Balun devresine sahip 24 GHz up-mikser tasarımı
Özet: 24 GHz'lik bir yukarı dönüştürme mikseri tasarlandı ve 3 çip üzerinde balun devresi Gilbert yapısına göre tamamen entegre edildi. Gm / I yöntemi, daha iyi dönüşüm kazancı, izolasyon ve devre gücü dağılımı elde etmek için transistörlerin boyutunu koordine etmek için kullanılır. Devre uygulaması Xiamen Sanan 0,5 m PHEMT teknolojisi, 5 V voltaj güç kaynağı kullanır, yerel osilatör LO 0 dBm olduğunda dönüştürme kazancı 9 dBm'dir. 24 GHz frekans bandında çalışırken, 1 dB sıkıştırma noktası -20 dBm, karıştırıcının maksimum çıkış gücü -10 dBm, RF çıkış portu ile yerel osilatör arasındaki izolasyon 32 dB'den büyük ve tüm devre 40 mW DC güç tüketimine sahip. Alan 1 mm × 1,3 mm'dir.
TN402
Bir
10.16157 / j.issn.0258-7998.172847
Çince alıntı biçimi: Zhou Zhengxuan, Li Gang, Lin Jiafu, et al.Balun devresine sahip 24 GHz'lik bir yukarı karıştırıcının tasarımı.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2018, 44 (3): 26-30.
İngilizce alıntı biçimi: Zhou Zhengxuan, Li Gang, Lin Jiafu ve diğerleri.Balun devresine sahip 24 GHz'lik bir yukarı dönüştürücü karıştırıcı tasarımı.Elektronik Tekniğin Uygulanması, 2018, 44 (3): 26-30.
0 Önsöz
Karıştırıcı, alıcı-verici sistemindeki kilit bir modüldür ve ana işlevi frekansı dönüştürmektir. Vericide yukarı karıştırıcı ve alıcıda aşağı karıştırıcı kullanılır. İletişim alanındaki mevcut sıcak noktalar, beşinci nesil mobil iletişimin (5G) nasıl uygulanacağına odaklanmıştır. Şu anda büyük radyo frekansı üreticileri aktif olarak beşinci nesil iletişim ürünleri geliştirmektedir. 5G iletişim ürün devrelerinin uygulanabileceğini kanıtlayan çok sayıda akademik makale de vardır, K / Ka bandı Büyük ilgi gör. 5G iletişim devrelerini uygulamak için kullanılabilecek işlemler arasında CMOS işlemi, galyum arsenit (GaAs) işlemi ve galyum nitrür (GaN) işlemi bulunur. CMOS teknolojisi nispeten yüksek bir dikkat derecesine, düşük bir fiyata sahiptir ve büyük ölçekte dijital devrelerle entegre edilebilir, ancak eksiklikleri de açıktır: nispeten düşük taşıyıcı hızı, düşük kesme frekansı, düşük güç yoğunluğu ve UHF devrelerini uygulamak daha zordur. COMS silikon tabanlı Yüzey kaybı da ciddi bir sorundur ve çip üzerindeki pasif cihazların endüktansının, transformatörünün ve balununun kalite faktörü Q nispeten küçük olacaktır. Aktif ve pasif karıştırıcılara bölünebilen karıştırıcı devrelerini uygulamak için kullanılabilecek birçok yapı türü vardır. Pasif karıştırıcının basit bir yapısı ve geniş bir çalışma frekansı vardır Dezavantajı, kaybın nispeten büyük olması ve dönüşüm kazancının negatif olmasıdır. Aktif mikserler tek ve çift balanslıdır ve tek dengeli yerel osilatör izolasyonu çift dengeli yapıya göre daha düşüktür. Bu makalede benimsenen ana yapı, daha yüksek izolasyona ve daha yüksek dönüşüm kazancına sahip Gilbert ünitesidir.Çoğu mikser Gilbert yapısını benimser. Karıştırıcı devresinin giriş portu, diferansiyel sinyal girişi gerektirir ve çip üzerindeki diferansiyel sinyal, çoğunlukla balun yapısı tarafından üretilir.Frekans yüksek olmadığında, çip üstü balun alanı büyüktür ve entegrasyona elverişli değildir. Yaygın olarak kullanılan yonga üstü balun yapıları arasında Marchand balun ve loop kuplaj hattı yapısı balun bulunmaktadır.Mart ve balun'un nispeten geniş alanı göz önüne alındığında, loop kuplaj hattı yapısı bu çalışmada seçilmiştir. Tasarım simülasyonu Xiamen Sanan 0,5 m PHEMT sürecine dayalıdır ve 24 GHz frekans bandında çalışan bir upmixer gerçekleştirir.
