TWI545893B

TWI545893B - 巴倫器

Info

Publication number: TWI545893B
Application number: TW103120107A
Authority: TW
Inventors: 馬自莊; 吳宜隆
Original assignee: 國立臺灣科技大學
Priority date: 2014-04-07
Filing date: 2014-06-10
Publication date: 2016-08-11
Also published as: US9391584B2; US20150288343A1; TW201613264A

Description

巴倫器

本發明是有關於一種巴倫器，且特別是有關於一種非耦合式巴倫器。

一般而言，巴倫器用於不平衡訊號與平衡訊號之間的轉換，亦稱為不平衡－平衡轉換器或平衡－不平衡轉換器。其中，不平衡訊號亦稱為單端訊號，平衡訊號亦稱為差動訊號。相較於單端訊號，差動訊號具較高的抗雜訊能力，故經常應用於高速資料之傳輸，例如: USB 3.0、HDMI 1.4a 等通訊協定。

傳統上，巴倫器常使用耦合電感式之設計，所述設計通常需要較多的電感元件，又電感元件通常為高頻微波電路中功率損耗最高及佔用面積最大的元件，因此如何設計具較少電感元件的巴倫器，並藉以降低功率耗損及縮小尺寸，乃為此一業界亟待解決的問題。

因此，本發明提供一種關於巴倫器，藉以降低功率耗損及縮小尺寸。

本發明實施例之一態樣係關於一種巴倫器。巴倫器用以轉換一單端訊號成一差動訊號，並包含一第一輸出埠、一第二輸出埠、一輸入埠及一匹配電路。第一輸出埠包含一第一輸出端；第二輸出埠包含一第二輸出端；輸入埠包含輸入端及輸入參考端，其中，輸入參考端電性耦接於第二輸出端，且輸入端用以接收相對於輸入參考端之單端訊號。匹配電路電性耦接於第一輸出埠、第二輸出埠及輸入埠，並用以轉換單端訊號成第一輸出埠與第二輸出埠間所輸出的差動訊號。

在一實施例中，第一輸出埠更包含一第一參考端，第二輸出埠更包含一第二參考端。第一參考端電性連接於第二參考端，第一參考端不電性連接於輸入參考端，且第一參考端及第二參考端用以提供第一輸出端及第二輸出端一參考電位。

在另一實施例中，匹配電路包含一電感、一第一電容及一第二電容。電感包含一第一端及一第二端，其中，電感之第一端電性耦接於輸入端；第一電容包含一第一端及一第二端，第一電容之第一端電性耦接於電感之第二端及第一輸出端，第一電容之第二端電性耦接於第一參考端；第二電容包含一第一端及一第二端，第二電容之第一端電性耦接於第一電容之第二端，第二電容之第二端電性耦接於第二輸出端。

在次一實施例中，匹配電路包含一第一被動元件及一第二被動元件。第一被動元件包含一第一端及一第二端，第一被動元件之第一端電性耦接於輸入端；第二被動元件包含一第一端及一第二端，第二被動元件之第一端電性耦接於第一被動元件之第二端及第一輸出端，第二被動元件之第二端電性耦接於第二輸出端。

在又一實施例中，第一被動元件為一電容或一電感，第二被動元件為一電容或一電感。

在一實施例中，匹配電路包含一第一電感、一第一電容、一第二電感以及一第二電容。第一電感包含一第一端及一第二端，第一電感之第一端電性耦接於輸入端，第一電感之第二端電性耦接於第一輸出端；第一電容並聯於第一電感；第二電感包含一第一端及一第二端，第二電感之第一端電性耦接於第一電感之第二端，第二電感之第二端電性耦接於第二輸出端；第二電容並聯於第二電感。

在另一實施例中，匹配電路包含一電容及一電感。電容包含一第一端及一第二端，電容之第一端電性耦接於輸入端，電容之第二端電性耦接於第二輸出端；電感包含一第一端及一第二端，電感之第一端電性耦接於電容之第一端，電感之第二端電性耦接於第一輸出端。

