專利名稱：具有單端輸出的差分放大器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明大體上涉及電路信號，且更具體來說，涉及將差分信號轉換為單端信號。
背景技術：
設計者較容易認識到在射頻(RF)集成電路(IC)以及具有這些IC的裝置中使用 差分電路的優(yōu)點，且在此領域中是高度需要的。在這些產品中，由于常需要輸入和/或輸 出信號是單端的，所以通常在設計以及產品提供中使用差分到單端轉換器(D/SE)。
設計中的挑戰(zhàn)是確保偏置差分對的電流源在高頻下不具有高阻抗。因此，平衡/不平 衡阻抗("BALUN")(常為高頻變壓器)用于差分/單端(D/SE)轉換。
遺憾的是，BALUN雖然在操作上以及功能上是所要的選擇，但其適度昂貴，且需 要留出較大占據區(qū)域，使得鑒于當前設計成果，其在印制電路板上或板側的額外體積和 物理存在常限制最佳設計和使用需要。另外，常規(guī)上采取至少兩個能量轉移將差分RF IN 信號轉換為單端RFOUT信號，由于平衡、轉移和轉換中存在的和固有的低效，其每一 轉換導致能量損耗。
此外，通過替代的BALUN位置來克服損耗的嘗試已被證實是低效的，且是等同或 更加低效或昂貴的。

發(fā)明內容
本發(fā)明揭示用于將差分信號轉換為單端信號的各種實施例。所述實施例包括用于接 收差分信號的晶體管對以及耦合到所述晶體管對的儲能電路。所述儲能電路包含第一電 感器和一個或一個以上電容器。所述實施例還包含第二電感器，其磁性耦合到所述第一 電感器以形成平衡/不平衡電感器(BIMI)布置。所述BIMI布置直接將所述差分信號轉 換為單端信號。
進而本發(fā)明的實施例通過電路布置中的單個能量轉移而直接將差分信號轉換為單 端信號，而不需要額外的芯片區(qū)域，同時部分由于較少的能量轉換轉移而更有效地執(zhí)行。


鑒于以下詳細描述，所屬領域的技術人員將明白本發(fā)明的優(yōu)點，其中 圖1描繪根據一實施例的單端信號轉換電路。 圖2陳述一方法實施例的流程圖。
具體實施例方式
呈現(xiàn)以下描述以使得所屬領域的技術人員能夠制作和使用本發(fā)明，且在專利申請案 及其要求的上下文中提供以下描述。所屬領域的技術人員將容易明白對所揭示的實施例
以及本文所描述的一般原理和特征的各種修改。因此，不希望本發(fā)明限于所展示的實施 例，而是賦予其與本文所描述的原理和特征一致的最廣范圍。
本發(fā)明在各種實施方案中通過直接將經轉換的電磁能量轉移到單端信號輸出線而 不利用BALUN，來減少由于能量轉移(轉換、轉移等)引起的損耗量。這樣做，在某 些情況下可消除BALUN的昂貴費用和較大占據區(qū)域。此外，直接將差分信號轉換為單 端信號導致減少的信號損耗，且通過芯片、封裝和板布置上的連接性將單端信號提供給 功率放大器。
圖1描繪根據一實施例的單端信號轉換電路100。轉換電路100包含耦合到接地153 的差分晶體管對137a、 137b。差分對137a、 137b在其各自柵極135a、 135b上接收輸入 信號RFIN-和RFIN+。晶體管對137a、 137b還分別耦合到差分輸出信號133a、 133b。
晶體管對137a、 137b耦合到電感器120 (120a、 120b)的各自端143a、 143b。電容 器132耦合在電感器120的端143a、 143b之間。端子155耦合到電感器120，且向其提 供DC偏壓。電感器110靠近電感器120被放置在線圈電感器120a與120b之間。電感 器110的一端耦合到接地153，且電感器U0的另一端提供單端輸出信號131。隨后通 過封裝140將單端輸出信號131提供到線141。線141接著經由線154耦合到放大器151。 位于印制電路板(PCB) 150內的放大器151耦合到接地153，且將輸出提供到天線152。
