李世元

(天津大學(xué) 天津市成像與感知微電子技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

在無線通信應(yīng)用領(lǐng)域中，相較于單端系統(tǒng)，差分系統(tǒng)具有消除串?dāng)_、抑制噪聲與偶次諧波失真的優(yōu)點(diǎn)。其中，巴倫結(jié)構(gòu)作為將單端信號轉(zhuǎn)為差分信號的重要射頻組件，應(yīng)用極為廣泛。

為了解決上述問題，在毫米波頻段下實(shí)現(xiàn)對幅度與相位誤差的同時(shí)糾正，提出了一種應(yīng)用于有源巴倫的新型幅度相位間接糾正技術(shù)。該技術(shù)將輸入信號間的幅度與相位誤差轉(zhuǎn)換為內(nèi)部固有誤差，并通過減小內(nèi)部誤差實(shí)現(xiàn)間接糾正。

1 傳統(tǒng)相位糾正技術(shù)基本原理

由于共源結(jié)構(gòu)對信號反相放大而共柵結(jié)構(gòu)對信號同相放大的工作特性，共源共柵結(jié)構(gòu)可作為巴倫實(shí)現(xiàn)信號的單端轉(zhuǎn)差分。圖1為傳統(tǒng)相位糾正技術(shù)原理圖，包含了2個(gè)相同的共源共柵結(jié)構(gòu)。為方便起見，將輸入端口間相位誤差表示為ΔθA，幅度誤差表示為GA。由于寄生效應(yīng)的影響，內(nèi)部糾正電路中的共源共柵結(jié)構(gòu)也會引入新的幅度與相位誤差，因此將該部分相位誤差表示為ΔθB，幅度誤差表示為GB。

圖1 傳統(tǒng)相位糾正技術(shù)原理圖Fig. 1 Conventional phase-correction technique

糾正電路將輸入信號分配成4條支路電流，各支路電流表示為

(1)

4條支路的電流信號在輸出端重新組合，產(chǎn)生一對新的差分信號，表示為

(2)

(3)

比較式(2)和式(3)中各項(xiàng)可知，輸出信號間相位完全相同，而幅度存在一定差異，如式中下劃線標(biāo)注，該差異主要是由實(shí)數(shù)值2、GA與GB組成的幅度項(xiàng)“2+GA+GB+GAGB”與“2+GA+GB”之間的差異引起的。當(dāng)GA、GB與實(shí)數(shù)值2相比較小時(shí)，GA、GB在幅度項(xiàng)中占比重較小，“2+GA+GB+GAGB”與“2+GA+GB”近似相等，因此輸出信號的幅度誤差較小，Vout1與Vout2為一對差分信號。在這種情況下，傳統(tǒng)相位糾正技術(shù)可以對相位誤差進(jìn)行有效抑制。

然而，當(dāng)GA、GB與實(shí)數(shù)值2可比擬時(shí)，輸出信號Vout1與Vout2之間存在不可忽略的幅度誤差，這意味著傳統(tǒng)相位糾正技術(shù)不能對較大的幅度誤差進(jìn)行限制和糾正。隨著頻率的提高，由于寄生效應(yīng)的影響，糾正電路所引入的相位誤差ΔθB與幅度誤差GB隨之變大，造成輸出端口間的幅度誤差進(jìn)一步變大。因此，傳統(tǒng)相位糾正技術(shù)不能夠同時(shí)糾正幅度與相位誤差，且隨著工作頻率提高，糾正能力有所下降。

2 新型幅度相位間接糾正技術(shù)

2.1 新型幅度相位間接糾正技術(shù)的工作原理

文章在傳統(tǒng)相位糾正技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出了新型幅度相位間接糾正技術(shù)。該技術(shù)巧妙地改變了輸入信號在糾正電路中的分配與重組路徑，同時(shí)將原幅度相位誤差轉(zhuǎn)換為新的內(nèi)部誤差，并通過減小內(nèi)部誤差繼而實(shí)現(xiàn)間接糾正。