1 Devre tasarımı
1.1 Barron tasarımı
Balun, tek uçlu bir sinyali diferansiyel çıkışa dönüştüren ve mikserler, güç amplifikatörleri ve düşük gürültülü amplifikatörler gibi devrelere uygulanabilen bir devre modülüdür. Tek uçlu sinyal, balun modülünden geçer ve çıkış sinyali, aynı genliğe ancak 180 ° 'lik bir faz farkına sahip bir çift diferansiyel sinyal haline gelir. Balunlar, aktif balyalar ve pasif balyalar olarak ikiye ayrılabilir.Pasif balyalar, giriş sinyalinde belirli bir zayıflama derecesine sahiptir, nispeten geniş bir bant genişliğine sahiptir ve ultra geniş bant işletimi için uygundur. Aktif balun, karmaşık bir tasarıma ve sınırlı bant genişliğine sahip bir transistör devresinden oluşur. Bu kağıt aynı anda iki tür balun sunar: Aktif balun 200 MHz'de IF giriş sinyali için kullanılır, pasif balun 24 GHz'de salınım LO sinyali için kullanılır ve RF çıkış sinyali de pasif balundur. Frekans ne kadar yüksek olursa, uygulanan pasif çip üzerindeki balun devresinin alanı o kadar küçük ve frekans ne kadar düşükse, alan o kadar büyük olur. Sınırlı alan durumunda, tam entegre bir 24 GHz up-miksaj devresi elde etmek için, bu tasarım, daha küçük bir alana sahip olan ara frekans sinyal giriş ucunda aktif bir balun devresi kullanır ve osilasyon sinyali girişi ve RF çıkış uçlarında pasif bir balun yapısı kullanır.
İdeal transformatör balun yapısı Şekil 1'de gösterilmiştir. P1 ucu tek uçlu bir sinyal girişidir ve P2 ve P3 uç çıkışları eşit genliğe ve 180 ° faz farkına sahip diferansiyel sinyallerdir.
Literatürde, bağlantı hattı Şekil 1'de gösterilen balun yapısını gerçekleştirmek için kullanılmaktadır. Balun birleştirme hattının teorik analizi literatüre başvurulabilir. Bu kağıt, Şekil 2 ve Şekil 3'te gösterildiği gibi, iki istiflenmiş pasif yonga üstü balya yapısı sunar. Şekil 2, üst ve alt metal bağlantı hatlarından oluşmaktadır.P1 ucuna bağlanan bağlantı hattı M2 katmanında, P2 ve P3 uçları M1 katmanındadır.M1 ve M2'nin geometrik yapısı düzgün sekizgen, çizgi genişliği 6 m ve iç yarıçap 75 m. Şekil 3, aynı katmanın sargı yapısını göstermektedir. Şekil 2'deki S parametreleri göz önüne alındığında, genlik farkı, faz ve faz farkının simülasyon sonuçları Şekil 4'te gösterilmektedir. Merkez frekansı 24 GHz olduğunda, P1 - P2 ve P3 bağlantı noktalarının S parametreleri S (2,1) = - 6.228 dB ve S (3,1) = - 6.228 dB'dir. Genlik dengesizlik farkı 0.267 dB'dir. Faz farkı 179.877 ° 'dir. Genlik farkı eğrisi ve faz farkı eğrisinden, normal sekizgen balun daha geniş bir çalışma frekansı bandına uygulanabilir. Bu makaledeki pasif balun, normal bir sekizgen balonu benimser Aynı alanda, normal sekizgenin dörtgene göre daha düşük ekleme kaybı vardır.
