专利名称：一种减小宽带cs/cg有源巴伦相位不平衡度的方法
技术领域：
一种减小宽带CS/CG (共源共栅)有源巴伦相位不平衡度的方法，属于微波毫米波集成 技术领域，涉及CS/CG有源巴伦相位性能。
背景技术：
巴伦是平衡到不平衡的变换器，它广泛应用于平衡式倍频器、平衡式混频器等平衡式电 路，其作用是将高频信号从单端输入变成平衡输出，并完成阻抗匹配。巴伦主要分为无源巴
伦和有源巴伦，无源巴伦通常采用；i/4微带传输线的形式实现，有源巴伦通常采用三极管实 现。其中，无源巴伦面积较大、带宽较窄，因此在宽带集成技术里通常采用有源巴伦。
在有源巴伦中，最常用的电路结构形式为差分有源巴伦结构和CS/CG (共源共栅)有源
巴伦结构。其中，差分有源巴伦结构主要由一个差分放大单元和一个电流源单元构成，具有 宽带幅度平衡度好、宽带相位平衡度好的优点，但其直流功耗较大、电路结构较复杂，而且
由于设计高性能的宽带电流源单元相对较难，因此会增大集成技术实现的风险；CS/CG有源 巴伦结构主要由一个共源三极管和一个共栅三极管构成，具有宽带幅度平衡度好、直流功耗 小、电路结构简单等优点，易于在集成技术中实现，但其宽带相位不平衡度比差分有源巴伦 大，成为制约其使用的关键。
传统的CS/CG有源巴伦结构如图1所示，包括一个共源三极管(CSFET)和一个共栅三 极管(CGFET)，主要实现将输入信号变换成为等幅反相的两路输出。理想状况下，共栅三
极管输出信号与输入信号同相，相移量《等于零；共源三极管输出信号与输入信号反相，相 移量《等于tt (180°)。
由于实际应用时器件参数的差异是客观存在的，使得传统的CS/CG有源巴伦的宽带相位 平衡度较差共栅三极管输出信号与输入信号并非完全同相，即相移量《不等于零，存在一
定的相移偏量A《；共源三极管输出信号与输入信号并非完全反相，即相移量《不等于;r，
存在一定的相移偏量A《。这里，共栅三极管输出信号的相移偏量A《和共源三极管输出信号
的相移偏量A《的差值A《-A《，就是CS/CG有源巴伦的相位不平衡度。实际工程应用中，
人们总是希望CS/CG有源巴伦的绝对相位不平衡度lA《-A《l越小越好。有经验的工程技术
人员通常凭经验通过调整两个三极管的直流偏置电压来减小CS/CG有源巴伦的宽带相位不平 衡度，但这种方法对CS/CG有源巴伦的宽带相位不平衡度的减小程度一般小于5度(在20GHz 时，其相位不平衡度通常大于15度。)，难以满足实际工程应用，而且缺乏理论指导。
现有一种宽带CS/CG有源巴伦如图2所示(见M. C. Tsai, M. J. Schindler， W. Struble, M. Ventresca, R. Binder, R. Waterman, and D. Danzilio, "A Compact Wideband Balanced Mixer," in /"fer"ario"a/ Aferawaw ^附po;y/wm D/g., vol. 1, pp. 5-8, 1994.)，包括第一共 栅三极管l、第二共栅三极管2和共源三极管3。其特征在于，在传统CS/CG有源巴伦结构 上增加了一个CG三极管，改善了传统CS/CG有源巴伦的宽带相位平衡度特性，但由于增加 了三极管，因此电路结构复杂，同时加大了电路设计和调试的难度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种减小宽带CS/CG有源巴伦相位不平衡度的方法，可在不改变 传统CS/CG有源巴伦结构的情况下改善宽带CS/CG有源巴伦的相位性能，大幅度减小CS/CG 有源巴伦宽带相位不平衡度，且方法简单、易操作。
本发明的详细技术方案为
一种减小宽带CS/CG有源巴伦相位不平衡度的方法，其特征在于，包括以下步骤
1、 首先根据CS/CG有源巴伦的增益、电流指标确定共源三极管和共栅三极管的物理尺 寸，得到共源三极管的栅源电容Cgs_s、栅漏电容Cgd—s和漏栅电容Cds_s的参数值以及共栅三
极管的栅源电容C[G、栅漏电容Cgdj3和漏源电容Cd、G的参数值。
2、 其次设定共源三极管和共栅三极管的直流工作点，使共源三极管和共栅三极管工作在 饱和状态。
3、 在CS/CG有源巴伦所需工作频带内选取多个频点fl、 Q...fn，通过微波电路仿真软件 分别得到这些频点下共源三极管的等效输入阻抗Res和共栅三极管的等效输入阻抗Rcg。
4、 计算步骤3所得的在多个频点fl、 G...fn下共源三极管的等效输入阻抗Rcs和共栅三 极管的等效输入阻抗Rcg的平均值。
5、 然后选取共源三极管的负载阻抗和共栅三极管的负载阻抗满足