電路100的操作
起初，當差分晶體管對137a、 137b在其各自柵極或基極135a、 135b上接收到輸入 信號RFIN-和RFIN+時，由晶體管對137a、 137b在極廣的頻帶上(例如，在l MHz與 1 GHz之間)放大所述信號，且將所述信號提供到差分輸出引腳133a、 133b。然而，電 感器120和電容器132形成儲能電路，其限制將基于儲能電路的諧振頻率而被放大的信 號的頻帶，其中由以下方程式界定所述諧振頻率
<formula>formula see original document page 5</formula>術語"LC儲能"和"儲能電路"可互換使用，且希望是能夠獲得所接收的能量并 將此能量交替地存儲在電感器和電容器(例如，電路100的電感器120和電容器132)中的電路。儲能電路接著產生輸出波，使得(例如)在電路100中，當電容器132放電 時，在電感器110或120周圍產生最大磁場，其中最初存儲在電容器132中的能量接著 全部存儲在電感器IIO或120的磁場中。因此，通過選擇電感器120和電容器132的適 當值，處于某一指定頻率范圍內的信號將被放大，且在所述范圍之外的信號(即，噪聲) 將不被放大。
將DC偏壓施加到端子155以維持電感器120處于DC電壓電平(例如，3伏)，以 用于在振蕩期間放大信號，同時還允許電感器120的端子155處于AC接地。電感器120 存儲磁能且電容器132存儲電能。儲能電路的操作提供儲能電路的諧振頻率處或附近處 的放大。
電感器120接著與電感器IIO協(xié)作以提供單端RF輸出信號131。電感器120和電 感器110包括平衡/不平衡電感器(BIMI)布置。電感器120被稱作平衡電感器，因為 其接收和輸出差分信號。電感器UO被稱作不平衡電感器，因為其接收差分信號但輸出 單端信號。在此實施例中，經由磁性耦合將來自電感器120的磁能轉移到電感器110。 電感器IIO接著將其磁能轉換為單端輸出信號131。這樣做，將差分輸入信號轉換為單 端輸出信號。
圖1的電路IOO具有優(yōu)于常規(guī)差分放大器電路的若干優(yōu)點。舉例來說，在電路100 屮，不需要常規(guī)BALUN或物理上存在于芯片區(qū)域(即，IC側140)中，因為BIMI布 置提供BALUN的功能性。此外，不平衡電感器IIO經布置在芯片的先前未使用區(qū)域上， 位于電感器線圈120a、 120b之間，進而不需要任何新的芯片占據區(qū)域。另外，BIMI和 儲能電路可經調諧以提供電感器120與IIO之間的電流隔離，以提供最佳諧振頻率響應， 還提供節(jié)點133a和133b與放大器151的輸入的阻抗匹配。此調諧是利用業(yè)界標準電路 建模工具來實現(xiàn)，所述工具例如基于所要的諧振頻率來匹配電感器120和電容器132。
通過將電容器132和電感器120的所要電容和電感值提供到電路建模工具中，所述 工具將基于這些值提供儲能電路的適當諧振頻率。類似地，電路建模工具可基于電感器 110和120以及電容器132的所要特性而在所述諧振頻率處提供阻抗匹配特性。最終， 所述工具也可用以基于接收到不同類型的電感器的特性而提供電感器110和120的最佳 電流隔離?？捎靡哉{諧的實例性工具為由安捷倫技術生產的高級設計系統(tǒng)(ADS) 2005。
在電流上隔離的平衡和不平衡電感器
在一個實施方案中，電感器110經布置在電感器120線圈部分120a、 120b之間， 使得電感器IIO與其在電流上隔離。即，電感器IIO與電感器部分120a、 120b隔離，使 得在電感器UO與電感器線圈120a、 120b之間不可能存在介電短路。在一個實施例中，通過電路建模和電路模擬技術來實現(xiàn)電流隔離。 未使用芯片區(qū)域上的BIMI布置