在另一實施例中，第一參考端及第二參考端不電性耦接於第三參考端。

在又一實施例中，巴倫器實作成一積體電路。

本發明實施例之另一態樣係關於一種巴倫器，巴倫器設置於一基板上並用以轉換一單端訊號成一差動訊號。巴倫器包含一輸入金屬層、一第一參考金屬層、一第一輸出金屬層、一第二輸出金屬層、一第一被動元件及一第二被動元件，第一被動元件包含一第一端及一第二端，第二被動元件包含一第一端及一第二端。輸入金屬層用以接收相對於第一參考金屬層的單端訊號；第二輸出金屬層電性耦接於第一參考金屬層；第一被動元件之第一端電性耦接於輸入金屬層，第一被動元件之第二端電性耦接於第一輸出金屬層；第二被動元件之第一端電性耦接於第一輸出金屬層，第二被動元件之第二端電性耦接於第二輸出金屬層；第一被動元件及第二被動元件用以轉換單端訊號成第一輸出金屬層與第二輸出金屬層間所輸出的差動訊號。

在一實施例中，巴倫器更包含一第二參考金屬層。第二參考金屬層用以提供第一輸出金屬層及第二輸出金屬層一參考電位。

在另一實施例中，第一參考金屬層不電性耦接於第二參考金屬層。

在次一實施例中，第一被動元件為一第一電感、一第一電容或第一電容並聯第一電感，第二被動元件為一第二電感、一第二電容或第一電容並聯第一電感。

本發明實施例之次一態樣係關於一種巴倫器，巴倫器設置於一基板上並用以轉換一單端訊號成一差動訊號。巴倫器包含一輸入金屬層、一第一參考金屬層、一第一輸出金屬層、一第二輸出金屬層、一第一被動元件及一第二被動元件，第一被動元件包含一第一端及一第二端，第二被動元件包含一第一端及一第二端。輸入金屬層用以接收相對於第一參考金屬層的單端訊號；第二輸出金屬層電性耦接於第一參考金屬層；第一被動元件之第一端電性耦接於輸入金屬層，第一被動元件之第二端電性耦接於第二輸出金屬層；第二被動元件之第一端電性耦接於輸入金屬層，第二被動元件之第二端電性耦接於第一輸出金屬層；第一被動元件及第二被動元件用以轉換單端訊號成第一輸出金屬層與第二輸出金屬層間所輸出的差動訊號。

