2GHz～18GHz宽带有源巴伦芯片设计

杨楠，杨旭达

（中国电子科技集团第十三研究所，河北 石家庄 050051）

0 引 言

伴随着当今社会信息化的快速发展，无线通信技术已经广泛应用在各个领域，如通信网络、定位系统、无线局域网、蓝牙等等，这些已经成为生活中不可或缺的部分。射频前端是无线通信系统中极其重要的组成部分，它往往需要平衡式电路来提升整个系统的性能。而巴伦（balun）结构，即平衡—非平衡转换器，可以实现信号的单端输入到差分输出的转换或者实现差分输入到单端输出的转换，并完成阻抗匹配。通常在射频前端系统的接收通道内需要射频信号的单端输入转化为平衡输出，而发射路通道需要射频信号实现差分输入到单端输出的信号转换。本文主要研究信号单端到差分的信号转换有源巴伦电路，它在单平衡、双平衡倍频器、混频器和移相器中都有一定的应用，其性能的好坏对系统整体指标有较大影响。

巴伦可以分为无源巴伦和有源巴伦两种。通常无源巴伦电路是利用微带线、同轴线等结构的耦合、移相实现信号不平衡—平衡之间的转换。无源巴伦按其实现形式可粗略分为三类：（1）使用集总元器件形式实现转换，该形式通常适用于窄带、低频电路；（2）使用螺旋变压器形式实现转换，该种形式应用于低频和超高频电路中，有一定的损耗；（3）分布参数形式实现转换，该形式是微波毫米波电路中常用的形式之一，具有较好的幅值平衡性和相位平衡性，但工作带宽有一定的限制性。总之，无源巴伦电路结构简单，无直流功耗，但缺点也很显著，如有较大插入损耗、端口隔离度低、工作频带窄，尤其是低频段由于面积大不易集成等。

有源巴伦电路，通常是利用晶体管特定的工作状态完成射频信号的转换，不仅具有良好的幅度和相位平衡性，还有一定的增益、较高的端口隔离度，便于单片集成设计，提高系统的集成度。与无源巴伦电路相比，有源巴伦更容易实现更宽频段范围内的信号转换。有源巴伦电路可广泛应用于有源倍频器、有源数控移相器、低噪声放大器、有源混频器等微波电路的集成化设计中。比如在混频器中，可以采用有源巴伦实现单端到双端的转换，中频输出端采用有源巴伦等实现双端到单端的转换，极大地提高混频器的带负载能力和芯片的集成度。常见有源巴伦电路有伪差分型有源巴伦、源级/漏极型有源巴伦和共源/共栅型有源巴伦等，不同的电路结构具有各自的优缺点，但目前可查的有源巴伦电路大多都采用了CMOS工艺或混合集成工艺设计加工制作，无法实现系统中GaAs芯片级的集成一体化设计。

本文设计的2 GHz～18 GHz宽带有源巴伦芯片，采用0.13 μm GaAs pHEMT成熟工艺设计加工并流片，其幅度平衡性和相位平衡性优良，且有一定的小信号增益和功率输出能力；后续可以考虑将该结构的有源巴伦电路应用到至混频器、移相器等电路一体化设计中，改善系统性能，提升系统集成度。

1 有源巴伦设计

文中提到的共源/共栅巴伦电路，电路结构如图1所示。该有源巴伦电路包含两个部分，分别是晶体管M3构成的共源放大级和晶体管M2构成的共栅放大级。射频信号分别输入到晶体管M2的源级和晶体管M3的栅极，经过信号转化，分别从晶体管M2漏极、晶体管M3漏极输出。其中射频信号经过共源放大级时相位改变180°，经过共栅放大级射频信号相位保持不变。假设晶体管M2、M3跨导分别为gm、gm。在不考虑二级效应的条件下，那么共源放大级增益可简化为：Av=-gmR3，共栅放大级增益可简化为：Av=gmR2。共栅放大级的输入阻抗较小，而共源放大级的输入阻抗大，可通过合理的设计优化电路元器件尺寸使得两平衡输出端口小信号增益趋于一致，相位差值为180°。共源/共栅有源巴伦具有幅度平衡度好、直流功耗小、电路结构简单、容易集成设计等优点，但是随着频段的升高，电路的寄生参数影响越来越大，共源/共栅巴伦电路相位差会越来越大，很难实现较高频率范围内宽带的良好匹配，这大大限制了该结构有源巴伦电路的使用。

图1 共源/共栅有源巴伦

C3（combined cascode-cascade）有源巴伦，是在共源/共栅巴伦的基础上进行改进设计的电路结构，原理图如图2所示。该结构的有源巴伦电路包含两个射频通路。晶体管M1为两通路共用的输入放大级，通路一，是由晶体管M1和M2构成共源共栅（cascode）放大路，射频信号路径为RFIN→RFOUT1；通路二，是由晶体管M1和M3构成两级共源级联放大级，射频信号路径为RFIN→RFOUT2。晶体管M1、M2组成的共源共栅放大级，和两晶体管之间的匹配电路用于扩展工作频率带宽，同时改善两平衡输出端口之间的相位平衡性；晶体管M1、M3尺寸及该通路中匹配电路元器件值的大小，主要用于改善有源巴伦电路的幅度平衡性。相比共源/共栅有源巴伦电路，C3有源巴伦提供更宽的工作频段，具有更好的幅度平衡性和相位平衡性，两输出端口间的隔离度更高。