<formula>formula see original document page 4</formula> ，得到初调后CS/CG有源巴伦在工作
频带内 的平均相位不平衡度。
所述等式
QfA,+7~~7Cg z; /p 、=QA.z + 中,Q，^nc^—g分别是共源三极管和
共栅三极管的栅源电容、CV—c是共栅三极管的栅漏电容、s是共源三极管的漏源电容、 Zs是信号源阻抗、是共栅三极管的负载阻抗、Zi2是共源三极管的负载阻抗、g是共栅
三极管的跨导、i CG是共栅三极管的等效输入电阻、i CT是共源三极管的等效输入电阻。
6.最后微调CS/CG有源巴伦的直流偏置电压进一步减小其在工作频带内的平均相位不 平衡度；
本发明工作原理如下-
首先考虑CS/CG巴伦中的CGFET和CSFET的简单单向等效电路，如图4所示，其中， Cg^和C^G分别是共源三极管和共栅三极管的栅源电容、Cgrf—c是共栅三极管的栅漏电容、 C必s是共源三极管的漏源电容、是信号源阻抗、ZZ1是共栅三极管的负载阻抗、ZZ2是共源
三极管的负载阻抗、&_5和gm—g分别是共源三极管和共栅三极管的跨导、i cg是共栅三极管
的等效输入电阻、i cs是共源三极管的等效输入电阻。 根据图4 (a)可得出CGFET的电压方程组为
<formula>formula see original document page 5</formula>
从此方程组可以推出CG FET的电压传递函数为
<formula>formula see original document page 5</formula>
因此可推出CG FET输出的相移量为<formula>formula see original document page 5</formula>
根据图4 (b)可得出CS FET的电压方程组为
<formula>formula see original document page 6</formula>
从此方程组可以推出CS FET的电压传递函数为
<formula>formula see original document page 6</formula>
因此口J推出CS FET输出的相移量为
<formula>formula see original document page 6</formula>"
在微波毫米波集成电路(MMIC)中，当CG FET和CS FET偏置在饱和丄作条件时， 栅源Hi容、漏源电容和栅漏电容通常都小于100fF，而Zu和Zu约为几百欧姆。因此，在频 率1.5~25GHz的宽频带范围内，g/CVg Z,Zw和c^CV_sCV5Z,Z￡2cu2相对较小，可以忽
略，CG FET和CS FET的相移量可分别简化为
<formula>formula see original document page 6</formula>
而巴伦输出的两路信号的绝对相位不平衡度(AW定义为:
所以，可推出:
<formula>formula see original document page 6</formula>
从上式可以看出Zs通常为信号源阻抗，在设计中为固定值50欧姆，而Zu、 Zi2、
Cg,， C《S和Cg(G都是可调变量，当它们满足
<formula>formula see original document page 7</formula>时，可得到最小的CS/CG有源巴
伦相位不平衡度A^m。在上述等式中，理论上A^在某频点上存在的最小值为零。实际工程
上可以取CS/CG有源巴伦在整个工作频带的平均值作为最终优化结果。
传统的设计方法通过调整两个三极管的直流偏置电压来减小CS/CG有源巴伦的相位不 平衡度A^，其实质是通过改变三极管的直流偏置电压来微调三极管的饱和工作状态，从而改 变栅源电容、漏源电容和栅漏电容的值，最终改变相位不平衡度。但由于FET工作在饱和工 作状态时，直流偏置的改变程度较小，因此栅源电容、漏源电容和栅漏电容改变量很小，对 相位不平衡度影响通常小于5度。在本发明中，通过增加调节CGFET的负载阻抗Z^和CS FET的负载阻抗Zi2为大小，可使CS/CG有源巴伦的相位不平衡度变化数十度。因此本发明 将CGFET的负载阻抗Z^和CSFET的负载阻抗&2作为主要调节手段，而将三极管的直流 偏置电压作为辅助调节手段，可更大限度地减小CS/CG有源巴伦的相位不平衡度。而且，本 发明减小CS/CG有源巴伦的相位不平衡度时并未改变传统CS/CG有源巴伦的结构，整个方 法简单、易操作。本发明不仅可以用于改善宽带CS/CG有源巴伦的相位性能，也可用于宽带 CS/CG有源巴伦的具体设计过程中。