在另一實施方案中，電感器110位于電路100上的未使用電感器空間內，且經布置 以使得最小地影響電感器120的性能，其在一個實施例中是通過電路建模和電路模擬技 術來實現(xiàn)。
阻抗匹配能力
在另一實施方案中，BIMI布置還可提供晶體管137a、137b的輸出(其為133a、 133b) 與功率放大器151的輸入之間的阻抗匹配。在一個實施例中，BIMI布置的阻抗匹配是 通過電路建模和電路模擬技術來實現(xiàn)。
因此，如之前所提及，接收差分信號135a、 135b，且利用BIMI布置，基于儲能電 路的頻率選擇性來將其直接轉換為所得的單端輸出信號131。在操作上，根據各種實施 方案的本發(fā)明部分通過在將信號從差分轉換為單端結果的過程中減少能量轉移事件的 數目，而執(zhí)行單一能量轉移，進而減少與能量轉移相關聯(lián)的損耗。
用于直接轉換差分信號的過程
圖2陳述一方法實施例的流程圖。所述方法開始于210，其屮在220處接收到差分 信號，例如，RFIN-和RFIN+。接下來，經由步驟230，利用儲能電路與晶體管的組合 (例如，其在圖1中包含耦合到第一電感器120的電容器132與晶體管137a、 137b的組 合)來放大差分信號。最終，經由步驟240，利用BIMI布置來提供單端信號。在圖1 中，BIMI布置包含電感器IIO和120。
結論
本發(fā)明的各種實施方案克服此領域中的限制和低效， 一個實施方案或另一實施方 案i)包括單一轉移方法，其中使電感器彼此在電流上隔離，以用于有效地且實際上將 傳入差分信號轉換為單端信號，而不產生中間的差分信號或直流信號；ii)消耗較少的 如BALUN或集成BALUN芯片類型解決方案可能需要的有效芯片區(qū)域(g卩，占據區(qū)域)， 而不會降低或影響與其相關聯(lián)的晶體管的性能特性或操作點；iii)不需要使用物理上單 獨的BALUN或集成到芯片側上或集成在其中的BALUN;以及iv)通過具有部分歸因
于較少的能量轉換轉移的較少損耗而比傳統(tǒng)方法更有效地執(zhí)行。
本發(fā)明的各種實施方案進一步克服傳統(tǒng)的基于BALUN的設計的限制、能量損耗， 以及與由于常規(guī)方法和替代地將BALUN集成到"芯片上"側而需要的占據區(qū)域和轉換 轉移相關聯(lián)的費用。
各種實施方案可用于(例如)各種半導體裝置和/或集成電路中，包含(但不限于)無線裝置、傳輸器、接收器、或收發(fā)器或類似物，且其用途將在本發(fā)明的精神和范圍內。 此外，各種實施方案可用于電子系統(tǒng)或類似物中，且其用途將在本發(fā)明的精神和范圍內。 除了所描述的過程和本發(fā)明的實施方案之外，本發(fā)明也可用于電子裝置、電路、晶片組 合件、高密度互連、集成電路和含有相同或類似應用和用途的其它類型裝置。
盡管已根據所展示的實施例描述了本發(fā)明，但所屬領域的技術人員將容易認識到， 可存在所述實施例的變化，且這些變化將在本發(fā)明的精神和范圍內。因此，在不脫離所 附權利要求書的精神和范圍的情況下，所屬領域的技術人員可進行許多修改。
權利要求
1.一種差分放大器，其包括晶體管對，其用于接收差分信號；儲能電路，其耦合到所述晶體管對，所述儲能電路包含第一電感器和一個或一個以上電容器；以及第二電感器，其磁性耦合到所述第一電感器以形成平衡/不平衡電感器(BIMI)布置，其中所述BIMI布置直接將所述差分信號轉換為單端信號。
2. 根據權利要求1所述的差分放大器，其中所述第一電感器包括平衡電感器，且所述 第二電感器包括不平衡電感器。
