基于片上变压器的数控有源微波/毫米波带通滤波器的制作方法

本发明涉及电子设备、电子器件技术领域，特别是一种基于片上变压器的数控有源微波/毫米波带通滤波器。

背景技术：

从上个世纪六十年代以来，微波/毫米波通信技术广泛应用于卫星通信、雷达、制导等领域。近年来，随着硅基半导体技术进入深亚微米后，晶体管的本征频率突破100ghz甚至到达300ghz，微波/毫米波通信在民用领域不断找到了新的应用场景，如5g毫米波通信、24ghz/77ghz汽车雷达等。有源微波/毫米波带通滤波器作为微波/毫米波射频前端系统的一个核心电路模块，决定了系统的选频、抑制带外频谱等特性。

与低频段的有源带通滤波器相比，微波/毫米波频段的有源带通滤波器的设计难度大，电路结构及设计方法也有所不同。传统的低频有源带通滤波器是基于运算放大器的rc滤波器，而微波/毫米波有源带通滤波器通常是基于电感电容和a类放大器的滤波器。

技术实现要素：

本发明的目的在于：基于片上变压器的数控有源微波/毫米波带通滤波器，它包括两个不同振荡频率的lc振荡器，因此具有双极点特性，其对带外信号的抑制能力强于传统的单个lc振荡器构成的滤波器。

本发明通过如下技术方案实现：基于片上变压器的数控有源微波/毫米波带通滤波器，其特征在于：它包括

变压器，为基于半导体工艺的片上变压器；

有源器件，主要由晶体管组成的放大器电路，该放大器的输出电容与片上变压器的一个端口节点连接构成原边lc振荡器；

数控电容阵列，与片上变压器的另一端口节点连接构成副边lc振荡器；

原边lc振荡器以及副边lc振荡器的振荡频率随着数控电容阵列的等效电容值的变化而变化。

较之前技术而言，本发明的有益效果为：

1、本发明的带通滤波器由两个不同振荡频率的lc振荡器构成，因此具有双极点特性，其对带外信号的抑制能力强于传统的单个lc振荡器构成的滤波器。

2、本发明所提的构成器件，如电容、开关、变压器等可由现代半导体工艺实现，具有集成度高的特点，适用于半导体集成电路设计。

附图说明

图1为基于片上变压器的数控有源微波/毫米波带通滤波器的电路框图；

图2为有源器件的电路结构，其中(a)为实施例1的电路结构，(b)为实施例2的电路结构，(c)为实施例3的电路结构，(d)为实施例4的电路结构；

图3为本发明带通滤波器的传输特性曲线。

具体实施方式

下面结合附图说明对本发明做详细说明：

如图1所示：基于片上变压器的数控有源微波/毫米波带通滤波器，其特征在于：它包括

变压器，为基于半导体工艺的片上变压器；

有源器件，主要由晶体管组成的放大器电路，该放大器的输出电容与片上变压器的一端口节点连接构成原边lc振荡器；

数控电容阵列，与片上变压器的另一端口节点连接构成副边lc振荡器；

原边lc振荡器以及副边lc振荡器的振荡频率随着数控电容阵列的等效电容值的变化而变化。(需要说明的是，上述原边或者副边的表述是我们为了区分变压器两边而做的一个定义，主要是从信号走向的方向来定义，信号流入端称为原边，信号流出端为副边，但反过来，把信号流入端定义为副边也没有问题。)本发明所提的变压器为基于半导体工艺的片上电感，通常由半导体工艺的金属连线层来制作，由两个差分电感构成，与有源器件连接的那端的差分电感应具有中心抽头，另一端的差分电感的中心抽头则由具体的电路结构和应用决定。该片上变压器可以有多种形状，如方形、八边形、圆形等，片上变压器的结构也可以有多种组合，例如原边的差分电感可以是位于金属层n层的带有中心抽头的平面电感，而副边的差分电感可以是位于金属层n-k、n或n+k层的平面电感(k为大于0的整数)，即副边电感可位于原边电感的正上方、同一平面或正下方，原边与有源器件构成的放大器模块相连，副边与电容阵列相连。

从图1中可以看出vp1和vp2为变压器的一端，vs1和vs2为变压器的另一端。vp1和vp2可为变压器的原边节点，vp1和vp2可为变压器的副边节点，vp1可与vs1为同名端，vp1可与vs1也可以为异名端。

