用于改善平衡-不平衡变换器负载质量因数的技术

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用于改善平衡-不平衡变换器负载质量因数的技术
技术领域
[0001] 本发明涉及平衡-不平衡变换器，且更具体地说，涉及用于改善耦合到电路中的后续负载级的平衡-不平衡变换器的质量因数的技术。
背景技术
[0002] 例如通信发射器等现代电装置通常并入有用于将差分信号转换成单端型信号的平衡-不平衡变换器。举例来说，无线发射器电路可使用平衡-不平衡变换器来将由所述发射器电路产生的差分信号转换成单端型信号以用于进一步放大并经由无线信道发射。常见的平衡-不平衡变换器实施方案包括两个互耦合的电感性元件，所述电感性元件经配置以使得第一(初级)平衡-不平衡变换器元件上的差分电压产生第二(次级)平衡-不平衡变换器元件上的对应单端型电压。
[0003] 在用于通信装置的平衡-不平衡变换器的设计中，平衡-不平衡变换器的质量因数(或“Q”)为关键优良指数。对于整个装置来说，较高的Q通常导致较高的平衡-不平衡变换器输出电压以及较佳的功率转移及信噪比(SNR)特性。当次级平衡-不平衡变换器元件耦合到后续负载级时，经负载的平衡-不平衡变换器的Q(或“负载Q”)可能归因于电阻性负载元件的存在而降低，从而导致较差的整体装置性能。
[0004] 将需要提供用于改善平衡-不平衡变换器负载Q的简单且有效的技术。
发明内容
[0005] 本发明的一方面提供一种用于改善耦合到放大器的平衡-不平衡变换器的共振因数的方法，所述平衡-不平衡变换器包含用于将单端型信号提供到所述放大器的平衡-不平衡变换器次级元件，所述平衡-不平衡变换器次级元件包含第一节点及第二节点，所述放大器包含源极节点，所述方法包含：经由共用接地节点将所述平衡-不平衡变换器次级元件第二节点耦合到所述放大器源极节点；及将所述共用接地节点耦合到接地电压。
[0006] 本发明的另一方面提供一种包含耦合到放大器的平衡-不平衡变换器的发射器设备，所述平衡-不平衡变换器包含用于将单端型信号提供到所述放大器的平衡-不平衡变换器次级元件，所述平衡-不平衡变换器次级元件包含第一节点及第二节点，所述放大器包含源极节点，其中所述平衡-不平衡变换器次级元件第二节点经由共用接地节点而耦合到所述放大器源极节点；且所述共用接地节点耦合到接地电压。
[0007] 本发明的又一方面提供一种包含耦合到放大器的平衡-不平衡变换器的设备，所述平衡-不平衡变换器包含用于将单端型信号提供到所述放大器的平衡-不平衡变换器次级元件，所述平衡-不平衡变换器次级元件包含第一节点及第二节点，所述放大器包含输入节点及源极节点，所述平衡-不平衡变换器次级元件第一节点耦合到所述放大器的所述输入节点，所述设备进一步包含：用于使用具有最小长度的迹线在共用接地节点处将所述放大器源极节点耦合到所述平衡-不平衡变换器次级元件第二节点的装置。
附图说明
[0008] 图1描绘用于通信装置的现有技术发射器电路的示范性实施例。
[0009] 图2描绘存在于耦合到放大器200(例如，图1中所展示的pDA 102)的平衡-不平衡变换器101的实际实施方案中的寄生元件。
[0010] 图2A描绘说明图2中所展示的寄生电感对发射器电路性能的影响的放大器200的特定电路实施方案。
[0011] 图3描绘根据本发明的示范性实施例，其中平衡-不平衡变换器次级元件101.2的节点101.2b经由共用接地节点300a而在芯片上耦合到放大器200的节点200a。
[0012] 图3A描绘根据本发明的另一示范性实施例，其中节点300a经由可提供于芯片上或芯片外的峰化电感器300而进一步耦合到芯片外接地电压。
[0013] 图3B说明根据本文中所揭示的技术的平衡-不平衡变换器次级元件电压振幅的频率特性的改变的实例。
[0014] 图4描绘根据本发明的耦合到pDA的平衡-不平衡变换器的示范性实施例。
[0015] 图5描绘根据本发明的一种方法的示范性实施例。
[0016] 图6描绘插入于根据本发明的放大器与后续输出负载级之间的额外缓冲(驱动)放大器。
具体实施方式
[0017] 以下结合附图陈述的详细描述既定作为对本发明的示范性实施例的描述，且不希望表示可实践本发明的仅有示范性实施例。在此整个描述中使用的术语“示范性”意指“充当实例、例子或说明”，且应不必被解释为相对于其它示范性实施例来说为优选或有利的。