在一實施例中，第一被動元件為一第一電感、一第一電容或第一電容並聯第一電感，第二被動元件為一第二電感、一第二電容或第一電容並聯第一電感。

以下將以實施方式對上述之說明作詳細的描述，並對本發明之技術方案提供更進一步的解釋。

為讓本揭示內容能更明顯易懂，所附符號之說明如下：

100‧‧‧巴倫器

101‧‧‧第一匹配電路

102‧‧‧第二匹配電路

103‧‧‧輸入埠

104‧‧‧第一輸出埠

105‧‧‧第二輸出埠

106‧‧‧輸入端

107‧‧‧輸入參考端

108‧‧‧第一輸出端

109‧‧‧第一參考端

110‧‧‧第二輸出端

111‧‧‧第二參考端

112‧‧‧電感

113‧‧‧電容

114‧‧‧電感

115‧‧‧電容

120‧‧‧電路

121‧‧‧輸入埠

122‧‧‧第一端

123‧‧‧第二端

200‧‧‧巴倫器

201‧‧‧匹配電路

202‧‧‧電感

203‧‧‧電容

300‧‧‧巴倫器

301‧‧‧基板

302‧‧‧輸入金屬層

303‧‧‧第一輸出金屬層

304‧‧‧第二輸出金屬層

305‧‧‧第一被動元件

306‧‧‧第二被動元件

307‧‧‧第一參考金屬層

308‧‧‧第二參考金屬層

400‧‧‧巴倫器

401‧‧‧輸入埠

402‧‧‧匹配電路

403‧‧‧第一輸出埠

404‧‧‧第二輸出埠

405‧‧‧輸入墊

406a、406b‧‧‧輸入參考墊

407‧‧‧金屬層

408‧‧‧金屬層

409‧‧‧電感

410‧‧‧電容

411‧‧‧金屬層

412‧‧‧導通柱

413‧‧‧金屬層

414‧‧‧絕緣層

415‧‧‧金屬層

416‧‧‧金屬層

417‧‧‧第一輸出墊

418a、418b‧‧‧第一參考墊

419‧‧‧金屬層

420‧‧‧第二輸出墊

421‧‧‧第二參考墊

500‧‧‧巴倫器

501‧‧‧匹配電路

502‧‧‧電容

503‧‧‧電感

600‧‧‧巴倫器

601‧‧‧匹配電路

602‧‧‧第一電感

603‧‧‧第二電感

700‧‧‧巴倫器

701‧‧‧匹配電路

702‧‧‧第一電容

703‧‧‧第二電容

800‧‧‧巴倫器

801‧‧‧匹配電路

802‧‧‧第一電容

803‧‧‧第一電感

804‧‧‧第二電容

805‧‧‧第二電感

900‧‧‧巴倫器

901‧‧‧匹配電路

902‧‧‧電容

903‧‧‧電感

910‧‧‧巴倫器

911‧‧‧基板

912‧‧‧輸入金屬層

913‧‧‧第一輸出金屬層

914‧‧‧第二輸出金屬層

915‧‧‧第一被動元件

916‧‧‧第二被動元件

917‧‧‧第一參考金屬層

918‧‧‧第二參考金屬層

為讓本案能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：

第1A圖係繪示依據本發明一實施例之巴倫器的完整架構示意圖；

第1B圖係繪示依據第1A圖之巴倫器中的半電路等效電路圖；

第2圖係繪示依據本發明一實施例之巴倫器的實際架構示意圖；

第3圖係繪示依據本發明一實施例之巴倫器的印刷電路示意圖；

第4圖係繪示依據本發明一實施例之巴倫器的積體電路俯視示意圖；

第5圖係繪示依據本發明一實施例之巴倫器的示意圖；

第6圖係繪示依據本發明一實施例之巴倫器的示意圖；

第7圖係繪示依據本發明一實施例之巴倫器的示意圖；

第8圖係繪示依據本發明一實施例之巴倫器的示意圖；

第9圖係繪示依據本發明一實施例之巴倫器的示意圖；以及

第10圖係繪示依據本發明一實施例之巴倫器的印刷電路示意圖。

本發明將在本說明書中利用隨附圖示的參考更充分地陳述，其中隨附圖示繪有本發明的實施方式。然而本發明以許多不同形式實現而不應受限於本說明書陳述之實施方式。這些實施方式的提出令本說明書詳盡且完整，而將充分表達本發明範圍予本發明所屬技術領域之通常知識者。本文中相同的參考編號意指相同的元件。

關於本文中所使用之『第一』、『第二』、…等，並非特別指稱次序或順位的意思，亦非用以限定本發明，其僅僅是為了區別以相同技術用語描述的元件或操作而已。

參照第1A圖，第1A圖係繪示依據本發明一實施例之巴倫器100的完整架構示意圖，巴倫器100用以轉換一單端訊號成一差動訊號。巴倫器100包含一第一匹配電路101、一第二匹配電路102、一輸入埠103、一第一輸出埠104及一第二輸出埠105。輸入埠103係電性耦接於第一匹配電路101及第二匹配電路102。第一匹配電路101電性耦接至第一輸出埠104及第二匹配電路102。第二匹配電路102係電性耦接於第二輸出埠105，第一輸出埠104電性耦接於第二輸出埠105。

輸入埠103包含輸入端106及輸入參考端107，並用以接收一單端訊號，更進一步來說，輸入埠103之輸入端106用以接收相對於輸入參考端107之單端訊號。

第一輸出埠104包含第一輸出端108及第一參考端109，並用以輸出來自於第一匹配電路101之第一訊號。第二輸出埠105包含第二輸出端110及第二參考端111，並用以輸出來自於第二匹配電路102之第二訊號，其中，差動訊號可定義為第一訊號與第二訊號的差值訊號。另一方面，第一參考端109電性連接於第二參考端111，但並不電性連接於輸入參考端107。換句話說，巴倫器100之輸入埠103、第一輸出埠104及第二輸出埠105並未具統一的參考電位（如：接地端）。

