楊楠，楊旭達(dá)

（中國電子科技集團(tuán)第十三研究所，河北 石家莊 050051）

0 引 言

伴隨著當(dāng)今社會信息化的快速發(fā)展，無線通信技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，如通信網(wǎng)絡(luò)、定位系統(tǒng)、無線局域網(wǎng)、藍(lán)牙等等，這些已經(jīng)成為生活中不可或缺的部分。射頻前端是無線通信系統(tǒng)中極其重要的組成部分，它往往需要平衡式電路來提升整個(gè)系統(tǒng)的性能。而巴倫（balun）結(jié)構(gòu)，即平衡—非平衡轉(zhuǎn)換器，可以實(shí)現(xiàn)信號的單端輸入到差分輸出的轉(zhuǎn)換或者實(shí)現(xiàn)差分輸入到單端輸出的轉(zhuǎn)換，并完成阻抗匹配。通常在射頻前端系統(tǒng)的接收通道內(nèi)需要射頻信號的單端輸入轉(zhuǎn)化為平衡輸出，而發(fā)射路通道需要射頻信號實(shí)現(xiàn)差分輸入到單端輸出的信號轉(zhuǎn)換。本文主要研究信號單端到差分的信號轉(zhuǎn)換有源巴倫電路，它在單平衡、雙平衡倍頻器、混頻器和移相器中都有一定的應(yīng)用，其性能的好壞對系統(tǒng)整體指標(biāo)有較大影響。

巴倫可以分為無源巴倫和有源巴倫兩種。通常無源巴倫電路是利用微帶線、同軸線等結(jié)構(gòu)的耦合、移相實(shí)現(xiàn)信號不平衡—平衡之間的轉(zhuǎn)換。無源巴倫按其實(shí)現(xiàn)形式可粗略分為三類：（1）使用集總元器件形式實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，該形式通常適用于窄帶、低頻電路；（2）使用螺旋變壓器形式實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，該種形式應(yīng)用于低頻和超高頻電路中，有一定的損耗；（3）分布參數(shù)形式實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，該形式是微波毫米波電路中常用的形式之一，具有較好的幅值平衡性和相位平衡性，但工作帶寬有一定的限制性?？傊?，無源巴倫電路結(jié)構(gòu)簡單，無直流功耗，但缺點(diǎn)也很顯著，如有較大插入損耗、端口隔離度低、工作頻帶窄，尤其是低頻段由于面積大不易集成等。

有源巴倫電路，通常是利用晶體管特定的工作狀態(tài)完成射頻信號的轉(zhuǎn)換，不僅具有良好的幅度和相位平衡性，還有一定的增益、較高的端口隔離度，便于單片集成設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的集成度。與無源巴倫電路相比，有源巴倫更容易實(shí)現(xiàn)更寬頻段范圍內(nèi)的信號轉(zhuǎn)換。有源巴倫電路可廣泛應(yīng)用于有源倍頻器、有源數(shù)控移相器、低噪聲放大器、有源混頻器等微波電路的集成化設(shè)計(jì)中。比如在混頻器中，可以采用有源巴倫實(shí)現(xiàn)單端到雙端的轉(zhuǎn)換，中頻輸出端采用有源巴倫等實(shí)現(xiàn)雙端到單端的轉(zhuǎn)換，極大地提高混頻器的帶負(fù)載能力和芯片的集成度。常見有源巴倫電路有偽差分型有源巴倫、源級/漏極型有源巴倫和共源/共柵型有源巴倫等，不同的電路結(jié)構(gòu)具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，但目前可查的有源巴倫電路大多都采用了CMOS工藝或混合集成工藝設(shè)計(jì)加工制作，無法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中GaAs芯片級的集成一體化設(shè)計(jì)。

本文設(shè)計(jì)的2 GHz～18 GHz寬帶有源巴倫芯片，采用0.13 μm GaAs pHEMT成熟工藝設(shè)計(jì)加工并流片，其幅度平衡性和相位平衡性優(yōu)良，且有一定的小信號增益和功率輸出能力；后續(xù)可以考慮將該結(jié)構(gòu)的有源巴倫電路應(yīng)用到至混頻器、移相器等電路一體化設(shè)計(jì)中，改善系統(tǒng)性能，提升系統(tǒng)集成度。

1 有源巴倫設(shè)計(jì)