详细描述出于提供对本发明的示范性实施例的彻底理解的目的而包括特定细节。所属领域的技术人员将明了，可在无这些特定细节的情况下实践本发明的示范性实施例。在一些例子中，以框图形式展示众所周知的结构及装置以便避免混淆本文中呈现的示范性实施例的新颖性。
[0018] 图1描绘用于通信装置的现有技术发射器电路的示范性实施例。在图1中，将基带输入信号BB_I(同相)及BB_Q(正交相)提供到低通滤波器103.1及103.2。将低通滤波器的输出信号提供到混频器104.1及104.2，所述混频器104.1及104.2通过将经滤波的基带信号分别乘以本机振荡器信号LO_I及LO_Q而将其调制到较高频率。混频器104.1及104.2的差分输出经组合并提供到增益受动态控制的可变增益放大器(VGA)104.5。接着将VGA 104.5的差分输出耦合到平衡-不平衡变换器101的平衡-不平衡变换器初级元件
101.1。平衡-不平衡变换器101还包括电磁耦合到平衡-不平衡变换器初级元件101.1的平衡-不平衡变换器次级元件101.2。平衡-不平衡变换器101作用以将平衡-不平衡变换器初级元件101.1上的差分电压转换成在平衡-不平衡变换器次级元件101.2的节点
101.2a处的单端型电压，其中平衡-不平衡变换器次级元件101.2的另一节点101.2b耦合到接地电压。在图1中，平衡-不平衡变换器初级元件及次级元件经展示为互耦合的电感器，但本发明并不限于将平衡-不平衡变换器实施为互耦合的电感器。在图1中，平衡-不平衡变换器初级电感101.1经分接到DC供应电压VDD，且在平衡-不平衡变换器初级电感
101.1的任一节点处的AC电压通常可超过VDD。
[0019] 在图1中，平衡-不平衡变换器次级元件101.2的节点101.2a耦合到前置驱动放大器(pDA)102，继之以驱动放大器(DA)103。可使用DA 103的输出来驱动功率放大器(PA)及/或其它芯片外电路。
[0020] 应注意，仅出于说明目的而展示图1中所描绘的发射器架构。所属领域的技术人员将认识到，替代发射器架构可省略所展示的元件中的一些元件或并入有未展示的其它元件。举例来说，发射器不需要并入有pDA及DA两者；替代实施方案可仅并入有直接耦合到平衡-不平衡变换器次级元件的DA。预期本发明的技术适用于这些替代发射器架构。
[0021] 还应注意，图1中描绘的发射器电路不希望将本发明的范围限制于发射器电路。
本发明的技术通常可应用于平衡-不平衡变换器耦合到后续负载级的任何设计中(例如，在用于接收器电路的低噪声放大器(LNA)中)。预期这些示范性实施例属于本发明的范围内。
[0022] 图2描绘存在于耦合到放大器200(例如，图1中所展示的pDA 102)的平衡-不平衡变换器101的实际实施方案中的寄生元件。在图2中，平衡-不平衡变换器101及放大器200经展示为均实施于单一芯片上(“芯片上”)且分开地耦合到在芯片外部(“芯片外”)的接地电压连接。寄生元件通常存在于将芯片上节点耦合到芯片外节点的导电迹线中(例如，由接合线产生的寄生电感)。在图2中，寄生电感LP1串联存在于平衡-不平衡变换器次级元件101.2的节点101.2b与芯片外接地电压之间，而寄生电感LP2串联存在于放大器200的节点200a与芯片外接地电压之间。
[0023] 所属领域的技术人员将认识到，图2中未展示的额外寄生元件(例如，寄生电阻及电容)还可存在于耦合到放大器的平衡-不平衡变换器的实际实施方案中。
[0024] 图2A描绘说明寄生电感对发射器电路性能的影响的放大器200的特定电路实施方案。应注意，为简单起见，本文中的图2A、图3及图3A省略用于对所展示晶体管进行偏置的偏置方案的细节，且所属领域的技术人员可易于导出用于所展示放大器的必要偏置/AC耦合网络。还应注意，仅出于说明目的而展示放大器200的特定电路实施方案，且所属领域的技术人员将了解，本发明的技术仍可应用于不同于图2A中所展示的放大器拓扑的放大器拓扑。预期这些示范性实施例属于本发明的范围内。
