Ruthroff巴倫具有非常寬的帶寬5,6,7，許多分立元件產(chǎn)品都是基于Ruthroff結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)。但是，還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)對(duì)微波集成電路應(yīng)用類(lèi)似結(jié)構(gòu)。

SAF1032PRuthroff型寬帶巴倫原理圖，可使用三個(gè)電感在平面半導(dǎo)體工藝中輕松構(gòu)建。在該布局中，只需要兩個(gè)金屬層，一個(gè)厚金屬層用于三個(gè)低損耗電感，一個(gè)地下通道金屬層用于連接。當(dāng)有額外的厚金屬層可用時(shí)，L1和L3可以垂直耦合，這樣尺寸就會(huì)更小，它們之間的磁性耦合也可能會(huì)更好。

寬帶特性得益于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，這會(huì)導(dǎo)致寄生電容更少。單端信號(hào)由L1和L2分壓得到。因此，巴倫的正端口正好是同相位單端信號(hào)電壓的一半。由于L1和L3之間的負(fù)耦合，巴倫的負(fù)端口是具有180°相移的單端信號(hào)電壓的一半。

在非常寬的帶寬上可以實(shí)現(xiàn)出色的振幅和相位平衡。寬帶巴倫配置的仿真性能。振幅不平衡是S21和S31之間的差，相位誤差是S21和S31與期望的180°之間的相位差。建議的巴倫具有非常好的振幅平衡，以及3 GHz到20 Ghz之間接近180°的相位差。在平衡混頻器和推挽放大器等許多應(yīng)用中使用巴倫時(shí)，共模抑制非常重要。仿真結(jié)果表明，3電感巴倫在3 GHz到20 GHz范圍內(nèi)的CMRR優(yōu)于20dB。

與變壓器巴倫拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一樣，3電感巴倫的帶寬也受低頻端電感和高頻端寄生電容的限制。當(dāng)電感較低時(shí)，負(fù)載阻抗對(duì)端口3的L1和L2之間的分壓和端口2的轉(zhuǎn)換電壓影響較大。雖然在低頻范圍內(nèi)振幅平衡和相位差仍然可以接受，但插入損耗增大。因此，較低的終端阻抗或較高的電感將有利于低頻性能。在高頻端，L1和L2之間的寄生電容會(huì)降低變壓器的性能，導(dǎo)致較大的相位誤差。精心布局并考慮降低寄生電容可以擴(kuò)大巴倫的高頻工作范圍。

集成巴倫的物理尺寸限制了低端帶寬。為了探索建議的巴倫結(jié)構(gòu)在低頻應(yīng)用中的可行性，設(shè)計(jì)了一款0.5 GHz到6 GHz的巴倫，并與基于變壓器的傳統(tǒng)巴倫進(jìn)行了對(duì)比。

寬帶雙平衡無(wú)源混頻器設(shè)計(jì)采用Jazz的SiGe 0.18 μm工藝和3電感巴倫配置。混頻器的RF、IF和LO端口為50 Ω單端端口，并在RF和IF端口集成巴倫。集成的RF巴倫經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可覆蓋3 GHz至20 GHz RF頻率范圍。集成的IF巴倫經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可覆蓋500 MHz至9 GHz的極寬頻率范圍。單端LO信號(hào)通過(guò)有源放大器電路在內(nèi)部轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)以減小芯片尺寸。使用高速NPN的兩級(jí)寬帶放大器向無(wú)源混頻器的MOSFET柵極提供足夠的信號(hào)電壓擺幅，且在1 GHz至20 GHz頻率范圍內(nèi)只有0 dBm輸入功率。

該混頻器采用2 mm × 3 mm QFN小型封裝，并使用銅柱倒裝芯片進(jìn)行互連。銅柱連接的附加寄生電容很低，可保持硅的寬帶性能。該混頻器采用3.3 V偏置電源，室溫下的功耗為132 mA。測(cè)得的轉(zhuǎn)換損耗和IIP3性能�；祛l器的RF、LO和IF端口在其寬工作頻率范圍內(nèi)匹配良好。圖6顯示這些端口的回波損耗。應(yīng)該注意的是，RF回波損耗取決于IF端口阻抗，圖6a中的結(jié)果是使用0.9 GHz的IF頻率測(cè)得。

與市場(chǎng)上的寬帶混頻器（如表1中所示）相比，使用3電感巴倫設(shè)計(jì)的混頻器可同時(shí)實(shí)現(xiàn)RF和IF范圍的最寬帶寬。它具有最低的LO功耗和最高的集成級(jí)別。整體性能優(yōu)于任何已報(bào)道的產(chǎn)品或發(fā)布的寬帶混頻器產(chǎn)品。

一種適合現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝平面實(shí)施方案的Ruthroff型寬帶巴倫結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)了一款使用寬帶巴倫的高性能雙平衡混頻器并對(duì)其進(jìn)行了性能測(cè)量。

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