CN103973261B - 一种高频宽衰减范围有源可变衰减器电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高频宽衰减范围有源可变衰减器电路，由以下部分组成：一个共射级输入电路，完成电路高频信号的输入；一个电流舵结构作为衰减负载，控制信号直接控制电流舵工作状态，调节电路衰减量；两个并联场效应管用于提供有效信号低阻泄放通路，场效应管偏置于深线性状态，消耗少量面积实现可变电阻；两个电容用于消除电路互连线在高频时的寄生电感；实现高频信号有效泄放，衰减。本发明的有益效果是提供一种有源可变衰减器，易于集成，成本低。

Description

一种高频宽衰减范围有源可变衰减器电路

技术领域

本发明属于有源可变衰减技术领域，涉及一种高频宽衰减范围有源可变衰减器电路。

背景技术

当前，射频/微波通信系统集成电路技术领域中，自动增益控制系统、超宽带射频/微波通信系统、电子对抗系统、相控阵系统大量使用了可变衰减器，完成对信号幅度的衰减。当前较为成熟的单芯片数控衰减器采用GaAs单片微波集成电路技术实现,性能良好但是工艺成品率低,成本高,并且难以实现系统集成。采用BiCMOS工艺可以在成本、性能、集成度获得较好的折衷。

当前衰减器主流实现方案是采用无源衰减网络，结构成熟可以获得较好性能。但是无源衰减网络实现衰减器也存在较多弊端，首先无源衰减网络使用大量无源器件，占用大量芯片面积，成本较高；其次在集成电路制造工艺中无源器件难以获得良好精度，最终影响电路整体性能。再次大量使用无源器件使得寄生效应分析变得较为困难。在一定程度上增加了设计风险。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高频宽衰减范围有源可变衰减器电路，解决了现有的衰减器采用无源衰减网络不易集成、成本高的问题。

本发明所采用的技术方案是由以下部分组成：

一个共射级输入电路，完成电路高频信号的输入；

一个电流舵结构作为衰减负载，控制信号直接控制电流舵工作状态，调节电路衰减量；

两个并联场效应管用于提供有效信号低阻泄放通路，场效应管偏置于深线性状态，消耗少量面积实现可变电阻；

两个电容用于消除电路互连线在高频时的寄生电感；实现高频信号有效泄放，衰减。

进一步，双极管Q1与双极管Q2，双极管Q1与双极管Q2的发射级分别通过IB接地，双极管Q1与双极管Q2的基极分别连接外部射频输入信号，双极管Q1的集电极、双极管Q3的发射极、双极管Q4的发射极和场效应管M1的源级连接在一起，双极管Q2的集电极、双极管Q5的发射极、双极管Q6发射极和场效应管M2的源级连接在一起，场效应管M1的栅极连接双极管Q4的基极并且与外部的衰减控制信号相连，接收衰减控制信号，场效应管M2的栅极连接双极管Q5的基极并且与外部的衰减控制信号相连，双极管Q3与双极管Q6的基极分别与外部衰减控制信号相连，双极管Q3和双极管Q6的集电极分别连接外部设备进行信号输出，双极管Q3和双极管Q6的集电极还分别通过负载连接电源正极，场效应管M1和场效应管M2的漏极分别连接电源正极。

进一步，所述双极管Q4集电极与所述场效应管M1漏极与电容C1一端相连在一点，所述双极管Q5集电极与所述场效应管M2漏极与电容C2一端相连在一点，电容C1和电容C2另一端分别连接电源正极。

本发明的有益效果是提供一种有源可变衰减器，易于集成，成本低。

附图说明

图1为本发明的结构原理图；

图2为传统电流舵工作于高频段泄放通路的寄生电感效应示意图；

图3为本发明提出的用于高频衰减的新型电流舵结构；

图4为本发明的整体电原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明所采用的技术方案是采用共射极输入电路1及电流舵结构2包括：