[0025] 在图2A中，放大器200包括以共源极放大器配置连接的NMOS晶体管M1或200.1，其中M1的栅极耦合到平衡-不平衡变换器次级元件101.2的节点101.2a，漏极耦合到负载(未图示)，且节点200a处的源极经由寄生电感Lp2耦合到芯片外接地电压。所属领域的技术人员将认识到，如从平衡-不平衡变换器次级元件101.2的两个节点101.2a及101.2b所测量，到图2A中的共源极放大器的输入阻抗Zin由(等式1)给出：
[0026]
[0027] 其中Cgs为M1(未图示)的栅极-源极电容，且gm1为M1的跨导。(例如，参见IEEE固态电路杂志(IEEE J.Solid-State Circuits)(1997年)第745到759页的德里克·K·薛佛(Derek K.Shaeffer)及托马斯·H·李(Thomas H.Lee)的“1.5V、1.5GHz CMOS低噪声放大器(A 1.5V，1.5GHz CMOS Low Noise Amplifier)”)。
[0028] 根据等式1，可见寄生电感Lp1及Lp2向输入阻抗Zin贡献实(电阻性)分量此电阻性分量在平衡-不平衡变换器次级元件101.2与放大器200之间
的接口处有效地与所述平衡-不平衡变换器次级元件101.2串联耦合。由Lp1及Lp2贡献的电阻性分量降低平衡-不平衡变换器-放大器的输入组合的Q，因为所述组合的质量因数或Q由以下表达式(等式2)给出：
[0029]
[0030] 随着Q降低，节点101.2a处的平衡-不平衡变换器输出振幅也降低。如前文所描述，这可导致整个发射信号链中的较低输出功率及较低信噪比(SNR)。
[0031] 常规电路设计的目标为降低寄生电感Lp1及Lp2以便增加平衡-不平衡变换器与放大器的接口的Q。为了降低寄生电感，这些常规设计技术设法最小化平衡-不平衡变换器及放大器的接地路径电感。举例来说，在QFN(四边扁平无引线)型封装中，可提供多个并联接合线以将平衡-不平衡变换器及/或放大器耦合到芯片外接地电压，以最小化寄生电感Lp1及Lp2。在倒装芯片型封装中，可最小化芯片、倒装芯片封装及印刷电路板(PCB)接地层之间的距离，且可提供多个凸块用于平衡-不平衡变换器及放大器的接地连接。然而，因为封装及布线电感必要地占有有限长度，从而设定寄生电感可降低多少的上限，所以这些技术的有效性受到限制。此外，增加经分配用于接地的接合线或凸块的数目消耗可提供给其它节点的可用连接。
[0032] 或者，为了增加平衡-不平衡变换器输出电压，平衡-不平衡变换器次级元件可经设计成具有较大匝数来增加平衡-不平衡变换器初级元件与次级元件之间的耦合比。然而，这增加了平衡-不平衡变换器次级元件的电感且不合需要地降低与平衡-不平衡变换器-放大器的输入节点相关联的共振频率。
[0033] 图3描绘根据本发明的用于降低上文所描述的寄生接地电感的负面效应的示范性实施例。在图3中，平衡-不平衡变换器次级元件101.2的节点101.2b经由共用接地节点300a而在芯片上耦合到放大器200的节点200a。共用接地节点300a经由寄生电感Lp3而耦合到芯片外接地连接。
[0034] 在示范性实施例中，在长度上最小化从节点101.2b到节点200a的连接以降低串联出现于这两个节点之间的寄生元件的效应。在示范性实施例中，从节点101.2b到节点
300a的连接具有相对于从节点200a到节点300a的连接对称的布局，以提供充分平衡的接地连接。举例来说，节点300a可作为从节点101.2b到节点200a的最小长度迹线的中点而经分接。
[0035] 因为使用优选具有短长度的迹线而在芯片上直接连接节点101.2b与200a，所以M1的源极与平衡-不平衡变换器次级元件101.2的节点101.2b之间的串联寄生电感得以最小化。这导致输入阻抗Zin中的较小串联电阻性分量，其又导致与图2A中所展示的实施方案相比串联RLC电路的较高Q。
[0036] 图3A描绘根据本发明的另一示范性实施例，其中节点300a经由可提供于芯片上或芯片外的具有电感Ls的峰化电感器300而耦合到芯片外接地电压。峰化电感器300在提供于芯片上的情况下可经由常规接合线或凸块而进一步耦合到芯片外接地电压，所述接合线或凸块可贡献与所述峰化电感器300串联的寄生电感Lp4，如图3A中所展示。所述峰化电感器300更改放大器与平衡-不平衡变换器的转移特性且可有助于提升平衡-不平衡变换器的输出电压振幅并且增加在平衡-不平衡变换器输出/放大器输入处的共振频率。
