JP6200635B2 - 広帯域バラン構体 - Google Patents

Description

本発明は、バランに関し、特に広帯域で利用可能なバラン構体に関する。

本願は、２０１１年７月１９日に出願された米国仮出願番号第６１／５０９,３６５号に基づく優先権を主張するものであり、その内容は、本願に全て記載されている。

広帯域ＤＣ結合増幅器は、一般に差動入力及び差動出力を有するように設計される。これは、電源供給部（及びその他のコモン・モード）のノイズ排除、偶数次の高調波歪みのキャンセル、ＤＣオフセット項のキャンセル、２つの出力端子の両方で振幅があることによるダイナミックレンジの拡大などが理由である。１つのダイ（半導体チップ）上又は１つのパッケージ上の複数増幅器間の相互接続、更には、１つの回路基板上の複数の増幅器間の相互接続でさえも、差動設計の利点に比べれば、差動相互接続の費用は小さいものである。しかし、能動プローブとオシロスコープ間のようなモジュール間の相互接続については、差動相互接続のコストが極めて高くなりがちである。これは、１つではなく２つの同軸ケーブルが必要（コストが増加し、大型化し、柔軟性が損なわれる）なだけでなく、差動からコモン・モードへ（及びその逆も同様）のモード変換をしないようにするには、これら２つの同軸ケーブルをしっかりと整合させる必要も生じる。

シングル・エンド信号と差動信号との間の変換を行う種々の受動的（パッシブ）な相互接続構造が知られており、これは時間領域のアプリケーションとしては「バラン（Balun：平衡−不平衡変換器）」と多くの場合呼ばれており、周波数領域のアプリケーションとしては１８０度ハイブリッドと呼ばれている。広帯域ＤＣ結合受動バランは、少なくとも３ｄＢの損失に限定される。これは、ＤＣでは、容量性又は誘導性結合によっては「反転」出力端子にエネルギーを供給できず、よってシングル・エンド入力パワーの半分は、差動出力においては「無駄になった」コモン・モード・エネルギーのように見えるためである（同様に、差動入力をシングル・エンド出力に変換するバランについては、「反転」入力中の差動パワーの半分は出力に結合できず、損失となる）。この対称性は、受動素子の相互関係からも推論することができ、受動バラン構造のパワー損失は、平衡状態から不平衡状態への変換又はその逆の変換に使われるかどうかとは無関係である。

特開２０１０−２１６３０号公報 特開２００８−２７１４７８号公報

一般に、バランはＲＦアプリケーション用に設計され、バランの過渡応答については、ほとんどか又は全く考慮されていない。こうしたデバイスでの過渡応答は、プレ・シュートか、又はプレ・シュート及びオーバー・シュートとして現れることがある。しかし、オシロスコープに結合された差動信号取込みプローブを有する信号取込みシステムのようなあるアプリケーションでは、バランの過渡応答によってプレ・シュートが現れるべきではない。更に、バランは、広い範囲の差動信号をオシロスコープに結合するために、ＤＣにまでに至る広い帯域幅を有している必要がある。加えて、バランが、信号取込みプローブ・システムの信号ケーブル中の信号損失を補償することが望ましい。

本発明の広帯域バランは、信号取込みプローブ・システム中の信号ケーブルが原因の信号損失を補償し、ＤＣから少なくとも１５ＧＨｚのシステム応答までの帯域をカバーしつつ、過渡応答のプレ・シュートは１０パーセントに過ぎない。この広帯域バランには、正極性差動信号用の第１信号パスと、負極性差動信号用の第２信号パスとがある。９０度ハイブリッドは、第１ポートで正極性差動信号を受けるように第１信号パスに結合され、第３ポートで負極性差動信号を受けるように第２信号パスに結合される。第１ポートは、９０度ハイブリッドの第２ポートに結合されるが、この第２ポートは出力ポートとして結合され、機能する。９０度ハイブリッドの第４ポートは、第３ポートに結合され、終端抵抗を介してグランドに結合（接地）される。信号ケーブルは、９０度ハイブリッドの出力ポートに結合されるが、このとき、第１信号パスには１次位相整形回路があり、第２信号パスには２次位相整形回路があって、これらは信号ケーブルによる信号損失を補償し、ＤＣから少なくとも１５ＧＨｚまでの周波数帯域を提供し、過渡応答のプレ・シュートを１０パーセント未満に抑える。

