使用寬頻巴倫設計3-20GHz高性能混頻器

作者 : Xudong Wang、Bill Beckwith、Thomas Schiltz、Weston Sapia、Michael Bagwell,ADI

本文介紹了一種適合現代半導體製程平面實施方案的Ruthroff型寬頻巴倫結構;設計了一款使用寬頻巴倫的高性能雙平衡混頻器,並對其進行了性能測量。

本文介紹僅需0dBm LO驅動的寬頻3GHz至20GHz SiGe被動混頻器。新的「平衡—不平衡轉換器」­­——巴倫(balun)結構是實現寬廣射頻(RF)頻寬範圍的關鍵創新。針對IF頻段應用也採用相同的巴倫拓撲,支援300MHz至9GHz的寬廣IF範圍。該高性能雙平衡混頻器可用於上變頻或下變頻轉換,它採用了2mm × 3mm、12接腳的小型QFN封裝,提供23dBm IIP3和14dBm P1dB。採用3.3V電源供電時,混頻器功耗為132mA。

寬頻混頻器廣泛應用於多功能無線收發器、微波收發器、微波回程、雷達和測試設備。支援寬頻的混頻器使得單個混頻器可用於具有各種無線電參數的動態可程式性之無線電架構。

諸如CMOS和BiCMOS等先進矽技術已經證實能夠在相對窄頻的應用中實現高性能混頻器。因此,寬頻混頻器最令人期待的實現方式是使用集總元件或其他相容IC製造技術和幾何形狀的結構製造。平衡混頻器是首選拓撲結構,因為與非平衡混頻器相較,它們在線性、雜訊係數和埠對埠隔離方面具有更好的整體性能。巴倫是單平衡混頻器和雙平衡混頻器中用於在平衡和非平衡配置之間轉換RF、LO和IF訊號的關鍵元件。能夠在標準IC代工製程中整合巴倫至關重要,這樣才能生產出寬頻整合的混頻器。

本文介紹一種可以在矽、GaAs或任何其它整合過程中輕鬆實現的創新巴倫結構。這種巴倫拓撲的頻寬比傳統巴倫結構更寬廣。在0.18μm SiGe BiCMOS製程中,使用寬頻巴倫設計一款3GHz至20GHz高性能混頻器。

寬頻巴倫

混頻器中最重要的性能參數包括轉換增益、線性度、雜訊係數以及操作頻寬。整合混頻器中使用的巴倫對於所有的混頻器性能都有重大影響。整合型巴倫的關鍵性能包括操作頻率範圍、插入損耗、振幅/相位平衡、共模抑制比(CMRR)以及實體尺寸。

在電路設計時,兩種常見的巴倫結構是傳統平面變壓器巴倫和Marchand巴倫。這兩種巴倫在窄頻應用中都有良好的性能。平面變壓器巴倫由兩個緊密耦合的變壓器組成。電感的自感和諧振頻率是頻寬的兩個主要限制因素。自感限制低頻端的頻寬,而非平衡和平衡終端的寄生電容和不對稱終端則限制高頻端的頻寬。Marchand巴倫由4條四分之一波長傳輸線組成,通常需要在晶片上佔用大量空間。在積體電路中利用交錯變壓器佈局,可展示微型Marchand巴倫。每條線段的電氣長度要求限制了Marchand巴倫的頻寬。當電氣長度偏離所需的四分之一波長時,振幅和相位平衡就會降低。通常,設計良好的變壓器巴倫或Marchand巴倫可以覆蓋最大-最小頻率比的3~4倍頻率範圍,且性能合理。

眾所周知,Ruthroff巴倫具有非常寬的頻寬,許多離散元件產品都是基於Ruthroff結構而開發的。但是,還沒有發現微波積體電路應用的類似結構。

圖1a展示一個Ruthroff型寬頻巴倫原理圖,可使用三個電感在平面半導體製程中輕鬆建構。佈局示例如圖1b所示。在該佈局中,只需要2個金屬層、1個厚金屬層用於3個低損耗電感,以及1個地下通道金屬層用於連接。當有額外的厚金屬層可用時,L1和L3可以垂直耦合,這使得尺寸會更小,它們之間的磁性耦合也可能會更好。

