TWI454052B - 單端轉雙端電路 - Google Patents

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TWI454052B TW100111572A TW100111572A TWI454052B TW I454052 B TWI454052 B TW I454052B TW 100111572 A TW100111572 A TW 100111572A TW 100111572 A TW100111572 A TW 100111572A TW I454052 B TWI454052 B TW I454052B
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Description

單端轉雙端電路
本發明是有關於一種單端轉雙端電路，特別是指一種具有增益補償之單端轉雙端電路。
一通訊系統中，其接收端常常需要使用一個單端轉雙端電路，以將所接收之一射頻(Radio frequency,RF)訊號轉換為一包括一第一差動電壓與一第二差動電壓之差動訊號(Differential signal)，其中，在理想狀況下該第一差動電壓與該第二差動電壓值相同，且相位差為180°。
以目前技術而言，一個單端轉雙端電路之相關電路及對應之小訊號模型，如圖1、2所示。簡要說明如下：第一電晶體M1 接收一射頻訊號後，在理想狀況下，當第一電晶體M1 的閘極-源極等效阻抗Zgs1 、一第二電晶體M2 的閘極-源極等效阻抗Zgs2 、及一第三等效阻抗Z3 的值足夠大(或是將該等等效阻抗Zgs1 、Zgs2 、Z3 視為趨近於無窮大)，且負載等效阻抗ZL 的值足夠小時，則該單端轉雙端電路可輸出一第一差動電壓Vo1 及一第二差動電壓Vo2 如下：
其中，Z1 是一第一等效阻抗，Z2 是一第二等效阻抗，V1 是一輸入電壓，及gm 是第一電晶體M1 (或第二電晶體M2 )之一互導係數。而以目前技術而言，第一及第二等效阻抗Z1 、Z2 係以電阻來實現，第三等效阻抗Z3 係以電阻或電晶體來實現。
所以在理想狀態下，當該第一等效阻抗Z1 與該第二等效阻抗Z2 相等時，該單端轉雙端電路會輸出一組包括該第一差動電壓Vo1 與該第二差動電壓Vo2 之差動訊號，且該第一差動電壓Vo1 與該第二差動電壓Vo2 的大小相同，相位差為180°。
然而，上述的單端轉雙端電路往往在應用時，因該第一電晶體M1 的閘極-源極等效阻抗Zgs1 、該第二電晶體M2 的閘極-源極等效阻抗Zgs2 或該第三等效阻抗Z3 的值不夠大，而使得該輸入電壓V1 傳送到一節點X處時會發生訊號衰減，因此，節點X處的電壓值VX 會小於該輸入電壓V1 的一半，並使得該第一電晶體M1 的閘極-源極電壓Vgs1 、該第二電晶體M2 的閘極-源極電壓Vgs2 不相等，因此，該組差動訊號中的第一、第二差動電壓Vo1 、Vo2 將因為增益不匹配而導致該組差動訊號發生不平衡的狀況，所以對於一通訊系統之接收端電路設計而言，如何有效解決增益不匹配的問題，是相當值得研究改進的議題。
因此，本發明之目的之一即在提供一種具有增益補償之單端轉雙端電路。