広帯域バランの第１信号パスには、ラムダ割る２（λ／２）の位相シフトを提供する回路トレースと、ラムダ割る２（λ／２）の位相シフトを提供する１次位相整形回路とがあって、結果として、９０度ハイブリッドの第１ポートにおいて３６０度の位相シフトを与える。第２信号パスには、ラムダ割る４（λ／４）の位相シフトを提供する回路トレースと、ラムダ割る２（λ／２）の位相シフトを提供する２次位相整形回路とがあって、結果として、２次位相整形回路の出力部において２７０度の位相シフトとなり、これが負極性差動信号の１８０度位相シフトに加わると、９０度ハイブリッドの第３ポートにおいて４５０度の位相シフトという結果となる。広帯域バラン は、好ましくは、ストリップライン構造として形成される。

より具体的には、本発明の概念１は、広帯域バラン構体であって、
正極性差動信号用の第１信号パス及び負極性差動信号用の第２信号パスと、
第１ポートで上記正極性差動信号を受けるように上記第１信号パスに結合されると共に、第３ポートで上記負極性差動信号を受けるように第２信号パスに結合される９０度ハイブリッドであって、該９０度ハイブリッドの第２ポートは上記第１ポートに結合されて出力ポートとして機能し、上記９０度ハイブリッドの第４ポートは上記第３ポートに結合されると共に終端抵抗を介してグランドに結合される上記９０度ハイブリッドと、
上記出力ポートに結合される信号ケーブルとを具え、
上記信号ケーブルによる信号損失を補償し、ＤＣから少なくとも１５ＧＨｚまでの周波数帯域を提供し、過渡応答のプレ・シュートを１０パーセント未満に抑えるために、上記第１信号パスは１次位相整形回路を有し、上記第２信号パスは２次位相整形回路を有することを特徴としている。

本発明の概念２は、概念１の広帯域バラン構体であって、上記第１信号パスが、ラムダ割る２の位相シフトを提供する回路トレースと、ラムダ割る２の位相シフトを提供する１次位相整形回路とを有し、上記９０度ハイブリッドの上記第１ポートにおいて３６０度の位相シフトが得られることを特徴としている。

本発明の概念３は、概念１の広帯域バラン構体であって、上記第２信号パスが、ラムダ割る４の位相シフトを提供する回路トレースと、ラムダ割る２の位相シフトを提供する２次位相整形回路とを有し、該２次位相整形回路の出力部において２７０度の位相シフトが得られ、これが上記負極性差動信号の１８０度位相シフトに加えられて、上記９０度ハイブリッドの上記第３ポートにおいて４５０度の位相シフトが得られることを特徴としている。

本発明の概念４は、概念１の広帯域バラン構体であって、上記バランは、ストリップライン構造として形成されることを特徴としている。

本発明の目的、効果及び他の新規な点は、以下の詳細な説明を添付の特許請求の範囲及び図面とともに読むことによって明らかとなろう。

図１は、本発明による広帯域バラン構体と共に使用するのに適した電気システムのブロック図である。 図２は、本発明による広帯域バラン構体を用いた信号取込みプローブ・システムのブロック図である。 図３は、本発明による広帯域バラン構体の実施形態を示す図である。 図４は、本発明による広帯域バラン構体の物理的レイアウトを示す図である。 図５は、典型的なバランと本発明による広帯域バランの位相関係を示す図である。 図６は、典型的なバランと本発明による広帯域バランについての過渡応答曲線を示す図である。 図７は、信号ケーブル、本発明による広帯域バラン及び本発明による広帯域バランと信号ケーブルを組合せたシステムのそれぞれの過渡応答を示す図である。 図８は、信号ケーブル、本発明による広帯域バラン及び本発明による広帯域バランと信号ケーブルを組合せたシステムのそれぞれの周波数応答を示す図である。

本発明の広帯域バランは、位相シフタ、位相整形回路、９０度ハイブリッドを利用し、９０度ハイブリッドの出力において１８０度差動信号である負極性信号の位相をシフトする。９０度ハイブリッドを用いて、差動増幅器出力をシングル・エンドのケーブルを通してシングル・エンドの入力に結合する場合か、又は同様にシングル・エンドの増幅器出力をシングル・エンドのケーブルを通して差動入力に結合する場合において、ＤＣ（直流）での３ｄＢのパワー損失を、ケーブルにおける表皮効果や誘電吸収のために生じる高周波数での減衰が原因のケーブル損失を３ｄＢまで補償するのに用いることができる。言い換えれば、他の場合では無駄になる高周波数パワーを、ハイブリッドを通して結合して、ケーブル損失を埋め合わせるために、他の場合では使用しない出力側において利用し、これによって、ノイズが増えたり、能動ケーブルの補償回路のダイナミック・レンジを損なうことなく、全体に渡るフラットな応答を維持するものである。

