一種寬帶低失調(diào)的有源Balun電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于集成電路【技術(shù)領(lǐng)域】，具體為一種應(yīng)用于寬帶低失調(diào)的有源Balun電路。它由共源放大器和源跟隨器組成。晶體管M1和電阻Rp、Rd構(gòu)成共源放大器，輸入信號VIN通過電容Cc耦合至共源放大器柵極，輸出了反相信號VOUT-；晶體管M2、M3和電阻Rp1、電容Cf構(gòu)成源跟隨器，將信號VIN輸入到源跟隨器，輸出同相信號VOUT+，這樣便實現(xiàn)了基本的有源Balun電路。該電路結(jié)構(gòu)在源跟隨器引入電容Cf作為調(diào)節(jié)相位平衡的自由度因子，配合共源放大器中調(diào)節(jié)幅度平衡的電阻Rd，使得有源Balun電路在寬頻帶范圍內(nèi)同時實現(xiàn)較小的相位失調(diào)和幅度失調(diào)。該電路可用CMOS、BiMOS等工藝實現(xiàn)。
【專利說明】—種寬帶低失調(diào)的有源Balun電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于集成電路【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種應(yīng)用于寬帶、低幅度失調(diào)和相位失調(diào)的有源Balun電路，可用于射頻微波接收機(jī)前端等需要低失調(diào)的單端輸入差分輸出的模擬集成電路中。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著通信和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，各種移動通信和無線數(shù)據(jù)傳輸迅速發(fā)展，而同時，人們對無線通信技術(shù)的高速率和大帶寬要求越來越強(qiáng)烈，這促使人們不斷去開發(fā)利用更高頻帶資源和研究超高頻的無線通信技術(shù)。而同時，無線通信集成電路卻朝著高度集成的片上系統(tǒng)的方向發(fā)展，因此實現(xiàn)寬帶高頻的射頻平衡-非平衡阻抗變換器(Balun)已成為無線集成電路設(shè)計的必然要求。對于射頻微波的Balun電路,如果采取無源Marchand Balun電路，不僅有信號增益的損失，而且占用面積很大；而如果繼續(xù)采用傳統(tǒng)的電容交叉耦合(CCC:Capacitor Cross Coupled)模式的有源Balun電路,雖然電路占用面積小,但由于寄生電容效應(yīng)的影響，高頻時其產(chǎn)生的差分信號很難在寬頻帶范圍內(nèi)同時實現(xiàn)較小的幅度失調(diào)和相位失調(diào)。因此，實現(xiàn)高頻、寬帶、低相位失調(diào)和幅度失調(diào)的有源Balun電路成為一個很大的設(shè)計挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是設(shè)計一種具有低失調(diào)和寬帶特點的用于接收機(jī)系統(tǒng)中射頻前端有源Balun電路，可工作在射頻微波頻段。
[0004]本發(fā)明設(shè)計的用于接收機(jī)系統(tǒng)中射頻前端有源Balun電路，它由共源放大器(CS)和源跟隨放大器(CD)組成，如圖1所示。晶體管Ml和電阻Rp、Rd構(gòu)成共源放大器:晶體管Ml是放大管，其柵端為信號輸入端，漏端是信號輸出端，源端連接到地；電阻Rd作為負(fù)載，它的一端接在電源上，而另一端接在Ml晶體管的漏端；輸入信號VIN通過電容Ce耦合至Ml晶體管柵極輸入端，而在其漏端輸出反相信號V0UT-。