圖1:Ruthroff型寬頻巴倫。

寬頻特性得益於結構簡單,這可致使寄生電容更少。單端訊號由L1和L2分壓取得。因此,巴倫的正埠正好就是同相位單端訊號電壓的一半。由於L1和L3之間的負耦合,巴倫的負埠是具有180°相移之單端訊號電壓的一半。

在非常寬的頻寬上可以實現出色的振幅和相位平衡。圖2顯示寬頻巴倫配置的模擬性能。振幅不平衡是S21和S31之間的差,相位誤差是S21和S31與180°期望值之間的相位差。建議的巴倫具有非常好的振幅平衡,以及3GHz到20Ghz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用中使用巴倫時,CMRR非常重要。圖5b所示的模擬結果顯示,3電感巴倫在3GHz到20GHz範圍內的CMRR優於20dB。

圖2:寬頻巴倫的模擬性能。

如同變壓器巴倫拓撲一樣,3電感巴倫的頻寬也受到低頻端電感和高頻端寄生電容的限制。當電感較低時,負載阻抗對於埠3的L1和L2之間分壓和埠2的轉換電壓影響較大。雖然在低頻範圍內振幅均衡和相位差仍然可以接受,但插入損耗卻增加了。因此,較低的終端阻抗或較高的電感將有利於低頻性能。在高頻端,L1和L2之間的寄生電容會降低變壓器的性能,導致較大的相位誤差。精心佈局並考慮降低寄生電容,有助於擴大巴倫的高頻操作範圍。

整合型巴倫的實體尺寸限制了低端頻寬。為了探索建議的巴倫結構在低頻應用中的可行性,本文設計了一款0.5GHz到6GHz的巴倫,並與基於變壓器的傳統巴倫進行比較,其性能如圖3所示。

圖3:傳統巴倫和新巴倫的模擬性能比較。

整合型寬頻RF/微波混頻器

寬頻雙平衡被動混頻器設計採用Jazz的SiGe 0.18μm製程和3電感巴倫配置。混頻器的RF、IF和LO埠為50Ω單端埠,並在RF和IF埠整合巴倫。整合的RF巴倫經過最佳化,可覆蓋3GHz至20GHz RF頻率範圍。整合的IF巴倫經過優化,可覆蓋500 MHz至9 GHz的極寬頻率範圍。單端LO訊號透過主動放大器電路,在內部轉換為差分訊號以減小晶片尺寸。使用高速NPN的兩級寬頻放大器可為被動混頻器的MOSFET閘極提供足夠的訊號電壓擺幅,且在1GHz至20GHz頻率範圍內僅0dBm輸入功率。

Broadband double-balanced passive mixer

圖4:寬頻雙平衡被動混頻器。

該混頻器採用小型的2mm × 3mm QFN覆晶晶片封裝,並以銅柱進行互連。銅柱連接的附加寄生電容很低,可保持矽的寬頻性能。該混頻器採用3.3V偏置電源,室溫下的功耗為132mA。測得的轉換損耗和IIP3性能如圖5所示。混頻器的RF、LO和IF埠在其寬操作頻率範圍內匹配良好。圖6顯示這些埠的迴波損耗。值得注意的是,RF迴波損耗取決於IF埠阻抗,圖6a中的結果是使用0.9GHz的IF頻率測得。

圖5:寬頻雙平衡被動混頻器測得的性能。

圖6:寬頻雙平衡被動混頻器測得的迴波損耗。

表1:使用3電感巴倫設計的寬頻混頻器與市場同類產品比較。

與市場上的寬頻混頻器(如表1中所示)相較,使用3電感巴倫設計的混頻器可同時實現RF和IF範圍的最寬頻寬。它具有最低的LO功耗和最高的整合度。整體性能優於任何經報導過的產品或已發佈的寬頻混頻器產品。

 結論

本文介紹了一種適合現代半導體製程平面實施方案的Ruthroff型寬頻巴倫結構;設計了一款使用寬頻巴倫的高性能雙平衡混頻器,並對其進行了性能測量。

作者:ADI RFIC設計工程師Xudong Wang、RFIC設計工程師Bill Beckwith、設計工程經理Tom Schiltz、資深應用工程師Weston Sapia、RFIC設計工程師Michael Bagwell

(本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2020年6月號)

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