具有 0 dBm LO 驱动的宽带 3 GHz 至 20 GHz 高性能集成混频器
时间:2020-07-10 13:29来源:ADI公司- Xudong Wang、Bill Beckwith、Tom Schiltz、 Weston Sapia 和 Michael Bagwell
摘要:本文介绍仅需0dBmLO驱动的宽带3GHz至20GHzSiGe无源混频器。新巴伦结构是实现宽RF带宽的关键创新。针对IF频段应用也采用相同的巴伦拓扑,支持300MHz至9GHz的宽IF。该高性能双平衡混频器可用于上变频或下变频。该混频器采用2mm×3mm、12引脚小型QFN封装,提供23dBmIIP3和14dBmP1dB。采用33V电源供电时,混频器功耗为132mA。
简介
宽带混频器广泛应用于多功能无线收发器、微波收发器、微波回程、雷达和测试设备。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使用单个混频器成为可能。已经证明,CMOS和BiCMOS等先进硅技术能够在相对窄带应用中实现高性能混频器。因此宽带混频器最期待的实现方式是使用集总元件或其他兼容IC制造技术和几何形状的结构制成。平衡混频器是首选拓扑结构,因为与非平衡混频器相比,它们在线性、噪声系数和端口到端口隔离方面具有更好的整体性能。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配置之间转换RF、LO和IF信号的关键组件。能够在标准IC铸造工艺中集成巴伦至关重要,这样才能生产出宽带集成混频器。
本文介绍一种可以在硅、GaAs或任何其他集成过程中轻松实现的创新巴伦结构。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,使用宽带巴伦设计一款3 GHz至20 GHz高性能混频器。
宽带巴伦
混频器最重要的性能参数包括转换增益、线性度、噪声系数和工作带宽。集成混频器中使用的巴伦对所有这些混频器的性能都有重大影响。集成巴伦的关键性能包括工作频率范围、插入损耗、幅度/相位平衡、共模抑制比(CMRR)和物理尺寸。集成电路应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这两种巴伦在窄带应用中都有良好的性能。平面变压器巴伦由两个紧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主要限制因素。自感限制低频端的带宽,非平衡和平衡终端的寄生电容和不对称终端限制高频端的带宽。Marchand巴伦由四条四分之一波长传输线组成,通常需要在芯片上占用大量空间。在集成电路中利用交错变压器布局,演示了微型Marchand巴伦。每条线段的电气长度要求限制了Marchand巴伦的带宽。当电气长度偏离所需的四分之一波长时,振幅和相位平衡就会降低。通常,设计良好的变压器巴伦或Marchand巴伦可以覆盖3×至4×最大-最小频率比的频率范围,且性能合理。
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基于Ruthroff结构开发。但是,还没有发现对微波集成电路应用类似结构。
图1.Ruthroff型宽带巴伦
图1a显示了一个Ruthroff型宽带巴伦原理图,可使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连接。当有额外的厚金属层可用时,L1和L3可以垂直耦合,这样尺寸就会更小,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单,这会导致寄生电容更少。单端信号由L1和L2分压得到。因此,巴伦的正端口正好是同相位单端信号电压的一半。由于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。
在非常宽的带宽上可以实现出色的振幅和相位平衡。图2显示了宽带巴伦配置的仿真性能。振幅不平衡是S21和S31之间的差,相位误差是S21和S31与期望的180°之间的相位差。建议的巴伦具有非常好的振幅平衡,以及3 GHz到20 Ghz之间接近180°的相位差。在平衡混频器和推挽放大器等许多应用中使用巴伦时,共模抑制非常重要。图5b所示的仿真结果表明,3电感巴伦在3 GHz到20 GHz范围内的CMRR优于20dB。
图2.宽带巴伦的仿真性能
与变压器巴伦拓扑结构一样,3电感巴伦的带宽也受低频端电感和高频端寄生电容的限制。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的转换电压影响较大。虽然在低频范围内振幅平衡和相位差仍然可以接受,但插入损耗增大。因此,较低的终端阻抗或较高的电感将有利于低频性能。在高频端,L1和L2之间的寄生电容会降低变压器的性能,导致较大的相位误差。精心布局并考虑降低寄生电容可以扩大巴伦的高频工作范围。
集成巴伦的物理尺寸限制了低端带宽。为了探索建议的巴伦结构在低频应用中的可行性,设计了一款0.5 GHz到6 GHz的巴伦,并与基于变压器的传统巴伦进行了对比,性能如图3所示。