[0005]晶體管M2、M3和電阻Rpl、電容Cf構(gòu)成源跟隨放大器:晶體管M2是放大管，其柵端為信號輸入端，漏端接在電源上，而源端是信號輸出端；晶體管M3是晶體管M2的有源負(fù)載，其漏端連接于晶體管M2的源極，而源端連接到地；電容Cf加載在晶體管M2的源極輸出端和地之間；輸入信號VIN加載在晶體管M2柵極輸入端,而在其源極輸出同相信號V0UT+。
[0006]直流偏置電壓Vgg、Vggl由外部輸入，并通過交流隔離電阻Rp、Rpl分別加載在晶體管Ml、M3的柵極上。
[0007]該電路晶體管Ml和晶體管M3的柵極直流偏置電壓Vgg、Vggl由外部輸入，它們對電路的直流功耗、源跟隨放大器的增益、共源放大器的相位偏離程度有影響，應(yīng)根據(jù)實際工作情況進(jìn)行優(yōu)化。
[0008]本發(fā)明中，“源跟隨放大器”獲得同相相位輸出，通過合理設(shè)置晶體管M2、M3尺寸和Vggl偏置電壓，可獲得源跟隨放大器最大幅度輸出。[0009]本發(fā)明中，“共源放大器”獲得反相相位輸出，通過合理設(shè)置晶體管Ml尺寸、偏置電壓Vgg和負(fù)載阻抗Rd，可獲得共源放大器最小相位差偏離程度輸出。
[0010]本發(fā)明中，“源跟隨放大器”中負(fù)載電容Cf是寄生電容較小的MM (金屬絕緣層金屬)電容，調(diào)節(jié)該電容大小可以改變源跟隨放大器中輸出信號相位偏離輸入信號相位的程度，由此實現(xiàn)電路較小的相位失調(diào)。
[0011]本發(fā)明中，“共源放大器”中負(fù)載電阻Rd是多晶硅電阻，通過調(diào)節(jié)該電阻阻值的大小可以改變共源放大器的電路增益，由此實現(xiàn)電路較小的幅度失調(diào)。
[0012]本發(fā)明中，耦合電容Ce是寄生電容較小的MIM (金屬絕緣層金屬)電容，調(diào)節(jié)該電容大小可獲得最大輸入信號傳輸，使共源放大器柵輸入端獲得最大的輸入信號。
[0013]本發(fā)明中，偏置電阻Rp、Rpl可以是多晶硅電阻。
[0014]本發(fā)明電路摒棄傳統(tǒng)的電容交叉I禹合(CCC:Capacitor Cross Coupled)模式的有源Balun電路，采用共源放大器和源跟隨放大器組成的簡單結(jié)構(gòu)。在源跟隨器引入電容Cf作為調(diào)節(jié)相位平衡的自由度因子，結(jié)合共源放大器調(diào)節(jié)幅度平衡的負(fù)載電阻Rd，使得有源Balun電路在寬頻帶范圍內(nèi)同時實現(xiàn)較小的幅度失調(diào)和相位失調(diào)。
[0015]具體來說，本發(fā)明在源跟隨器輸出端引入電容Cf作為調(diào)節(jié)相位平衡的自由度因子，結(jié)合共源放大器調(diào)節(jié)幅度平衡的負(fù)載電阻Rd，使得有源Balun電路在寬頻帶范圍內(nèi)同時實現(xiàn)較小的幅度失調(diào)和相位失調(diào)。由于寄生電容的影響，共源放大器輸出信號相比于輸入信號，相位差會偏離180°，且隨頻率提高而偏離程度越來越大，同時負(fù)載電阻Rd的變化對電路增益影響很明 顯，而對相位差的影響??；同樣，源跟隨放大器在寄生電容影響下，輸出信號的相位會偏離輸入信號的相位，且偏離程度也會隨頻率提高而增加，但其偏離程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于共源放大器中相位差偏離程度，因此產(chǎn)生很大的相位失調(diào)。在源跟隨放大器中引入電容Cf，改變其容值大小，很明顯地影響源跟隨放大器中輸出信號的相位偏離程度，而對電路增益的影響小。因此可以通過源跟隨放大器中的電容Cf和共源放大器中的負(fù)載電阻Rd，在寬頻帶范圍內(nèi)同時實現(xiàn)較小的幅度失調(diào)和相位失調(diào)。
