中频模拟/混频信号应用的有源差分双转单电路

摘要

一种涉及中频模拟/混频信号应用的有源差分双转单电路，尤指一种主要用于无线收发器中的混频器中转化中频差分信号到单端信号输出的双转单电路。该装置由电源、晶体管、场效应晶体管及集成电路等部件组成，该电路由一对N型双极性晶体管组成，一退化电阻R

说明书

技术领域

本发明涉及一种中频模拟/混频信号应用的有源差分双转单电路，尤指一种主要用于无线收发器中的混频器，其广泛运用Gilbert-cell双/单平衡结构，要求有双转单balun用于转化中频差分信号到单端信号输出的双转单电路。

背景技术

目前，由于大多数的应用需要有单端输出，双转单Balun对射频/模拟和混频设计是非常重要的。举例来说，无线收发器中的混频器广泛运用Gilbert-cell双/单平衡结构，所以要求有双转单balun用于转化中频差分信号到单端信号输出。已有的有源双转单balun(如图1所示)，受额外的镜像极点”pole”影响，很难在中高频中运用。另一种高线性双转单balun(如图2所示)，由于增加了负反馈电阻而压缩了它的电源应用空间。这两种双转单balun都需要有两个分支的偏置电流。已有的中频的无源双转单balun(如图3所示)和(如图4所示)，在晶片上占有较大的面积，并且有严重的能量损耗，这些将增加无源双转单balun的成本。

发明内容

为了克服上述不足之处，本发明的主要目的旨在提供一种将两个器件和一个电阻R_E叠在一起的双转单balun电路，既能消耗一半的偏置电流，又提供了较大的电源空间的中频模拟/混频信号应用的有源差分双转单电路。

本发明要解决的技术问题是：主要解决有源器件的电路结构、退化电阻R_E的选值及如何可以自动的提供相等的输入阻抗值和电压增益等有关技术问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该装置由电源、晶体管、场效应晶体管及集成电路等部件组成，该电路由一对N型双极性晶体管组成，具体为：一退化电阻R_E的第二N型双极性晶体管和第一N型双极性晶体管构架在一起，结合为一有源差分双转单电路，其中：

第一N型双极性晶体管的基极与差分输入端的正极V_IN相连接，集电极与电源V_CC相连接，发射极与第二N型双极性晶体管的集电极相连接；

第二N型双极性晶体管的基极与差分输入端的负极V_IN相连接，集电极输出分为两路，一路与第一N型双极性晶体管的发射极相连接后至单端输出V_OUT端，另一路经由负载电阻R_L后接地。

所述的中频模拟/混频信号应用的有源差分双转单电路的一对N型双极性晶体管或为一对P型双极性晶体管或为一对N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管或为P型金属-氧化物-半导体场效应晶体管。

所述的中频模拟/混频信号应用的有源差分双转单电路的一对N型双极性晶体管的型号或为相同的器件对或为不相同的器件对。

所述的中频模拟/混频信号应用的有源差分双转单电路的退化电阻R_E的阻值与负载电阻R_L的阻值相同，为不变参数。

所述的中频模拟/混频信号应用的有源差分双转单电路的有源差分双转单电路或为由集成电路组成或为由分立元器件组成。

本发明的有益效果是：该装置的双转单balun电路，工作速度直接依赖于高速的N型双极性晶体管NPN器件，不再受限于P型金属-氧化物-半导体场效应晶体管pMOSFET管；这一新结构将同样的两个器件叠在一起，只消耗一半的偏置电流；对比已有的双转单balun中的两个器件和两个电阻都叠在一起，我们的双转单balun把两个器件和一个电阻R_E叠在一起提供了较大的电源空间；这一有源双转单balun可以弥补能量损耗，减少采用无源双转单balun增加的芯片成本；尽管我们发明的有源双转单balun用到N型双极性晶体管NPN器件，但其电路的结构仍适用于了各种金属-氧化物-半导体场效应晶体管MOSFETs；可以把现代晶体管的中频波段(＜270MHz)视为低频来处理，这样新的双转单balun电路结构的分析能够建立在低频的基础上；这种新的有源双转单balun主要应用于中频差分双转单信号电路；具有降低成本、使用方便等优点。