於是，本發明單端轉雙端電路包含一第一電晶體、一第二電晶體及一變壓單元。該第一電晶體具有一第一第一端、一第一第二端，及用以接收一輸入訊號之一第一第三端。該第二電晶體具有一第二第一端、一第二第二端，及一第二第三端。該變壓單元包括一第一感應元件、一第二感應元件及一第三感應元件。該第一感應元件具有與該第一第二端耦接之一第一感應第一端，及耦接一電壓源之一第一感應第二端。該第二感應元件具有耦接該電壓源之一第二感應第一端，及與該第二第二端耦接之一第二感應第二端。該第三感應元件具有與該第一第一端及該第二第一端耦接之一第三感應第一端，及耦接至一地電位之一第三感應第二端。該第一感應元件與該第三感應元件根據一第一互耦參數進行一第一耦合，且該第二感應元件與該第三感應元件根據一第二互耦參數進行一第二耦合。
而本發明之另一目的即在提供一種具有增益補償之單端轉雙端電路。
於是，本發明單端轉雙端電路包含一第一電晶體、一第二電晶體及一變壓單元。該第一電晶體具有一第一第一端、一第一第二端，及用以接收一輸入訊號之一第一第三端。該第二電晶體具有一第二第一端、一第二第二端，及一第二第三端。該變壓單元包括一第一感應元件、一第二感應元件及一第三感應元件。該第一感應元件具有與該第一第二端耦接之一第一感應第一端，及耦接一電壓源之一第一感應第二端。該第二感應元件具有耦接該電壓源之一第二感應第一端，及與該第二第二端耦接之一第二感應第二端。該第三感應元件具有與該第一第一端及該第二第一端耦接之一第三感應第一端，及耦接至一地電位之一第三感應第二端。該第一感應元件與該第三感應元件根據一互耦參數進行一第一耦合，且該第二感應元件與該第三感應元件根據該互耦參數進行一第二耦合。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
參閱圖3，本發明單端轉雙端電路之一較佳實施例包含一第一電晶體11、一第二電晶體12，及一變壓單元13。
該第一電晶體11具有一第一第一端、一第一第二端，及用以接收一輸入訊號之一第一第三端。該第二電晶體12具有一第二第一端、一第二第二端，及一第二第三端。在本實施例中，該第一、第二電晶體11、12皆是N型金氧半場效電晶體，第一第一端及第二第一端是源極，第一第二端及第二第二端是汲極，第一第三端及第二第三端是閘極。
該變壓單元13包括一第一感應元件131、一第二感應元件132及一第三感應元件133。該第一感應元件131具有與該第一第二端耦接之一第一感應第一端，及耦接一電壓源VDD 之一第一感應第二端。該第二感應元件132具有耦接該電壓源VDD 之一第二感應第一端，及與該第二第二端耦接之一第二感應第二端。該第三感應元件133具有與該第一第一端及該第二第一端耦接之一第三感應第一端(以下稱此共同接點為節點X)，及耦接至一地電位之一第三感應第二端。該第一感應元件131與該第三感應元件133根據一互耦參數進行一第一耦合，且該第二感應元件132與該第三感應元件133根據該互耦參數進行一第二耦合。
為了方便說明，圖3電路的等效電路如圖4所示，也就是說該第三感應元件133可等效為二個第四感應元件134以並聯方式耦接，其中，每一個第四感應元件134的電感值L4 大小皆為該第三感應元件133之電感值L3 的兩倍(即L4 =2×L3 )。
以下參閱圖4，並據此說明本較佳實施例之相關理論基礎。
當本實施例操作於一第一週期(即該輸入訊號之正半週期)時，由於一交流電流流經該等第四感應元件134，因此根據該變壓單元13中的互耦關係，在該第一、第二感應元件131、132會產生一第一感應電流Ik ，且電流方向為流出該第一感應元件131，該第一感應電流Ik 之計算方式如下：
其中，I4 為流經該等第四感應元件134之電流，K為該互耦係數，且L0 =L1 =L2 ，也就是說該第一、第二感應元件131、132的電感值分別為L1 、L2 ，且其互相相等。
同理，當本實施例操作於一第二週期(即該輸入訊號之負半週期)時，在該第一、第二感應元件131、132會產生一第二感應電流Ik’ ，其中該第二感應電流Ik’ 與該第一感應電流Ik 大小相同，且該第二感應電流Ik’ 的電流方向為流入該第二感應元件132。
