Schwerpunkte

Breitbandmischer für 3 bis 20 GHz

Mischen mit 0 dBm LO-Signal

27. Juli 2020, 15:32 Uhr   |  Xudong Wang, Bill Beckwith, Tom Schiltz, Weston Sapia und Michael Bagwell

Mischen mit 0 dBm LO-Signal
© Audrius Merfeldas - Shutterstock.com

HF-Baugruppe vor Smith-Diagramm.

Dank einer neuen Balun-Schaltung in SiGe lassen sich passive Auf- und Abwärtsmischer mit hoher Bandbreite realisieren. Sie benötigen im Betrieb einen lokalen Oszillator mit nur 0 dBm Leistung.

Für Breitbandmischer gibt es zahlreiche Anwendungen in Funk-Transceivern, Mikrowellen-Transceivern sowie Radar- und Testgeräten. Ein Mischer mit großer Bandbreite ermöglicht den Einsatz von nur einem einzigen Mischer in Funkschaltungen mit Programmierbarkeit verschiedener Funkparameter während der Übertragung.

Die fortschrittlichen siliziumbasierten Techniken wie CMOS und BiCMOS haben bewiesen, dass sie sich eignen, um leistungsfähige Mischern in relativ schmalbandigen Anwendungen zu realisieren. Äußerst wünschenswert sind jedoch Breitbandmischer, die sich mit Elementen oder Strukturen herstellen lassen, die zu IC-Fertigungstechniken und Geometrien kompatibel sind. Symmetrische Mischer gelten gegenüber asymmetrischen Mischern als bevorzugte Schaltung, da sie eine höhere Gesamtleistungsfähigkeit bezüglich Linearität, Rauschzahl und Tor-zu-Tor-Isolation bieten.

Baluns sind wichtige Komponenten, die in einfach- und doppelsymmetrischen Mischern verwendet werden, um HF-, LO- und ZF-Signale zwischen symmetrischen und asymmetrischen Schaltungen umzusetzen und anzupassen. Es ist wichtig zu wissen, dass sich Baluns mit Standard-IC-Herstellungsprozessen integrieren lassen um integrierte Breitbandmischer herzustellen.

Die hier vorgestellte, innovative Balun-Schaltung lässt sich leicht in Silizium, GaAs oder einem anderen Halbleiterprozess fertigen. Sie weist eine viel größere Bandbreite auf als eine herkömmliche Balun-Schaltung. Auf der Basis dieser breitbandigen Balun-Schaltung wurde ein leistungsfähiger Mischer für 3 bis 20 GHz in einem SiGe-BiCMOS-Prozess mit Strukturen von 0,18 μm entwickelt.

Breitbandige Balun-Schaltung

Zu den wichtigsten Leistungsdaten eines Mischers gehören die Verstärkung, die Linearität, die Rauschzahl und die Betriebsbandbreite. Die in integrierten Mischern verwendeten Baluns haben erhebliche Auswirkungen auf die Leistungsdaten des Mischers. Wesentliche Leistungsdaten eines integrierten Baluns sind der Betriebsfrequenzbereich, die Einfügungsdämpfung, das Amplituden-/Phasengleichheit, das Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR) und die Abmessungen.

Zwei gängige Balun-Schaltungen für ICs sind herkömmliche Planartransformator-Baluns [1, 2] und Marchand-Baluns [3, 4]. Beide Baluntypen zeigen gute Leistungsdaten für schmalbandige Anwendungen. Der Planartransformator-Balun besteht aus zwei eng gekoppelten Transformatoren. Die Induktivität und die Resonanzfrequenz der Spulen sind zwei wesentliche, die Bandbreite begrenzende Faktoren. Die Induktivität begrenzt die Bandbreite im unteren Frequenzbereich und die parasitäre Kapazität begrenzt zusammen mit dem asymmetrischen Abschluss an den asymmetrischen und symmetrischen Anschlüssen den Hochfrequenzbereich.

Ein Marchand-Balun besteht aus vier Viertelwellen-Übertragungsleitungen und benötigt normalerweise viel Platz auf dem Chip. Die Integration von Miniatur-Marchand-Baluns in ICs wurde mit einem Layout demonstriert, wie es für verschachtelt angeordnete Transformatoren verwendet wird. Die Bandbreite von Marchand-Baluns ist durch die erforderliche elektrische Länge jedes Leitungssegments begrenzt. Wenn die elektrische Länge weiter entfernt von der erforderlichen Viertelwellenlänge ist, werden die Amplituden- und Phasengleichheit beeinträchtigt. Im Allgemeinen ermöglicht ein gut konzipierter Transformator-Balun oder Marchand-Balun einen Frequenzbereich mit angemessenen Leistungsdaten, der dem 3- bis 4-fachen des Verhältnisses von maximaler zu minimaler Frequenz entspricht.

Schaltung für einen breitbandigen Ruthroff-Balun.
© Analog Devices

Bild 1a. Schaltung des Transformators für einen breitbandigen Ruthroff-Balun.

Planaren Anordnung der Induktivitäten eines Ruthroff-Baluns.
© Analog Devices

Bild 1b. Beispiel einer planaren Anordnung der Induktivitäten eines Ruthroff-Baluns für die Integration in einen Chip.

Es ist bekannt, dass der Ruthroff-Balun (Bild 1a) eine sehr große Bandbreite aufweist [5 – 7] und viele Baluns mit diskreten Bauteilen wurden auf der Grundlage der Ruthroff-Schaltung entwickelt. Bisher gibt es jedoch keine Anwendung einer ähnlichen Struktur für eine integrierte Mikrowellenschaltung.

