一種寬帶有源巴倫電路的製作方法
2023-05-29 20:20:46 1
專利名稱：一種寬帶有源巴倫電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種巴倫電路，具體涉及一種寬帶有源巴倫電路。
背景技術：
在無線射頻系統中，接收機前端被實踐證明是最關鍵的模塊。發射機通常發送的是單端信號，而出於提高系統對共模信號的抑制，從而消除毛刺和幹擾，以提高系統可靠性和穩定性等的考慮，需要將接收到的信號轉化為差分信號進行後續處理。在當今的應用中， 一般採用巴倫電路來解決這一轉化問題。對於現有的常用巴倫電路，存在下列主要問題(1)無源巴倫適用帶寬過窄；(2) 有源巴倫電路本身差分輸出端的不對稱導致的輸出信號幅度和相位的不平衡；偽差分對在高頻時輸出相位幅度的失衡；C3) —些巴倫電路使用電感，以致受限於集成工藝，並且不適用於低頻率的應用。
發明內容
針對現有技術存在的不足，本發明目的是提供一種能夠在IOGHz以內的輸入電壓信號下，得到幅度相等、相位差分輸出信號的寬帶有源巴倫電路，且具有輸入電壓信號頻帶範圍寬、對小信號和大信號均適用等優點。為了實現上述目的，本發明是通過如下的技術方案來實現本發明包括電流復用單轉雙電路，電流復用單轉雙電路包括源跟隨器、共源放大器和用於確保源跟隨器與共源放大器對稱偏置的靜態偏置電路；源跟隨器包括P型第三場效應管和P型第四場效應管，所述P型第三場效應管源極接電源電壓，其漏極接P型第四場效應管源極；共源放大器包括P型第五場效應管和P型第六場效應管，所述P型第五場效應管源極接P型第四場效應管漏極，P型第五場效應管漏極接P型第六場效應管源極，P型第六場效應管漏極和柵極均接地；靜態偏置電路包括P型第二場效應管、第一電阻、第二電阻、第三電阻、第四電阻、第二耦合電容、第五電容和電流鏡；所述第二耦合電容一極接P型第三場效應管柵極，其另一極接電源電壓；所述第五電容一極接P型第五場效應管源極，其另一極接電源電壓；所述P型第二場效應管源極接電源電壓，其柵極與漏極短接且與P型第三場效應管柵極相連接；所述第四電阻一極接P型第五場效應管柵極，其另一極接第二電阻一極；所述電流鏡接第四電阻與第二電阻的公共端；所述第二電阻另一極接第一電阻及第三電阻一極；所述第三電阻另一極接P型第四場效應管柵極；所述第一電阻另一極接P 型第二場效應管柵極與漏極的公共端。第二耦合電容的作用在於通過交流耦合接地，達到電流復用的目的，同時確保了源跟隨器與共源放大器具有相同的偏置電流。第五電容作用在於在輸入交流信號時，產生交流虛地的效果，以增強單端轉雙端過程中兩路轉換電路的相對獨立性，提高轉換精度。本發明還包括與電流復用單轉雙電路輸出端相連接的差分放大電路；差分放大電路包括P型第七場效應管、P型第八場效應管和P型第九場效應管；P型第七場效應管源極接電源電壓，其柵極接P型第三場效應管柵極；P型第八場效應管柵極接P型第三場效應管漏極與P型第四場效應管源極的公共端，其源極接P型第七場效應管漏極，其漏極接第一輸出；P型第九場效應管柵極接P型第五場效應管漏極與P型第六場效應管源極的公共端，其源極接P型第七場效應管漏極，其漏極接第二輸出。以滿足後續電路對處理信號的要求，並且對前級輸出電壓的幅度失配有一定的糾正作用。上述P型第八場效應管柵極還連接第五電阻，P型第九場效應管柵極還連接第六電阻；第五電阻和第六電組的電阻值相同，且兩者的另一極接同一偏置電壓。用於對P型第八場效應管柵極和P型第九場效應管進行靜態偏置。