[0037] 图3B展示根据上文中所揭示的技术的比较平衡-不平衡变换器输出电压振幅与频率的实例曲线图。在图3B中，第一特性曲线370描绘在不使用峰化电感器且分开地提供平衡-不平衡变换器及pDA的接地连接时的平衡-不平衡变换器输出电压振幅。第二特性曲线380描绘在不使用峰化电感器且平衡-不平衡变换器及pDA的接地连接系结于一起(例如，如图3中所描绘)时的平衡-不平衡变换器输出电压振幅。第三特性曲线390描绘在使用峰化电感器且平衡-不平衡变换器及pDA的接地连接系结于一起(例如，如图3A中所描绘)时的平衡-不平衡变换器输出电压振幅。为了导出图3B中所展示的特性曲线
390，针对峰化电感器300使用1.5nH。
[0038] 如从图3B所注意到的，平衡-不平衡变换器输出电压及平衡-不平衡变换器共振频率两者通过峰化电感器300的添加而增加。
[0039] 在示范性实施例中，为了确定峰化电感器300的最佳电感值，所属领域的技术人员在设计电路时可使电感在候选值范围中扫掠，以确定与所要操作频率范围中的最大尖峰相关联的电感。举例来说，对于2.4GHz的频带中的操作来说，可使电感值在0.5nH到3nH的范围中扫掠以确定最佳值。在示范性实施例中，可使用计算机电路模拟、实验室内测量等进行所述扫掠。
[0040] 所属领域的技术人员将认识到，可以多种方式实施峰化电感器300。举例来说，峰化电感器300可包含芯片上螺旋线。在示范性实施例中，所述螺旋线可为具有尺寸120μm x 65μm的矩形螺旋线。在替代示范性实施例中，峰化电感器300可实施为芯片外接合线。
在替代示范性实施例中，峰化电感器300可实施为印刷电路板上的金属迹线。举例来说，约
1mm的金属迹线可用于提供大致1nH的电感。
[0041] 在示范性实施例中，与峰化电感器300相关联的寄生串联电阻被设计成尽可能小。这是为了使与放大器200的源极退化相关联的增益损失最小化且使峰化电感器300的DC电流耗散最小化。
[0042] 所属领域的技术人员还将了解，可存在由放大器NMOS晶体管及平衡-不平衡变换器次级元件组成的通过输入及接地路径的正反馈回路。为了保持放大器的稳定性，可能需要降低放大器的输出上的电容性负载。在示范性实施例中，例如图6中所展示，可在放大器与后续输出负载级之间插入一个或若干个额外缓冲放大器。举例来说，在图6中，DA 103耦合到pDA 102的输出，其中pDA 102直接耦合到峰化电感器300，且DA 103有效地充当缓冲放大器。以此方式，pDA 102可避免直接驱动例如芯片外PA等重电容性负载，进而增加在利用峰化电感器300时的稳定性裕度。
[0043] 所属领域的技术人员将认识到，在替代示范性实施例(未图示)中，可在pDA 102的输出处并联耦合多个DA 103。在另一示范性实施例中，如果稳定性裕度及其它考虑因素不要求提供DA缓冲器，则pDA 102可直接耦合到PA(即，旁路DA)。预期这些示范性实施例属于本发明的范围内。
[0044] 图4描绘根据本发明的耦合到发射器电路中的pDA的平衡-不平衡变换器的示范性实施例。在图4中，pDA 102包括各自以共源极放大器配置连接的有源NMOS晶体管MN1及有源PMOS晶体管MP1，其中放大器输出经由电阻器RFB耦合到放大器输入以用于自偏置。
提供AC耦合电容器C以保持放大器的DC偏置。额外晶体管MNE及MPE耦合到有源晶体管MN1及MP1以基于控制信号EN选择性地启用或停用放大器。
[0045] 图5描绘根据本发明的一种方法的示范性实施例。图5假定耦合到放大器的平衡-不平衡变换器的存在，所述平衡-不平衡变换器具有带有第一节点及第二节点的平衡-不平衡变换器次级元件，其中放大器输入节点耦合到所述第一节点。在图5中，在步骤
500处，在共用接地节点处将平衡-不平衡变换器次级元件第二节点耦合到放大器源极节点。在步骤510处，将所述共用接地节点耦合到峰化电感器。在步骤520处，将峰化电感器耦合到接地电压。
[0046] 在本说明书中及在权利要求书中，将理解，当元件被称作“连接到”或“耦合到”另一元件时，其可直接连接到或耦合到所述另一元件或可存在插入元件。相反，当元件被称作“直接连接到”或“直接耦合到”另一元件时，不存在插入元件。