Die in Bild 1a dargestellte Schaltung eines Breitband-Baluns nach Ruthroff, lässt sich in einem planaren Halbleiterprozess mit drei Spulen einfach aufbauen. Bild 1b zeigt ein Layout-Beispiel.

Für dieses Layout sind nur zwei Metalllagen erforderlich: eine dicke Metallschicht für drei verlustarme Spulen und eine Unterführungs-Metalllage (Underpass Metal Layer) für die Verbindungen zu den inneren Anschlüssen der Spulen. Wenn zusätzliche dicke Metalllagen verfügbar sind, können L1 und L3 vertikal gekoppelt werden, was zu kleineren Abmessungen und möglicherweise zu einer besseren magnetischen Kopplung zwischen L1 und L3 führt.

Die Breitbandeigenschaften profitieren von der Einfachheit der Struktur, die zu einer geringeren parasitären Kapazität führt. Für das massebezogene Signal bilden L1 und L2 einen Spannungsteiler. Das führt dazu, dass am positiven Tor des Baluns die Hälfte der Spannung des massebezogenen Signals mit der gleichen Phase anliegt. Am negativen Tor des Baluns liegt die Hälfte der Spannung des massebezogenen Signals mit einer Phasenverschiebung von 180 ° an, aufgrund des entgegengesetzten Wicklungssinns der Spulen L1 und L3.

Amplitudensymmetrie und Phasengang in der Simulation eines Breitband-Baluns.
© Analog Devices

Bild 2a. Die Simulation eines Breitband-Baluns, entsprechend der Schaltung aus Bila 1a, zeigen die sehr gute Amplitudensymmetrie und den niedrigen Phasenfehler über den Frequenzbereich 3 bis 20 GHz.

Simulation des Verlustes und des CMRR des breitbandigen Baluns.
© Analog Devices

Bild 2b. Im Frequenzbereich 3 bis 20 GHz erreicht der Balun nach Bild 1a in der Simulation ein Gleichtaktunterdrückungsverhältnis besser als 20 dB. 

Mit dem Ruthroff-Balun kann über eine sehr große Bandbreite eine ausgezeichnete Amplituden- und Phasensymmetrie erreicht werden. Bild 2 verdeutlicht die Leistungsfähigkeit in einer Simulation. Die Amplitudenasymmetrie ist die Differenz zwischen S21 und S31, und der Phasenfehler ist die Phasendifferenz zwischen S21 bzw. S31 und den gewünschten 180 °. Der vorgeschlagene Ruthroff-Balun aus Bild 1 weist eine sehr gute Amplitudensymmetrie und eine Phasendifferenz von nahezu 180 ° zwischen 3 und 20 GHz auf (Bild 2a).

Die Gleichtaktunterdrückung (Bild 2b) ist wichtig, damit ein Balun in vielen Anwendungen, wie zum Beispiel in symmetrischen Mischern und Gegentaktverstärkern, eingesetzt werden kann. Aus dem in Bild 2b gezeigten Simulationsergebnis geht hervor, dass der 3-Spulen-Balun über den Bereich von 3 bis 20 GHz ein Gleichtaktunterdrückungsverhältnis von besser 20 dB aufweist.

Wie bei der Transformator-Balun-Schaltung wird die Bandbreite des 3-Spulen-Baluns am niederfrequenten Ende durch die Induktivität und am hochfrequenten Ende durch die parasitäre Kapazität begrenzt. Wenn die Induktivität niedriger ist, wirkt sich die Lastimpedanz stärker auf die Spannungsteilung zwischen L1 und L2 für Tor 3 und die transformierte Spannung für Tor 2 aus.

Obwohl die Amplitudensymmetrie und der Phasenunterschied im niedrigen Frequenzbereich noch akzeptabel sind, erhöht sich die Einfügedämpfung. Daraus folgt, dass eine niedrigere Anschlussimpedanz oder eine höhere Induktivität der Leistungsfähigkeit im Niederfrequenzbereich zugutekommt.

Im Hochfrequenzbereich vermindert die parasitäre Kapazität zwischen L1 und L2 die Leistungsfähigkeit des Transformators und bewirkt große Phasenfehler. Ein sorgfältiges Layout, unter Berücksichtigung einer geringen parasitären Kapazität, kann den Hochfrequenzbetriebsbereich des Baluns jedoch erweitern.

Vergleich der Phasendifferenz eines herkömmlichen Baluns mit dem breitbandigen Balun.
© Analog Devices

Bild 3a. Im Vergleich der simulierten Phasendifferenz eines herkömmlichen Baluns (grüne Kurve) gegenüber dem neuen Balun (blaue Kurve) fällt der flache Verlauf der neuen Balun-Schaltung auf.

Vergleich der Amplitudensymmetrie eines herkömmlichen Baluns mit dem breitbandigen Balun.
© Analog Devices

Bild 3b Auch die Amplitudensymmetrie der neuen Balun—Schaltung (blaue Kurve) verläuft flacher als bei herkömmlichen Baluns (grüne Kurve). 

Die physikalische Größe eines integrierten Baluns begrenzt die Bandbreite am unteren Ende des Frequenzbereichs. Um zu untersuchen, ob die vorgeschlagene Balun-Struktur für die Anwendung im Niederfrequenzbereich geeignet ist, wird ein Balun für den Bereich 0,5 bis 6 GHz entwickelt und mit einem herkömmlichen transformatorbasierten Balun verglichen. Die Leistungsfähigkeit des neuen Baluns verdeutlichen die Diagramme in Bild 3.

Seite 1 von 2

1. Mischen mit 0 dBm LO-Signal
2. Integrierter breitbandiger HF-/Mikrowellen-Mischer

Auf Facebook teilenAuf Twitter teilenAuf Linkedin teilenVia Mail teilen

Verwandte Artikel

Analog Devices GmbH