上述P型第八場效應管漏極還連接第七電阻，P型第九場效應管漏極還連接第八電阻，第七電阻及第八電阻的另一極均接地。對單轉雙電路的輸出進行等比例放大。上述P型第八場效應管漏極與第二輸出之間設有第九耦合電容；P型第九場效應管漏極與第一輸出之間設有第八耦合電容。上述P型第三場效應管漏極與P型第四場效應管源極的公共端和P型第八場效應管柵極之間設有第六耦合電容；P型第五場效應管漏極與P型第六場效應管源極的公共端和P型第九場效應管柵極之間設有第七耦合電容。第六耦合電容和第七耦合電容作為巴倫電路產生差分信號輸出的交流耦合供後級放大。上述P型第四場效應管柵極還連接有第三耦合電容，P型第五場效應管柵極還連接有第四耦合電容；第三耦合電容及第四耦合電容另一極接同一輸入電壓信號。本發明能在IOGHz以內的輸入電壓信號下，得到幅度相等、相位差分的輸出信號； 具有輸入電壓信號頻帶範圍寬，輸出信號幅度相位匹配精確的優點；使用第五電容達到電流復用的效果，從而節省了功耗；後級只需要一級差分放大電路即可完成對幅值偏差的進一步完善，減小了電路規模，適用於多種應用場合；本發明可以用於射頻前端單轉雙電路、 本振產生電路等射頻模塊。
下面結合附圖和具體實施方式
來詳細說明本發明；圖1為本發明的電路框圖；圖2為圖1的電路原理圖；圖3為本發明的幅頻響應仿真曲線；圖4為本發明的相頻響應仿真曲線。
具體實施例方式為使本發明實現的技術手段、創作特徵、達成目的與功效易於明白了解，下面結合具體實施方式
，進一步闡述本發明。參見圖1和圖2，本發明將單端信號轉換為雙端平衡信號的過程分為兩級第一級提出了一種基於完全對稱電路結構的電流復用單轉雙電路，獲得一定帶寬內，相位精確的差分信號；第二級差分放大電路對前級得到的差分信號進行放大，差分放大電路與電流復用單轉雙電路輸出端相連接，以滿足後續電路對處理信號的要求，並且對前級輸出電壓的幅度失配有一定的糾正作用。
本發明包括電流復用單轉雙電路和與電流復用單轉雙電路輸出端相連接的差分放大電路。電流復用單轉雙電路包括源跟隨器、共源放大器和用於確保源跟隨器與共源放大器對稱偏置的靜態偏置電路。源跟隨器包括P型第三場效應管P3和P型第四場效應管P4，P型第三場效應管P3 源極接電源電壓，其漏極接P型第四場效應管P4源極。共源放大器包括P型第五場效應管P5和P型第六場效應管P6，P型第五場效應管 P5源極接P型第四場效應管P4漏極，P型第五場效應管P5漏極接P型第六場效應管P6源極，P型第六場效應管P6漏極和柵極均接地。P型第三場效應管P3、P型第四場效應管P4、P型第五場效應管P5和P型第六場效應管P6結構相同。P型第四場效應管P4柵極和P型第五場效應管P5柵極接同一輸入電壓信號Vin ；P 型第四場效應管P4柵極與輸入電壓信號Vin之間設有第三耦合電容C3，P型第五場效應管 P5柵極與輸入電壓信號Vin之間設有第四耦合電容C4 ；第三耦合電容C3正極接輸入電壓信號Vin，其負極接P型第四場效應管P4柵極，第四耦合電容C4正極接輸入電壓信號Vin， 其負極接P型第五場效應管P5柵極。靜態偏置電路包括P型第二場效應管P2、第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、 第四電阻R4、第二耦合電容C2、第五電容C5和電流鏡。第二耦合電容C2負極接P型第三場效應管P3柵極，其正極接電源電壓。第二耦合電容的作用在於通過交流耦合接地，達到電流復用的目的，同時確保了源跟隨器與共源放大器具有相同的偏置電流。