由上，假設第一電晶體11的第一第三端電壓V1 =VIN ，第二電晶體12的第二第三端電壓V2 =0，可以計算出一第一差動電壓Vo1 (從該第一感應第一端輸出)及一第二差動電壓Vo2 (從該第二感應第二端輸出)如下所示：
其中，gm1 、gm2 分別為該第一、第二電晶體11、12之互導係數，Vgs1 為該第一電晶體11之第一第三端-第一第一端電壓、Vgs2 為該第二電晶體12之第二第三端-第二第一端電壓，Ik 為該第一感應電流，ZL1 、ZL2 分別為該第一、第二感應元件131、132之等效阻抗，ZL1 =ZL2 =ZL0 ，VX 為節點X處的電壓值。
假設gm1 =gm2 =gm ，則節點X處的電壓值VX 如下式所示：
且流經該等第四感應元件134之電流I4 如下所示：
其中，Ygs1 為該第一電晶體11之第一第三端-第一第一端等效電抗、Ygs2 為該第二電晶體21之第二第三端-第二第一端等效電抗，ZL3 為該第三感應元件133之等效阻抗，且A為一匹配參數。
因此，根據以上方程式，可以得到該第一差動電壓Vo1 及該第二差動電壓Vo2 與該輸入電壓VIN 的關係如下所示：
根據上述，當本較佳實施例之單端轉雙端電路發生增益不匹配現象(也就是說，該第一電晶體11之第一第三端-第一第一端等效阻抗Zgs1 、該第二電晶體12之第二第三端-第二第一端等效阻抗Zgs2 或該第三感應元件133的等效阻抗ZL3 不夠大)時，該匹配參數A的值將會小於0.5，如果該第一至第三感應元件131~133無耦合(也就是說，該互耦係數K為0)，則
因此，該第一差動電壓Vo1 及該第二差動電壓Vo2 會不平衡。
如果在設計時使該變壓單元13之該互耦係數K如下所示：
該第一耦合可以使得該第一差動電壓Vo1 的絕對值變小，該第二耦合可以使得該第二差動電壓Vo2 的絕對值變大，從而該第一差動電壓Vo1 與該第二差動電壓Vo2 的大小相同(也就是說，該第一差動電壓Vo1 的絕對值實質上等於該第二差動電壓Vo2 的絕對值)，且相位差為180°。
因此，該變壓單元13之互耦係數K可用以補償單端轉雙端電路發生增益不匹配的問題。然而因為實際應用上的差異或實作上述電路時之誤差，第一電晶體11的互導係數gm1 可能會不等於第二電晶體12的互導係數gm2 ，第一感應元件131的電感值L1 可能不等於第二感應元件132的電感值L2 ，第一、第二感應元件131、132與第三感應元件133間的第一、第二互耦參數及其相關之第一、第二耦合可能不相同，但依本實施例所揭露的方式與精神亦可進行補償單端轉雙端電路所發生之增益不匹配的問題。
根據上述理論基礎，若是應用本實施例於一高頻應用時，例如：車用防撞雷達(大約操作在77GHz)，本實施例單端轉雙端電路的變壓單元13之一實施方式可以如圖5所示，以一傳輸線模型(Transmission line model)具體實現之。
聯合參閱圖3、5，該第一感應元件131以一第一傳輸線段91來實現，該第二感應元件132以一第二傳輸線段92來實現，該第三感應元件133以一第三傳輸線段93來實現，且該第一、第二傳輸線段91、92之長度實質上為該輸入訊號之波長的八分之一(即λ/8)，該第三傳輸線段93之長度實質上為該輸入訊號之波長的四分之一(即λ/4)，而利用該第一、第二、第三傳輸線段91、92、93互耦效應可以補償單端轉雙端電路發生增益不匹配的問題。
或者，若應用本實施例於一中低頻應用時，本實施例單端轉雙端電路的變壓單元13之一實施方式可以如圖6所示，以一變壓器模型具體實現之。