[0016]該有源Balun電路結(jié)構(gòu)中的“共源放大器”，晶體管Ml存在的寄生柵漏電容Cgd跨接在輸入輸出兩端，在Miller效應(yīng)下增大了其對輸出信號幅度和相位的影響?？紤]所有寄生電容效應(yīng)下其交流小信號等效電路圖(如圖2所示)，圖中Zi = Rdf SC& / Ir0 ,其中Rd即為負(fù)載電阻,Cdb是晶體管Ml漏端寄生的到地電容，ro是晶體管Ml的輸出阻抗；圖中Cgd和Cgs分別表示晶體管Ml寄生的柵漏電容和柵源電容；圖中&Vgs表示晶體管Ml等效跨導(dǎo)電流源。根據(jù)其等效電路圖可以獲得共源放大器傳輸函數(shù)的幅頻特性和相頻特性分別為公式(I)和公式(2)所示:
【權(quán)利要求】
1.一種寬帶低失調(diào)的有源Balun電路，其特征在于由共源放大器和源跟隨放大器組成；其中，共源放大器由第一晶體管Ml和第一電阻Rp、第二電阻Rd構(gòu)成,第一晶體管Ml是放大管，其柵端為信號輸入端，漏端是信號輸出端，源端連接到地；第二電阻Rd作為負(fù)載，它的一端接在電源上，另一端接在第一晶體管Ml的漏端；輸入信號VIN通過第一電容Ce耦合至第一晶體管Ml柵極輸入端,在第一晶體管Ml漏端輸出反相信號VOUT-； 源跟隨放大器由第二晶體管M2、第三晶體管M3和第三電阻Rpl、第二電容Cf構(gòu)成，第二晶體管M2是放大管，其柵端為信號輸入端，漏端接在電源上，源端是信號輸出端；第三晶體管M3是第二晶體管M2的有源負(fù)載，其漏端連接于第二晶體管M2的源極，源端連接到地；第二電容Cf加載在第二晶體管M2的源極輸出端和地之間；輸入信號VIN加載在第二晶體管M2柵極輸入端，在第二晶體管M2源極輸出同相信號VOUT+ ； 直流偏置電壓Vgg、Vggl由外部輸入，并通過交流隔離第一電阻Rp、第三電阻Rpl分別加載在第一晶體管Ml、第三晶體管M3的柵極上。
2.如權(quán)利要求1所述的有源Balun電路，其特征在于源跟隨放大器獲得同相相位輸出，通過合理設(shè)置第二晶體管M2、第三晶體管M3尺寸和Vggl偏置電壓，獲得源跟隨放大器最大幅度輸出。
3.如權(quán)利要求1所述的有源balun電路，其特征在于共源放大器獲得反相相位輸出，通過合理設(shè)置第一晶體管Ml尺寸、偏置電壓Vgg和第二電阻Rd，獲得共源放大器最小相位差偏離程度輸出。
4.如權(quán)利要求1所述的有源Balun電路，其特征在于源跟隨放大器中第二電容Cf是寄生電容較小的MIM電容,調(diào)節(jié)該電容大小可以改變源跟隨放大器中輸出信號相位偏離輸入信號相位的程度，由此實現(xiàn)電路較小的相位失調(diào)。
5.如權(quán)利要求1所述的有源Balun電路，其特征在于共源放大器中第二Rd是多晶硅電阻，通過調(diào)節(jié)該電阻阻值的大小可以改變共源放大器的電路增益，由此實現(xiàn)電路較小的幅度失調(diào)。
6.如權(quán)利要求1所述的有源Balun電路，其特征在于第一電容Ce是寄生電容較小的MIM電容，調(diào)節(jié)該電容大小盡量獲得最大輸入信號傳輸，使共源放大器柵輸入端獲得最大的輸入信號。
7.如權(quán)利要求1所述的有源Balun電路，其特征在于第一電阻Rp、第三電阻Rpl是多晶娃電阻。
【文檔編號】H03F3/50GK104009718SQ201410256287
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年6月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月11日
【發(fā)明者】李巍, 昌浩 申請人:復(fù)旦大學(xué)