第五電容C5負極接P型第五場效應管P5源極，其正極接電源電壓，第五電容C5 作用在於在輸入交流信號時，產生交流虛地的效果，以使產生的差分信號相對獨立，達到了電流復用的目的。P型第二場效應管P2源極接電源電壓，其柵極與漏極短接且與P型第三場效應管 P3柵極相連接。第四電阻R4負極接P型第五場效應管P5柵極，其正極接第二電阻R2負極。N型第三場效應管N3漏極接第二電阻R2負極和第四電阻R4正極，其源極接地，其柵極與N型第一場效應管m相連接組成電流鏡。第二電阻R2正極接第一電阻Rl負極和第三電阻R3 正極。第三電阻R3負極接P型第四場效應管P4柵極。第一電阻Rl正極接P型第二場效應管P2柵極與漏極的公共端。差分放大電路包括P型第七場效應管P7、P型第八場效應管P8和P型第九場效應管P9。P型第七場效應管P7源極接電源電壓，其柵極接P型第三場效應管P3柵極。P型第八場效應管P8柵極接P型第三場效應管P3漏極與P型第四場效應管P4源極的公共端，其源極接P型第七場效應管P7漏極，其漏極接第一輸出Vol。P型第九場效應管P9柵極接P型第五場效應管P5漏極與P型第六場效應管P6源極的公共端，其源極接P型第七場效應管P7漏極，其漏極接第二輸出Vo2。P型第八場效應管P8柵極還連接第五電阻R5正極，P型第九場效應管P9柵極還連接第六電阻R6正極；第五電阻R5和第六電組的電阻值相同，且兩者的負極接同一偏置電壓 Vbias0P型第八場效應管P8漏極還連接第七電阻R7正極，P型第九場效應管P9漏極還連接第八電阻R8正極，第七電阻R7及第八電阻R8負極均接地。P型第三場效應管P3漏極與P型第四場效應管P4源極的公共端和P型第八場效應管P8柵極之間設有第六耦合電容C6，第六耦合電容C6正極接P型第三場效應管P3漏極與P型第四場效應管P4源極的公共端，其負極接P型第八場效應管P8柵極；P型第五場效應管P5漏極與P型第六場效應管P6源極的公共端和P型第九場效應管P9柵極之間設有第七耦合電容C7，第七耦合電容C7正極接P型第五場效應管P5漏極與P型第六場效應管 P6源極的公共端，其負極接P型第九場效應管P9柵極。第六耦合電容C6和第七耦合電容 C7作為巴倫電路產生差分信號輸出的交流耦合供後級放大。P型第八場效應管P8漏極與第二輸出Vo2之間設有第九耦合電容C9，第九耦合電容C9正極接P型第八場效應管P8漏極，其負極接第二輸出Vo2 ；P型第九場效應管P9漏極與第一輸出Vol之間設有第八耦合電容C8，第八耦合電容C8正極接P型第九場效應管P9 漏極，其負極接第一輸出Vol。電流復用單轉雙電路主體由P型第三場效應管P3、P型第四場效應管P4、P型第五場效應管P5和P型第六場效應管P6四個PMOS管串聯組成。第五電容C5產生交流虛地效果以使產生的差分信號相對獨立，使靜態偏置時，串聯的P型第三場效應管P3、P型第四場效應管P4、P型第五場效應管P5和P型第六場效應管P6，對於交流信號產生P型第三場效應管P3、P型第四場效應管P4的串聯路徑與P型第五場效應管P5、P型第六場效應管P6的串聯路徑並聯的效果。第一電阻R1、第三電阻R3、第二電阻R2和第四電阻R4在P型第四場效應管P4、P型第五場效應管P5兩個PMOS管上產生穩定偏置，從而使四個PMOS管組成的主路徑電流保持恆定。四個PMOS管設計參數一致，又具有相同的偏置電流，從而在P型第四場效應管P4源極和P型第五場效應管P5漏極輸出信號在低頻下對輸入電壓信號的放
A_ Sm4 _ gm6