在一些實施例中，第一輸出端108用以輸出相對於第一參考端109之第一訊號，第二輸出端110用以輸出相對於第二參考端111之第二訊號。

第一匹配電路101及第二匹配電路102分別包含電感112、114及電容113、115，電感112之第一端及電感114之第一端分別電性連接於輸入埠103之輸入端106及輸入參考端107，電感112之第二端電性連接於第一輸出端108及電容113之第一端，電感114之第二端電性連接於第二輸出端110及電容115之第一端，電容113之第二端電性連接於電容115之第二端。第一匹配電路101及第二匹配電路102用以轉換單端訊號成第一訊號以及第二訊號分別至第一輸出埠104及第二輸出埠105。

在一些實施例中，電容113之第二端係電性連接至第一參考端109及第二參考端111。

值得注意的是，由於巴倫器100具對稱性，使得電容113之第二端、電容115之第二端、第一輸出埠104之第一參考端109及第二輸出埠105之第二參考端111為虛接地(virtual ground)，此時，一併參照第1B圖，第1B圖係繪示依據第1A圖之巴倫器100中上半部電路的等效電路圖，巴倫器100可藉由半電路分析將上半部之電路等效視為電路120。

電路120包含一輸入埠121。輸入埠121包含第一端122及第二端123，其中，輸入埠121之阻抗值可視為輸入埠103之阻抗值的一半。由於輸入埠121的第二端、電容113的第二端及第一輸出埠104的第一參考端109均可視為接地，依據阻抗匹配(impedance matching)之原理，電感112的電感值及電容113的電容值可根據第一輸入埠121之阻抗值、第一輸出埠104之阻抗值及電路120(或者可視為巴倫器100)之操作頻率計算出來。另一方面，電感114的電感值及電容115的電容值亦可利用類似於上述之方式計算出來。

在一些實施例中，輸入埠103、第一輸出埠104及第二輸出埠105的阻抗值可為複數值（complex numbers）。

在一些實施例中，操作頻率可為400Mhz、2.4Ghz、24Ghz、60Ghz或其他常用的操作頻率。

一併參照第2圖，第2圖係繪示依據本發明一實施例之巴倫器200的實際架構示意圖。若巴倫器100搭配低通濾波之設計目的，巴倫器100則可簡化為第2圖之巴倫器200。因巴倫器100之兩電感112、114與輸入埠103實際上為串聯結構，故巴倫器100之兩電感112、114可合併為巴倫器200之一電感202，其中，電感202之電感值為兩電感112、114串聯的電感值；另一方面，巴倫器100之兩電容113、115亦為串聯結構，故兩電容113、115可簡化為巴倫器200之一電容203，其中，電容203之電容值為兩電容113、115串聯的電容值。

在一些實施例中，巴倫器100中的兩電容113、115不簡化成巴倫器200中的一電容203，此時，可將兩電容中間之接點電性耦接於第一輸出埠104之第一參考端109以及第二輸出埠105之第二參考端111。

相較於巴倫器100，巴倫器200僅具單一匹配電路201，匹配電路201包含如上所述之電感202及電容203，並用以轉換及低通濾波單端訊號成第一訊號以及第二訊號，藉以產生差動訊號。其中，電感202之第一端電性連接於輸入端106，電感202之第二端電性連接於電容203之第一端及第一輸出端108，電容203之第二端電性連接於輸入參考端107及第二輸出端110。

一併參照第3圖，第3圖係繪示依據本發明一實施例之巴倫器300的印刷電路示意圖，巴倫器300為第2圖所示之巴倫器200的等效電路實作成印刷電路板之一實施例，其中，巴倫器300設置於一基板301上，包含一輸入金屬層302、一第一輸出金屬層303、一第二輸出金屬層304、一第一被動元件305、一第二被動元件306、一第一參考金屬層307及一第二參考金屬層308。

