具有0 dBm LO驅動的寬頻3 GHz至20 GHz高性能整合混頻器

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 及 RFIC設計工程師Michael Bagwell

摘要

本文介紹僅需0 dBm LO驅動的寬頻3 GHz至20 GHz SiGe被動混頻器。新巴倫結構是實現寬RF頻寬的關鍵創新。針對IF頻段應用也採用相同的巴倫拓撲,支援300 MHz至9 GHz的寬IF。該高性能雙平衡混頻器可用於上變頻或下變頻,同時,該混頻器採用2 mm × 3 mm、12接腳小型QFN封裝,提供23 dBm IIP3和14 dBm P1dB。採用3.3 V電源供電時,混頻器功耗為132 mA。

簡介

寬頻混頻器目前已經廣泛應用於多功能無線收發器、微波收發器、微波回程、雷達和測試設備中。同時,寬頻混頻器也使得在具有各種無線電參數的動態可編程性的無線電架構中使用單個混頻器成為可能。

已經證明,CMOS和BiCMOS等先進矽技術能夠在相對窄頻應用中實現高性能混頻器。因此寬頻混頻器最期待的實現方式,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成。平衡混頻器是首選拓撲結構,因為與非平衡混頻器相比,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製程中整合巴倫至關重要,這樣才能生產出寬頻整合混頻器。

本文將介紹一種可以在矽、GaAs或任何其他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,可在0.18 μm SiGe BiCMOS 製程中,使用寬頻巴倫設計一款3 GHz至20 GHz高性能混頻器。

寬頻巴倫

混頻器最重要的性能參數包括轉換增益、線性度、雜訊係數和工作頻寬。整合混頻器中使用的巴倫對所有這些混頻器的性能都具有重大影響。整合巴倫的關鍵性能,包括操作頻率範圍、插入損耗、幅度/相位平衡、共模抑制比(CMRR)和物理尺寸。

積體電路應用中的兩種常見巴倫結構是傳統平面變壓器巴倫1,2和Marchand巴倫。3,4,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,非平衡和平衡終端的寄生電容和不對稱終端限制高頻端的頻寬。Marchand巴倫由四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展示了微型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3×至4×最大-最小頻率比的頻率範圍,且性能合理。

眾所周知,Ruthroff巴倫具有非常寬的頻寬5,6,7,許多分立元件產品都是基於Ruthroff結構開發。但是,還沒有發現對微波積體電路應用類似結構。

圖1a顯示了一個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構建。一個佈局示例如圖1b所示。在該佈局中,只需要兩個金屬層,一個厚金屬層用於三個低損耗電感,一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,這樣尺寸就會更小,它們之間的磁性耦合也可能會更好。

(a). Schematic

(b). Layout

圖1.Ruthroff型寬頻巴倫。

圖1a顯示了一個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構建。一個佈局示例如圖1b所示。在該佈局中,只需要兩個金屬層,一個厚金屬層用於三個低損耗電感,一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,這樣尺寸就會更小,它們之間的磁性耦合也可能會更好。

寬頻特性得益於結構簡單,這會導致寄生電容更少。單端訊號由L1和L2分壓得到。因此,巴倫的正埠正好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°相移的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顯示了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與期望的180°之間的相位差。建議的巴倫具有非常好的振幅平衡,以及3 GHz到20 Ghz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,共模抑制非常重要。圖5b所示的模擬結果表明,3電感巴倫在3 GHz到20 GHz範圍內的CMRR優於20dB。

(a). Amplitude Imbalance and Phase Error

(b). Insertion Loss and CMRR

圖2.寬頻巴倫的模擬性能。

與變壓器巴倫拓撲結構一樣,3電感巴倫的頻寬也受低頻端電感和高頻端寄生電容的限制。當電感較低時,負載阻抗對埠3的L1和L2之間的分壓和埠2的轉換電壓影響較大。雖然在低頻範圍內振幅平衡和相位差仍然可以接受,但插入損耗增大。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可以擴大巴倫的高頻工作範圍。

整合巴倫的物理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,設計了一款0.5 GHz到6 GHz的巴倫,並與基於變壓器的傳統巴倫進行了對比,性能如圖3所示。

(a). Phase Performance

(b). Amplitude Balance

圖3.傳統巴倫和新巴倫的模擬性能比較。

整合寬頻RF/微波混頻器

寬頻雙平衡被動混頻器設計採用Jazz的SiGe 0.18 μm製程和3電感巴倫配置。混頻器的RF、IF和LO埠為50 Ω單端埠,並在RF和IF埠整合巴倫。整合的RF巴倫經過優化,可覆蓋3 GHz至20 GHz RF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的兩級寬頻放大器向被動混頻器的MOSFET閘極提供足夠的訊號電壓擺幅,且在1 GHz至20 GHz頻率範圍內只有0 dBm輸入功率。

圖4.寬頻雙平衡無源混頻器。

該混頻器採用2 mm × 3 mm QFN小型封裝,並使用銅柱倒裝晶片進行互連。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3.3 V偏置電源,室溫下的功耗為132 mA。測得的轉換損耗和IIP3性能如圖5.8所示。混頻器的RF、LO和IF埠在其寬廣工作頻率範圍內匹配良好。圖6顯示這些埠的回波損耗。應該注意的是,RF回波損耗取決於IF埠阻抗,圖6a中的結果是使用0.9 GHz的IF頻率測得。

(a). Conversion Loss and IIP3 vs. RF

(b). Conversion Loss and IIP3 vs. IF

圖5.寬頻雙平衡被動混頻器測得的性能。

(a). RF and LO Port Return Loss

(b). IF Port Return Loss

圖6.寬頻雙平衡被動混頻器測得的回波損耗。

相較於市面場上的寬頻混頻器(如表1中所示),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功耗和最高的整合級別。整體性能優於任何已報導的產品或發表的寬頻混頻器產品。

表1.我們的寬頻混頻器與市場同類產品比較
主要規格 該混頻器 HMC 144LC4 HMC 663LC3 SIM-193H+
技術 SiGe GaAs GaAs 混合
RF (GHz) 3 至 20 6 至 20 7 至 12 7.3 至 19
IF (GHz) 0.5 至 9 DC 至 3 DC 至 4 DC 至 7.5
LO 輸入功率(dBm) 0 17 21 17
轉換損耗(dB) 9 10.2 8 7.6
IIP3 (dBm) 23 23 30 19
雜訊係數(dB) 9 10.5 10 7.6
輸入P1dB (dBm) 14 15 20 14
LO RF 洩漏 (dBm) –30 –10 –20 –11
封裝 (mm × mm) 2 × 3 4 × 4 3 × 3 5.1 × 4.6

結論

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

參考文獻

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