3. 根據權利要求2所述的差分放大器，其中所述第二電感器布置在所述第一電感器的 第一與第二線圈之間。
4. 根據權利要求1所述的差分放大器，其中所述第一電感器和所述第二電感器彼此在 電流上隔離。
5. 根據權利要求1所述的差分放人器，其中所述第二電感器在電流上經布置以便使所 述電感器不導電。
6. 根據權利要求1所述的差分放大器，其中所述BIMI布置將磁能轉換為單端電信號。
7. 根據權利要求6所述的差分放大器，其中所述單端信號的轉移在作為RFOUT信號 輸出之前首先橫越芯片側，接著橫越封裝側，且最終到板側。
8. 根據權利要求1所述的差分放大器，其中通過與所述第二電感器以可連接方式布置 的放大器接收RF OUT信號。
9. 根據權利要求8所述的差分放大器，其中所述放大器將經放大的單端信號傳遞到經 連接的天線。
10. 根據權利要求1所述的差分放大器，其中所述經放大的單端信號被直接提供到天 線。
11. 根據權利要求9所述的差分放大器，其中所述放大器在半導體裝置內。
12. 根據權利要求11所述的差分放大器，其中所述半導體裝置包括無線裝置、傳輸器、 接收器和收發(fā)器中的任一者。
13. 根據權利要求9所述的差分放大器，其中所述放大器在電子系統(tǒng)內。
14. 根據權利要求1所述的差分放大器，其中DC偏壓被施加到所述第一電感器，且所 述第一電感器處于AC接地。
15. 根據權利要求l所述的差分放大器，其中所述BIMI布置提供所述差分晶體管與放 大器的輸入之間的阻抗匹配。
16. —種用于在將差分信號轉換為單端信號的過程中減少能量轉移損耗的方法，其包 括提供經放大的差分信號，以及通過提供平衡/不平衡電感器(BIMI)布置而直接將所述經放大的差分信號轉換 為單端信號。
17. 根據權利要求16所述的方法，其中所述提供步驟包括產生差分信號；以及放大所述產生的差分信號以提供經放大的差分信號，其中由儲能電路提供所述經 放大的差分信號。
18. 根據權利要求16所述的方法，其中所述直接轉換步驟包括將來自所述儲能電路的所述磁能轉換為單端電信號。
19. 根據權利要求16所述的方法，其中由與所述儲能電路以可連接方式布置的放大器接收所述單端信號，且將所述單端電路傳遞到經連接的天線。
20. 根據權利要求16所述的方法，其中所述單端信號被提供到經連接的天線。
21. 1巾實現(xiàn)差分放大器的方法，其包括接收差分信號，利用儲能電路放大所述差分信號，其中所述儲能電路包含第一電感器和一個或一個以上電容器；以及通過利用平衡/不平衡電感器(BIMI)布置而將所述經放大的差分信號轉換為單 端信號，其中所述BIMI布置包括磁性耦合到第二電感器的所述第一電感器。
22. 根據權利要求21所述的方法，其中所述放大步驟包括使所述第一電感器和所述第 二電感器彼此在電流上隔離。
23. 根據權利要求21所述的方法，其中所述轉換步驟包括通過所述BIMI布置將來自 所述儲能電路的所述磁能轉移為電能。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有單端輸出的差分放大器。本發(fā)明揭示用于將差分信號轉換為單端信號的各種實施例。所述實施例包括用于接收差分信號的晶體管對；以及耦合到所述晶體管對的儲能電路。所述儲能電路包含第一電感器和一個或一個以上電容器。所述實施例還包含第二電感器，其磁性耦合到所述第一電感器以形成平衡/不平衡電感器(BIMI)布置。所述BIMI布置直接將所述差分信號轉換為單端信號。
文檔編號H03F3/45GK101409534SQ200810161840
公開日2009年4月15日 申請日期2008年10月9日 優(yōu)先權日2007年10月10日
發(fā)明者薩米爾·埃利亞斯·埃爾拉伊 申請人:愛特梅爾公司