位相シフタ及び位相整形回路から構成される位相シフト・ネットワークは、９０度ハイブリッドの周波数範囲を広げたり、狭めたりするために、一方又は両方の回路網の枝（leg：支脈）において利用される。この場合、システムの周波数対振幅応答が平らになるよう、ケーブル中の損失とマッチ（整合）するように周波数範囲が調整される。位相シフト・ネットワークは、システムの周波数対振幅応答を調整するために、シングル・エンドのパス中において、又は、差動パスの両方の回路網の枝において、再度使用される。

図１は、電気システム１０のブロック図を示しており、これには、入力回路１２、バラン１４及び出力回路１６がある。本願においては、回路は、周波数対振幅特性及び周波数対位相特性のような電気特性を有する電気的デバイスとする。システム１０には、入力回路１２、出力回路１６及びバラン１４によって定まるシステム総合特性がある。本発明によるバラン１４には、システム１０の総合特性を設定するためにユーザが定めた振幅及び位相特性がある。

図２は、被試験デバイス（ＤＵＴ）２２からの信号を取込み、試験信号を試験測定装置に結合する信号取込みプローブ・システム２０のブロック図である。試験測定装置は、例えば、オシロスコープやロジック・アナライザなどである。プローブ・システム２０には、プロービング・ヘッド２４があり、ここからＤＵＴ２２上のテスト・ポイントに接続するために伸びているプロービング・チップ又はプロービング・ケーブルがある。被試験差動信号は、プロービング・ヘッド２４中の増幅回路２６に供給され、増幅回路２６は、試験測定装置に転送するために、増幅及び調整を行う。増幅回路２６の出力は、バラン２８の差動入力に結合される。バラン２８は、差動入力信号をシングル・エンド出力信号に変換する。この出力信号は、試験測定装置に接続されたプローブ・ケーブル３０に供給される。信号取込みプローブ・システム２０の周波数応答は、補正されておらず、被試験信号の周波数が増加するほどロールオフする。このロールオフは、主に、ケーブルの表皮効果及び誘電効果による損失が原因である。バランの周波数応答を広くするのに合わせて、ケーブル損失を補償するようにバラン２８の位相シフト及び過渡応答を調整することが可能である。

図３及び図４は、信号取込みプローブ・システム２０で利用可能な広帯域バラン構体４０の一例の実施形態を示す。図３は、広帯域バラン構体４０の実施形態を示し、図４は、絶縁基板４２上の広帯域バラン構体４０の物理的レイアウトを示す。図３では、正極性差動信号は０度の位相シフトを有するとして表され、広帯域バラン構体４０の一方の信号パス４４に入力される。また、図３では、負極性差動信号は１８０度の位相シフトを有するとして表され、広帯域バラン構体４０の他方の信号パス４６に入力される。正極性差動信号は、λ／２つまり１８０度位相シフトを有する回路トレース４８を介して、λ／２つまり１８０度位相シフトを有する１次位相整形回路５０の一端部に供給される。１次位相整形回路５０の他端部は、９０度ハイブリッド５２のポート１入力部に結合される。９０度ハイブリッド５２は、ポート１を、出力ポートとして機能するポート２と内部的に結合する。ポート１で９０度ハイブリッド５２に入力される正極性差動信号は、位相サークル５４で示されるように、入力信号パス４４の入力部から見て、４λ／４、つまり、３６０度位相がシフトされている。負極性差動信号は、λ／４つまり９０度位相シフトを有する回路トレース５６を介して、λ／２つまり１８０度位相シフトを有する２次位相整形回路５８の一端部に供給される。２次位相整形回路５８の他端部は、９０度ハイブリッド５２のポート３入力部に結合される。９０度ハイブリッド５２は、ポート３をポート４と内部的に結合する。ポート４は、終端抵抗６０を介して接地される。正極性入力信号と１８０度位相がずれている負極性差動信号は、入力信号パス４６の入力部から見て、３λ／４、つまり、２７０度位相がシフトされている。結果として、９０度ハイブリッドのポート３入力部における信号は、位相サークル６２に示されるように、正極性差動信号に対して４５０度（１８０度＋２７０度）位相がシフトされることになる。

