專利名稱：有源分相器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子電路。具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及用于運(yùn)用有源器件產(chǎn)生等幅度但是不同相位的多個(gè)輸出信號(hào)的新穎和經(jīng)改進(jìn)的分相器。
相關(guān)技術(shù)的描述分相器是產(chǎn)生等幅度但不同相位的多個(gè)輸出信號(hào)。在用于各種應(yīng)用的電子電路中廣泛使用分相器。特別是，一般在通信應(yīng)用中采用分相器。典型的應(yīng)用包括單邊帶調(diào)制器、圖像抑制(image-reject)混頻器和IQ調(diào)制器和解調(diào)器，諸如那些在四相移相鍵控(QPSK)或交錯(cuò)正交相移鍵控(OQPSK)調(diào)制中用到的。這些應(yīng)用要求90°分相器，其中要求等幅但延遲相互相關(guān)的四分子一周期的兩個(gè)輸出信號(hào)(或者90°相位差)。對(duì)于分相器，重要的是輸出信號(hào)的相位之差或相位差。一般，與輸入信號(hào)相關(guān)的輸出信號(hào)的絕對(duì)相位是不重要的。對(duì)于理想的90°分相器，在從DC到無(wú)窮大(∝)Hz的所有頻率內(nèi)，幅度相應(yīng)和相位差響應(yīng)是平坦的。
可以實(shí)現(xiàn)分相器作為全通網(wǎng)絡(luò)的組合。全通網(wǎng)絡(luò)具有恒定或平坦幅度響應(yīng)，但是相位響應(yīng)隨著頻率而變化。兩個(gè)或多個(gè)全通網(wǎng)絡(luò)可以連接到一公共輸入，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)具有不同的相位響應(yīng)。網(wǎng)絡(luò)的輸出是等幅而不同相位的信號(hào)一般，選擇網(wǎng)絡(luò)，從而在特定頻率或頻率范圍內(nèi)，輸出信號(hào)的相位差等于所需值。
運(yùn)用如圖1A所示的單極RC全通網(wǎng)絡(luò)，可以設(shè)計(jì)無(wú)源分相器的簡(jiǎn)單實(shí)施法。在無(wú)源分相器2中，放大器4提供操作反饋電路所需的倒相(inverting)增益(AV＝-1)。。電阻器Ra6和電容器Ca10提供輸入信號(hào)Vin(s)的第一相移，而且導(dǎo)致在電阻器6和電容器10之間的節(jié)點(diǎn)處的輸出信號(hào)Va(s)。在整個(gè)設(shè)計(jì)中，信號(hào)和傳遞函數(shù)是s的函數(shù)，其中s復(fù)數(shù)頻率(s＝j(luò)ω)。類似地，電阻器Rb8和電容器Cb12提供輸入信號(hào)Vin(s)的第二相移，而且導(dǎo)致輸出信號(hào)Vb(s)。輸出信號(hào)的傳遞函數(shù)Va(s)/Vin(s)和Vb(s)/Vin(s)具有相同增益，從而導(dǎo)致信號(hào)Va(s)和Vb(s)具有相等的幅度。然而，Va(s)和Vb(s)的相位是不同的，而且可如圖7所示繪制出相位差對(duì)頻率的曲線。該曲線示出在中心頻率ωo＝2π·130.8MHz處，在Va(s)和Vb(s)之間的相位差是90°。
典型地，輸出信號(hào)Va(s)和Vb(s)需要驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的另一個(gè)電路，它也被稱為負(fù)載。如果負(fù)載的阻抗是有限值的電阻，可以改變無(wú)源分相器2的響應(yīng)。需要變更無(wú)源分相器2來(lái)保持在兩個(gè)輸出信號(hào)之間的幅度和相位差的精確平衡。一個(gè)可行的變更是添加電阻器與Ca和Cb(圖1A未示出)串聯(lián)。另一方法，可以在驅(qū)動(dòng)負(fù)載之前緩沖輸出信號(hào)。
以理想的形式，不考慮電路寄生效應(yīng)，這在任何電路中都是不可避免的，無(wú)源分相器的傳遞函數(shù)導(dǎo)致所需幅度和相位差響應(yīng)。然而，實(shí)際上，該電路具有幾個(gè)缺點(diǎn)。首先，無(wú)源分相器2呈現(xiàn)由于在電路存在電阻器6和8而導(dǎo)致的功率損耗。通常，通過(guò)添加額外增益級(jí)來(lái)補(bǔ)償功率損耗，它增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和功率損耗。其次，無(wú)源分相器2呈現(xiàn)由于在電阻器6和8中的熱噪聲引起的噪聲指數(shù)衰減。第三，無(wú)源分相器2的傳遞函數(shù)對(duì)于負(fù)載阻抗敏感。此外，對(duì)于在不同電路中負(fù)載阻抗的變化的靈敏度可以使它很難設(shè)計(jì)用于更差情況下的無(wú)源分相器2。第四，在特定頻率下無(wú)源分相器2的輸出之間的相位差依賴于電阻器6和8的絕對(duì)值。絕對(duì)值依賴于過(guò)程和溫度變化導(dǎo)致相位差。本發(fā)明提出利用有源分相器解決這些問(wèn)題。