有源器件的电路结构可以有以下几种实施例：

实施例1

如图2(a)所示：有源器件的电路结构如下：

它包括晶体管m1和晶体管m2，两个晶体管连接组成了差分放大器；

其中，晶体管m1的a端连接输入端vip，晶体管m1的b端连接片上变压器原边节点的输出端vp1，晶体管m2的a端连接输入端vin，晶体管m1的b端连接片上变压器原边节点的输出端vp2，晶体管m1的c端和晶体管m2的c端连接到公共地端。

实施例2

如图2(b)所示：有源器件的电路结构如下：

它包括晶体管m1、晶体管m2以及尾电流源i1，两个晶体管和一个尾电流源组成的差分放大器；

其中，晶体管m1的a端连接输入端vip，晶体管m1的b端连接片上变压器原边节点的输出端vp1，晶体管m2的a端连接输入端vin，晶体管m1的b端连接片上变压器原边节点的输出端vp2，晶体管m1的c端和晶体管m2的c端连接到尾电流源i1的输出端，尾电流源i1的另一端连接到地。

实施例3

如图2(c)所示：有源器件的电路结构如下：

它包括晶体管m1、晶体管m2、晶体管m3以及晶体管m4，四个晶体管组成的差分放大器；

晶体管m1的a端连接输入端vip，晶体管m1的b端连接晶体管m3的c端；晶体管m2的a端连接输入端vin，晶体管m2的b端连接晶体管m4的c端；晶体管m1的c端和晶体管m2的c端连接到公共地端；晶体管m3的b端连接到变压器原边节点的输出端vp1，晶体管m4的b端连接到变压器原边节点的输出端vp2；晶体管m3的a端和晶体管m4的a端连接到公共端vb端。

实施例4

如图2(d)所示：有源器件的电路结构如下：

它包括晶体管m1、晶体管m2、晶体管m3、晶体管m4以及尾电流源i1，四个晶体管和尾电流源组成的差分放大器；

晶体管m1的a端连接输入端vip，晶体管m1的b端连接晶体管m3的c端；晶体管m2的a端连接输入端vin，晶体管m2的b端连接晶体管m4的c端；晶体管m1的c端和晶体管m2的c端连接到尾电流源i1的输出端，尾电流源i1的另一端连接到公共地端；晶体管m3的b端连接到变压器原边节点的输出端vp1，晶体管m4的b端连接到变压器原边节点的输出端vp2；晶体管m3的a端和晶体管m4的a端连接到公共端vb端。

实施例1-4中所述的晶体管为基于硅材料的cmos晶体管、双极型晶体管或化合物半导体材料的晶体管(如砷化镓、氮化镓、磷化铟、碳化硅等)中的一种。以cmos晶体管为例，晶体管的a端为mos管的栅极，晶体管的b端为mos管的漏极，晶体管的c端为mos管的源极。

实施例1-4中所述的电流源可以由无源器件构成，也可以由有源器件构成，也可以由无源器件和有源器件的组合构成。

数控电容阵列主要由n组电容开关对组成，其中n大于0的整数；每组电容开关对包括电容cn、开关sn、电容cn'，电容cn、开关sn、电容cn'依序连接，电容cn与片上变压器的副边节点vs1连接，电容cn'与片上变压器的副边节点vp2连接。

电容cn的电容值可根据具体的实际应用设置成等值或具有一定的线性关系等。开关sn则可以采用晶体管。

其工作原理如下：

理想情况下，变压器的副边的等效负载电容值由开关闭合的电容开关对决定，因此通过改变闭合开关的个数可以改变电容阵列的电容值，从而改变副边lc振荡器的振荡频率；同时由于副边阻抗对原边阻抗有一定的影响，因此当副边的负载电容变化时，原边的lc振荡器的振荡频率也会发生相应的变化。由此可见可以通过编程控制电容阵列的开关，进而改变带通滤波器的通频带。由于本发明所提的带通滤波器由两个不同振荡频率的lc振荡器构成，因此具有双极点特性，其对带外信号的抑制能力强于传统的单个lc振荡器构成的滤波器。

尽管本发明采用具体实施例及其替代方式对本发明进行示意和说明，但应当理解，只要不背离本发明的精神范围内的各种变化和修改均可实施。因此，应当理解除了受随附的权利要求及其等同条件的限制外，本发明不受任何意义上的限制。