射频信号平衡法

随着越来越高频率的RF，微波和毫米波模拟信号在蜂窝和雷达应用中变得越来越普遍，管理这些信号的完整性的需求变得越来越重要。常规上，先进的高频模拟功能封装在具有复杂数字功能的半导体芯片上。基于半导体的IC具有多层有源信号和互连层，但是它们不具有容易获得的低阻抗接地路径。这使得维持芯片上微波和毫米波信号的完整性特别困难，需要特殊技术来解决这个问题。

平衡信号

保持高频信号完整性的常用技术涉及平衡信号的使用，其中参考信号是原始信号的反相的，而不是接地信号。平衡信号的主要优点是共模抑制，可消除噪声和平衡对中两个信号共有的不良谐波。由于平衡的信号以一对紧密耦合的方式一起传播，所以感应噪声将以相同的方式影响两个信号，从而允许差分放大器消除噪声。

图1：平衡信号

平衡信号是用于IC上RF信号的理想解决方案，其中没有接地参考。但是，与IC不同，电路板往往具有容易获得的接地。因此，电路板上的RF信号通常被视为单端信号。这些单端单声道如何转换为芯片内部的平衡信号？这需要小心应对，否则此转换会产生不可接受的噪声平衡信号。

巴伦电路

巴伦电路是将具有接地参考的不平衡信号转换为大小相等且相位相反的两个信号的标准技术。理想的不平衡变压器将产生平衡信号，其中参考是原始信号的精确反相。但是，由于输入端没有完美的接地，缺乏对称性，晶体管失调以及从输入到平衡输出的不均匀耦合，现实世界中的不平衡变压器会产生不平衡的信号。

有两类不平衡：

振幅不平衡，其中参考信号的振幅与原始振幅不匹配，以及相位不平衡，其中参考信号的相位与原始信号不完全相差180度。这些类型的不平衡都会在信号中引入误差。

最受欢迎的巴伦是磁通耦合变压器。它由围绕磁芯的两个独立的线圈绕组组成，初级绕组的一侧接地，这些变压器的理论在许多电气工程教科书中都有说明。这些不平衡变压器很大，在GHz以上的频率上不可用。磁性材料对高频变化没有响应。此外，线圈之间的绕组间电容通过提供跨绕组的直接路径来消除磁耦合。因此，这些不平衡变压器不适合用于RF信号的芯片上转换。

图2：磁通耦合变压器（www.minicircuits.com的图像称赞）

用于在IC上实现的不平衡变压器的更有用的实现包括半导体芯片上的螺旋耦合线。这些可用于处理1 GHz以上的RF信号。图3中显示了一个8-12 GHz平衡-不平衡变压器的示例，其中有两个相互耦合的线圈。在此示例中，巴伦转换器具有50欧姆的输入阻抗（以匹配典型的传输线），以及平衡信号的70欧姆的输出阻抗。输入（P m）的一个端子接地以提供参考，另一输入（P p）连接到单端传输线。

图3：带有副线圈中心抽头的巴伦芯片

不幸的是，如上所述，该电路将在平衡信号中产生误差。将P m端子接地会导致不对称和不平衡，这是由于绕组间耦合电容所导致的不相等端接所致。使用矩量法技术（使用仿真和分析工具）对电路进行分析，显示出幅度和相位不平衡的程度都很高，并且随着频率的增加而增加。这可以在图4所示的绿色和紫色图中看到。

图4：以dB为单位的幅度不平衡（左轴）和以度为单位的相位不平衡（右轴），以GHz为单位绘制。

有一个较为理想的解决方案可以减少不平衡。差分端子的中点（在图3中标记为“ tap”）是虚拟接地端。通过提供从中心抽头到地面的低阻抗路径，可以显着改善S p / S m平衡。

请注意，平衡-不平衡转换器拓扑结构专门用于提供短的外部接地连接。参照图3，抽头直接放置在外部线圈的中点上，它馈送平衡信号S p和S m。此位置在中点靠近主IC输入P p和P m，并且距外部接地仅很短距离，从而确保了低阻抗接地。

通过将次级匝的中点接地，可以使芯片内部的S m和S p信号达到更好的平衡，从而消除了很多相位和幅度不平衡现象，从而导致信号误差。使用相同的矩分析方法，差分信号S m和S p的相位和幅度不平衡图（图4中的蓝色和红色）在8至12 GHz范围内显示出低得多的不平衡值。

总结

数字IC上的高频RF信号需要专门的技术来保持信号完整性。本文通过示例展示了Intrinsix的微波IC设计人员使用的一种技术，以确保高频信号从电路板穿过到IC时的保真度。诸如此类的技术对于成功生产具有微波和毫米波信号的IC至关重要。