[0047] 所属领域的技术人员将理解，可使用多种不同技艺及技术中的任一者来表示信息及信号。举例来说，可通过电压、电流、电磁波、磁场或磁性粒子、光场或光学粒子或其任何组合来表示可在以上整个描述中参考的数据、指令、命令、信息、信号、位、符号及码片。
[0048] 技术人员将进一步了解，结合本文所揭示的示范性实施例而描述的各种说明性逻辑块、模块、电路及算法步骤可实施为电子硬件、计算机软件或两者的组合。为了清楚地说明硬件与软件的此可互换性，已在上文中大体上按其功能性描述了各种说明性组件、块、模块、电路及步骤。将此功能性实施为硬件还是软件取决于特定应用及强加于整个系统的设计约束。熟练的技术人员可针对每一特定应用以变化的方式实施所描述的功能性，但这些实施方案决策不应被解释为导致脱离本发明的示范性实施例的范围。
[0049] 结合本文中所揭示的示范性实施例而描述的各种说明性逻辑块、模块及电路可用经设计以执行本文中所描述的功能的通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑装置、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件或其任何组合来实施或执行。通用处理器可为微处理器，但在替代方案中，处理器可为任何常规处理器、控制器、微控制器或状态机。还可将处理器实施为计算装置的组合，例如，DSP与微处理器的组合、多个微处理器、结合DSP核心的一个或一个以上微处理器或任何其它此类配置。
[0050] 结合本文中所揭示的示范性实施例而描述的方法或算法的步骤可直接以硬件、以由处理器执行的软件模块或以两者的组合来体现。软件模块可驻存于随机存取存储器(RAM)、快闪存储器、只读存储器(ROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)、寄存器、硬盘、可装卸盘、CD-ROM或此项技术中已知的任何其它形式的存储媒体中。将示范性存储媒体耦合到所述处理器，使得所述处理器可从所述存储媒体读取信息及将信息写入到所述存储媒体。在替代方案中，存储媒体可与处理器成一体式。处理器及存储媒体可驻存于ASIC中。ASIC可驻存于用户终端中。在替代方案中，处理器及存储媒体可作为离散组件而驻存于用户终端中。
[0051] 在一个或一个以上示范性实施例中，所描述的功能可以硬件、软件、固件或其任何组合来实施。如果以软件实施，则可将功能作为一个或一个以上指令或代码存储于计算机可读媒体上或经由计算机可读媒体来传输。计算机可读媒体包括计算机存储媒体及通信媒体两者，通信媒体包括促进将计算机程序从一处传送到另一处的任何媒体。存储媒体可为可由计算机存取的任何可用媒体。借助于实例而非限制，所述计算机可读媒体可包含RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储装置、磁盘存储装置或其它磁性存储装置，或可用于以指令或数据结构的形式载运或存储所要程序代码且可由计算机存取的任何其它媒体。而且，适当地将任何连接称为计算机可读媒体。举例来说，如果使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(DSL)或例如红外线、无线电及微波等无线技术而从网站、服务器或其它远程源传输软件，则同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL或例如红外线、无线电及微波等无线技术包括于媒体的定义中。如本文中所使用，磁盘及光盘包括压缩光盘(CD)、激光光盘、光学光盘、数字通用光盘(DVD)、软性磁盘及蓝光光盘，其中磁盘通常以磁性方式再生数据，而光盘用激光以光学方式再生数据。以上各项的组合也应包括于计算机可读媒体的范围内。
[0052] 提供所揭示示范性实施例的先前描述以使所属领域的任何技术人员能够制作或使用本发明。所属领域的技术人员将容易明白对这些示范性实施例的各种修改，且可在不脱离本发明的精神或范围的情况下将本文中所定义的一般原理应用于其它示范性实施例。
因此，本发明不希望限于本文所展示的示范性实施例，而是应被赋予与本文所揭示的原理及新颖特征一致的最广范围。