図４の広帯域バラン構体４０は、ストリップライン構造を用いて実現されている。広帯域バラン構体４０を実現するのに、マイクロストリップ構造を用いても良い。広帯域バラン構体４０は、２つの平行なグランド・プレーン（接地板）間に配置されるが、このとき、広帯域バラン構体４０は、複数の絶縁層４２で平行グランド・プレーンから分離される。図４では、絶縁層４２を１つだけ示している。絶縁層４２は、好ましくは、アルロン３５０絶縁材から形成され、ストリップライン構造は銅の上に形成される。複数の平行グランド・プレーンは、絶縁層中に形成されるビア（Via）７２によって互いに電気的に結合される。ストリップライン広帯域バラン構体４０は、１つの絶縁層４２の表面上に置かれる。被試験信号を信号パス４４及び４６に結合するための複数の入力パッド７４が、絶縁層４２上に形成される。正極性差動信号を伝える信号パス４４には、いくぶんＵ字型をした回路トレース４８があり、これは１８０度の位相シフトを行う。回路トレース４８は、１８０度１次位相整形回路５０の一端部に結合される。１８０度１次位相整形回路５０の他端部は、９０度ハイブリッド５２のポート１に結合される。負極性差動信号を伝える信号パス４６には、直線型の回路トレース５６があり、これは９０度の位相シフトを行う。回路トレース５６は、２次位相整形回路５８の一端部に結合される。２次位相整形回路５８の他端部は、９０度ハイブリッド５２のポート３に結合される。９０度ハイブリッド５２のポート３は、９０度ハイブリッド５２のポート４に結合され、これは続いて終端抵抗６０を介してグランドに結合（接地）される。９０度ハイブリッド５２のポート１は、９０度ハイブリッド５２のポート２に結合されるが、これは、広帯域バラン４０について出力ポートとして機能する。説明してきた広帯域バラン構体４０は、差動信号を受けて、シングル・エンド出力信号を出力するものである。しかし、本発明による広帯域バラン構体４０の信号の流れは、シングル・エンド信号を受けて、差動出力信号を出力するものについても同様に適用できる。

９０度ハイブリッド５２は、そのポート３入力部（９０度入力部）から、そのポート２出力部に向けてＳ字型の位相応答を有する。ポート１入力部（０度入力部）から、ポート２出力部に向けての９０度ハイブリッド５２の位相応答は、線形である。ポート３入力部からポート２出力部に向けて９０度ハイブリッド５２を通るときのＳ字型位相応答を補償するため、１次位相整形回路５０は、正反対のＳ字型位相応答を提供する。１次及び２次位相整形回路５０及び５８の組合せによって、広い周波数帯に渡って差動入力信号の１８０度の位相差を維持しながら、広帯域バラン構体４０の帯域幅が拡大される。これは、正極性差動信号と、９０度ハイブリッドを通って反転された負極性入力信号との間の位相差を減少させ、これによって、９０度ハイブリッドの通常の帯域幅の外における正極性及び負極性差動信号間の信号の結合を強めることによって、実現される。更に、１次及び２次位相整形回路５０及び５８は、位相シフトを補正することで、広帯域バラン４０の過渡応答を改善し、信号取込みプローブ・システム２０のケーブル損失について補償する。

図５を参照すると、破線８０は、９０度位相シフト・ラインを用いた９０度ハイブリッドを有するバランの相対的な位相を示し、実線８２は、補正された広帯域バラン構体４０の相対的な位相を示す。破線８０は、差動信号対の相対位相が、周波数の増加に伴って負方向に行くことを示している。これは、図６の破線８８で示されるように、９０度位相シフト・ラインを用いた９０度ハイブリッドの過渡応答は、その過渡応答曲線中に、立ち上がりエッジ８６の前においてプレ・シュート８４が現れるという結果となる。負極性差動信号で引き起こされたプレ・シュート８４は、正極性差動信号を９０度ハイブリッドに誘導し、これは、９０度ハイブリッドが初期において、ポート２出力部に負の出力信号を発生させる原因となる。

実線８２は、差動信号対の相対位相が正方向に行くこと（正極性）を示し、このとき、正極性の相対位相の形状は、１次及び２次位相整形回路５０及び５８によって修正されたものであり、図６の実線９２で示されるように、補正された広帯域バラン４０の過渡応答曲線中の立ち上がりエッジ９０の前のプレ・シュートは、大幅に減少している。差動対の相対位相が正極性となる結果として、過渡応答曲線中のプレ・シュートは大幅に減少するが、補正された広帯域バラン４０の過渡応答曲線中にオーバー・シュート９４を生じさせる。正極性差動信号によって生じるオーバー・シュート９４は、負極性差動信号を９０度ハイブリッドに誘導し、これは、９０度ハイブリッドが初期において、ポート２出力部に正の出力信号を発生させる原因となる。