200 MHz RF sinyal giriş ucunda, giriş sinyalini ara belleğe alırken tek uçlu diferansiyel girişi gerçekleştirmek için aktif bir dengeleme kullanılır. Aktif balunun yapısı Şekil 5'te gösterilmektedir. M1 tüpü A tipinde önyargılıdır ve DC yolu R1, M1, R2 ve M2'den oluşur.M2, M1'in kaynak aşamasındadır, bu olumsuz bir geri bildirim etkisine sahiptir ve devrenin doğrusallığını geliştirir. P1 terminali, anlık potansiyel yöntemiyle analiz edilen sinyal giriş terminalidir, P1 sinyali pozitif olduğunda, M1 boşaltma sinyali anında negatiftir ve M1 kaynak sinyali anında pozitiftir, daha sonra boşaltma kaynağı sinyalinin faz farkı 180 ° 'dir ve bu da dengeyi sağlar Gerekli faz koşulları. P2 ve P3'ten sonraki yük empedansının RL ve R1 = R2 ile aynı olduğu tatmin edildiğinde, vücut etkisi ve kanal modülasyonu etkisi göz ardı edildiğinde, M1'in boşaltma ucundan yük ucuna kadar görülen AC empedansının R1 // RL olduğu analiz edilebilir. M1'in kaynak ucundan yük ucuna kadar görülen empedans R2 // RL'dir ve çıkış sinyalinin aynı yükü, aynı genlik koşulunu karşılayabilir.P1'den P2'ye voltaj kazancı:
Benzer şekilde, P1'den P3'e kazançlar da aynıdır. Gm1 nispeten büyük olduğunda, kazanç 1'e yakındır ve bu tüm devrenin kazancına katkıda bulunmaz.
1.2 Yukarı karıştırıcı devre tasarımı
Mikserler ayrıca, genellikle 1'den büyük kazançlı aktif karıştırıcılar ve 1'den az pasif karıştırıcılar olarak tanımlanan aktif karıştırıcılara ve pasif karıştırıcılara bölünmüştür. Karıştırmanın rolü, frekans dönüştürme, vericide yukarı dönüştürme ve alıcıda aşağı dönüştürme kullanmaktır. Mikser, üç portlu bir cihazdır Salınım sinyali LO ve ara frekans sinyali IF çarpılır ve toplam frekans ve fark frekans sinyalleri, RF portu RF çıkışında çıkarılır. Karıştırıcı, Şekil 6'da gösterilen anahtar modelinde gösterildiği gibi basitçe bir anahtar devresi olarak anlaşılabilir. Salınımlı sinyal LO, S1 anahtarını kontrol eder ve LO'nun frekansı farklıdır, çıkış terminalinde elde edilen dalga formu farklı olacaktır. Aşağıdaki tartışma ideal bir analizdir, LO, sinyal yolunun açılıp kapanmasını tamamen kontrol eden kare dalga sinyali LO = S'dir (WLOt). Giriş sinyalinin RFin = VRFinCOS (WRFint) olduğu varsayıldığında, S1 anahtarı kapatıldığında, radyo frekansı sinyali geçer ve S1 kapatıldığında, RFout ucunda hiçbir sinyal görünmez ve çıkış ucu sürekli bir kosinüs sinyali sunar. Çıkış sinyali ifadesi:
Salınımlı sinyal S'nin (WLOt) Fourier serisi açılımı:
Bu makale Gilbert yapılı çift dengeli bir mikser kullanır. Literatüre başvurabilirsiniz.Tek bir mikser ile karşılaştırıldığında, her bağlantı noktası arasındaki izolasyon daha iyidir, özellikle ara frekans bağlantı noktası, yerel osilatörün daha yüksek izolasyonuna sahiptir ve bu da tekli karıştırmayı daha iyi hale getirir Frekans dönüştürücünün yerel osilatör izolasyonunun olmaması. Şekil 7, 24 GHz'de bir karıştırıcının şematik diyagramıdır. RF giriş terminali, aktif bir dengeleme kullanır ve salınım sinyal girişi ve ara frekans çıkış terminali, pasif bir dengeleme yapısını benimser. M3 M8 bir Gilbert birimi oluşturur ve M5 M8 tahliye terminal sinyali balun ile yüke bağlanır. M3 ve M4, A tipinde önyargılıdır. Küçük RF sinyali, aktif bir balun'dan diferansiyel bir sinyale dönüştürülür ve ardından sırasıyla M3 ve M4 kapılarına yüklenir, M3 ve M4 sinyal amplifikasyon aşamalarıdır. M5 M8, LO sinyalinin kontrolü altında anahtar durumunda çalışır.M5 ve M8 açıldığında, M6 ve M7 kapatılır. Tersine, M5 ve M8 kapatıldığında, M6 ve M7 açılır. M3'ün boşaltma terminalindeki küçük sinyal akımı, LO sinyalinin bir yarım döngüsünde M5'in kaynak terminalinden akar ve diğer yarım döngüde M6'nın kaynak terminalinden içeri akar. Benzer şekilde, M4'ün tahliye terminalinin çalışma durumu M3'ünki ile aynıdır. Bu yazıda, M5 M8, derin AB'de önyargılıdır, M5'in durgun akımı 1,2 mA ve M3 ve M4'ün durgun akımı 2,4 mA'dır. LO sinyali, büyük bir sinüs dalgası sinyalidir ve LO'nun diferansiyel sinyali, sırasıyla M5 ve M8'in kapılarına ve M6 ve M7'nin kapılarına yüklenir. LO'nun pozitif yarı döngüsü sırasında M5 ve M8 doyurulur ve açılır ve M6 ve M7'nin geçit kaynağı voltajı açma-kapama voltajından daha düşük olmalıdır ve kapalı durumdadırlar ve bunun tersi de geçerlidir. M5 M8 ideal bir anahtarlama durumunda olduğunda, karıştırıcı devresinin voltaj dönüştürme kazancı:
gm3, M3'ün geçirgenliğidir ve RL, RF çıkış yüküdür.
