简介
宽带混频器广泛运用于多功能无线收发器、微波收发器、微波回程、雷达和测验设备。宽带混频器使得在具有各种无线电参数的动态可编程性的无线电架构中运用单个混频器成为可能。
现已证明,CMOS和BiCMOS等先进硅技能能够在相对窄带运用中完成高功能混频器。因而宽带混频器最等待的完成方法是运用集总元件或其他兼容IC制作技能和几许形状的结构制成。平衡混频器是首选拓扑结构,因为与非平衡混频器比较,它们在线性、噪声系数和端口到端口阻隔方面具有更好的全体功能。巴伦是单平衡混频器和双平衡混频器中用于在平衡和非平衡装备之间转化RF、LO和IF信号的要害组件。能够在规范IC铸造工艺中集成巴伦至关重要,这样才干生产出宽带集成混频器。
本文介绍一种能够在硅、GaAs或任何其他集成过程中轻松完成的立异巴伦结构。这种巴伦拓扑的带宽比传统巴伦结构更宽。在0.18 μm SiGe BiCMOS工艺中,运用宽带巴伦规划一款3 GHz至20 GHz高功能混频器。
宽带巴伦
混频器最重要的功能参数包含转化增益、线性度、噪声系数和作业带宽。集成混频器中运用的巴伦对所有这些混频器的功能都有严重影响。集成巴伦的要害功能包含作业频率规模、插入损耗、起伏/相位平衡、共模按捺比(CMRR)和物理尺度。
集成电路运用中的两种常见巴伦结构是传统平面变压器巴伦1,2和Marchand巴伦。3,4这两种巴伦在窄带运用中都有杰出的功能。平面变压器巴伦由两个严密耦合的变压器组成。电感的自感和谐振频率是带宽的两个首要约束要素。自感约束低频端的带宽,非平衡和平衡终端的寄生电容和不对称终端约束高频端的带宽。Marchand巴伦由四条四分之一波长传输线组成,一般需要在芯片上占用很多空间。在集成电路中运用交织变压器布局,演示了微型Marchand巴伦。每条线段的电气长度要求约束了Marchand巴伦的带宽。当电气长度违背所需的四分之一波长时,振幅和相位平衡就会下降。一般,规划杰出的变压器巴伦或Marchand巴伦能够掩盖3×至4×最大-最小频率比的频率规模,且功能合理。
众所周知,Ruthroff巴伦具有非常宽的带宽5,6,7,许多分立元件产品都是根据Ruthroff结构开发。可是,还没有发现对微波集成电路运用相似结构。
图1.Ruthroff型宽带巴伦
图1a显现了一个Ruthroff型宽带巴伦原理图,可运用三个电感在平面半导体工艺中轻松构建。一个布局示例如图1b所示。在该布局中,只需要两个金属层,一个厚金属层用于三个低损耗电感,一个地下通道金属层用于衔接。当有额定的厚金属层可用时,L1和L3能够笔直耦合,这样尺度就会更小,它们之间的磁性耦合也可能会更好。
宽带特性得益于结构简略,这会导致寄生电容更少。单端信号由L1和L2分压得到。因而,巴伦的正端口正好是同相位单端信号电压的一半。因为L1和L3之间的负耦合,巴伦的负端口是具有180°相移的单端信号电压的一半。
在非常宽的带宽上能够完成超卓的振幅和相位平衡。图2显现了宽带巴伦装备的仿真功能。振幅不平衡是S21和S31之间的差,相位差错是S21和S31与希望的180°之间的相位差。主张的巴伦具有非常好的振幅平衡,以及3 GHz到20 Ghz之间挨近180°的相位差。在平衡混频器和推挽放大器等许多运用中运用巴伦时,共模按捺非常重要。图5b所示的仿真结果表明,3电感巴伦在3 GHz到20 GHz规模内的CMRR优于20dB。
图2.宽带巴伦的仿真功能
与变压器巴伦拓扑结构相同,3电感巴伦的带宽也受低频端电感和高频端寄生电容的约束。当电感较低时,负载阻抗对端口3的L1和L2之间的分压和端口2的转化电压影响较大。虽然在低频规模内振幅平衡和相位差依然能够承受,但插入损耗增大。因而,较低的终端阻抗或较高的电感将有利于低频功能。在高频端,L1和L2之间的寄生电容会下降变压器的功能,导致较大的相位差错。精心布局并考虑下降寄生电容能够扩大巴伦的高频作业规模。
集成巴伦的物理尺度约束了低端带宽。为了探究主张的巴伦结构在低频运用中的可行性,规划了一款0.5 GHz到6 GHz的巴伦,并与根据变压器的传统巴伦进行了比照,功能如图3所示。
图3.传统巴伦和新巴伦的仿真功能比较
集成宽带RF/微波混频器
宽带双平衡无源混频器规划选用Jazz的SiGe 0.18 μm工艺和3电感巴伦装备。混频器的RF、IF和LO端口为50 Ω单端端口,并在RF和IF端口集成巴伦。集成的RF巴伦经过优化,可掩盖3 GHz至20 GHz RF频率规模。集成的IF巴伦经过优化,可掩盖500 MHz至9 GHz的极宽频率规模。单端LO信号经过有源放大器电路在内部转化为差分信号以减小芯片尺度。运用高速NPN的两级宽带放大器向无源混频器的MOSFET栅极供给满足的信号电压摆幅,且在1 GHz至20 GHz频率规模内只要0 dBm输入功率。
图4.宽带双平衡无源混频器
该混频器选用2 mm × 3 mm QFN小型封装,并运用铜柱倒装芯片进行互连。铜柱衔接的附加寄生电容很低,可坚持硅的宽带功能。该混频器选用3.3 V偏置电源,室温下的功耗为132 mA。测得的转化损耗和IIP3功能如图5.8所示。混频器的RF、LO和IF端口在其宽作业频率规模内匹配杰出。图6显现这些端口的回波损耗。应该留意的是,RF回波损耗取决于IF端口阻抗,图6a中的结果是运用0.9 GHz的IF频率测得。
图5.宽带双平衡无源混频器测得的功能
图6.宽带双平衡无源混频器测得的回波损耗
表1.咱们的宽带混频器与商场同类产品比较
与商场上的宽带混频器(如表1中所示)比较,运用3电感巴伦规划的混频器可一起完成RF和IF规模的最宽带宽。它具有最低的LO功耗和最高的集成等级。全体功能优于任何已报导的产品或发布的宽带混频器产品。
定论
本文介绍了一种合适现代半导体工艺平面实施方案的Ruthroff型宽带巴伦结构。规划了一款运用宽带巴伦的高功能双平衡混频器并对其进行了功能丈量。
