高精度、低附加相移數(shù)控衰減器設(shè)計(jì)

張 磊

（海軍裝備部駐南京地區(qū)第三代表室，江蘇 南京 210001）

0 引 言

衰減器作為移動(dòng)通信、相控陣?yán)走_(dá)等系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊，其性能的好壞將直接影響系統(tǒng)的工作性能。隨著工藝節(jié)點(diǎn)的不斷減小和人們對(duì)芯片集成度要求的不斷提高，小尺寸、高性能的多位數(shù)控衰減器成為當(dāng)今學(xué)術(shù)研究與工程應(yīng)用的研究熱點(diǎn)。數(shù)控衰減器由多位衰減量不同的單元級(jí)聯(lián)組成，并通過外部信號(hào)控制衰減器的實(shí)際衰減量，以實(shí)現(xiàn)高精度、低附加相移等高性能指標(biāo)。該結(jié)構(gòu)具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可移植性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

1 電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的6位數(shù)控衰減器由0.5 dB、1 dB、2 dB、4 dB、8 dB、16 dB衰減位級(jí)聯(lián)組成，以0.5 dB為衰減步進(jìn)，實(shí)現(xiàn)最大31.5 dB的衰減量。0.5 dB和1 dB衰減單元采用插損小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的簡(jiǎn)化T型結(jié)構(gòu)，2 dB采用回波損耗較好的橋T型結(jié)構(gòu)，4 dB、8 dB則采用適合大位衰減的Π型結(jié)構(gòu)[1]。由于衰減量大，開關(guān)內(nèi)嵌式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無法較好地實(shí)現(xiàn)更大的衰減量，因此16 dB采用開關(guān)路徑式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[2]。電路原理如圖1所示。

圖1 衰減單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.1 電容補(bǔ)償和電感補(bǔ)償

以Π型開關(guān)內(nèi)嵌式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例，分析其在參考態(tài)和衰減態(tài)的工作原理。2種工作狀態(tài)的等效電路分別如圖2所示。

圖2 Π型開關(guān)內(nèi)嵌式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等效電路

如圖2（a）所示，當(dāng)衰減器工作在參考態(tài)時(shí)，串聯(lián)金屬-氧化物-半導(dǎo)體（Metal Oxide Semiconductor，MOS）場(chǎng)效應(yīng)晶體管導(dǎo)通，并聯(lián)MOS管斷開。在理想開關(guān)狀態(tài)下，信號(hào)從輸入端通過MOS管導(dǎo)通電阻Ron1徑直到達(dá)輸出端，沒有到地衰減路徑，此時(shí)信號(hào)插損僅由導(dǎo)通電阻Ron1和電阻R1引入。但是，由于截止電容Coff2的存在，部分高頻信號(hào)將通過電阻R2和Coff2泄漏到地，參考態(tài)插損增大，同時(shí)衰減器的相對(duì)衰減量減小。隨著信號(hào)頻率的升高，截止電容引入的衰減誤差更大。如圖2（b）所示，當(dāng)衰減器工作在衰減態(tài)時(shí)，串聯(lián)MOS管斷開，并聯(lián)MOS管導(dǎo)通。此時(shí)，信號(hào)路徑中出現(xiàn)到地衰減路徑，部分信號(hào)通過導(dǎo)通電阻Ron2和電阻R2泄漏到地，使得信號(hào)產(chǎn)生衰減。由圖2（b）可知，截止電容Coff1使衰減態(tài)電路成為高通特性電路，與參考態(tài)相比相位超前。

為了解決截止電容引入的衰減誤差和附加相移，本文采用改進(jìn)的Π型衰減器結(jié)構(gòu)。電路引入電容補(bǔ)償和電感補(bǔ)償，原理圖及其參考態(tài)/衰減態(tài)等效電路圖如圖3所示[3-4]。

圖3 改進(jìn)的的Π型衰減器

電路通過分別在并聯(lián)支路上引入高通特性電路和在串聯(lián)支路上引入低通特性電路，抵消截止電容Coff1引入的附加相移。電感面積較大且會(huì)與截止電容形成帶通網(wǎng)絡(luò)，限制電路帶寬。因此，設(shè)計(jì)中盡量避免采用電感補(bǔ)償附加相移。8 dB衰減單元中衰減量過大，僅依靠電容補(bǔ)償無法滿足附加相移要求，因此電路引入電感補(bǔ)償。隨著補(bǔ)償電容的引入，在高頻部分信號(hào)衰減量的變化量會(huì)逐步增大，一定程度上會(huì)影響頻帶平坦度，因此設(shè)計(jì)時(shí)需要選擇合適的Ls和Cp。

1.2 體懸浮技術(shù)

晶體管的開關(guān)性能將直接影響衰減器的工作性能，因此引入體懸浮技術(shù)[5]，即在MOS開關(guān)管的柵極和襯底串聯(lián)一個(gè)十幾乃至幾十千歐姆的大電阻，如圖4（a）所示。圖4（b）和圖4（c）分別展示了MOS開關(guān)管在參考態(tài)和截止態(tài)的等效電路圖?？梢钥闯?，在高頻段，信號(hào)通路到柵極和襯底之間存在泄漏通路，將直接影響衰減器的插入損耗，且影響開關(guān)的隔離度。同時(shí)，MOS開關(guān)的非線性主要來源于導(dǎo)通電阻隨電壓差Ugs和Ubs的變化。通過在柵極和襯底串聯(lián)大電阻，使得柵極電壓和襯底電壓處于懸浮態(tài)。當(dāng)大信號(hào)電壓通過時(shí)，Ugs和Ubs保持恒定不變，從而提高M(jìn)OS開關(guān)管的線性度。

圖4 MOS開關(guān)管和等效電路

2 仿真結(jié)果及芯片面積

設(shè)計(jì)采用0.13 μm雙極的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor，BiCMOS）工藝，核心電路尺寸為550 μm×175 μm，芯片電壓1.5 V，工作頻率27～32 GHz。圖5展示了電路在頻帶內(nèi)的仿真結(jié)果，其中分別為衰減誤差均方根曲線和附加相移曲線與輸入輸出的回波損耗。由仿真曲線圖可以看出，衰減誤差均方根最大為0.216 dB，最大附加相移為-3°～2°，輸入和輸出的回波損耗均小于-20 dB。

圖5 衰減器的仿真結(jié)果

3 結(jié) 論

本文在0.13 μm BiCMOS工藝下設(shè)計(jì)了一款用于相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的高性能6位數(shù)控衰減器，以0.5 dB作為衰減步進(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)31.5 dB的最大衰減范圍，衰減誤差均方根小于0.216 dB，附加相移小于6°，插入損耗小于8.2 dB，回波損耗小于-20 dB。