1.3 Mikser yerleşim tasarımı
Bu makalenin düzeni Şekil 8'de gösterilmektedir. Salınım sinyali, Şekil 8'in üst ucundaki LOin pedinden girilir ve sinyal, balun diferansiyeli vasıtasıyla M5 ila M8'in kapı kontrol transistörlerine iletilir. Şeklin sağındaki IRin pedinden 200 MHz girilir ve radyo frekansı sinyali şekil 8'in altındaki RFout'tan çıkar.
2 Simülasyon sonuçlarının analizi
Bu makaledeki karıştırıcı devresi, Xiamen Sanan 0,5 m PHEMT işlem tasarımına ve son yerleşim elektromanyetik simülasyonu (EM), ADS2015 platformunun Momentum simülasyon aracına dayanmaktadır. Bu makalede verilen veriler, elektromanyetik simülasyondan sonraki verilerdir. Yukarı dönüştürme mikserinin dönüştürme kazancı şu şekilde tanımlanır: ConvGain = RFoutPower (radyo frekansı çıkış gücü dBm) -IFinPower (ara frekans giriş gücü dBm). Şekil 9, dönüştürme kazancı ile IF giriş gücü arasındaki ilişkiyi göstermektedir. Şekil 10, salınım giriş gücü (LOinPower) ile dönüştürme kazancı arasındaki ilişkiyi göstermektedir.
Şekil 9'daki simülasyon koşulu, salınım giriş gücü LOinPower = 0 dBm olduğunda simülasyon sonucudur.Şekil 9'dan orta frekans IFinPower'daki giriş gücünün = < -20 dBm, karıştırmanın dönüşüm kazancı yaklaşık 10 dB'dir. > -20 dBm'den sonra, dönüşüm kazancı yaklaşık olarak doğrusal olarak zayıflayarak zayıflamaya başlar ve IFinPower = -10 dBm olduğunda kazanç 0 dB'dir. Şekil 10'daki simülasyon koşulu, LOinPower salınım giriş gücünde IFinPower = -20 dBm olduğunda simülasyon sonucudur. > = 0 dBm, dönüşüm kazancı kararlı olma eğilimindedir, ConvGain > 10 dB. LOinPower = < 0 dBm'de, dönüşüm kazancı, yaklaşık olarak doğrusal zayıflama ile zayıflamaya başlar ve LOinPower = -8 dBm'de kazanç 0'dır. Şekil 11, ara frekans giriş gücünün değişmesiyle RF çıkış portuna sızan lokal osilatör LO'nun gücünün kazanç eğrisini göstermektedir Bu metin şu şekilde tanımlanır: LO-RF-İzolasyonu = (RF çıkış portu yerel osilatör gücü) RFoutLO-LOinPower. LOinPower = 0 dBm olduğunda, Şekil 11'de IFinPower = IF giriş gücü olduğu görülebilir. < -15 dBm'de, IF giriş gücü arttıkça, RF çıkış portuna RFin sızan salınımlı gücün zayıflaması artar IFinPower = -22 dBm'de zayıflama kazancı yaklaşık -32.5 dBm'dir. Şekil 12, ara frekans giriş gücü IFinPower = -20 dBm olduğunda, RF portunun osilasyon portuna izolasyon eğrisini göstermektedir. Genel eğilim, salınım frekansının artmasıyla zayıflama kazancının küçülmesidir.Yaklaşık LOinPower = 0 dBm vardır. Nispeten kararlı zayıflama, yaklaşık -31 dBm zayıflama.