發(fā)明概述本發(fā)明是一種利用有源器件產(chǎn)生具有等幅但不同相位的多個(gè)信號(hào)的新穎和經(jīng)改進(jìn)的電路。有源器件可以是雙極連結(jié)晶體管(BJT)、異質(zhì)雙極晶體管(HBT)、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)、砷化稼場(chǎng)效應(yīng)管(GaAsFET)、P信道器件或其它有源半導(dǎo)體器件。本發(fā)明的有源分相器包括兩個(gè)或多個(gè)相移電路。每個(gè)相移電路包括多個(gè)有源器件和至少一個(gè)電抗部分(例如，電容器)。對(duì)于單極有源分相器，在每個(gè)相移電路內(nèi)，兩個(gè)有源器件構(gòu)成級(jí)聯(lián)放大器。其第一有源器件構(gòu)成共源極放大器，并在柵極接收輸入信號(hào)。第二有源器件構(gòu)成共柵極放大器，而且將它的源極連到第一有源器件的漏極。第一有源器件的柵，源之間有一電容器相聯(lián)以產(chǎn)生相移電路的所需的極點(diǎn)-零點(diǎn)對(duì)。通過(guò)電容器和第一有源器件的組合，產(chǎn)生零點(diǎn)，通過(guò)電容器和第二有源器件的組合產(chǎn)生極點(diǎn)。第二有源器件還提供電壓-電流轉(zhuǎn)換以產(chǎn)生在電流模式下的輸出信號(hào)。
本發(fā)明的目的在于運(yùn)用有源器件和電抗部分(例如，電容器)提供有源分相器來(lái)獲得平衡的幅度和相位差響應(yīng)。在電路中沒(méi)有電阻器改進(jìn)了噪聲指數(shù)，而且使本發(fā)明的有源分相器的功率效率超出現(xiàn)有技術(shù)的無(wú)源分相器。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于，提供帶有電壓-電流轉(zhuǎn)換功能的有源分相器。這種功能允許將有源分相器用作有源電路的轉(zhuǎn)換器(transconverter)。于是，不需要任何額外的有源器件，而且可由與轉(zhuǎn)換器相關(guān)的有源電路重新有效地使用DC偏壓電流。
本發(fā)明的又一個(gè)目的在于，提供帶有傳遞功能的有源分相器，它對(duì)負(fù)載阻抗更不敏感。有源分相器利用連接在級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)中的有源器件來(lái)使輸入和內(nèi)部節(jié)點(diǎn)與外部負(fù)載絕緣。
本發(fā)明的又一個(gè)目的在于，提供具有兩個(gè)或多個(gè)極點(diǎn)的有源分相器。更多極點(diǎn)增加有源分相器的操作頻率范圍。


結(jié)合附圖，從項(xiàng)目的詳細(xì)描述中，本發(fā)明的特性、目的和優(yōu)點(diǎn)將顯而易見(jiàn)，其中相同標(biāo)號(hào)作相應(yīng)的表示。
圖1A-1B分別是沒(méi)有和帶有負(fù)載電阻器的現(xiàn)有技術(shù)的無(wú)源分相器的示意圖；圖2是本發(fā)明的單極有源分相器的示例示意圖；圖3是有源器件的寄生電容和示出電阻的單極有源分相器的小信號(hào)模型的示意圖；圖4是補(bǔ)償?shù)膯螛O有源分相器的示例示意圖；圖5是雙極有源分相器的示例示意圖；圖6是利用本發(fā)明的有源分相器的示例應(yīng)用電路的示意圖；圖7是以ωo＝2π·130.8MHz為中心的單極分相器的示例相位差響應(yīng)；和圖8是以ωo＝2π·120MHz為中心的雙極有源分相器的示例相位差響應(yīng)。
較佳實(shí)施例的詳細(xì)描述可實(shí)施分相器作為全通網(wǎng)絡(luò)的組合。可以一般形式地將全通網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)表示如下T(s)=AN1(s)N2(s),------(1)]]>其中，s是復(fù)數(shù)頻率，A是DC增益，和N1(s)＝N2(-s)。傳遞函數(shù)T(s)可在s平面的左半平面上包含多個(gè)極點(diǎn)，以及在右半平面上有相等數(shù)量的零點(diǎn)。對(duì)于全通網(wǎng)絡(luò)，零點(diǎn)與極點(diǎn)關(guān)于jω(s＝0)軸對(duì)稱，導(dǎo)致電路增益A通過(guò)全通網(wǎng)絡(luò)。