圖2 新型幅度相位間接糾正技術(shù)原理圖Fig. 2 Proposed magnitude and phase indirect regularization technique

需要特別注意，ΔθA僅表示輸入信號間的相對相位誤差，而不是絕對相位差。將輸入信號間的絕對相位差表示為θA，那么對于差分系統(tǒng)來說，ΔθA與θA滿足

θA=π+ΔθA。

(4)

糾正電路將輸入信號分為4條支路電流，各支路電流表示為

(5)

4條支路的電流信號在輸出端重新組合，產(chǎn)生一對新的差分信號，表示為

(6)

(7)

通過對比式(6)和式(7)中各項(xiàng)的系數(shù)和初相位，可以觀察到在新產(chǎn)生的輸出信號，即Vout1與Vout2之間，存在4處不同，如式(6)中下劃線所示。這意味著對于新型幅度相位間接糾正技術(shù)，其輸出端口間仍存在幅度與相位誤差。

由于不同的輸入差分信號之間存在著不同的幅度與相位誤差，可將輸入誤差GA和ΔθA視為未知的變量誤差。在設(shè)計(jì)過程中，一旦內(nèi)部糾正電路的結(jié)構(gòu)與參數(shù)確定，其所引入的額外誤差隨之確定，可將內(nèi)部誤差視為已知的固有誤差。由于該技術(shù)最終得到的輸出誤差僅取決于GB和ΔθB，與GA和ΔθA無關(guān)，因此，該技術(shù)可將輸入信號間的未知變量誤差轉(zhuǎn)換為內(nèi)部糾正電路中的已知固有誤差。

2.2 內(nèi)部糾正電路的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

通過以上分析可知，內(nèi)部糾正電路所引入的額外誤差越小，新型幅度相位間接糾正技術(shù)的糾正能力越強(qiáng)。為了減小輸出端口間的幅度與相位失配，只需要減小固有誤差GB和ΔθB。

因此，針對內(nèi)部糾正電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高該技術(shù)在高頻下的糾正能力。

傳統(tǒng)內(nèi)部糾正電路與優(yōu)化后的內(nèi)部糾正電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)內(nèi)部糾正電路與優(yōu)化后結(jié)構(gòu)對比 Fig. 3 Comparison of traditional internal correction circuit with the optimized structure

在傳統(tǒng)內(nèi)部糾正電路中，共射共基結(jié)構(gòu)的不同路徑上寄生參數(shù)不同。高頻下的寄生效應(yīng)導(dǎo)致輸出端口間存在較大的幅度與相位誤差，即內(nèi)部糾正電路所引入的固有誤差變大，繼而降低了幅度與相位糾正電路性能。

為解決傳統(tǒng)內(nèi)部糾正電路所引入的固有誤差較大的問題，對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在傳統(tǒng)內(nèi)部糾正電路的輸入與輸出端分別添加額外的移相網(wǎng)絡(luò)，從而補(bǔ)償共射共基結(jié)構(gòu)的相位誤差；通過適當(dāng)調(diào)節(jié)共射管與共基管的參數(shù)大小，以減小傳統(tǒng)內(nèi)部糾正電路所引入的幅度誤差。具體優(yōu)化方案如圖4所示。

圖4 所提出的內(nèi)部糾正電路原理圖Fig. 4 Proposed internal correction circuit

整個(gè)內(nèi)部糾正電路包含3部分，分別為輸入匹配網(wǎng)絡(luò)，輸出匹配網(wǎng)絡(luò)與移相網(wǎng)絡(luò)。其中，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)包括MIM電容C1和C2，輸出匹配網(wǎng)絡(luò)包括傳輸線L5與輸出端節(jié)點(diǎn)電容。傳輸線L2構(gòu)成共基結(jié)構(gòu)的直流回路，同時(shí)通過優(yōu)化L2來改善輸入回波損耗。移相網(wǎng)絡(luò)由2部分組成，分別為輸入端移相網(wǎng)絡(luò)L2和輸出端移相網(wǎng)絡(luò)L3、L4。通過適當(dāng)調(diào)整共射管Q1與共基管Q2的發(fā)射極長度和并聯(lián)個(gè)數(shù)來減小糾正電路的幅度誤差，并通過調(diào)節(jié)輸入和輸出移相網(wǎng)絡(luò)L2～L4的長度，減小相位誤差，繼而在輸出端得到一對幅度接近一致，相位相差180°的差分信號。因此，適當(dāng)改變晶體管參數(shù)和添加無源移相網(wǎng)絡(luò)，可以有效地減小內(nèi)部糾正電路所引入的額外幅度和相位誤差，提高該技術(shù)在高頻下的糾正性能。