一个共射级输入电路1，完成电路高频信号的输入；

一个电流舵结构2作为衰减负载，控制信号直接控制电流舵工作状态，调节电路衰减量；

两个并联场效应管用于提供有效信号低阻泄放通路，场效应管偏置于深线性状态，消耗少量面积实现可变电阻；

两个电容用于消除电路互连线在高频时的寄生电感；实现高频信号有效泄放，衰减。

如图4所示，本发明的电路连接方式为本发明两个电流舵结构连接在输入双极管的集电极作为输入管的负载。输入信号由双极管的基极输入。控制信号一段连接在双极管Q3、Q6的基极。控制信号另一端连接在Q4和M1、Q5和M2的基极和栅极。输出信号连接在Q3和Q6的集电极。具体电路包括双极管Q1与双极管Q2，双极管Q1与双极管Q2的发射级通过IB接地，其中IB是电流源，具体实现方式很多，双极管Q1与双极管Q2的基极分别连接外部射频输入信号，双极管Q1的集电极、双极管Q3的发射极、双极管Q4的发射极和场效应管M1的源级连接在一起，双极管Q2的集电极、双极管Q5的发射极、双极管Q6发射极和场效应管M2的源级连接在一起，场效应管M1的栅极连接双极管Q4的基极并且与外部的衰减控制信号相连，接收衰减控制信号；ΔV控制信号是指两条线上的电压差，会有主控制信号产生电路产生这个信号。场效应管M2的栅极连接双极管Q5的基极并且与外部的衰减控制信号相连；双极管Q3与双极管Q6的基极分别与外部衰减控制信号相连；双极管Q3和双极管Q6的集电极连接外部设备进行信号输出，双极管Q3和双极管Q6的集电极还通过负载连接电源正极。本发明在传统电流舵的基础上提出一种新型结构，增加场效应管M1，其栅极与双极管Q4基极连接，接收衰减控制信号；如图3所示，场效应管M1漏极与电路正极连接，场效应管M1源极与Q3、Q4发射级连接，场效应管M1偏置于深线性区，深线性区是MOS管的一种工作状态，在这种工作状态下可以当成一个可变电阻使用。这里使用MOS管做电阻避免了无源电阻器件的使用，在控制信号的作用下改变导通电阻，这里使用MOS管做电阻避免了无源电阻器件的使用，以较小的面积实现一个可变电阻。形成一条新的信号泄放通路。实现对信号更好的衰减。

本发明在上述改进电流舵基础上进一步增减电容C1、C2，双极管Q4集电极与所述场效应管M1漏极与电容C1一端相连在一点，双极管Q5集电极与所述场效应管M2漏极与电容C2一端相连在一点，电容C1和电容C2另一端分别连接电源正极。电容C1、C2被连接线短路，这样的结构在低频时对信号无影响。在高频时对于泄放通路提供了更好的对地泄放通路实现信号的有效的泄放。电容的加入在解决了电路在高频无法实现大衰减量的确定。以较小的面积开销实现了电路大衰减范围。作为本发明的重要部分电容C1、C2采取一种创新的思路短接于导线两端，解决了出现在射频集成电路中的寄生电感带来的弊端。

如图3所示，本发明中Q3、Q4晶体管在控制电压ΔV控制下实现电流的分流。通过改变电流流经有效负载R1的比例实现对信号不同程度的保留。实现衰减器的衰减功能。

如图2所示为传统的电流舵结构，在传统的电流舵基础上，增加偏置于线性区的场效应管，场效应管M1的源极和漏极与双极管Q4并联，栅极接受与双极管Q4一样的信号。增强了衰减通路泄放信号的能力。并增加了短路电容C1，解决了图2所示导线在高频时的寄生电感带来的泄放通路阻塞的问题。电容C1被连接线短路，这样的结构在低频时对信号无影响，因为低频时电容阻抗无限大相当于开路，在高频时对于泄放通路提供了更好的对地泄放通路实现信号的有效的泄放。电容的加入在解决了电路在高频无法实现大衰减量的确定。以较小的面积开销实现了电路大衰减范围。电容C1采取一种创新的思路短接于导线两端，解决了出现在射频集成电路中的寄生电感带来的弊端。双极管Q3、Q4在控制电压ΔV控制下实现电流的分流。通过改变电流流经有效负载R1的比例实现对信号不同程度的保留。实现衰减器的衰减功能。

本发明使用少量无源器件实现宽衰减范围的衰减，从而减少芯片面积。该有源衰减器包含两部分：共射极放大部分和用于衰减状态调节的新型电流舵部分；第一部分是传统的共射极放大电路，射频信号由此输入。第二部分电流舵结构在传统电流舵结构基础上增加M1与Q4并联。提供更低阻抗的泄放通路。增加电容C1，连接在Q4集电极、M1漏极和交流信号之间，消除高频状态下互连线寄生电感带来的影响。更好的完成信号的衰减。本发明可以基于有源电路完成对射频信号更好的衰减，实现更宽的衰减范围。

