前述之範例及實施例僅為範例性而非本發明之範疇的限制。熟悉該項技藝者在閱讀本說明書及研讀圖示後顯而易知的所有其之變異、改進、等效者、及改良應包括在本發明之真實精神與範疇內。因此，下列所附之申請專利範圍應包括若入本發明之真實精神與範疇內之所有此種變更、變異、及等效者。
100‧‧‧平衡－非平衡轉換器(balun)系統
102‧‧‧共同埠
104‧‧‧第一共同傳輸線
106‧‧‧第二共同傳輸線
108‧‧‧接收器埠
110‧‧‧第一接收(RX)傳輸線
112‧‧‧第二RX傳輸線
114‧‧‧開關
116‧‧‧傳送器埠
118‧‧‧開關
120‧‧‧第一傳送(TX)傳輸線
122‧‧‧第二TX傳輸線
124‧‧‧虛擬接地
200‧‧‧傳輸線
302‧‧‧傳送交疊傳輸線
304‧‧‧共同交疊傳輸線
306‧‧‧接收交疊傳輸線
500‧‧‧TX/RX平衡－非平衡轉換器系統
502、504‧‧‧雙TX埠開關
514‧‧‧開關
600‧‧‧功能圖
602‧‧‧共同埠
604‧‧‧RX埠
606‧‧‧TX埠
700、800‧‧‧流程圖
圖中描述主張專利權之標的物之一範例。
第1圖描繪TX/RX雙工平衡－非平衡轉換器系統之一範例。
第2及3圖描繪可用於TX/RX雙工平衡－非平衡轉換器中之傳輸線的一範例。
第4圖描繪TX/RX格柵平衡－非平衡轉換器的一範例。
第5圖描繪具有雙埠TX開關之TX/RX雙工平衡－非平衡轉換器系統的一範例。
第6圖描繪TX/RX雙工平衡－非平衡轉換器的功能之一概念圖。
第7圖描繪在接收模式中TX/RX雙工之方法的一範例之一流程圖。
第8圖描繪在傳送模式中TX/RX雙工之方法的一範例之一流程圖。
100‧‧‧平衡－非平衡轉換器(balun)系統
102‧‧‧共同埠
104‧‧‧第一共同傳輸線
106‧‧‧第二共同傳輸線
108‧‧‧接收器埠
110‧‧‧第一接收(RX)傳輸線
112‧‧‧第二RX傳輸線
114‧‧‧開關
116‧‧‧傳送器埠
118‧‧‧開關
120‧‧‧第一傳送(TX)傳輸線
122‧‧‧第二TX傳輸線
124‧‧‧虛擬接地

Claims (9)

  1. 一種包括平衡-非平衡轉換器(balun)之裝置，包含：共同傳輸線，其兩相對端之一者係定義為非平衡共同埠；電磁耦合至該共同傳輸線之第一對傳輸線，具有耦合至接地的相對端以及定義一平衡傳送埠之正極與負極終端的鄰近端；耦合至該第一對傳輸線的該平衡傳送埠之該正極與負極終端之傳送(TX)切換模組；電磁耦合至該共同傳輸線之第二對傳輸線，具有耦合至接地的相對端以及定義一平衡接收埠之正極與負極終端的鄰近端；以及耦合至該第二對傳輸線的該平衡接收埠之該正極與負極終端之接收(RX)切換模組；其中，在操作中，在接收狀態中，該RX切換模組為開啟而該TX切換模組為關閉，藉以該第一對傳輸線的該平衡傳送埠呈現高阻抗負載，以及進入該非平衡共同埠之接收信號將不通過該RX切換模組而在該第二對傳輸線的該平衡接收埠中感應電流；在傳送狀態中，該TX切換模組為開啟而該RX切換模組為關閉，藉以該第二對傳輸線的該平衡接收埠呈現高阻抗負載，以及進入該平衡傳送埠之傳送信號將不通過該 TX切換模組而在該非平衡共同埠中感應電流。
  2. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該共同傳輸線包含一對1/4波長傳輸線。
  3. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該第一對傳輸線以及該第二對傳輸線各包含一對1/4波長傳輸線。
  4. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該共同傳輸線包含共同交疊傳輸線。
  5. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該共同傳輸線包含單體結構。
  6. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該TX切換模組包括第一開關及第二開關，以及其中當該第一開關及該第二開關皆為開啟時，該TX切換模組為開啟，以及當該第一開關及該第二開關皆為關閉時，該TX切換模組為關閉。
  7. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該傳送及接收信號各自包括射頻(RF)信號。
  8. 一種通訊系統，包含：天線；傳送器；接收器；以及雙工平衡-非平衡轉換器(balun)，包含：共同傳輸線，其兩相對端之一者係定義為耦合至該天線之非平衡共同埠；電磁耦合至該共同傳輸線之第一對傳輸線，具有耦合 至接地的相對端以及定義一耦合至該傳送器之平衡傳送埠之正極與負極終端的鄰近端；耦合至該第一對傳輸線的該平衡傳送埠之該正極與負極終端之傳送(TX)切換模組；電磁耦合至該共同傳輸線之第二對傳輸線，具有耦合至接地的相對端以及定義一耦合至該接收器的平衡接收埠之正極與負極終端的鄰近端；以及耦合至該第二對傳輸線的該平衡接收埠之該正極與負極終端之接收(RX)切換模組；其中，在操作中，在接收模式中，該RX切換模組為開啟而該TX切換模組為關閉，藉以該第一對傳輸線的該平衡傳送埠呈現高阻抗負載，以及進入該非平衡共同埠之接收信號將不通過該RX切換模組而在該平衡接收埠中感應電流；在傳送狀態中，該TX切換模組為開啟而該RX切換模組為關閉，藉以該第二對傳輸線的該平衡接收埠呈現高阻抗負載，以及進入該平衡傳送埠之傳送信號將不通過該TX切換模組而在該共同傳輸線之非平衡共同埠中感應電流。
  9. 如申請專利範圍第8項之系統，進一步包含從該天線至該傳送器以及從該天線至該接收器之無開關信號路徑。
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