[发明专利]有源差分－单端变换器

说明书

发明背景

I.发明领域

本发明涉及信号变换或合成电路，具体来说，涉及将差分信号变换为单端信号的电路。更为具体地来说，本发明涉及将差分交变信号变换为单端信号。

II.相关技术及总体背景说明

将差分信号变换为单端信号用于许多不同的电路应用。差分信号由于具有抗共模干扰能力，通常用于电子器件的互连。差分信号进而变换为单端信号以借助于有线或无线手段传输。差分信号还往往用于频率变换器件以抑制本机振荡器漏电和其他假信号响应。

图1示出一种采用感应变压器的简单变换器。用如图所示耦合的电感器，根据公知的关系式

   V＝M×di/dt    (1)初级线圈10和20所流过电流的变化分别在次级线圈30和40的两端感应出电压，式中M是定义初级和次级线圈之间耦合度的恒定因数。按照关系式(1)的结果，图1电路通过将输入电流IN1和IN2之间随时间变化的差值变换为输出电压OUT来运作。就大多数应用而言，线圈10和20将彼此相同，线圈30和40也彼此相同，这样每一输入信号将遇到相同的阻抗，并按相同因数M历经变换。

图2对这样一种变换器示出一代表性应用。具有(可能为零的)直流补偿分量△_dc和小信号交流分量△_ac的差分电压信号△输入至有源器件50和60差分对的基极端子。有源器件50和60的发射极连接在一起并由直流源70提供偏置。有源器件50和60的集电极则通过其与初级线圈10和20的各端子的连接获得偏置，这些线圈其中间加上直流偏置电压V_bias。

由于假设源70是理想的，因而所有的交流电流都限于由有源器件50和60以及初级线圈10和20所形成的环路。由于信号△_ac的幅值在正负值之间波动，偏置电流先按一方向再按另一方向流经该环路，并根据上述关系式(1)在次级绕组中感应出相应的交流电压。

感应变压器其大小与工作频率成反比。这一因素使这种变压器不适合许多低频应用，包括VHF-UHF频率范围内的应用。举例来说，工作于上述频率的分立感应变压器可能有3.8mm×3.8mm×3.8mm这么大。

若想将这类器件集成到电路芯片上，就会引起各种不同问题。这些问题其一是初级和次级线圈间耦合差(即M值小)，导致变换效率低下。其他问题包括：金属导体的消耗损耗；低衬底电阻造成的损耗，包括电感器相对于衬底的电容耦合和磁耦合所造成的损耗；以及所占用芯片面积大致使整个集成电路成本的提高。

对于RF频率，可用半波长传输线来进行差分至单端的变换。但在VHF和UHF范围，对于许多应用来说，此法不可行，原因在于其所要求的实际线长(举例来说，即便是f＝1GHz，也要求λ/2＝15cm)。这种场合，可用图3所示的LCLπ网络等集中等效电路产生相同效果。注意，尽管这里给出的是LCL型式，但也可采用CLC型式以取得相同结果。

与上述将输入电流变换为输出电压的感应变压器不同，半波传输线和图3中π等效电路是通过变换其中一路输入电流的相位工作的。如Alvin K.Wong，Sheng H.Lee和Michael G.Wong在技术论文“Current combiner enhancesactive mixer performance(电流合成器对有源混频器性能的增强)”(Microwaves & RF，1994/3，pp.156-165)中说明的那样(该论文在此引用作为参照)，通过对图3的下列分析，可以验证此工作原理：

·通过应用具有相同幅值i但在节点IN1和IN2相位差为180度的两个交流源，将电容器130(为C值)用与其等效的两个串联连接的电容器131和132(各为2C值)替代，并注意到电感器110和120对交流信号来说分流至地，以获得图4A中的等效电路；

·将加在节点IN1的电流源(为i值)和电感器110(为L值)的并联组合用其戴维南等效即为i×jωL值的电压源和为L值的电感器的串联组合来替代；

·注意，对于谐振频率ω_o，为L值的电感器和为2C值的电容器131表现为短路，进行这种替换便得到图4B；

·将为i×jωL值的电压源和电容器132(为2C值)的串联组合用其诺顿等效即为-iω²L2C值的电流源和为2C值的电容器的并联组合来替代；