附图说明

下面结合附图说明和实施例对本发明进一步说明。

附图1为公知的有源双转单balun电路原理图；

附图2为公知的高线性双转单balun电路原理图；

附图3为公知的中频无源双转单balun之一电路原理图；

附图4为公知的中频无源双转单balun之二电路原理图；

附图5为本发明的有源双转单balun电路原理图；

附图6为本发明有发射极跟随器的等效电路原理图；

附图7为本发明的等效电路原理图；

附图8为本发明的实施例之一基于捷智SiGe90 N型双极性晶体管器件电流增益/H₂₁/的仿真结果，该器件被偏置在截止频率f_T峰值附近的示意图；

附图标号说明：

10-第一N型双极性晶体管；

20-第二N型双极性晶体管；

具体实施方式：

请参阅附图5、6、7、8所示，本发明由电源、晶体管、场效应晶体管及集成电路等部件组成，该电路由一对N型双极性晶体管组成，具体为：一退化电阻R_E的第二N型双极性晶体管(20)和第一N型双极性晶体管(10)构架在一起，结合为一有源差分双转单电路，其中：

第一N型双极性晶体管(10)的基极与差分输入端的正极V_IN相连接，集电极与电源V_CC相连接，发射极与第二N型双极性晶体管(20)的集电极相连接；

第二N型双极性晶体管(20)的基极与差分输入端的负极V_IN相连接，集电极输出分为两路，一路与第一N型双极性晶体管(10)的发射极相连接后至单端输出_VOUT端，另一路经由负载电阻R_L后接地。

所述的中频模拟/混频信号应用的有源差分双转单电路的一对N型双极性晶体管或为一对P型双极性晶体管或为一对N型金属-氧化物-半导体场效应晶体管或为P型金属-氧化物-半导体场效应晶体管。

所述的中频模拟/混频信号应用的有源差分双转单电路的一对N型双极性晶体管的型号或为相同的器件对或为不相同的器件对。

所述的中频模拟/混频信号应用的有源差分双转单电路的退化电阻R_E的阻值与负载电阻R_L的阻值相同，作为不变参数。

所述的中频模拟/混频信号应用的有源差分双转单电路的有源差分双转单电路或为由集成电路组成或为由分立元器件组成。

本发明实施例的具体工作原理为：

请参阅附图8所示，本发明重点基于中频运用。由于工艺尺寸的持续缩小，我们可以把中频的波段视为低频来处理。图8展示了基于捷智的锗硅SiGe90 N型双极性晶体管NPN标准器件电流增益|H₂₁|随频率变化的仿真结果，通常高的截止频率(f_T)对应于较高的器件频率带宽。|H₂₁|保持了常数直到频率达到了270MHz，这意味着我们可以把现代晶体管的中频波段(＜270MHz)视为低频来处理；这样新的双转单balun电路结构的分析能够建立在低频的基础上。

A.输入电阻分析

如图5所示的新双转单balun电路，我们需要确认差分信号V_in⁺和V_in^-有相同的输入电阻。当V_in⁺信号上升，V_out信号将会跟随。假如确保V_in^-保持不变，我们将会导出等效的电路如图6所示。真实的情况是当V_in^-信号差分下降，电流I_E将随之有所变化。这将会改变趋于理想的电流源特性为高阻的(＞＞R_L)非理想电流源。图6中的等效电路仍然能够有效地确认上述的分析结果。当V_in^-上升，V_out会下降。由于V_in⁺差分地同时下降，假设ΔV_in^-＝ΔV_in⁺＝ΔV_out，(V_in⁺-V_out)将会保持直流电压不变，电流I_C将不会变化如图7所示。当ΔV_in^-＝ΔV_in⁺≠ΔV_out，I_C将改变趋于理想的电流源特性为高阻的(＞＞R_L)非理想电流源。图7中的等效电路仍然能够有效地确认上述的分析结果。基于上面的分析，发射极跟随器的输入电阻R_inU可以表达为：