聯合參閱圖3、6，該第一感應元件131及該第二感應元件132以一第一線圈單元81來實現，該第三感應元件133以一第二線圈單元82來實現，該第一線圈單元81以共平面的方式圍繞該第二線圈單元82來設置，該第二線圈單元82與該第一線圈單元81相間隔一第一距離d，該第一距離d影響該互耦參數K，且該第一距離d愈短，該互耦參數K愈大。因此，在設計時，藉由調整該第一距離d，可以改變該互耦參數K，以補償單端轉雙端電路發生增益不匹配的問題。
聯合參閱圖3、7，相似於圖6的實施方式，其中，該第一線圈單元81以非共平面的方式圍繞該第二線圈單元82來設置，該第二線圈單元82與該第一線圈單元81相間隔一第二距離b，該第二距離b影響該互耦參數K，且該第二距離b愈短，該互耦參數K愈大。因此，在設計時，藉由調整該第二距離b，可以改變該互耦參數K，以補償單端轉雙端電路發生增益不匹配的問題。
補充說明的是，圖5~圖7僅為本實施例單端轉雙端電路應用於不同產品時，變壓單元13較佳的三個實施態樣，但專利範圍並不以此為限。
值得注意的是，該第一感應元件131與該第三感應元件133也可以是根據一第一互耦參數進行一第一耦合，該第二感應元件132與該第三感應元件133也可以是根據一第二互耦參數進行一第二耦合。在設計時，可以改變該第一、第二互耦參數，以補償單端轉雙端電路發生增益不匹配的問題。
綜上所述，上述實施例可以利用耦合以補償一單端轉雙端電路的增益不匹配問題，因此確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
11．．．第一電晶體
12．．．第二電晶體
13．．．變壓單元
131．．．第一感應元件
132．．．第二感應元件
133．．．第三感應元件
134．．．第四感應元件
81．．．第一線圈單元
82．．．第二線圈單元
91．．．第一傳輸線段
92．．．第二傳輸線段
93．．．第三傳輸線段
圖1是先前技術單端轉雙端電路之電路圖；
圖2是先前技術單端轉雙端電路之小訊號模型圖；
圖3是本發明單端轉雙端電路之較佳實施例之電路圖；
圖4是較佳實施例之等效電路圖；
圖5是較佳實施例之一變壓單元之一實施態樣；
圖6是較佳實施例之變壓單元之另一實施態樣；及
圖7是較佳實施例之變壓單元之又一實施態樣。
11．．．第一電晶體
12．．．第二電晶體
13．．．變壓單元
131．．．第一感應元件
132．．．第二感應元件
133．．．第三感應元件

Claims (15)

  1. 一種單端轉雙端電路，其包含：一第一電晶體，具有一第一第一端、一第一第二端，及用以接收一輸入訊號之一第一第三端；一第二電晶體，具有一第二第一端、一第二第二端，及一第二第三端；以及一變壓單元，包括：一第一感應元件，具有與該第一第二端耦接之一第一感應第一端，及耦接一電壓源之一第一感應第二端；一第二感應元件，具有耦接該電壓源之一第二感應第一端，及與該第二第二端耦接之一第二感應第二端；及一第三感應元件，具有與該第一第一端及該第二第一端耦接之一第三感應第一端，及耦接至一地電位之一第三感應第二端；其中，該第一感應元件與該第三感應元件根據一第一互耦參數進行一第一耦合，且該第二感應元件與該第三感應元件根據一第二互耦參數進行一第二耦合。
  2. 如申請專利範圍第1項之單端轉雙端電路，其中，該第一感應第一端輸出一第一差動電壓，該第一耦合使得該第一差動電壓的絕對值變小。
  3. 如申請專利範圍第1項之單端轉雙端電路，其中，該第二感應第二端輸出一第二差動電壓，該第二耦合使得該第二差動電壓的絕對值變大。