參照附圖，圖1A示出現(xiàn)有技術(shù)的示例單極無(wú)源分相器。對(duì)于無(wú)限負(fù)載阻抗的輸出信號(hào)Va(s)和Vb(s)對(duì)輸入信號(hào)Vin(s)的傳遞函數(shù)可表示如下Ta(s)=1-sTaCa1+sRaCa]]>和Tb(s)=1+sRbCb1+sRbCb,------(2)]]>其中，Ta(s)＝Va(s)/Vin(s)和Tb(s)＝Vb(s)/Vin(s)。為了在頻率ωo處獲得在Va(s)和Vb(s)之間的90°相位差，外部元件需要滿足下列條件RaCa=2+1ωo]]>和TbCb=2-1ωo.------(3)]]>當(dāng)滿足等式(3)的條件時(shí)，如圖7所示，描繪輸出信號(hào)Va(s)和Vb(s)的相位之差(或相位差)對(duì)頻率的曲線。在理想的無(wú)源分相器中，沒(méi)有考慮到電路寄生，輸出信號(hào)的幅度是相等的。
在實(shí)際情況下，由一些有限阻抗負(fù)載無(wú)源分相器2。這個(gè)負(fù)載阻抗改變無(wú)源分相器2的傳遞函數(shù)。為了保持全通響應(yīng)，需要有額外的無(wú)源元件。例如，如果負(fù)載阻抗為純電阻，則通過(guò)將分路電容器加到無(wú)源分相器2的輸出端可以獲得全通網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)。圖1B示出帶有電阻負(fù)載RL24和28的經(jīng)改變無(wú)源分相器32?？蓪o(wú)源分相器32的傳遞函數(shù)表示如下Ta(s)=Aa•1-sRaCa1+sRa(Ca+Cca)Aa]]>和Tb(s)=Ab•1+sRbCb1+sRb(Cb+Ccb)Ab,(4)]]>其中，Aa=RLRL+Ra]]>和Ab=RLRL+Rb]]>。對(duì)于使等式(4)所示的傳遞函數(shù)對(duì)等幅響應(yīng)全通，需要滿足下列條件Ra＝Rb＝R，Cca=CaRRL,]]>和Cca=CbRRL.-----(5)]]>無(wú)源分相器32呈現(xiàn)

的幅度損耗。此外，負(fù)載電阻RL24和28的變化改變傳遞函數(shù)的幅度和相位響應(yīng)。結(jié)果，Va(s)和Vb(s)的幅度變得不相等(幅度失衡)，而且它們的相位差偏離理想值(相位失衡)。
在無(wú)源分相器中用到的電阻器還產(chǎn)生熱噪聲，其中所述熱噪聲被加到在負(fù)載中產(chǎn)生的全部噪聲中。這種噪聲功率的增加導(dǎo)致了系統(tǒng)噪聲性能的衰減。
I.單極有源分相器圖2示出本發(fā)明的單極有源分相器的示例示意圖。有源分相器100包括兩個(gè)或多個(gè)相移電路110。每個(gè)相移電路110接收輸入信號(hào)Vin(s)并產(chǎn)生輸出信號(hào)Ia(s)和Ib(s)，它們是電流模式信號(hào)。選擇相移電路110的元件，從而輸出信號(hào)的幅度相等，但是在特定頻率下輸出信號(hào)的相位差是所需值。
在每個(gè)相移電路110中，有源器件112和114對(duì)和電容器116產(chǎn)生所需傳遞函數(shù)。在示例實(shí)施例中，有源器件112和114(112)可由雙極連結(jié)晶體管(bipolar-junction transistor)(BJT)、異質(zhì)雙極晶體管(heterojunction-bipolar-transistor)(HBT)、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)、砷化稼場(chǎng)效應(yīng)管(GaAsFET)、P通道器件或其它全通有源半導(dǎo)體器件構(gòu)成。運(yùn)用MOSFET描述本發(fā)明，而且參考MOSFET中固有的特性，特別是柵極、源極和漏極。對(duì)于運(yùn)用BJT的實(shí)施，分別用BJT的基極、發(fā)射級(jí)和集電極代替MOSFET的柵極、源極和漏極。
將有源器件112的源極與有源器件114的漏極相連。將有源器件的柵極偏壓至DC電壓并通過(guò)旁路電容器(在圖2中未示出)旁路接地。于是，將有源器件112的柵極有效地連接到AC地(或接地)以便于AC分析。電容器116跨接有源器件114的柵極和漏極。將有源器件114的源極接地，而將有源器件114的柵極連接輸入信號(hào)Vin(s)。最后，有源器件112的漏極是相移電路110的輸出。每個(gè)相移電路110的電路拓?fù)涫抢硐氲模抑挥须娙萜?16的值和有源器件112和114的跨導(dǎo)是不同的。
可將相移電路110從輸入信號(hào)Vin(s)到電流輸出信號(hào)Ia(s)和Ib(s)的傳遞函數(shù)表示如下Tia(s)=g2•1-sCag21+sCag1]]>和Tib(s)=g2•1-sCbg21+sCbg1,------(6)]]>其中g(shù)1是有源器件112的跨導(dǎo)，g2是有源器件114的跨導(dǎo)，Ca是電容器116a的電容和Cb是電容器116b的電容。在示例實(shí)施例中，有源器件112a和112b的跨導(dǎo)g1是相同的以簡(jiǎn)化等式(6)的計(jì)算和有源分相器100的設(shè)計(jì)。類似地，有源器件114a和114b的跨導(dǎo)g2是相同的。根據(jù)在集成電路設(shè)計(jì)的現(xiàn)有技術(shù)中已知的技術(shù)，匹配有源器件的幾何學(xué)和仔細(xì)地布局電路，可以獲得保持對(duì)于多個(gè)有源器件的理想跨導(dǎo)。