與傳統(tǒng)相位糾正技術(shù)相比，該間接糾正技術(shù)能夠同時(shí)將幅度誤差與相位誤差限制在一定閾值范圍內(nèi)，從而達(dá)到幅度與相位同時(shí)糾正的目的。由于該技術(shù)獨(dú)立于輸入信號，輸入信號的不平衡程度越大，該技術(shù)的糾正能力越強(qiáng)。

3 利用電路仿真驗(yàn)證間接糾正理論

在ADS仿真平臺中，基于0.13μm SiGe BiCMOS工藝搭建新型幅度相位間接糾正電路，如圖5所示。

圖5 新型幅度相位間接糾正電路原理圖Fig. 5 Schematic of the magnitude and phase indirect correction circuit

糾正電路的增益性能如圖6所示，在中心頻率105 GHz下，最大增益為12.7 dB，電路的3 dB帶寬為96～113 GHz。

圖6 糾正電路的增益仿真結(jié)果 Fig. 6 The simulated gain of the correction circuit

糾正電路輸出端口間的幅度與相位誤差隨頻率變化曲線如圖7所示。在96～113 GHz的帶寬范圍內(nèi)，輸出端口的最小幅度誤差為0.03 dB，最大幅度誤差為0.124 dB；最小相位誤差為2.88°，最大相位誤差為4.772°。在毫米波頻段下，糾正電路的輸出端口間誤差較小，平衡性良好。

圖7 在不同頻率下，輸出端口間的幅度與相位誤差Fig. 7 Output phase-error and gain-error versus frequency

為了驗(yàn)證新型幅度相位間接糾正技術(shù)在不同輸入誤差下的適用性與魯棒性，改變輸入信號間的幅度與相位誤差，重復(fù)進(jìn)行仿真。假定輸入信號間的幅度誤差在0～10 dB、相位誤差在10°～100°范圍內(nèi)取值，糾正后的輸出端口間幅度與相位誤差如圖8所示。

圖8 在不同輸入誤差下，輸出端口間誤差結(jié)果Fig. 8 Output phase-error and gain-error versus input phase-error and gain-error

經(jīng)電路仿真驗(yàn)證可得，當(dāng)輸入信號間幅度誤差在0～10 dB、相位誤差在10°～100°范圍內(nèi)任意取值時(shí)，輸出端口間幅度與相位誤差發(fā)生改變。當(dāng)輸入幅度誤差為5 dB，相位誤差為110°時(shí)，輸出端口間幅度誤差取得最小值0 dB，此時(shí)輸出相位誤差為4°；當(dāng)輸入幅度誤差為0 dB，相位誤差為10°時(shí)，輸出端口間相位誤差取得最小值2.1°，此時(shí)輸出幅度誤差為0.27 dB。在整個(gè)帶寬范圍內(nèi)，輸出端口的幅度誤差均小于0.3 dB，相位誤差均小于5.3°，電路最大增益為12.7 dB，功耗為54 mW。

在毫米波頻段下，對于不同的輸入幅度與相位誤差，新型幅度相位間接糾正技術(shù)均展現(xiàn)出良好的幅度相位糾正性能，具有較強(qiáng)的適用性與魯棒性。

將文中算法應(yīng)用于有源巴倫的糾正電路，其性能參數(shù)與其他文獻(xiàn)進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示。

表1 文中電路與其他參考文獻(xiàn)的參數(shù)對比

4 結(jié) 論