  4. 如申請專利範圍第1項之單端轉雙端電路，其中，該第一感應第一端輸出一第一差動電壓，該第二感應第二端輸出一第二差動電壓，該單端轉雙端電路透過該第一耦合及該第二耦合進行該增益補償。
  5. 如申請專利範圍第4項之單端轉雙端電路，其中該增益補償使得該第一差動電壓的絕對值實質上等於該第二差動電壓的絕對值。
  6. 如申請專利範圍第1項之單端轉雙端電路，其中該第一感應元件及該第二感應元件以一第一線圈單元來實現，該第三感應元件以一第二線圈單元來實現，該第一線圈單元以圍繞該第二線圈單元的方式來設置，該第二線圈單元與該第一線圈單元相間隔一第一距離，該第一距離影響該第一互耦參數與該第二互耦參數，且該第一距離越短，該第一互耦參數與該第二互耦參數越大。
  7. 如申請專利範圍第1項之單端轉雙端電路，其中該第一感應元件及該第二感應元件以一第一線圈單元來實現，該第三感應元件以一第二線圈單元來實現，該第一線圈單元以非共平面的方式圍繞該第二線圈單元來設置，該第二線圈單元與該第一線圈單元相間隔一第二距離，該第二距離影響該第一互耦參數與該第二互耦參數，且該第二距離越短，該第一互耦參數與該第二互耦參數越大。
  8. 如申請專利範圍第1項之單端轉雙端電路，其中該第一感應元件以一第一傳輸線段來實現，該第二感應元件以一第二傳輸線段來實現，該第三感應元件以一第三傳輸線段來實，且該第一、第二傳輸線段之長度實質上為該輸入訊號之波長的八分之一，該第三傳輸線段之長度實質上為該輸入訊號之波長的四分之一。
  9. 一種單端轉雙端電路，其包含：一第一電晶體，具有一第一第一端、一第一第二端，及用以接收一輸入訊號之一第一第三端；一第二電晶體，具有一第二第一端、一第二第二端，及一第二第三端；以及一變壓單元，包括：一第一感應元件，具有與該第一第二端耦接之一第一感應第一端，及耦接一電壓源之一第一感應第二端；一第二感應元件，具有耦接該電壓源之一第二感應第一端，及與該第二第二端耦接之一第二感應第二端；及一第三感應元件，具有與該第一第一端及該第二第一端耦接之一第三感應第一端，及耦接至一地電位之一第三感應第二端；其中，該第一感應元件與該第三感應元件根據一互耦參數進行一第一耦合，且該第二感應元件與該第三感應元件根據該互耦參數進行一第二耦合。
  10. 如申請專利範圍第9項之單端轉雙端電路，其中，該第一感應第一端輸出一第一差動電壓，該第一耦合使得該第一差動電壓的絕對值變小。
  11. 如申請專利範圍第9項之單端轉雙端電路，其中，該第二感應第二端輸出一第二差動電壓，該第二耦合使得該第二差動電壓的絕對值變大。
  12. 如申請專利範圍第9項之單端轉雙端電路，其中，該第一感應第一端輸出一第一差動電壓，該第二感應第二端輸出一第二差動電壓，該單端轉雙端電路透過該第一耦合及該第二耦合進行一增益補償。
  13. 如申請專利範圍第12項之單端轉雙端電路，其中該增益補償使得該第一差動電壓的絕對值實質上等於該第二差動電壓的絕對值。
  14. 如申請專利範圍第9項之單端轉雙端電路，其中該互耦參數如下所示： 其中，gm 為該第一、第二電晶體之互導係數，A為一匹配參數，Ygs1 為該第一電晶體之第一第三端-第一第一端等效電抗、Ygs2 為該第二電晶體之第二第三端-第二第一端等效電抗，L3 為該第三感應元件之電感值，及L0 為該第一、第二感應元件的電感值。
  15. 如申請專利範圍第14項之單端轉雙端電路，其中該匹配參數如下所示： 其中，ZL3 為該第三感應元件之等效阻抗。
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