CN108900172B - 一种宽带单端输入高精度正交差分输出信号产生电路 - Google Patents

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Abstract

一种宽带单端输入高精度正交差分输出信号产生电路，在传统Marchand巴伦级联正交信号产生电路基础上，级间***宽带差分放大器，使宽带差分放大器的输入电阻与Marchand巴伦的输出电阻匹配，宽带差分放大器的输出电阻与正交信号产生电路的输入电阻匹配，以降低正交信号产生电路输出端容性负载对Marchand巴伦的影响，提高Marchand巴伦产生的正交信号的精度，进而减小正交信号产生电路输出的正交差分信号的相位误差和幅度误差，同时降低Marchand巴伦的输出电阻对正交信号产生电路的影响，进一步提高正交差分信号的精度，正交信号产生电路为已知的多相滤波器(PPF)或正交全通滤波器(QAF)。

Description

一种宽带单端输入高精度正交差分输出信号产生电路
技术领域
本发明涉及一种宽带单端输入高精度正交差分输出信号产生电路，能在满足带宽的基础上，极大的降低传统宽带无源巴伦级联正交信号产生电路产生的正交差分信号的相位误差和幅度误差，可用于宽带相控阵***中正交差分信号的产生，属于射频技术领域。
背景技术
宽带单端输入正交差分输出信号产生电路常常应用于宽带有源移相器芯片中，传统的单端输入正交差分输出的信号产生电路如图1所示。首先射频输入信号经过输入巴伦产生一对差分信号，产生的差分信号再通过一个正交信号产生电路来产生一组正交差分信号。
输入巴伦的选择通常考虑无源巴伦和有源巴伦两种结构。有源巴伦的优点在于其相位误差及增益误差较小，并且能提供一定的增益，但其线性度较差。相较于有源巴伦，无源巴伦的插损较大但其线性度较好，并且带宽较宽。作为相控阵***中最关键的模块，有源移相器的性能和指标决定了整个相控阵***的性能和指标。目前有源移相器对线性度的要求越来越高，传统的输入有源巴伦已经不能满足线性度的要求，因此宽带输入无源巴伦的应用成为高线性度正交信号产生电路的一个趋势。
宽带正交信号产生电路通常考虑两种结构：多相滤波器(PPF)和正交全通滤波器(QAF)。多级级联的多相滤波器广泛应用于宽带相控阵***，尤其是应用于基于矢量合成原理的宽带有源移相器的设计中。该正交信号产生电路缺点在于插损较大，但相位误差和幅度误差均较小，并且输出端容性负载或感性负载对输出产生的正交信号误差影响较小。而正交全通滤波器，其优点在于插损较小甚至能提供一定的电压增益，缓解了有源移相器电路其他模块设计指标的压力，但是相较于多相滤波器结构其相位误差和幅度误差均稍大，并且输出端容性负载以及感性负载对对输出产生的正交信号误差影响较大。
传统的如图1所示的正交信号产生电路结构，输入巴伦将单端输入的射频信号转换成一对差分信号输出给正交信号产生电路，正交信号产生电路输出一组正交差分信号：同相VI+、正交VQ+、同相VI－和正交VQ－给负载单元。输入巴伦为Marchand结构的无源巴伦，正交信号产生电路为多相滤波器PPF或正交全通滤波器QAF。当负载接50Ω电阻时，无论正交信号产生电路采用多相滤波器结构还是正交全通滤波器结构，其输出端产生的正交差分信号相位误差和增益误差均较小。但考虑实际应用在有源移相器电路中的正交信号产生电路，其输出负载通常接可变增益放大器(VGA)电路，因此其输出端存在一个容性负载，具体可等效为一个电阻串联一个电容，此时正交信号产生电路输出端的相位误差和幅度误差均较大，严重影响了电路的性能。其具体原因在于正交信号产生电路输出端的负载电容，等效到输入无源巴伦的差分输出端产生一个容性负载。而输入无源巴伦对负载电容较为敏感，对产生的差分信号产生很大的相位误差和幅度误差，进而在正交信号产生电路的输出端产生较大相位误差和幅度误差。并且目前国际上在较宽带宽范围内，输入无源巴伦实现50Ω的输出阻抗匹配难度较大，因此其容性或感性输出阻抗也严重影响了后级正交信号产生电路产生的正交信号的精度，产生很大误差。