Şekil 13, yerel osilatör gücünün 0 dBm olduğu giriş 1 dB sıkıştırma noktasının bir grafiğini göstermektedir. OutPower eğrisi, RF çıkış portunun çıkış gücü eğrisidir ve hat hattı yardımcı hattır. IF giriş gücü arttıkça, çıkış gücü de artmaktadır.IFinPower = -20 dBm IF giriş gücü olduğunda, kazanç 1 dB sıkıştırılır.Bu noktada çıkış gücü yaklaşık -11 dBm ve maksimum çıkış gücü yaklaşık -10'dur dBm.
Tablo 1, bu makale ile referanslar arasındaki ilgili parametrelerin bir karşılaştırma tablosudur.
3 Sonuç
Bu makale, 24 GHz frekans bandında bir üst dönüştürme mikseri tasarlamak için Xiamen Sanan PHEMT teknolojisini kullanır. Düzenin simülasyon sonuçlarından maksimum dönüştürme kazancı 9 dB kadar yüksektir. Yerel osilatörün RF çıkış portu tarafından bastırılması 32 dB'den büyüktür ve bu da iyi bir bastırma etkisine sahiptir. Yurtiçi ticari Ka-bant mikserinin tasarımı için bazı referanslar sağlayabilir.
Referanslar
Lin Yosheng, Wang Chienchin, Tsai Tzung-Min, et al. Mevcut enjeksiyon ve çift negatif direnç dengeleme tekniklerini kullanan bir düşük güç ve yüksek dönüşüm kazancı 60 GHz CMOS yukarı dönüştürme mikseri // Elektromanyetik Uyumluluk (EMC). ABD: IEEE, 2013 : 97-98.
Li Chun Hsing, Ko Chun Lin ve diğerleri. 65 nm CMOS'ta yapılandırılabilir bondwire rezonatörlü 7.1 MW k / Ka-band mikser.IEEE İşlemleri Çok Büyük Ölçekli Entegrasyon (VLSI) Sistemleri, 2017, 9 (25): 26352638.
CHIOU H K, KUO SC, CHUNG H Y. 14-30 GHz düşük güçlü alt harmonik tek dengeli geçit pompalı karıştırıcı, 0.18 m CMOS'ta transformatör birleştiricili.Elektronik Mektuplar, 2014, 50 (16): 1141-1143.
Wu ChungRu, Hsieh HsiehHung. 0,18 m CMOS teknolojisinde ultra geniş bant dağıtılmış aktif mikser MMIC IEEE Transactionon Mikrodalga Teorisi ve Teknikleri, 2007, 55 (4): 625-631.
Wang Sen, Chen Po-Hung. Aktif bir yürüyüş balonu ve 24 GHz CMOS mikserine uygulanması Bileşenler, Paketleme ve İmalat Teknolojisi Üzerine IEEE İşlemleri, 2016, 6 (10): 1535-1539.
Song Qian. Monolitik entegre spiral transformatör ve balun tasarımı ve optimizasyonu Nanjing: Southeast University, 2006.
MONGIA R, BAHL I J, Bhar Prakash. RF ve mikrodalga bağlantılı hat devreleri Boston: Artech House, 1999.
Chen Xiaofei, Li Xiaojing, Zou Xuecheng, ve diğerleri.Kaynak balunlu CMOS geniş bant düşük gürültülü amplifikatör tasarımı.Huazhong University of Science and Technology (Natural Science Edition), 2013, 41 (5): 45-46.
Dukju Ahn, Dong-WooKkim ve diğerleri. 0,18 m CMOS teknolojisinde bir K-bant yüksek kazançlı aşağı dönüşümlü mikser IEEE Mikrodalga ve Kablosuz Bileşenler Mektupları, 2009, 19 (4): 227-229.
Tseng S C, Meng C C, Wu C K. GalnP / GaAs, HBT geniş bantlı transformatör Gilbert alt dönüştürücü, düşük voltaj beslemeli Elektronik Mektuplar, 2008, 44 (2): 127-128.
yazar bilgileri:
Zhou Zhengxuan, Li Gang, Lin Jiafu, Zhang Guohao
(Bilgi Mühendisliği Okulu, Guangdong Teknoloji Üniversitesi, Guangzhou 510006, Guangdong)