本發(fā)明的有源分相器100的簡(jiǎn)化功能電路描述如下。在相移電路110a中，有源器件112a和114a構(gòu)成級(jí)聯(lián)放大器。有源器件114a構(gòu)成共源極放大器?？邕^(guò)有源器件114a的柵極和漏極連接電容器116a以在輸出Ia(s)處的相移電路110a產(chǎn)生所需極-零對(duì)。通過(guò)有源器件114a和電容器116a，極點(diǎn)在DC處和零點(diǎn)在s＝g2/Ca處。有源器件112a構(gòu)成共柵極放大器并連到有源器件114a的輸出或漏極。通過(guò)添加有源器件112a，極點(diǎn)被推到s＝-g1/Ca，而不影響零點(diǎn)位置，導(dǎo)致所需的傳遞函數(shù)。
注意，當(dāng)跨導(dǎo)g1≠g2時(shí)，極點(diǎn)和零點(diǎn)不相對(duì)于jω軸對(duì)稱。因此，在輸出Ia(s)處的幅度響應(yīng)隨著頻率而變化。通過(guò)使跨導(dǎo)g1＝g2＝g，可以容易地獲得全通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。全通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)消除幅度隨著頻率的變化，而且使對(duì)于輸出Ia(s)和Ib(s)的幅度響應(yīng)相等。在本發(fā)明中，選擇電容器116a和116b獲得在特定頻率處在輸出Ia(s)和Ib(s)之間的所需相位差。有源器件112a還將輸入和內(nèi)部節(jié)點(diǎn)與負(fù)載隔離，并使傳遞函數(shù)對(duì)負(fù)載響應(yīng)的靈敏度減至最小。
有源器件112的跨導(dǎo)g1和有源器件114的跨導(dǎo)g2無(wú)需相等來(lái)獲得在特定頻率下的所需相位差。然而，保持g1＝g2提供與等式(2)類似的全通網(wǎng)絡(luò)和幅度平衡。參照等式(6)，如果滿足下列條件，那么在ωo處獲得的兩個(gè)輸出信號(hào)Ia(s)和Ib(s)之間的90°相位差Cag=2+1ωo]]>和Cbg=2-1ωo.------(7)]]>如果滿足在等式(7)中的條件，對(duì)于單極有源分相器110的相位差響應(yīng)對(duì)頻率與如圖7所示的現(xiàn)有技術(shù)的無(wú)源分相器相等。在示例實(shí)施例中，為了獲得在中央頻率ωo＝2π·130.8MHz處的輸出信號(hào)的90°的相位差，對(duì)于電容器Ca116a的值是9.05pF，電容器Cb116b是1.55pF，而且跨導(dǎo)g1＝g2＝3.08×10-3mhos。示出這些值只為了說(shuō)明而已。在原理上，通過(guò)電容和跨導(dǎo)值的多種組合可以獲得在中央頻率ωo處的90°相位差。本發(fā)明旨于運(yùn)用所有范圍內(nèi)的電容和導(dǎo)納值。
如果有源分相器100的輸出與帶有電阻輸入阻抗RL的一些負(fù)載相連，那么在負(fù)載兩端的電壓的傳遞函數(shù)變成Ta(s)=gRL•1-sCag1+sCag]]>和Tb(s)=gRL•1-sCbg1+sCbg,------(8)]]>如等式(8)所示，負(fù)載阻抗不影響在輸出電壓之間的幅度和相位關(guān)系。此外，如果選擇跨導(dǎo)g大于1/RL，那么有源分相器100顯示一些電壓增益。
有源分相器100將輸入電壓轉(zhuǎn)換成輸出電流的能力允許將它用作有源電路的轉(zhuǎn)換器。可將有源分相器100用作任何有源電路部分。在這種情況下，不需要任何額外有源器件來(lái)實(shí)施轉(zhuǎn)換功能。于是，在有源電路的噪聲性能中沒(méi)有任何衰減。此外，由于有源電路的全通組成塊重新使用有源分相器100的DC偏流，所以只是最少量地增加整個(gè)功率損耗。
在特定頻率處有源分相器100的輸出之間的相位差與跨導(dǎo)g的絕對(duì)值相對(duì)應(yīng)。跨導(dǎo)是過(guò)程參數(shù)、溫度和有源器件的偏壓點(diǎn)的函數(shù)。可將對(duì)偏壓的依賴用來(lái)補(bǔ)償g中的過(guò)程和溫度變化，以及，在有源分相器100的輸出之間的相位差。在現(xiàn)有技術(shù)中已知設(shè)計(jì)偏壓電路的技術(shù)，其中偏壓電路自動(dòng)調(diào)節(jié)有源器件的偏壓點(diǎn)以保持固定跨導(dǎo)。一個(gè)例子是對(duì)于BJT的PTAT偏流。
在圖3中示出有源分相器100的簡(jiǎn)化模型。在相移電路120a中，分別用具有傳遞函數(shù)Ia＝g1·Va和Ib＝g1·Vb的從屬(dependent)電流源建模有源器件112a和112b。類似地，利用分別具有傳遞函數(shù)Ia2＝g2·Vin和Ib2＝g2·Vin的從屬電流源建模有源器件114a和114b。在圖3中的電容器126代表在圖2中的電容器2，而且具有相同值。