发明内容
本发明的目的为克服传统宽带单端输入正交差分输出信号产生电路结构的不足，提供一种宽带单端输入高精度正交差分输出信号产生电路，能在保证宽带特性基础上，极大的改善产生的正交差分信号的相位误差和幅度误差。
本发明采取的技术方案如下：一种宽带单端输入正交差分输出信号产生电路，包括输入巴伦级联正交信号产生电路，输入巴伦将单端输入的射频信号转换成一对差分信号输出给正交信号产生电路，正交信号产生电路输出一组正交差分信号：同相VI+、正交VQ+、同相VI－和正交VQ－给负载单元；输入巴伦为Marchand结构的无源巴伦，正交信号产生电路为多相滤波器PPF或正交全通滤波器QAF，其特征在于：在Marchand巴伦与正交信号产生电路之间增设宽带差分放大器，使宽带差分放大器的输入电阻与前级Marchand巴伦的输出电阻匹配，宽带差分放大器的输出电阻与后级正交信号产生电路的输入电阻匹配，以降低正交信号产生电路输出端容性负载对Marchand巴伦的影响，提高Marchand巴伦输出端产生的正交信号的精度，进而减小正交信号产生电路输出端产生的正交差分信号的相位误差和幅度误差，同时降低Marchand巴伦的输出电阻对正交信号产生电路的影响，进一步提高正交差分信号的精度；宽带差分放大器的正输入端IN+连接Marchand巴伦的正输出端P2，宽带差分放大器的负输入端IN-连接Marchand巴伦的负输出端P3，宽带差分放大器的正输出端OUT+连接多相滤波器PPF或正交全通滤波器QAF的正输入端VIN+，宽带差分放大器的负输出端OUT-连接多相滤波器PPF或正交全通滤波器QAF的负输入端VIN-，多相滤波器PPF或正交全通滤波器QAF输出正交差分信号同相VI+、正交VQ+、同相VI－和正交VQ－。
所述宽带差分放大器包括10个HBT管Q1～Q10、10个电阻R1～R10和10个电容C1～C10，宽带差分放大器的正输入端IN+连接电容C1的一端，电容C1的另一端连接Q5的发射极和Q1的基极，Q5的集电极连接电阻R9的一端和电源VDD，电阻R9的另一端连接Q6的集电极和基极以及电容C5的一端和Q5的基极，电容C5的另一端接地，Q6的发射极连接Q7的集电极和基极，Q7的发射极接地，Q1的发射极与Q2的发射极连接并接地，Q1的集电极连接Q3的发射极，Q2的集电极连接Q4的发射极，Q3的集电极经电容C3与电阻R1串联后连接Q1的基极，且Q3的集电极经电阻R7连接电源VDD，Q4的集电极经电容C4与电阻R2串联后连接Q2的基极，且Q4的集电极经电阻R8连接电源VDD，Q3的基极连接电容C7与电阻R3并联后的一端以及电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接电源VDD，电容C7与电阻R3并联后的另一端接地，Q4的基极连接电容C8与电阻R5并联后的一端以及电阻R6的一端，电阻R6的另一端连接电源VDD，电容C8与电阻R5并联后的另一端接地，Q9的基极与集电极互连并连接Q8的基极以及电阻R10的一端和电容C6的一端，电阻R10的另一端连接Q8的集电极并连接电源VDD，电容C6的另一端接地，Q9的发射极连接Q10的集电极和基极，Q10的发射极接地，Q8的发射极连接Q2的基极和电容C2的一端，电容C2的另一端为宽带差分放大器的负输入端IN-，Q3的集电极经电容C9后作为宽带差分放大器的正输出端OUT+，Q4的集电极经电容C10后作为宽带差分放大器的负输出端OUT-。
所述HBT管Q1与Q2尺寸相同，Q3与Q4尺寸相同，Q5与Q8尺寸相同，Q6与Q9尺寸相同，Q7与Q10尺寸相同。
所述电容C1＝C2，C3＝C4，C5＝C6，C7＝C8，C9＝C10。
所述电阻R1＝R2，R3＝R5，R4＝R6，R7＝R8，R9＝R10。