大倍數絕對值嚴格相同均為+丄+丄其中，_3、gm4，gm5和gm6分別是
rr
OO，
對應的場效應管的跨導；r。是採用柵漏短接形式場效應管(P3、P4、P5和P6)的電阻；
H(S) =——-——同時相位相差180度，該結構在高頻時傳輸函數為+其中，A是電路的放大倍數，Pi為電路極點，S是頻率分析的參數；由管子參數的對稱設計，兩個輸出的傳輸函數相同，所以兩個輸出端的高頻相移也相同，從而Vl輸出為輸入電壓信號Vin的同相等值信號，V2輸出為輸入電壓信號Vin的反相等值信號。靜態偏置電路使P型第四場效應管P4、P型第五場效應管P5的柵電壓偏置在適當位置，保證各個管子處於飽和區。又P型第三場效應管P3、P型第四場效應管P4、P型第五場效應管P5和P型第六場效應管P6通路靜態電流由電流鏡偏置在固定位置，所以P型第三場效應管P3、P型第四場效應管P4、P型第五場效應管P5和P型第六場效應管P6的跨導值均相等，達到了在不同頻率下幅度和相位的匹配。本發明P型第二場效應管P2、第一電阻Rl、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻 R4、N型第三場效應管N3組成的分壓結構以及N型第三場效應管N3鏡像為電流源為電路提供了靜態偏置，使P型第四場效應管P4、P型第五場效應管P5工作在飽和區。輸入單端電壓信號，通過第三耦合電容C3、第四耦合電容C4交流耦合分別作用於P型第四場效應管 P4柵極、P型第五場效應管P5柵極，P型第四場效應管P4源極輸出與輸入電壓信號Vin同相的放大信號，P型第五場效應管P5漏極輸出與輸入電壓信號Vin反相的放大信號。由於P型第三場效應管P3、P型第四場效應管P4和P型第五場效應管P5、P型第六場效應管P6兩對放大管完全對稱，而且第五電容C5起了交流接地的作用，使兩對管子分別構成了共源放大器結構和源跟隨器結構，並達到了電流復用的目的節約了功耗。並且差分輸出端的輸出阻抗在很寬的頻帶範圍內保持一致，從而使兩個輸出信號(VI和^)在寬帶範圍內幅值相等，相差精確保持180°，得到理想的差分信號。雙端信號分別通過第六耦合電容C6、第七耦合電容C7與差分放大電路交流耦合，並通過後級差分放大器放大後輸出滿足後續處理電路所需幅度的差分信號。參見圖3，從幅頻響應仿真曲線可以看出，本設計在IOGHz以內頻率的信號輸入下，能保持輸出信號的幅值基本相等。參見圖4，從相頻響應仿真曲線可以看出，本設計在5GHz以內頻率信號輸入條件下，輸出信號相位差基本保持180°的理想值，從5GHz以上頻率才開始產生相位差小幅偏移，直到10GHz，只產生10°至20°的相差偏移。通過仿真結果，可以說明，本發明實現了寬帶幅度和相位的匹配。以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特徵和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
權利要求