對(duì)于沒(méi)有有源器件寄生和電路寄生的理想有源分相器計(jì)算等式(6)。然而，由有源器件112和114的寄生電容和有限輸出電阻影響有源分相器100的幅度和相位差平衡。有源器件112的輸出電阻使負(fù)電荷相位平衡依賴于負(fù)載阻抗。有源器件112和114的寄生電容包括通過(guò)電容器Cgs134建模的從有源器件112的柵極到源極的寄生電容、通過(guò)電容器Csb136建模的從有源器件112的源極到電路整體(bulk)或基板(substrate)的寄生電容、通過(guò)Cgd128建模的從有源器件114的柵極到它的漏極的寄生電容和通過(guò)電容器Cdb138建模的從有源器件114的漏極到整體的寄生電容。由于有源器件112的柵極是AC接地，所以電容器Cgs134一端接地以便于AC分析?？蓪㈦娐返恼w或基板表示為地。
由用于有源器件112的電阻器130和用于有源器件114的電阻器132表示有源器件112和114的輸出電阻Rds?？墒境鋈绻?fù)載阻抗大大小于有源器件112的輸出阻抗130，那么可以忽略在負(fù)載阻抗上的幅度和相位平衡的依賴性。
可以補(bǔ)償有源器件112和114的輸出電阻對(duì)幅度和相位平衡的影響。在圖4中示出經(jīng)補(bǔ)償?shù)膯螛O有源分相器100的示意圖。圖4的補(bǔ)償有源分相器102與圖2的有源分相器100相同，除了將補(bǔ)償電容器158加到圖4中的電路來(lái)使由有源器件的輸出電阻Rds所致的幅度和相位失衡減至最小。將電容器Cca158a連接在有源器件154a的漏極和地之間。為了使幅度和相位失衡減至最小，選擇電容器Cca158a和Ccb158b，從而滿足下列條件g1g2+1g2Rds1+1g2Rds2=1+Cca+CpCa+Cgd2a]]>和g1g2+1g2Rds1+1g2Rds2=1+Ccb+CpCb+Cgd2b,(9)]]>其中，Cp是在輸出節(jié)點(diǎn)Va和Vb處的全部寄生電容，其中可將Cp表示成Cp＝Cgs1+Csb1+Cdb2(參見(jiàn)圖3)。
在本發(fā)明中，較佳的是，使有源分相器的輸出平衡。在一些應(yīng)用中，幅度平衡不是關(guān)鍵的。例如，如果將輸出信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)或混頻器，那么幅度平衡不是很重要的。對(duì)于這些應(yīng)用，幅度失衡為5％或者更多，可能是可接受的。因此，如在本發(fā)明中用到的術(shù)語(yǔ)幅度平衡和等幅是指采用有源分相器的應(yīng)用中所需的幅度平衡量。
雖然在小信號(hào)模型和AC分析中沒(méi)有重要的考慮因素，但是需要將在有源分相器102內(nèi)的有源器件偏壓至適當(dāng)?shù)腄C電壓以進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟僮鳌Ｗ罴袲C偏壓點(diǎn)依賴于有源器件的類型、制造工藝、操作頻率、所需動(dòng)態(tài)范圍和熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員一般可考慮到的其它因素。此外，可將在現(xiàn)有技術(shù)中已知的特殊偏壓技術(shù)用于偏壓有源器件來(lái)提供獨(dú)立于溫度的性能。例如，對(duì)于運(yùn)用雙極晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)的分相器，可與絕對(duì)溫度(PTAT)偏壓電路成正比的偏壓晶體管。PTAT電路提供在溫度范圍內(nèi)的恒定(或固定)跨導(dǎo)，而且固定跨導(dǎo)使得有源分相器的傳遞函數(shù)對(duì)溫度不靈敏。
一般，結(jié)合其它應(yīng)用電路使用本發(fā)明的有源分相器。例如，可將有源分相器與Gilbert單元乘法器(cell multiplier)相結(jié)合以形成單邊帶調(diào)制器。在多種應(yīng)用中，可將有源分相器集成為應(yīng)用電路以節(jié)省功率消耗和電路衰耗區(qū)域(diearea)。應(yīng)用電路的偏壓電路可與有源分相器共享。此外，可將有源分相器的Ia(s)和Ib(s)與應(yīng)用電路的高阻抗節(jié)點(diǎn)相連以形成增益級(jí)。
如上所述，可用除了如圖4所示的MOSFET以外的其它類型的有源器件實(shí)施如圖4所示的有源分相器102。例如，運(yùn)用BJT晶體管實(shí)施有源分相器102。對(duì)于BJT晶體管，可以選擇晶體管的跨導(dǎo)gm，并計(jì)算為gm＝IC/VT，其中IC是集電極電流，而VT是熱電壓，在室溫(27℃)下可近似為26mV。有源器件可包含單個(gè)或多個(gè)晶體管，諸如Darlington晶體管或級(jí)聯(lián)晶體管。有源器件還可包含無(wú)源元件，諸如在簡(jiǎn)化(degenerated)晶體管中的電阻器。