本发明的优点及显著效果：
(1)产生高精度的正交差分信号。本发明在输入无源巴伦和正交信号产生电路之间加入宽带差分放大器。宽带差分放大器的输入端通过输入匹配网络R1，C3和R2，C4匹配到50Ω，使前级输入无源巴伦的输出负载为50Ω，降低了输入无源巴伦产生的差分信号的误差，进而降低了正交信号产生电路输出端产生的正交差分信号的误差，减少了输出端负载电容对正交信号产生电路的影响。同时宽带差分放大器的输出端通过输出匹配网络R7，R8，C9，C10匹配到50Ω，使后级正交信号产生电路的输入电阻为50Ω，进一步降低了正交信号产生电路输出端产生的正交差分信号的误差。
(2)高隔离度。宽带差分放大器采用cascode结构，降低了密勒效应的影响，提高了输入输出端口间的隔离度，降低了正交信号产生电路输出端负载电容对输入无源巴伦的影响。
(3)增益补偿。由于输入无源巴伦以及正交信号产生电路都存在较大的插损，引入的宽带差分放大器可以提供一定的增益，进而补偿整体正交信号产生电路的插损。
(4)高线性度。宽带差分放大器采用自适应偏置技术，提高了放大电路的线性度，降低了对整体移相器电路线性度的影响。
(5)宽带宽。宽带差分放大器输入端采用负反馈结构的输入匹配网络，输出端采用电阻负载的输出匹配网络，从而实现在很宽的频带上进行输入输出阻抗匹配，扩展了差分放大器的带宽，不影响整体正交信号产生电路的带宽性能。
(6)面积小。宽带差分放大器同时实现了输入输出宽带阻抗匹配，相较于传统的电感、电容组合的宽带阻抗匹配网络，该结构占用较小的芯片面积。
附图说明
图1是传统宽带单端输入正交差分输出信号产生电路的结构图；
图2是本发明宽带单端输入高精度正交差分输出信号产生电路的结构图；
图3是本发明增设的宽带差分放大器电路原理图；
图4是已知的输入Marchand无源巴伦的电路结构图；
图5是已知的正交信号产生电路采用正交全通滤波器(QAF)的电路原理图；
图6是已知的Marchand巴伦级联正交全通滤波器(QAF)的电路结构图；
图7是本发明在图6基础上增设了宽带差分放大器的结构图；
图8是在相同负载下图6结构与本发明图7结构的相位误差随频率变化的曲线比较；
图9是在相同负载下图6结构与本发明图7结构的的幅度误差随频率变化的曲线比较；
图10是已知的多相滤波器的电路原理图；
图11是已知的Marchand巴伦级联多相滤波器(PPF)的电路结构图；
图12是本发明在图11基础上增设了宽带差分放大器的结构图；
图13是在相同负载下图11结构与本发明图12结构的相位误差随频率变化的曲线比较；
图14是在相同负载下图11结构与本发明图12结构的幅度误差随频率变化的曲线比较；
具体实施方式
参看图2，本发明在图1现有技术的基础上，在Marchand巴伦和正交信号产生电路之间***宽带差分放大器。Marchand巴伦的输出正端P2接宽带差分放大器的正输入端IN+，Marchand巴伦的输出负端P3接宽带差分放大器的负输入端IN-，OUT+接正交信号产生电路的输入端VIN+，OUT-接正交信号产生电路的输入端VIN-，正交信号产生电路输出正交差分信号：同相VI+、正交VQ+、同相VI－和正交VQ－连接负载单元。
参看图3，为本发明增设的宽带差分放大器，IN+接电容C1的一端，C1的另一端接Q1的基极，Q1的发射极接地GND，Q1的集电极接Q3的发射级，Q3的基极接电阻R3、R4、C7的一端，R3的另一端接GND，R4的另一端接电源电压VDD，C7的另一端接GND，Q3的集电极接电阻R7的一端，R7的另一端接VDD，同时Q1的基极接输入匹配电路电阻R1的一端，R1的另一端接电容C3的一端，C3的另一端接Q3的集电极，同时Q1的基极接偏置电路Q5的发射级，Q5的集电极接VDD，Q5的基极接C5的一端，C5的另一端接GND，Q5的基极同时接Q6的基极，Q6的基极接Q6的集电极，Q6的集电极接电阻R9的一端，R9的另一端接VDD，Q6的发射级接Q7的集电极，Q7的集电极接Q7的基极，Q7的发射级接GND，Q3的集电极接电容C9的一端，C9的另一端接输入端OUT+。