R_inU＝R_b+(β+1)(r_e+R_L)    (1a)

式中：R_b为基极电阻，β是电流增益，r_e是发射极-基极结电阻。

共发射极的输入电阻R_inD可以表达为

R_ind＝R_b+(β+1)(r_e+R_E)    (1b)

假如在设计中选择R_E＝R_L，R_inU将会等于R_inD，并且V_in⁺和V_in^-将有相同的输入电阻。

B.电压增益分析

从图5的新双转单balun电路结构看，我们也需要确认差分信号V_in⁺和V_in^-对V_out分别将有相等的电压增益。在发射极跟随器中(图6)中，电压增益可以表达为：

V_out/V_in⁺＝g_mR_L/(1+g_mR_L)      (2a)

式中：g_m是器件的跨导。

在共发射极结构中(图7)中，电压增益可以表达为：

V_out/V_in^-＝-g_mR_L/(1+g_mR_E)      (2b)

由于V_in⁺和V_in^-是差分信号，如果选取R_E＝R_L，(2a)和(2b)的电压增益将是相等的。

C.设计关键

基于以上的分析，相对于各自的差分信号，不管需要多大的电流，新双转单balun都可以自动的提供相等的输入阻抗值和电压增益。这意味着新双转单balun实现了运用两个N型双极性晶体管NPN器件或n型场效应晶体管nFETs或p型场效应晶体管pFETs推V_in⁺和拉V_in^-.；这个推-拉功能通常是需要由一对N型双极性晶体管NPN和P型双极性晶体管PNP器件或n型场效应晶体nFETs和p型场效应晶体管pFETs来实现的。

如果确保R_E＝R_L＝R  并且g_mR＞＞1，新双转单balun可以实现电压增益接近但是永远小于1。在双极器件中的g_m可以表示为：

g_m＝I_C/V_T      (2c)

式中：V_T是热电压，在室温中是26毫伏。

新的双转单balun也是一个阻抗变挽器。它能够将高阻抗变挽成目标阻抗。不管使用多大面积的双极器件，如果能够控制电流I_C和g_m，我们将可以实现电压增益的控制和阻抗的变换。

在电路设计应用中，设计者需要掌握以下的设计关键：

1)使用尽可能相同的器件

2)设计实现R_E＝R_L

3)通过控制电流来实现电压增益的控制和阻抗的匹配使用双极器件和50ohm负载，我们可以得到有用的设计数据如表I所示。

表I.电压增益随电流的变化

 I_C(mA)    0.25    0.5    1.0    2.5    5.0 Voltag e gain    0.33    0.5    0.66    0.83    ~1.0

结论

针对在中频模拟/混频信号的应用，我们发明了一种新的有源双转单balun，它是由2个NPNs或nFETs或pFETs组成，克服了已有的双转单baluns的缺点。使用新的双转单balun，我们可以通过自动的输入电阻和电压增益的匹配实现推-拉功能。这一有源双转单balun能够低功耗地应用于阻抗变挽器和差分双转单器件上。

本发明的有关特征：

1.请参阅附图5、6、7所示，其电路的构成：

有一个退化电阻(RE)的NPN三极管和另一个NPN三极管叠加在一起。

这个电路采用了NPN三极管，但又不仅限于NPN三极管。这个器件可以是一对PNP三极管，一对NMOSFETs或者是一对PMOSFETs。

2.在第一项特征中，那个有源器件应该是相同的器件对，但又可以是不同的器件。

3.在第一项特征中，退化电阻(RE)应该与负载(RL)同样阻值，但也可以是不一样的。

4.在第一项特征中，这个电路是应用在中频段。器件对在工作中一直保持着良好的匹配。然而，这个电路可以不受频率的限制，在比中频更高的频段中应用。

5.在第一项声明中的电路可以在所有的集成电路领域例如：CMOS，BiCMOS，Bipolar等工艺中应用，但也不限于这些领域。它也可以用PCB板上的分立器件来实现。