本发明可以用于超宽带/微波通信系统、自动增益控制系统、相控阵系统、电子对抗系统中对信号幅度实现衰减的功能模块。为了解决GaAs工艺以及无缘衰减网络带来的技术弊端，本发明基于BiCMOS工艺提出了一种高频宽衰减范围有源衰减器。本发明可以满足当前射频集成电路片上系统的发展要求。本发明提高了电路成品率，降低了电路所需芯片面积，降低了电路设计风险。同时本发明提出一种新的电路结构，提高了衰减范围以及高频衰减特性。本发明衰减器基于BiCMOS工艺，由双端共射极放大电路、改进电流舵组成。射频信号由共射极双极型晶体管基极输入，衰减控制信号施加到电流舵结构，通过电流舵结构分流作用实现衰减量的控制。采用一种新型电流舵结构作为共射极的负载，电路采取有源器件实现衰减器功能。

本发明与现有技术相比有以下优点：

1.与无源衰减器采用大量无源器件相比，本发明电路方案采用有源方案，使用少量无源器件。节省了大量面积，降低了电路成本。

2.有源衰减器的设计复杂度低于无源衰减器。无源衰减器需要对多条衰减路径分别设计调试，设计复杂度较高。

3.制造精度高，可实现性强。集成电路生产工艺中，无源器件的精度较有源器件低。

4.本电路采用新型电流舵结构具有更好的衰减功能。与传统电流舵相比，本发明中电流舵有更好的信号泄放通路。解决了高频时寄生电感的影响。

5.衰减控制信号通过控制电流舵结构分流实现衰减控制；所述电路未改变电路整体偏置，不改变电路整体寄生效应的体现，在较宽的频域获得更加一致的频域响应。

6.电流舵结构为改进型电流舵结构；改进结构较传统电流舵在可以实现对信号更好的泄放，更加适用于衰减电路；增加场效应管与泄放双极管并联实现低阻通路，实现对信号更好的泄放；

7.在泄放通路上增加电容C1、C2与互连线并联，为高频信号提供更好的对地通路，消除了电路实现中互连线的寄生电感带来的泄放通路阻抗变高的缺陷。

8.衰减控制信号控制电流舵结构内部电流分流，不改变电路整体偏置状态，电路可在不同衰减状态实现更好线性度。

9.衰减控制信号控制电流舵结构内的电流分流；未改变整整体电路偏置，可以保证电路在不同衰减状态下的频域响应的一致性；获得良好的高频衰减性能。

Claims (1)

1.一种高频宽衰减范围有源可变衰减器，其特征在于由以下部分组成：

一个共射级输入电路(1)完成电路高频信号的输入，其包括双极管Q1与双极管Q2；双极管Q1与双极管Q2的发射级分别通过尾电流源IB接地，双极管Q1与双极管Q2的基极分别连接外部射频输入信号；

一个电流舵结构(2)作为衰减负载，衰减控制信号直接控制电流舵工作状态，调节电路衰减量，其包括双极管Q3、双极管Q4、双极管Q5、双极管Q6、场效应管M1、场效应管M2、电容C1、电容C2和两个电阻负载；双极管Q4集电极与场效应管M1漏极与电容C1一端相连在一点，双极管Q5集电极与场效应M2漏极与电容C2一端相连在一点，电容C1和电容C2另一端分别连接电源正极，场效应管M1的栅极、双极管Q4的基极与场效应管M2的栅极、双极管Q5的基极相连在一点并且与外部衰减控制信号的一端相连，双极管Q3与双极管Q6的基极相连在一点并且与外部衰减控制信号的另一端相连，双极管Q3和双极管Q6的集电极分别连接外部设备进行信号输出，双极管Q3和双极管Q6的集电极还分别通过负载连接电源正极，场效应管M1和场效应管M2的漏极分别连接电源正极；

双极管Q1的集电极、双极管Q3的发射极、双极管Q4的发射极和场效应管M1的源级连接在一起，双极管Q2的集电极、双极管Q5的发射极、双极管Q6发射极和场效应管M2的源级连接在一起；

两个并联场效应管用于提供有效信号低阻泄放通路，场效应管偏置于深线性状态，消耗少量面积实现可变电阻；

两个电容用于消除电路互连线在高频时的寄生电感，实现高频信号有效泄放、衰减。