輸入金屬層302接收相對於第一參考金屬層307的單端訊號；第一輸出金屬層303輸出第一訊號；第二輸出金屬層304輸出第二訊號，其中，差動訊號可定義為第一訊號與第二訊號的差值訊號。

在一些實施例中，第一輸出金屬層303輸出相對於第二參考金屬層308的第一訊號；第二輸出金屬層304輸出相對於第二參考金屬層308的第二訊號，換句話說，第二參考金屬層308提供一參考電位給第一輸出金屬層303及第二輸出金屬層304。

第一被動元件305及第二被動元件306用以轉換單端訊號成第一訊號及第二訊號，其中，第一被動元件305包含一第一端及一第二端，第一被動元件305之第一端電性連接於輸入金屬層302，第一被動元件305之第二端電性連接於第一輸出金屬層303；第二被動元件306包含一第一端及一第二端，第二被動元件306之第一端電性連接於第一輸出金屬層303，第二被動元件306之第二端電性連接於第二輸出金屬層304。在本實施例中，第一被動元件305及第二被動元件306分別為一電感及一電容，藉以具有低通濾波之響應。

在一些實施例中，第一被動元件305及第二被動元件306為表面黏著元件 (Surface Mount Device) 。

在一些實施例中，輸入金屬層302、第一輸出金屬層303、第二輸出金屬層304、第一參考金屬層307及第二參考金屬層308係由共面波導(Coplanar Waveguide)技術設置在基板301上。

一併參照第4圖，第4圖係繪示依據本發明一實施例之巴倫器400的積體電路俯視示意圖，巴倫器400為巴倫器200實作於積體電路上之一實施例。巴倫器400包含一輸入埠401、一匹配電路402、一第一輸出埠403及一第二輸出埠404。

輸入埠401包含一輸入墊405及二輸入參考墊406a、406b，輸入墊405設置於一金屬層407上，並用以接收相對於輸入參考墊406a、406b之單端訊號，而輸入參考墊406a、406b設置於一金屬層408上。

匹配電路402包含一電感409及一電容410。其中，電感409電性連接於金屬層407及一金屬層411，金屬層411更藉由一導通柱412（via）電性連接至下方之金屬層413。金屬層413藉由金屬層416電性連接至電容410。

電容410為金屬層408、絕緣層414及金屬層415(由上層至下層)組成之一金屬－絕緣層－金屬電容( metal-insulator-metal capacitor )。其中，金屬層415電性連接至金屬層416。

第一輸出埠403包含一第一輸出墊417及第一參考墊418a、418b，第一輸出墊417設置於金屬層411上，第一參考墊418a、418b設置於金屬層419上，故第一參考墊418a、418b等電位。第一輸出墊417用以輸出第一訊號。

在一些實施例中，第一輸出墊417用以輸出相對於第一參考墊418a、418b之第一訊號。

第二輸出埠404包含一第二輸出墊420、一第二參考墊421及第一參考墊418b，第二輸出埠404與第一輸出埠403共用第一參考墊418b。其中，第二輸出墊420設置於金屬層408上，第二參考墊421設置於金屬層419上，第二輸出墊420用以輸出第二訊號，其中，其中，差動訊號可定義為第一訊號與第二訊號的差值訊號。

在一些實施例中，第二輸出墊420用以輸出相對於第二參考墊421之第二訊號。

在一些實施例中，輸入墊405、輸入參考墊406a、406b、第一輸出墊417、第一參考墊418a、418b、第二輸出墊420及第二參考墊421為導電材質。

在一些實施例中，巴倫器400可不包含第一參考墊418a、418b、第二參考墊421以及金屬層419。

參照第5圖，第5圖係繪示依據本發明一實施例之巴倫器500的示意圖。相較於第2圖中具低通濾波功能之巴倫器200，巴倫器500具高通濾波功能，且包含一不同於匹配電路201之匹配電路501。

匹配電路501包含一電容502及一電感503。電容502之第一端電性連接於輸入埠103之輸入端106，電容502之第二端電性連接於電感503之第一端及第一輸出埠104之第一輸出端108；電感503之第二端電性連接至第二輸出埠105之第二輸出端110。