同时，Marchand巴伦的输出端P3接宽带差分放大器的正输入端IN-，IN-接电容C2的一端，C2的另一端接Q2的基极，Q2的发射极接地GND，Q2的集电极接Q4的发射级，Q4的基极接电阻R5、R6、C8的一端，R5的另一端接GND，R6的另一端接电源电压VDD，C8的另一端接GND，Q4的集电极接电阻R8的一端，R8的另一端接VDD，同时Q2的基极接输入匹配电路电阻R2的一端，R2的另一端接电容C4的一端，C4的另一端接Q4的集电极，同时Q2的基极接偏置电路Q8的发射级，Q8的集电极接VDD，Q8的基极接C6的一端，C6的另一端接GND，Q8的基极同时接Q9的基极，Q9的基极接Q9的集电极，Q9的集电极接电阻R10的一端，R10的另一端接VDD，Q9的发射级接Q10的集电极，Q10的集电极接Q10的基极，Q10的发射级接GND，Q4的集电极接电容C10的一端，C10的另一端接输入端OUT-。其中，晶体管Q1与Q2尺寸相同，Q3与Q4尺寸相同，Q5与Q8尺寸相同，Q6与Q9尺寸相同，Q7与Q10尺寸相同。C1＝C2，C3＝C4，C5＝C6，C7＝C8，C9＝C10，R1＝R2，R3＝R5，R4＝R6，R7＝R8，R9＝R10。
本发明在Marchand巴伦和正交信号产生电路级间***一级宽带差分放大器。其目的在于降低正交信号产生电路输出端容性负载对宽带无源巴伦的影响，提高宽带无源巴伦输出端产生的正交信号的精度，进而减小正交信号产生电路输出端产生的正交差分信号的相位误差和幅度误差。同时降低宽带无源巴伦的输出电阻对正交信号产生电路的影响，进一步提高产生的正交差分信号的精度。宽带差分放大器在输入端通过负反馈网络R1，C3和R2，C4宽带匹配到50Ω，使前级Marchand巴伦的输出负载为50Ω，减少了Marchand巴伦产生的差分信号的误差。同时差分放大器的输出端通过输出匹配网络R7，R8，C9，C10宽带匹配到50Ω，使后级正交信号产生电路的输入阻抗为50Ω，降低了正交信号产生电路输出端的正交差分信号的误差。本发明在宽带范围内同时实现输入输出阻抗匹配，相较于传统的电感、电容组合的宽带匹配网络，该结构占用较小的芯片面积。同时该宽带差分放大器采用cascode结构，降低了密勒效应的影响，提高输入输出端口间的隔离度，降低了正交信号产生电路输出端负载电容对输入无源巴伦的影响，具有很高的隔离度。并且由于Marchand巴伦以及正交信号产生电路都存在较大的插损，引入的宽带差分放大器可以提供一定的增益，进而补偿整体正交信号产生电路的插损。同时该宽带差分放大器采用自适应偏置技术，提高了放大电路的线性度，降低了对整体移相器电路的影响。
目前应用在正交信号产生电路中的宽带无源巴伦常常采用Marchand巴伦，其结构如图4所示。该结构的优点在于可以利用中心开路短截线进行优化，从而在较宽的带宽内实现较低的相位误差和幅度误差。具体电路包括两段完全相同的耦合线，一段互连线和一段开路短截线，相应的电长度分别为λ、λθ、λψ。
图5是已知的的一种交全通滤波器(QAF)的电路实施结构，包括电感L1、L2，电容C1、C2，以及电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6构成的差分正交网络，其中L1＝L2＝L，C1＝C2＝C，
Figure BDA0001685364890000061
负载电阻RL＝50Ω，负载电容CL＝50f。
图6是传统Marchand巴伦级联正交全通滤波器(QAF)的电路结构。Marchand巴伦的输出端P2、P3连接正交全通滤波器的输入端VIN+、VIN-，正交全通滤波器的输出VI+、VI－、VQ+、VQ－分别连接负载电容CL，负载电阻RL。正交全通滤波器具体的电路原理图如图5所示.