II.雙極分相器可將本發(fā)明的有源分相器的原理擴(kuò)展至構(gòu)成具有兩個(gè)或更多極點(diǎn)的有源分相器。更多極點(diǎn)改善了在輸出信號(hào)之間的相位差的頻率響應(yīng)，并允許有源分相器在更寬的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行操作。
圖5示出雙極有源分相器的示意圖。有源分相器104由兩個(gè)相移電路200a和200b。每個(gè)相移電路200接受輸入信號(hào)并產(chǎn)生輸出信號(hào)，與圖4中的單極有源分相器102相似。再次，選擇相移電路200的元件，從而輸出信號(hào)的幅度相等，但是在特定頻率下輸出信號(hào)的相位是所需值。
在每個(gè)相移電路200中，四個(gè)有源器件202、204、206和208和兩個(gè)電容器210和212產(chǎn)生所需傳遞函數(shù)。將有源器件202的源極連接到有源器件204的漏極。類似地的，將有源器件206的源極連接到有源器件208的漏極。將有源器件202和206的柵極偏壓至DC電壓，而且通過(guò)旁通電容器(圖5未示出)旁通接地。于是，將有源器件202和206的柵極有效地連接到AC接地(或直接接地)以便于AC分析。將有源器件204和208的源極連到地。電容器210跨接有源器件204的柵極和漏極，而且將電容器212連到有源器件208的漏極和接地。將有源器件204的柵極連接輸入信號(hào)Vin(s)。有源器件208的柵極連到有源器件204的漏極。最后，連接有源器件202和206的漏極，而且包括相移電路200的輸出。每個(gè)相移電路200的電路拓?fù)涫窍嗟龋抑皇请娙萜?10和212的值以及有源器件202、204、206和208的跨導(dǎo)是不同的。
為了簡(jiǎn)化傳遞函數(shù)的計(jì)算，可將所有有源器件的跨導(dǎo)設(shè)為g。這個(gè)限制導(dǎo)致二階全通網(wǎng)絡(luò)帶有下列傳遞函數(shù)Tia(s)=-gs2-ω0aQ0a+ω0a2s2+ω0aQ0a+ω0a2]]>和Tib(s)=-gs2-ω0bQ0b+ω0b2s2+ω0bQ0b+ω0b2,-----(10)]]>其中ω0a=2gCa1Ca2]]>ω0b=2gCb1Cb2]]>Q0a=1Ca22Ca1+2Ca1Ca2]]>Q0b=1Cb22Cb1+2Cb1Cb2(11)]]>以輸出電流在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)的形式表示相移電路200的傳遞函數(shù)。于是，Tia(s)＝Ia(s)/Vin(s)和Tib(s)＝Ib(s)/Vin(s)。圖8示出在Q0a＝Q0b＝0.304，ωoa＝2π·120×106/1.891和ωob＝2π·120×106·1.891的情況下，在輸出信號(hào)Ia(s)和Ib(s)之間的相位差對(duì)頻率的示例響應(yīng)。
雙極有源分相器104的主要優(yōu)點(diǎn)是具有比單極有源分相器102寬得多的帶寬。通過(guò)將如圖8所示的相位差響應(yīng)與如圖7所示的響應(yīng)相比較，可以獲得這。然而，雙極有源分相器104具有一個(gè)缺點(diǎn)，那就是，它比單極有源分相器102更低的功率效率。參照等式(10)，注意，對(duì)于單極有源分相器102，在DC處的增益等于-g。從等式(6)，對(duì)于單極有源分相器102，DC增益是g2或g。在雙極有源分相器104內(nèi)的每個(gè)相移電路200包括兩個(gè)電流路徑，一個(gè)通過(guò)有源器件202和一個(gè)通過(guò)有源器件206。相反，在單極有源分相器102內(nèi)的每個(gè)相移電路150包括通過(guò)有源器件152的一個(gè)電流路徑，(參見(jiàn)圖4)。于是，在雙極有源分相器104內(nèi)的每個(gè)相移電路200中流去多于在單極有源分相器102內(nèi)的每個(gè)相移電路150的電源。
雖然沒(méi)有在本發(fā)明中特定描述，但是對(duì)于熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員而言，將本發(fā)明的原理擴(kuò)展到具有三個(gè)或多個(gè)極點(diǎn)的有源分相器是顯而易見(jiàn)的。因此，具有三個(gè)或多個(gè)極點(diǎn)的有源分相器是在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
III.示例應(yīng)用電路雖然示出在本發(fā)明中的有源分相器作為單端電路，但是通過(guò)實(shí)施具有不同電路的有源分相器，可以獲得經(jīng)改進(jìn)的性能。例如，可用在現(xiàn)有技術(shù)中已知的差分放大器代替構(gòu)成共源放大器的輸入有源器件154a和154b(參見(jiàn)圖4)。將到差分放大器的輸入連到差分輸入信號(hào)，或者如果輸入是單端的，那么可將到差分放大器的一個(gè)輸入連到單端輸入信號(hào)，而且可將到差分放大器的另一個(gè)輸入AC接地。