图3.传统巴伦和新巴伦的仿真性能比较
集成宽带RF/微波混频器
宽带双平衡无源混频器设计采用Jazz的SiGe 0.18 μm工艺和3电感巴伦配置。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,可覆盖3 GHz至20 GHz RF频率范围。集成的IF巴伦经过优化,可覆盖500 MHz至9 GHz的极宽频率范围。单端LO信号通过有源放大器电路在内部转换为差分信号以减小芯片尺寸。使用高速NPN的两级宽带放大器向无源混频器的MOSFET栅极提供足够的信号电压摆幅,且在1 GHz至20 GHz频率范围内只有0 dBm输入功率。图4.宽带双平衡无源混频器
该混频器采用2 mm × 3 mm QFN小型封装,并使用铜柱倒装芯片进行互连。铜柱连接的附加寄生电容很低,可保持硅的宽带性能。该混频器采用3.3 V偏置电源,室温下的功耗为132 mA。测得的转换损耗和IIP3性能如图5.8所示。混频器的RF、LO和IF端口在其宽工作频率范围内匹配良好。图6显示这些端口的回波损耗。应该注意的是,RF回波损耗取决于IF端口阻抗,图6a中的结果是使用0.9 GHz的IF频率测得。
图5.宽带双平衡无源混频器测得的性能
图6.宽带双平衡无源混频器测得的回波损耗
表1.我们的宽带混频器与市场同类产品比较
与市场上的宽带混频器(如表1中所示)相比,使用3电感巴伦设计的混频器可同时实现RF和IF范围的最宽带宽。它具有最低的LO功耗和最高的集成级别。整体性能优于任何已报道的产品或发布的宽带混频器产品。
结论
本文介绍了一种适合现代半导体工艺平面实施方案的Ruthroff型宽带巴伦结构。设计了一款使用宽带巴伦的高性能双平衡混频器并对其进行了性能测量。
免责声明:本文若是转载新闻稿,转载此文目的是在于传递更多的信息,版权归原作者所有。文章所用文字、图片、视频等素材如涉及作品版权问题,请联系本网编辑予以删除。
我要投稿
近期活动
- 安森美汽车&能源基础设施白皮书下载活动时间:2024年04月01日 - 2024年10月31日[立即参与]
- 2023年安森美(onsemi)在线答题活动时间:2023年09月01日 - 2023年09月30日[查看回顾]
- 2023年安森美(onsemi)在线答题活动时间:2023年08月01日 - 2023年08月31日[查看回顾]
- 【在线答题活动】PI 智能家居热门产品,带您领略科技智慧家庭时间:2023年06月15日 - 2023年07月15日[查看回顾]
- 2023年安森美(onsemi)在线答题活动时间:2023年06月01日 - 2023年06月30日[查看回顾]
分类排行榜
- 汽车电子电源行业可靠性要求,你了解多少?
- 内置可编程模拟功能的新型 Renesas Synergy™ 低功耗 S1JA 微控制器
- Vishay 推出高集成度且符合 IrDA® 标准的红外收发器模块
- ROHM 发布全新车载升降压电源芯片组
- 艾迈斯半导体推出行业超薄的接近/颜色传感器模块,助力实现无边框智能手机设计
- 艾迈斯半导体与 Qualcomm Technologies 集中工程优势开发适用于手机 3D 应用的主动式立体视觉解决方案
- 维谛技术(Vertiv)同时亮相南北两大高端峰会,精彩亮点不容错过
- 缤特力推出全新商务系列耳机 助力解决开放式办公的噪音难题
- CISSOID 和泰科天润(GPT)达成战略合作协议,携手推动碳化硅功率器件的广泛应用
- 瑞萨电子推出 R-Car E3 SoC,为汽车大显示屏仪表盘带来高端3D 图形处理性能
编辑推荐
小型化和稳定性如何兼得?ROHM 推出超小型高输出线性 LED 驱动器 IC,为插座型 LED 驱动 IC 装上一颗强有力的 “心脏”
众所周知,LED的驱动IC担负着在输入电压不稳定的情况下,为LED提供恒定的电流,并控制恒定(可调)亮度的作用。无论是室内照明,还是车载应用,都肩负着极为重要的使命。
- 关于反激电源效率的一个疑问
时间:2022-07-12 浏览量:10124
- 面对热拔插阐述的瞬间大电流怎么解决
时间:2022-07-11 浏览量:8890
- PFC电路对N线进行电压采样的目的是什么
时间:2022-07-08 浏览量:9527
- RCD中的C对反激稳定性有何影响
时间:2022-07-07 浏览量:7155
- 36W单反激 传导7~10M 热机5分钟后超标 不知道哪里出了问题
时间:2022-07-07 浏览量:5930
- PFC电感计算
时间:2022-07-06 浏览量:4141
- 多相同步BUCK
时间:2010-10-03 浏览量:37852
- 大家来讨论 系列之二:开机浪涌电流究竟多大?
时间:2016-01-12 浏览量:43148
- 目前世界超NB的65W适配器
时间:2016-09-28 浏览量:60010
- 精讲双管正激电源
时间:2016-11-25 浏览量:128028
- 利用ANSYS Maxwell深入探究软磁体之----电感变压器
时间:2016-09-20 浏览量:107533
- 【文原创】认真的写了一篇基于SG3525的推挽,附有详细..
时间:2015-08-27 浏览量:100242