图7是在图6基础上本发明引入的加入宽带差分放大器的Marchand巴伦级联正交全通滤波器(QAF)的电路结构图。Marchand巴伦的输出端P2接宽带差分放大器的正输入端IN+，Marchand巴伦的输出端P3接宽带差分放大器的负输入端IN-，OUT+接正交信号产生电路的输入端VIN+，OUT-接正交信号产生电路的输入端VIN-，正交信号产生电路的输出VI+、VI-、VQ+、VQ-分别连接负载电容CL，负载电阻RL。除加入宽带差分放大器外，其余电路参数、结构与图6一致。
图8，图9是相同负载下如图6所示传统Marchand巴伦级联正交全通滤波器结构与如图7所示本发明采用的加入宽带差分放大器的输出正交信号的相位误差和幅度误差随频率变化的曲线比较。其中，Marchand巴伦的参数为：λ＝2275μm,λθ＝184μm,λψ＝113μm。正交全通滤波器具体的参数为：L1＝L2＝298pH，C1＝C2＝682fF，R1＝R2＝41Ω，R3＝R4＝R5＝R6＝20.5Ω。在输出端接负载电容CL串联电阻RL，其中CL＝50fF，RL＝50Ω。参看图8，在6-18GHz内，传统正交信号产生电路结构在6-9GHz范围相位误差较大，最高相位误差102.59°,而本发明所采用的结构在6-18GHz内最高相位误差7.2°。参见图9，在6-18GHz内，传统正交信号产生电路最高幅度误差12.37dB，而本发明所采用的结构在6-18GHz内最高幅度误差0.588dB。通过比较，其性能远优于传统电路结构。
图11是传统Marchand巴伦级联多相滤波器(PPF)的电路结构图。Marchand巴伦的输出端P2、P3连接多相滤波器的输入端VIN+、VIN-，多相滤波器的输出VI+、VI－、VQ+、VQ－分别连接负载电容CL，负载电阻RL。图10所示已知的多相滤波器实施例包括电容C1、C2、C3，以及电阻R1、R2、R3构成的差分正交网络，其中R1＝R2＝R3＝100Ω，C1、C2、C3根据带宽和中心频率计算得出。
图12是在图11基础上本发明引入的加入宽带差分放大器的Marchand巴伦级联多相滤波器(PPF)的电路结构图。输入无源巴伦的输出端P2接宽带差分放大器的正输入端IN+，输入无源巴伦的输出端P3接宽带差分放大器的负输入端IN-，OUT+接正交信号产生电路的输入端VIN+，OUT-接正交信号产生电路的输入端VIN-，正交信号产生电路的输出VI+、VI－、VQ+、VQ－分别连接负载电容CL，负载电阻RL。除加入宽带差分放大器外，其余电路参数、结构与图11一致。
图13，图14是相同负载下如图11所示传统Marchand巴伦级联多相滤波器的结构与如图12所示本发明采用的加入宽带差分放大器的输出正交信号的相位误差和幅度误差随频率变化的曲线比较。其中，Marchand巴伦参数为：λ＝2275μm,λθ＝184μm,λψ＝113μm。多相滤波器的参数为：R1＝R2＝R3＝100Ω,C1＝270fF、C2＝200fF、C3＝100fF。在输出端接负载电容CL串联电阻RL，其中CL＝50fF，RL＝50Ω。参看图13，在6-18GHz内，传统正交信号产生电路结构最高相位误差44.61°,而本发明所采用的结构在6-18GHz内最高相位误差3.52°。同时参见图14，在6-18GHz内，传统正交信号产生电路最高幅度误差5.34dB，而本发明所采用的结构在6-18GHz内最高幅度误差0.653dB。通过比较，本发明的结构其性能远优于传统电路结构。

Claims (4)