图2 C3有源巴伦

本文设计的有源巴伦芯片基于C3有源巴伦电路，在电路结构上进行进一步的改进优化，原理图如图3所示。该有源巴伦电路以单电源方式来实现，无须外部提供栅压，只需要提供漏极工作电压5 V，实现信号单端到差分的转换；单电源供电的有源巴伦电路在系统使用中减小装配工序和调试工作，大大提高系统的可靠性。晶体管M1、M3的栅偏置电压均通过电容电阻并联到地自偏结构来实现，无须外加；晶体管M2工作栅压由电源电压Vdd通过电阻分压实现，此处考虑引入的额外功耗，分压电阻总值在5 KΩ以上。晶体管M2、M3的栅级与漏级之间分别引入电容电阻负反馈电路，不仅可以优化端口驻波，还大大提高电路了稳定性；射频输入端口的匹配电路，对晶体管M1的输入阻抗进行匹配设计，优化电路的输入驻波；晶体管M1、M2间电感的感量及Q值大小，对扩展电路工作带宽及两输出端口的幅度平衡度有较大影响；晶体管M1、M3间的匹配电路和两输出端口的匹配电路、漏极的扼流电感和电阻等元器件均可以改善两输出端口的相位平衡度及输出驻波。通过各晶体管尺寸及工作偏置状态、电路中各个元器件尺寸的优化设计，可在宽带工作频率范围内实现一定的小信号增益，并实现较好的幅度平衡性和相位平衡性。

图3 2 GHz～18 GHz有源巴伦原理图

本文设计的宽带有源巴伦电路以工作频段范围内两平衡端口小信号增益、两输出端口幅度差、相位差、输出P1 dB、直流功耗及电路的稳定性等特性为优化目标，选择合适尺寸的M1、M2、M3晶体管，实现射频信号在工作频段范围内良好的幅度平衡性和相位平衡性，实现信号单端到差分的转换，并具有一定的小信号增益和功率输出能力。

2 仿真与测试结果

基于上述设计思路及方法，本文采用0.13 μm GaAs pHEMT成熟工艺，设计并流片一款工作于2 GHz～18 GHz宽带有源巴伦芯片。综合考虑工艺推荐的晶体管工作偏置、工作带宽、输出P1dB及电路功耗等技术指标及芯片的可靠性等，最终确定晶体管M1、M2、M3尺寸分别为4 μm×30 μm、4 μm×40 μm和4 μm×40 μm；使用电磁仿真软件中小信号仿真控件、大信号仿真控件及优化控件等，对有源巴伦电路进行原理图和版图优化仿真设计。最终版图仿真曲线如图4所示，在2 GHz～18 GHz频率范围内，有源巴伦电路输入端口到输出两端口小信号增益S21、S31均为4 dB左右，幅度差±0.3 dB以内，增益平坦度较好；输入、输出回波损耗均大于11 dB，两输出端口相位差为180°±3°以内，输出P1 dB功率值均为4 dBm，电路直流功耗5 V/50 mA，设计指标满足要求。

图4 2 GHz～18 GHz宽带有源巴伦芯片仿真曲线

电路经过工艺加工流片、划片、载体装配及矢网测试，2 GHz～18 GHz宽带有源巴伦芯片实测曲线如图5所示。其中在工作带宽范围内，输入端口到输出两端口小信号增益S21为3.0 dB～3.5 dB、负斜率0.5 dB；小信号增益S31为3.5 dB～4.7 dB、增益平坦度略差；两射频端口的幅度差最大值1.2 dB@2 GHz，6 GHz～18 GHz范围幅度差小于0.4 dB；实测幅度差值与仿真值在2 GHz～6 GHz频段内差别较大，主要是小信号增益S31在该频段内实测值偏大，且增益曲线趋势与仿真曲线不一致造成的，后续考虑对该指标进行拟合及电路优化改版设计；输入、输出回波损耗全频带内均优于12 dB，两输出端口相位差180°±5°以内，相位差实测值略大于仿真值，但曲线变化趋势一致；输出P1 dB大于4 dBm，直流功耗约5 V/50 mA。有源巴伦芯片版图如图6所示。

图5 2 GHz～18 GHz宽带有源巴伦芯片测试曲线

图6 2 GHz～18 GHz宽带有源巴伦芯片版图

3 结 论

本文讲述一种宽带有源巴伦芯片设计方法，设计并流片一款工作频率覆盖2 GHz～18 GHz的宽带有源巴伦芯片，芯片尺寸1.4 mm×1.9 mm×0.07 mm,集成度高。经装配测试，有源巴伦芯片在工作频段范围内，两平衡输出端口小信号增益分别为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°以内，输出P1 dB大于4 dBm,直流功耗约为5 V/50 mA。此结构的宽带有源巴伦结构可应用于超宽带有源倍频器、有源混频器等电路集成设计中。