變壓器中頻匹配技術(shù)與分立器件式拜侖方法比較

高線性度有源混頻器IC的性能及集成度繼續(xù)在提高，盡管單端RF及LO輸入端口正在成為標(biāo)準(zhǔn)，但中頻(IF)輸出變壓器的集成很困難，且對(duì)于全差分IF架構(gòu)來(lái)說(shuō)并不理想，但很多系統(tǒng)仍要求采用單端IF輸出。本文提出了基于變壓器的IF匹配技術(shù)與基于分立器件式拜侖(BALUN)方法，并對(duì)兩者進(jìn)行性能、成本和尺寸上的比較。

高線性度有源混頻器最近的性能改進(jìn)得到無(wú)線及有線基礎(chǔ)系統(tǒng)集成商更多的關(guān)注。與傳統(tǒng)無(wú)源混頻器相比，良好設(shè)計(jì)的高線性度有源混頻器擁有以下幾種優(yōu)勢(shì)：低本振(LO)泄漏電平；低本振驅(qū)動(dòng)電平；更高輸出信號(hào)電平；解決方案尺寸更小。低LO泄漏的實(shí)現(xiàn)是由于采用了平衡電路拓?fù)?/strong>，以及采用近乎完美及可重復(fù)的IC對(duì)稱版圖設(shè)計(jì)。

在UHF及微波頻段，低噪聲放大器(LNA)、濾波器及壓控振蕩器(VCO)等一般都為單端。因此，早期的高線性度有源混頻器要求為RF及LO端口使用外部變壓器，從而增加了整個(gè)解決方案的成本及尺寸?，F(xiàn)在，單端50ΩRF輸入可以集成RF變壓器，而集成放大器使單端LO輸入實(shí)現(xiàn)成為可能，此類放大器可精確地將單端輸入轉(zhuǎn)換成用于驅(qū)動(dòng)雙平衡混頻器開(kāi)關(guān)內(nèi)核的差分輸入。

在典型的IF輸出頻段，SAW濾波器、放大器及ADC等均可采用差分接口，因此無(wú)需使用IF變壓器。但很多系統(tǒng)仍然要求采用單端IF輸出。由于成本、物理尺寸及制造可變性等因素，在這些應(yīng)用中利用變壓器來(lái)執(zhí)行差分至單端轉(zhuǎn)換并不理想。而且，由于在芯片上實(shí)現(xiàn)VHF變壓器所需的面積很大，故對(duì)這些應(yīng)用中所使用的IF輸出變壓器進(jìn)行集成并不實(shí)際。而執(zhí)行差分至單端轉(zhuǎn)換的內(nèi)部IF放大器則可以在某些低功率有源混頻器中實(shí)現(xiàn)，但在高線性度應(yīng)用中的表現(xiàn)并不佳，除非在IF放大前能對(duì)混頻器輸出進(jìn)行濾波。

變壓器IF匹配

圖1所示的LT5522為一款帶集成變壓器RF輸入的高信號(hào)電平下變頻混頻器。在1.2GHz至2.3GHz的頻帶內(nèi)，其射頻端口在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)匹配。只需在RF輸入上使用一個(gè)旁路器件，即可在低至600MHz或高至2.7GHz的頻率上工作。LO輸入經(jīng)過(guò)內(nèi)部匹配，以用于從400MHz至2.7GHz的單端50Ω工作。差分IF輸出阻抗在內(nèi)部被設(shè)置為400Ω電阻與1pF電容并聯(lián)的阻抗網(wǎng)絡(luò)。圖1為一種由L1、L2及C4組成的簡(jiǎn)單三組件低通IF匹配網(wǎng)絡(luò)，可將內(nèi)部400Ω差分輸出阻抗轉(zhuǎn)換成240MHz中頻頻率上的200Ω差分阻抗。而變壓器T1則將200Ω差分IF輸出轉(zhuǎn)換成50Ω單端輸出。每一集電極開(kāi)路IF輸出從T1中心抽頭上吸取15mA的DC偏置電流。

圖1所示的低通匹配組件是基于圖2所示的阻抗變壓器。假設(shè)使用4:1變壓器，則IF輸出匹配的帶寬很寬，這要?dú)w功于阻抗變換器的低Q值(Q=1)。

分立器件式拜侖IF匹配

低通IF匹配與變壓器可用如圖3所示的分立器件式拜侖來(lái)代替。L與C值被計(jì)算成可在IF頻率上實(shí)現(xiàn)180°的相移，并轉(zhuǎn)換阻抗。整個(gè)應(yīng)用方案如圖4所示，其中240MHz拜侖由L1、L2、C4及C6構(gòu)成。L3取消了內(nèi)部1pF電容，并給IF+引腳提供偏壓，C7則為一個(gè)隔直電容。

與變壓器相比，此分立器件式拜侖的帶寬較窄。如果不要求50Ω端接電阻的話，則可通過(guò)提高負(fù)載電阻來(lái)增加帶寬。

性能測(cè)試

兩種IF匹配技術(shù)的測(cè)量性能列于表中。

這兩種方案最大的不同是，用分立器件式拜侖測(cè)得的LO-IF泄漏較高，與使用變壓器方案的泄漏相比為-32dBm比-58dBm。由于分立器件式拜侖的器件值僅在240MHz中頻上優(yōu)化，因此會(huì)有較高的LO泄漏。變壓器匹配方案的IIP3相對(duì)要高1.2dB，因?yàn)樽儔浩髟诨フ{(diào)音頻上的混頻器輸出呈現(xiàn)出一個(gè)寬帶及平衡阻抗。相反，采用分立器件式拜侖方案的變頻增益則相對(duì)要高0.8dB，因?yàn)榭上?strong>變壓器損耗。

從兩種匹配技術(shù)的RF性能與IF輸出頻率的關(guān)系比較可以發(fā)現(xiàn)其最大的不同在于NF。分立器件式拜侖匹配在所需240MHz中頻的±20MHz帶寬內(nèi)具有更好的NF，但隨著IF帶寬的增加而迅速變差。而變壓器匹配則在所顯示的整個(gè)100MHz IF帶寬內(nèi)都具有良好的NF。

本文小結(jié)

當(dāng)IF帶寬小于20% IF頻率時(shí)，分立器件式中頻拜侖匹配技術(shù)是混頻器應(yīng)用中變壓器匹配方案的一種良好替代。在此帶寬內(nèi)，最主要的性能下降是LO-IF泄漏。對(duì)于較寬的IF帶寬而言，NF會(huì)增加得太高，故此時(shí)應(yīng)采用變壓器匹配方案。