1.一种宽带单端输入正交差分输出信号产生电路，包括输入巴伦级联正交信号产生电路，输入巴伦将单端输入的射频信号转换成一对差分信号输出给正交信号产生电路，正交信号产生电路输出一组正交差分信号：同相VI+、正交VQ+、同相VI－和正交VQ－给负载单元；输入巴伦为Marchand结构的无源巴伦，正交信号产生电路为多相滤波器PPF或正交全通滤波器QAF，其特征在于：在Marchand巴伦与正交信号产生电路之间增设宽带差分放大器，使宽带差分放大器的输入电阻与前级Marchand巴伦的输出电阻匹配，宽带差分放大器的输出电阻与后级正交信号产生电路的输入电阻匹配，以降低正交信号产生电路输出端容性负载对Marchand巴伦的影响，提高Marchand巴伦输出端产生的正交信号的精度，进而减小正交信号产生电路输出端产生的正交差分信号的相位误差和幅度误差，同时降低Marchand巴伦的输出电阻对正交信号产生电路的影响，进一步提高正交差分信号的精度；宽带差分放大器的正输入端IN+连接Marchand巴伦的正输出端P2，宽带差分放大器的负输入端IN-连接Marchand巴伦的负输出端P3，宽带差分放大器的正输出端OUT+连接多相滤波器PPF或正交全通滤波器QAF的正输入端VIN+，宽带差分放大器的负输出端OUT-连接多相滤波器PPF或正交全通滤波器QAF的负输入端VIN-，多相滤波器PPF或正交全通滤波器QAF输出正交差分信号同相VI+、正交VQ+、同相VI－和正交VQ－；
所述宽带差分放大器包括10个HBT管Q1～Q10、10个电阻R1～R10和10个电容C1～C10，宽带差分放大器的正输入端IN+连接电容C1的一端，电容C1的另一端连接Q5的发射极和Q1的基极，Q5的集电极连接电阻R9的一端和电源VDD，电阻R9的另一端连接Q6的集电极和基极以及电容C5的一端和Q5的基极，电容C5的另一端接地，Q6的发射极连接Q7的集电极和基极，Q7的发射极接地，Q1的发射极与Q2的发射极连接并接地，Q1的集电极连接Q3的发射极，Q2的集电极连接Q4的发射极，Q3的集电极经电容C3与电阻R1串联后连接Q1的基极，且Q3的集电极经电阻R7连接电源VDD，Q4的集电极经电容C4与电阻R2串联后连接Q2的基极，且Q4的集电极经电阻R8连接电源VDD，Q3的基极连接电容C7与电阻R3并联后的一端以及电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接电源VDD，电容C7与电阻R3并联后的另一端接地，Q4的基极连接电容C8与电阻R5并联后的一端以及电阻R6的一端，电阻R6的另一端连接电源VDD，电容C8与电阻R5并联后的另一端接地，Q9的基极与集电极互连并连接Q8的基极以及电阻R10的一端和电容C6的一端，电阻R10的另一端连接Q8的集电极并连接电源VDD，电容C6的另一端接地，Q9的发射极连接Q10的集电极和基极，Q10的发射极接地，Q8的发射极连接Q2的基极和电容C2的一端，电容C2的另一端为宽带差分放大器的负输入端IN-，Q3的集电极经电容C9后作为宽带差分放大器的正输出端OUT+，Q4的集电极经电容C10后作为宽带差分放大器的负输出端OUT-。
2.根据权利要求1所述的宽带单端输入正交差分输出信号产生电路，其特征在于：所述HBT管Q1与Q2尺寸相同，Q3与Q4尺寸相同，Q5与Q8尺寸相同，Q6与Q9尺寸相同，Q7与Q10尺寸相同。
3.根据权利要求1所述的宽带单端输入正交差分输出信号产生电路，其特征在于：所述电容C1＝C2，C3＝C4，C5＝C6，C7＝C8，C9＝C10。
4.根据权利要求1所述的宽带单端输入正交差分输出信号产生电路，其特征在于：所述电阻R1＝R2，R3＝R5，R4＝R6，R7＝R8，R9＝R10。
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