图1为传统的CS/CG有源巴伦结构示意图。
图2为现有的一种宽带CS/CG有源巴伦结构示意图，其中，1为第一共栅三极管，2为第 二共栅三极管，3为共源三极管。
图3为本发明操作流程示意图。
图4为传统CS/CG有源巴伦结构中CGFET和CS FET的简化单向等效电路图，其中图4 (a)为CGFET的等效电路图，图4 (b)为CS FET的等效电路图。
具体实施例方式
由于共源/共栅三极管的负载阻抗大小等于共源三极管或共栅三极管的漏源偏置电阻与外 接电阻网络等效电阻相并联后的电阻大小，而通常共源三极管或共栅三极管的外接电阻网络 等效电阻远远大于共源三极管或共栅三极管的漏源偏置电阻，所以共源三极管或共栅三极管 的负载阻抗实际可近似为共源三极管或共栅三极管的漏源偏置电阻。实际可在100 1000欧姆
的范围内选取适当阻值的共源三极管或共栅三极管的漏源偏置电阻即可满足要求。
权利要求
1、一种减小宽带CS/CG有源巴伦相位不平衡度的方法，其特征在于，包括以下步骤步骤1.首先根据CS/CG有源巴伦的增益、电流指标确定共源三极管和共栅三极管的物理尺寸，得到共源三极管的栅源电容Cgs_S、栅漏电容Cgd_S和漏栅电容Cds_S的参数值以及共栅三极管的栅源电容Cgs_G、栅漏电容Cgd_G和漏源电容Cds_G的参数值；步骤2.其次设定共源三极管和共栅三极管的直流工作点，使共源三极管和共栅三极管工作在饱和状态；步骤3.在CS/CG有源巴伦工作频带内选取多个频点f1、f2…fn，通过微波电路仿真软件分别得到这些频点下共源三极管的等效输入阻抗Rcs和共栅三极管的等效输入阻抗Rcg；步骤4.计算步骤3所得的在多个频点f1、f2…fn下共源三极管的等效输入阻抗Rcs和共栅三极管的等效输入阻抗Rcg的平均值；步骤5.然后选取共源三极管的负载阻抗ZL1和共栅三极管的负载阻抗ZL2满足 得到初调后CS/CG有源巴伦在工作频带内的平均相位不平衡度； 所述等式 中，Cgs_s和Cgs_G分别是共源三极管和共栅三极管的栅源电容、Cgd_G是共栅三极管的栅漏电容、Cds_S是共源三极管的漏源电容、Zs是信号源阻抗、ZL1是共栅三极管的负载阻抗、ZL2是共源三极管的负载阻抗、gm_G是共栅三极管的跨导、RCG是共栅三极管的等效输入电阻、RCS是共源三极管的等效输入电阻；步骤6.最后微调CS/CG有源巴伦的直流偏置电压进一步减小CS/CG有源巴伦在工作频带内的平均相位不平衡度。
2、 根据权利要求l所述的减小宽带CS/CG有源巴伦相位不平衡度的方法，其特征在于，歩骤5中所述共源三极管的负载阻抗Zu近似取值为共源三极管的漏源偏置电阻；所述共 栅三极管的负载阻抗Zi2近似为共栅三极管的漏源偏置电阻。
3、 根据权利要求2所述的减小宽带CS/CG有源巴伦相位不平衡度的方法，其特征在于， 所述共源/或共栅三极管的漏源偏置电阻的取值范围为100 1000欧姆。
全文摘要
一种减小宽带CS/CG有源巴伦相位不平衡度的方法，属于微波毫米波集成技术领域，涉及CS/CG有源巴伦相位性能。首先根据CS/CG有源巴伦的增益、电流指标确定CS/CG FET的物理尺寸；其次设定CS/CG FET的直流工作点，使CS/CG FET工作在饱和状态；然后选取CS FET的负载阻抗Z<sub>L1</sub>和CG FET的负载阻抗Z<sub>L2</sub>满足C<sub>gd_G</sub>Z<sub>L1</sub>+((C<sub>gs_G</sub>Z<sub>s</sub>)/(g<sub>m_G</sub>Z<sub>S</sub>+1+Z<sub>S</sub>/R<sub>CS</sub>))＝C<sub>ds_S</sub>Z<sub>L2</sub>+((C<sub>gs_S</sub>Z<sub>S</sub>)/(Z<sub>S</sub>/R<sub>CG</sub>+1))，得到初调后CS/CG有源巴伦在工作频带内的平均相位不平衡度；最后最后微调CS/CG有源巴伦的直流偏置电压进一步减小其在工作频带内的平均相位不平衡度。本发明将CS/CG FET的负载阻抗作为主要调节手段，而将三极管的直流偏置电压作为辅助调节手段，可更大限度地减小CS/CG有源巴伦的相位不平衡度；而且，本发明减小CS/CG有源巴伦的相位不平衡度时并未改变传统CS/CG有源巴伦的结构，整个方法简单、易操作。
文档编号H01P5/10GK101364659SQ20081004620
公开日2009年2月11日 申请日期2008年9月27日 优先权日2008年9月27日
发明者宇 刘, 涛 杨, 杨自强 申请人:电子科技大学