圖6示出利用運(yùn)用MOSFET差分對(duì)實(shí)施的有源分相器的示例應(yīng)用電路。有源電路230是單邊帶調(diào)制器，它包括兩個(gè)相移電路240和兩個(gè)負(fù)載電阻器264。在每個(gè)相移電路240內(nèi)，在共源結(jié)構(gòu)中連接有源器件242和244，而且通過(guò)電流源260偏置。有源器件242和244包括由輸入信號(hào)Vin(s)驅(qū)動(dòng)的差分對(duì)。以共柵極的結(jié)構(gòu)連接有源器件250和252以及有源器件254和256。分別在有源器件242和244的柵極和漏極之間連接的電容器246和248產(chǎn)生有源分相器的全通響應(yīng)的極點(diǎn)-零點(diǎn)對(duì)。
如果有源器件250、252、254和256的柵極偏壓電壓隨著本機(jī)振蕩器(LO)頻率變化，那么相移電路240a和240b作為4象限乘法器。此外，如果LO信號(hào)VLOa和VLOb偏離90°，而且如圖6所示交叉耦合相移電路240a和240b，有源電路230作為單邊帶調(diào)制器。
這個(gè)應(yīng)用還示出如何可將有源分相器用作有源電路的構(gòu)成塊(buildingblock)，其中在該示例實(shí)施例中，它是單邊帶調(diào)制器。還可在LO緩沖器中使用有源分相器，來(lái)產(chǎn)生LO驅(qū)動(dòng)信號(hào)，它們偏離90°。在單邊帶調(diào)制器、IQ調(diào)制器和解調(diào)器和圖像抑制混頻器中采用這樣的LO緩沖器。還可在熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員已知的其它應(yīng)用中并在本發(fā)明的范圍內(nèi)采用分相器。
提供較佳實(shí)施例的前面描述來(lái)使得熟悉本技術(shù)的任何人員能夠進(jìn)行或運(yùn)用本發(fā)明。對(duì)于熟悉本技術(shù)的人員，對(duì)這些實(shí)施例的各種變更是顯而易見(jiàn)的，而且可將這里限定的一般原理用于其它實(shí)施例，而不必進(jìn)行創(chuàng)造性勞動(dòng)。于是，本發(fā)明并不旨于限于這里所示的實(shí)施例，而是根據(jù)與這里所接受的原理和新穎性一致的最寬范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于提供具有等幅但不同相位的輸出信號(hào)的電路，其特征在于，包括a.具有第一輸入并產(chǎn)生第一輸出的第一相移電路；b.具有第二輸入并產(chǎn)生第二輸出的第二相移電路；其中，將所述第一輸入和所述第二輸入連到輸入信號(hào)，而且所述第一輸出和所述第二輸出具有等幅但不同相位。
2.如權(quán)利要求1所述的電路，每個(gè)所述相移電路包括具有第一柵極、第一源極和第一漏極的第一有源器件，所述第一有源器件構(gòu)成共源極放大器，所述第一源極接地，所述柵極接收所述輸入信號(hào)；跨接所述第一柵極和所述第一漏極的電容器；和具有第二柵極、第二源極和第二漏極的第二有源器件，所述第二有源器件構(gòu)成共柵極放大器，所述第二柵極連到AC地，所述第二源極連到所述第一漏極，所述第二漏極包括所述相移電路的所述輸出。
3.如權(quán)利要求2所述的電路，其特征在于，從包含雙極連結(jié)晶體管、異質(zhì)雙極晶體管、MOSFET、GaAsFET和P通道器件的組中選擇所述有源器件。
4.如權(quán)利要求2所述的電路，其特征在于，每個(gè)所述有源器件具有跨導(dǎo)，而且對(duì)于在特定頻率下在所述第一輸出和所述第二輸出之間的90度相位差，選擇所述電容器和所述跨導(dǎo)。
5.如權(quán)利要求2所述的電路，其特征在于，每個(gè)所述相移電路還包括跨接所述第一漏極和地的補(bǔ)償電容器；其中選擇所述補(bǔ)償電容器來(lái)獲得在所述第一輸出和所述第二輸出之間的幅度平衡。
6.如權(quán)利要求2所述的電路，其特征在于，每個(gè)所述有源器件具有跨導(dǎo)，對(duì)于所有相移電路的所述第一有源器件的所述跨導(dǎo)是相等的，而且對(duì)于所有相移電路的所述第二有源器件的所述跨導(dǎo)是相等的。
7.如權(quán)利要求6所述的電路，其特征在于，所有有源器件的所述跨導(dǎo)是相等的。
8.如權(quán)利要求2所述的電路，其特征在于，偏壓所述有源器件來(lái)提供獨(dú)立于溫度的性能。