文中提到的共源/共柵巴倫電路，電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。該有源巴倫電路包含兩個(gè)部分，分別是晶體管M3構(gòu)成的共源放大級和晶體管M2構(gòu)成的共柵放大級。射頻信號分別輸入到晶體管M2的源級和晶體管M3的柵極，經(jīng)過信號轉(zhuǎn)化，分別從晶體管M2漏極、晶體管M3漏極輸出。其中射頻信號經(jīng)過共源放大級時(shí)相位改變180°，經(jīng)過共柵放大級射頻信號相位保持不變。假設(shè)晶體管M2、M3跨導(dǎo)分別為gm、gm。在不考慮二級效應(yīng)的條件下，那么共源放大級增益可簡化為：Av=-gmR3，共柵放大級增益可簡化為：Av=gmR2。共柵放大級的輸入阻抗較小，而共源放大級的輸入阻抗大，可通過合理的設(shè)計(jì)優(yōu)化電路元器件尺寸使得兩平衡輸出端口小信號增益趨于一致，相位差值為180°。共源/共柵有源巴倫具有幅度平衡度好、直流功耗小、電路結(jié)構(gòu)簡單、容易集成設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，但是隨著頻段的升高，電路的寄生參數(shù)影響越來越大，共源/共柵巴倫電路相位差會越來越大，很難實(shí)現(xiàn)較高頻率范圍內(nèi)寬帶的良好匹配，這大大限制了該結(jié)構(gòu)有源巴倫電路的使用。

圖1 共源/共柵有源巴倫

C3（combined cascode-cascade）有源巴倫，是在共源/共柵巴倫的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)的電路結(jié)構(gòu)，原理圖如圖2所示。該結(jié)構(gòu)的有源巴倫電路包含兩個(gè)射頻通路。晶體管M1為兩通路共用的輸入放大級，通路一，是由晶體管M1和M2構(gòu)成共源共柵（cascode）放大路，射頻信號路徑為RFIN→RFOUT1；通路二，是由晶體管M1和M3構(gòu)成兩級共源級聯(lián)放大級，射頻信號路徑為RFIN→RFOUT2。晶體管M1、M2組成的共源共柵放大級，和兩晶體管之間的匹配電路用于擴(kuò)展工作頻率帶寬，同時(shí)改善兩平衡輸出端口之間的相位平衡性；晶體管M1、M3尺寸及該通路中匹配電路元器件值的大小，主要用于改善有源巴倫電路的幅度平衡性。相比共源/共柵有源巴倫電路，C3有源巴倫提供更寬的工作頻段，具有更好的幅度平衡性和相位平衡性，兩輸出端口間的隔離度更高。

圖2 C3有源巴倫

本文設(shè)計(jì)的有源巴倫芯片基于C3有源巴倫電路，在電路結(jié)構(gòu)上進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)優(yōu)化，原理圖如圖3所示。該有源巴倫電路以單電源方式來實(shí)現(xiàn)，無須外部提供柵壓，只需要提供漏極工作電壓5 V，實(shí)現(xiàn)信號單端到差分的轉(zhuǎn)換；單電源供電的有源巴倫電路在系統(tǒng)使用中減小裝配工序和調(diào)試工作，大大提高系統(tǒng)的可靠性。晶體管M1、M3的柵偏置電壓均通過電容電阻并聯(lián)到地自偏結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，無須外加；晶體管M2工作柵壓由電源電壓Vdd通過電阻分壓實(shí)現(xiàn)，此處考慮引入的額外功耗，分壓電阻總值在5 KΩ以上。晶體管M2、M3的柵級與漏級之間分別引入電容電阻負(fù)反饋電路，不僅可以優(yōu)化端口駐波，還大大提高電路了穩(wěn)定性；射頻輸入端口的匹配電路，對晶體管M1的輸入阻抗進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，優(yōu)化電路的輸入駐波；晶體管M1、M2間電感的感量及Q值大小，對擴(kuò)展電路工作帶寬及兩輸出端口的幅度平衡度有較大影響；晶體管M1、M3間的匹配電路和兩輸出端口的匹配電路、漏極的扼流電感和電阻等元器件均可以改善兩輸出端口的相位平衡度及輸出駐波。通過各晶體管尺寸及工作偏置狀態(tài)、電路中各個(gè)元器件尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可在寬帶工作頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)一定的小信號增益，并實(shí)現(xiàn)較好的幅度平衡性和相位平衡性。