1.一種寬帶有源巴倫電路，其特徵在於，包括電流復用單轉雙電路，所述電流復用單轉雙電路包括源跟隨器、共源放大器和用於確保源跟隨器與共源放大器對稱偏置的靜態偏置電路；所述源跟隨器包括P型第三場效應管和P型第四場效應管，所述P型第三場效應管源極接電源電壓，其漏極接P型第四場效應管源極；所述共源放大器包括P型第五場效應管和P型第六場效應管，所述P型第五場效應管源極接P型第四場效應管漏極，P型第五場效應管漏極接P型第六場效應管源極，P型第六場效應管漏極和柵極均接地；所述靜態偏置電路包括P型第二場效應管、第一電阻、第二電阻、第三電阻、第四電阻、 第二耦合電容、第五電容和電流鏡；所述第二耦合電容一極接P型第三場效應管柵極，其另一極接電源電壓；所述第五電容一極接P型第五場效應管源極，其另一極接電源電壓；所述 P型第二場效應管源極接電源電壓，其柵極與漏極短接且與P型第三場效應管柵極相連接； 所述第四電阻一極接P型第五場效應管柵極，其另一極接第二電阻一極；所述電流鏡接第四電阻與第二電阻的公共端；所述第二電阻另一極接第一電阻及第三電阻一極；所述第三電阻另一極接P型第四場效應管柵極；所述第一電阻另一極接P型第二場效應管柵極與漏極的公共端。
2.根據權利要求1所述的寬帶有源巴倫電路，其特徵在於，還包括與電流復用單轉雙電路輸出端相連接的差分放大電路；所述差分放大電路包括P型第七場效應管、P型第八場效應管和P型第九場效應管；所述P型第七場效應管源極接電源電壓，其柵極接P型第三場效應管柵極；所述P型第八場效應管柵極接P型第三場效應管漏極與P型第四場效應管源極的公共端，其源極接 P型第七場效應管漏極，其漏極接第一輸出；所述P型第九場效應管柵極接P型第五場效應管漏極與P型第六場效應管源極的公共端，其源極接P型第七場效應管漏極，其漏極接第二輸出。
3.根據權利要求2所述的寬帶有源巴倫電路，其特徵在於，所述P型第八場效應管柵極還連接第五電阻，所述P型第九場效應管柵極還連接第六電阻；所述第五電阻和第六電組的電阻值相同，且兩者的另一極接同一偏置電壓。
4.根據權利要求2所述的寬帶有源巴倫電路，其特徵在於，所述P型第八場效應管漏極還連接第七電阻，所述P型第九場效應管漏極還連接第八電阻，所述第七電阻及第八電阻的另一極均接地。
5.根據權利要求2所述的寬帶有源巴倫電路，其特徵在於，所述P型第八場效應管漏極與第二輸出之間設有第九耦合電容；所述P型第九場效應管漏極與第一輸出之間設有第八耦合電容。
6.根據權利要求2所述的寬帶有源巴倫電路，其特徵在於，所述P型第三場效應管漏極與P型第四場效應管源極的公共端和P型第八場效應管柵極之間設有第六耦合電容；所述 P型第五場效應管漏極與P型第六場效應管源極的公共端和P型第九場效應管柵極之間設有第七耦合電容。
7.根據權利要求1或2所述的寬帶有源巴倫電路，其特徵在於，所述P型第四場效應管柵極還連接有第三耦合電容，所述P型第五場效應管柵極還連接有第四耦合電容；所述第三耦合電容及第四耦合電容另一極接同一輸入電壓信號。
全文摘要
本發明公開了一種寬帶有源巴倫電路，本發明將單端信號轉換為雙端平衡信號的過程分為兩級第一級提出了一種基於完全對稱電路結構的電流復用單轉雙電路，電流復用單轉雙電路包括源跟隨器、共源放大器和用於確保源跟隨器與共源放大器對稱偏置的靜態偏置電路；第二級差分放大電路對前級得到的差分信號進行放大，差分放大電路與電流復用單轉雙電路輸出端相連接，以滿足後續電路對處理信號的要求，並且對前級輸出的幅度失配有一定的糾正作用。本發明能在10GHz以內的輸入電壓信號下，得到幅度相等、相位差分的輸出信號；後級只需要一級放大電路即可完成對幅值偏差的進一步完善，減小了電路規模。
文檔編號H03H11/32GK102340295SQ201110143098
公開日2012年2月1日 申請日期2011年5月30日 優先權日2011年5月30日
發明者吳建輝, 張理振, 李紅, 溫俊峰, 王旭東, 白春風, 謝震, 趙強, 陳超, 黃成 申請人:東南大學