図７は、信号取込みプローブ・システム２０中のケーブル３０のような代表的なケーブル、本発明の広帯域バラン４０、そして、広帯域バラン４０及びケーブル３０を組み合わせを有するシステムそれぞれの過渡応答を示している。破線９６は、広帯域バラン４０の過渡応答を表し、これには、立ち上がりエッジ１００の底部に小さなアベレーション（aberration：振幅変動）９８が現れていると共に、立ち上がりエッジ１００の一番上の部分にオーバー・シュート１０２が現れている。破線に見られるように、広帯域バラン４０の過渡応答中に、プレ・シュートはほぼない。実際に実現する際には、広帯域バラン４０の過渡応答の仕様として、１０パーセントのプレ・シュートが許される。これは、広帯域バラン４０の製造過程におけるばらつきの結果である。点線１０４は、ケーブルの過渡応答を示し、これには、立ち上がりエッジ１０８の一番上の部分に丸くなった曲がり角が現れている。実線１１０は、広帯域バラン４０とケーブル３０の組合せを表す。立ち上がりエッジ１１２の前にプレ・シュートはない。過渡応答の立ち上がりエッジ１１２の一番上の部分には、最初の部分にオーバー・シュート１１４があり、続いて、ケーブル３０の過渡応答に沿うように下がる部分がある。

図８は、ケーブル３０、広帯域バラン４０、そして広帯域バラン４０とケーブル３０から構成されるシステムのそれぞれの周波数応答を示す図である。破線１１６は、広帯域バラン４０の周波数応答を表す。破線１１８は、ケーブル３０の周波数応答を表す。実線１２０は、広帯域バラン４０及びケーブル３０のシステムの周波数応答を表す。広帯域バラン４０の周波数応答１１６は、ＤＣ（直流）から約８ＧＨｚまでは若干低下するが、その後、３０ＧＨｚまでに約１．６ｄＢＶ増加する。３０ＧＨｚから４０ＧＨｚにかけて約０．２ｄＢＶ低下し、続いて、４０ＧＨｚから５０ＧＨｚにかけて約１．８ｄＢＶ低下する。ケーブル３０の周波数応答１１８は、ＤＣ（直流）から３０ＧＨｚにかけて約２．７ｄＢＶ低下し、続いて、３０ＧＨｚから３９ＧＨｚにかけて更に１．６ｄＢＶ低下し、するとすぐに４５ＧＨｚにかけて約０．６ｄＢＶ増加する。広帯域バラン４０の周波数応答１１６の増加は、ケーブル３０の周波数応答１１８の減少を補償し、これによって、バラン及びケーブルのシステムの周波数応答１２０をＤＣから３０ＧＨｚにかけては約１．２ｄＢＶの損失とし、３０ＧＨｚから４４．５ＧＨｚにかけては追加で約１．８ｄＢＶの損失となるようにしている。

当業者であれば、本発明の基本原理から離れることなく、上述した本発明の実施形態の細部を種々に変形できることは明らかであろう。

１０ 電気システム
１２ 入力回路
１４ バラン
１６ 出力回路
２０ 信号取込みプローブ・システム
２２ 被試験デバイス
２４ プロービング・ヘッド
２６ 増幅回路
２８ バラン
３０ ケーブル
４０ 広帯域バラン
４２ 絶縁基板
４４ 第１信号パス
４６ 第２信号パス
４８ 回路トレース
５０ １次位相整形回路
５２ ９０度ハイブリッド
５４ 位相サークル
５６ 回路トレース
５８ ２次位相整形回路
６０ 終端抵抗
６２ 位相サークル
７２ ビア
７４ 入力パッド

Claims (1)

1. 正極性差動信号用の第１信号パス及び負極性差動信号用の第２信号パスと、
   第１ポートで上記正極性差動信号を受けるように上記第１信号パスに結合されると共に、第３ポートで上記負極性差動信号を受けるように第２信号パスに結合される９０度ハイブリッドであって、該９０度ハイブリッドの第２ポートは上記第１ポートに結合されて出力ポートとして機能し、上記９０度ハイブリッドの第４ポートは上記第３ポートに結合されると共に終端抵抗を介してグランドに結合される上記９０度ハイブリッドと、
   上記第１信号パス又は上記第２信号パスに設けられ、上記第１ポートにおける上記正極性差動信号と上記第３ポートにおける上記負極性差動信号との間の位相差を上記９０度ハイブリッドの中心周波数において９０度とするように、上記正極性差動信号又は上記負極性差動信号の位相をシフトする位相シフト・ネットワークであって、上記９０度ハイブリッドの上記第１及び第２ポート間線路と上記第３及び第４ポート間線路との間の分布結合の位相応答を補償するように分布結合された線路による位相整形回路を有する上記位相シフト・ネットワークと、
   上記出力ポートに結合される信号ケーブルとを具え、
   上記信号ケーブルによる信号損失を補償することを特徴とする広帯域バラン構体。

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