9.一種用于提供具有等幅但不同相位的輸出信號(hào)的電路，它包括多個(gè)相移電路，其特征在于，每個(gè)相移電路包括具有輸入和輸出的級(jí)聯(lián)放大器，所述級(jí)聯(lián)放大器包括第一放大器和第二放大器，所述第二放大器與所述第一放大器相連；和跨接所述第一放大器的電容器；其中，將所述多個(gè)相移電路的所述輸入連到輸入信號(hào)和所述級(jí)聯(lián)放大器的所述輸出具有等幅但不同相位。
10.如權(quán)利要求9所述的電路，其特征在于，每個(gè)所述相移電路還包括與所述第一放大器和地相連的補(bǔ)償電容器；其中選擇所述補(bǔ)償電容器來(lái)獲得在所述級(jí)聯(lián)放大器的所述輸出之間的幅度平衡。
11.如權(quán)利要求9所述的電路，其特征在于，每個(gè)所述第一放大器和每個(gè)所述第二放大器都具有跨導(dǎo)，而且所有第一放大器的所述跨導(dǎo)和所有第二放大器的所述跨導(dǎo)都相等。
12.如權(quán)利要求11所述的電路，其特征在于，所有第一放大器和所有第二放大器的所述跨導(dǎo)都相等。
13.一種用于提供具有等幅但不同相位的輸出信號(hào)的電路，其特征在于，包括多個(gè)相移電路，其特征在于，每個(gè)相移電路包括具有柵極、第一源極和第一漏極的第一有源器件，所述第一有源器件構(gòu)成共源極放大器，所述第一源極接地，所述第一柵極接收所述輸入信號(hào)；跨接所述第一有源器件的第一電容器；具有第二柵極、第二源極和第二漏極的第二有源器件，所述第二有源器件構(gòu)成共源極放大器，所述第二源極接地，所述第二柵極連到所述第一漏極；跨接所述第二漏極和地的第二電容器；具有第三柵極、第三源極和第三漏極的第三有源器件，所述第三有源器件構(gòu)成共柵極放大器，將所述第三柵極連到AC地，所述第三源極連到所述第一漏極；具有第四柵極、第四源極和第四漏極的第四有源器件，所述第四有源器件構(gòu)成共柵極放大器，所述第四柵極連到所述AC地，所述第四源極連到所述第二漏極，所述第四漏極連到所述第三漏極并包括所述相移電路的所述輸出。
14.如權(quán)利要求13所述的電路，其特征在于，從包含雙極連結(jié)晶體管、異質(zhì)雙極晶體管、MOSFET、GaAsFET和P通道器件的組中選擇所述有源器件。
15.如權(quán)利要求13所述的電路，其特征在于，包括兩個(gè)相移電路，其中每個(gè)所述有源器件具有跨導(dǎo)，對(duì)于在特定頻率下所述相移電路的所述輸出之間的90度相位差選擇所述電容器和所述跨導(dǎo)。
16.如權(quán)利要求13所述的電路，其特征在于，每個(gè)所述有源器件都具有跨導(dǎo)，而且所有有源器件的所述跨導(dǎo)都是相等的。
17.一種用于提供差分輸出信號(hào)的相移電路，其特征在于，包括具有第一差分輸入、第一差分輸出和第一共源極的第一差分對(duì)，所述第一差分輸出連到差分輸入信號(hào)；具有第二差分輸入、第二差分輸出和第二共源極的第二差分對(duì)，所述第二共源極連到所述第一差分輸出的第一輸出，所述第二差分輸入連到差分LO信號(hào)；具有第三差分輸入、第三差分輸出和第三共源極的第三差分對(duì)，所述第三共源極連到所述第一差分輸出的第二輸出，所述第三差分輸入連到所述第二差分輸入，所述第三差分輸出連到所述第二差分輸出，而且包括所述差分輸出信號(hào)；電容器對(duì)，一個(gè)電容器跨接所述第一差分輸入的每個(gè)輸入和所述第一差分輸出的所述輸出；和連到所述第一共源極的電流源。
18.一種用于提供差分輸出信號(hào)的單邊帶調(diào)制器，其特征在于，包括具有第一差分輸入、第一差分LO輸入和第一差分輸出的第一相移電路，所述第一差分輸入連到差分輸入信號(hào)，所述第一差分LO輸入連到第一差分LO信號(hào)；和具有第二差分輸入、第二差分LO輸入和第二差分輸出的第二相移電路，所述第二差分輸入連到所述第一差分輸入，所述第二差分LO輸入連到第二差分LO信號(hào)，所述第二差分輸出連到所述第一差分輸出，而且包括所述差分輸出信號(hào)。
全文摘要
有源分相器(100,102)包括兩個(gè)或多個(gè)相移電路(110,150)。每個(gè)相移電路包括多個(gè)有源器件(112,114,152,150)和電容器(116,156,158)。對(duì)于單極有源分相器,在每個(gè)相移電路中,兩個(gè)有源器件構(gòu)成級(jí)聯(lián)放大器。第一有源器件構(gòu)成共源極放大器,和構(gòu)成第二有源器件作為共柵極放大器。將電容器(116,156)跨接在第一有源器件的柵極和漏極,以產(chǎn)生用于相移電路所需的極點(diǎn)－零點(diǎn)對(duì)。級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致所需傳遞功能,而且提供電壓輸入(V
文檔編號(hào)H03F3/45GK1257620SQ98805362
公開(kāi)日2000年6月21日 申請(qǐng)日期1998年5月21日 優(yōu)先權(quán)日1997年5月22日
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