一併參照第3圖，在一些實施例中，第一被動元件305及第二被動元件306可分別為一電容及一電感。

在一些實施例中，巴倫器500可實作成一積體電路。

參照第6圖，第6圖係繪示依據本發明一實施例之巴倫器600的示意圖，包含一不同於匹配電路201之匹配電路601。

匹配電路601包含第一電感602及第二電感603。第一電感602之第一端電性連接於輸入埠103之輸入端106，第一電感602之第二端電性連接於第二電感603之第一端及第一輸出埠104之第一輸出端108；第二電感603之第二端電性連接至第二輸出埠105之第二輸出端110。

一併參照第3圖，在一些實施例中，第一被動元件305及第二被動元件306可分別為一電感及另一電感。

在一些實施例中，巴倫器600可實作成一積體電路。

參照第7圖，第7圖係繪示依據本發明一實施例之巴倫器700的示意圖，包含一不同於匹配電路201之匹配電路701。

匹配電路701包含第一電容702及第二電容703。第一電容702之第一端電性連接於輸入埠103之輸入端106，第一電容702之第二端電性連接於第二電容703之第一端及第一輸出埠104之第一輸出端108；第二電容703之第二端電性連接至第二輸出埠105之第二輸出端110。

一併參照第3圖，在一些實施例中，第一被動元件305及第二被動元件306可分別為一電容及另一電容。

在一些實施例中，巴倫器700可實作成一積體電路。

參照第8圖，第8圖係繪示依據本發明一實施例之巴倫器800的示意圖。相較於第2圖中具低通濾波功能之巴倫器200，巴倫器800具帶通濾波功能，且包含一不同於匹配電路201之匹配電路801。

匹配電路801包含第一電容802、第一電感803、第二電容804及第二電感805。第一電感803之第一端電性連接於輸入端106，第一電感803之第二端電性連接於第二電感805之第一端及第一輸出端108；第一電容802並聯於第一電感803；第二電感805之第二端電性連接至輸入參考端107及第二輸出端110；第二電容804並聯於第二電感805。

一併參照第3圖，在一些實施例中，第一被動元件305為一電感並聯一電容，第二被動元件306為另一電感並聯另一電容。

在一些實施例中，巴倫器800可實作成一積體電路。

參照第9圖，第9圖係繪示依據本發明一實施例之巴倫器900的示意圖。相較於第2圖之巴倫器200，巴倫器900包含一不同於匹配電路201之匹配電路901。

匹配電路901包含電容902及電感903。電容902之第一端電性連接於輸入埠103之輸入端106及電感903之第一端，電容902之第二端電性連接於輸入埠103之輸入參考端107，電感903之第二端電性連接至第一輸出埠104之第一輸出端108。

在一些實施例中，電容902可由電感或是電容並聯電感所取代。

在一些實施例中，電感903可由電容或是電容並聯電感所取代。

在一些實施例中，巴倫器900可實作成一積體電路。

一併參照第10圖，第10圖係繪示依據本發明一實施例之巴倫器910的印刷電路示意圖，巴倫器910為第9圖所示之巴倫器900的等效電路實作成印刷電路板之一實施例，其中，巴倫器910設置於一基板911上，包含一輸入金屬層912、一第一輸出金屬層913、一第二輸出金屬層914、一第一被動元件915、一第二被動元件916、一第一參考金屬層917及一第二參考金屬層918。在本實施例中，第一被動元件915為一電容，第二被動元件916為一電感。

相較於第3圖之巴倫器300，巴倫器910之第一被動元件915電性連接於輸入金屬層912與第二輸出金屬層914，第二被動元件916電性連接於輸入金屬層912與第一輸出金屬層913。

在一些實施例中，第一被動元件915可為電感或電容並聯電感，第二被動元件916可為電容或電感並聯電容。

綜上所述，本發明之技術方案與現有技術相比具有明顯的優點和有益效果。藉由上述技術方案，可達到相當的技術進步，並具有産業上的廣泛利用價值，本發明提供之巴倫器可有效地減少電感元件的使用，藉以減少功率損耗及使用面積。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。