圖3 2 GHz～18 GHz有源巴倫原理圖

本文設(shè)計(jì)的寬帶有源巴倫電路以工作頻段范圍內(nèi)兩平衡端口小信號增益、兩輸出端口幅度差、相位差、輸出P1 dB、直流功耗及電路的穩(wěn)定性等特性為優(yōu)化目標(biāo)，選擇合適尺寸的M1、M2、M3晶體管，實(shí)現(xiàn)射頻信號在工作頻段范圍內(nèi)良好的幅度平衡性和相位平衡性，實(shí)現(xiàn)信號單端到差分的轉(zhuǎn)換，并具有一定的小信號增益和功率輸出能力。

2 仿真與測試結(jié)果

基于上述設(shè)計(jì)思路及方法，本文采用0.13 μm GaAs pHEMT成熟工藝，設(shè)計(jì)并流片一款工作于2 GHz～18 GHz寬帶有源巴倫芯片。綜合考慮工藝推薦的晶體管工作偏置、工作帶寬、輸出P1dB及電路功耗等技術(shù)指標(biāo)及芯片的可靠性等，最終確定晶體管M1、M2、M3尺寸分別為4 μm×30 μm、4 μm×40 μm和4 μm×40 μm；使用電磁仿真軟件中小信號仿真控件、大信號仿真控件及優(yōu)化控件等，對有源巴倫電路進(jìn)行原理圖和版圖優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)。最終版圖仿真曲線如圖4所示，在2 GHz～18 GHz頻率范圍內(nèi)，有源巴倫電路輸入端口到輸出兩端口小信號增益S21、S31均為4 dB左右，幅度差±0.3 dB以內(nèi)，增益平坦度較好；輸入、輸出回波損耗均大于11 dB，兩輸出端口相位差為180°±3°以內(nèi)，輸出P1 dB功率值均為4 dBm，電路直流功耗5 V/50 mA，設(shè)計(jì)指標(biāo)滿足要求。

圖4 2 GHz～18 GHz寬帶有源巴倫芯片仿真曲線

電路經(jīng)過工藝加工流片、劃片、載體裝配及矢網(wǎng)測試，2 GHz～18 GHz寬帶有源巴倫芯片實(shí)測曲線如圖5所示。其中在工作帶寬范圍內(nèi)，輸入端口到輸出兩端口小信號增益S21為3.0 dB～3.5 dB、負(fù)斜率0.5 dB；小信號增益S31為3.5 dB～4.7 dB、增益平坦度略差；兩射頻端口的幅度差最大值1.2 dB@2 GHz，6 GHz～18 GHz范圍幅度差小于0.4 dB；實(shí)測幅度差值與仿真值在2 GHz～6 GHz頻段內(nèi)差別較大，主要是小信號增益S31在該頻段內(nèi)實(shí)測值偏大，且增益曲線趨勢與仿真曲線不一致造成的，后續(xù)考慮對該指標(biāo)進(jìn)行擬合及電路優(yōu)化改版設(shè)計(jì)；輸入、輸出回波損耗全頻帶內(nèi)均優(yōu)于12 dB，兩輸出端口相位差180°±5°以內(nèi)，相位差實(shí)測值略大于仿真值，但曲線變化趨勢一致；輸出P1 dB大于4 dBm，直流功耗約5 V/50 mA。有源巴倫芯片版圖如圖6所示。

圖5 2 GHz～18 GHz寬帶有源巴倫芯片測試曲線

圖6 2 GHz～18 GHz寬帶有源巴倫芯片版圖

3 結(jié) 論

本文講述一種寬帶有源巴倫芯片設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)并流片一款工作頻率覆蓋2 GHz～18 GHz的寬帶有源巴倫芯片，芯片尺寸1.4 mm×1.9 mm×0.07 mm,集成度高。經(jīng)裝配測試，有源巴倫芯片在工作頻段范圍內(nèi)，兩平衡輸出端口小信號增益分別為3.0 dB～3.5 dB、3.5 dB～4.7 dB,幅度差小于1.2 dB,相位差180±5°以內(nèi)，輸出P1 dB大于4 dBm,直流功耗約為5 V/50 mA。此結(jié)構(gòu)的寬帶有源巴倫結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于超寬帶有源倍頻器、有源混頻器等電路集成設(shè)計(jì)中。