CN109412554A - 一种宽带高精度数控有源衰减器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于射频微波集成电路技术领域，具体为一种宽带高精度数控有源衰减器。本发明衰减器包括六个一位的数控衰减单元和三个幅度补偿匹配电路，以及冗余的0.5dB衰减单元和1dB衰减单元用于系统性能微调整。该衰减器的衰减单元基于switched Pi/T类型的架构，衰减器通过控制MOS管开关的通断分别提供0.5、1、2、4、8、16dB的衰减；幅度补偿匹配电路由MOS开关并联电感组成，开关的导通和关断可以改变幅度随着频率变化的斜率，进而能够显著减小幅度误差；此外，该衰减器的0.5dB、1dB衰减单元中的电阻采用晶体管导通电阻代替，减小了由工艺偏差带来的误差；为便于衰减量的补充和微调，设计了冗余的0.5dB衰减单元和1dB衰减单元。

Description

一种宽带高精度数控有源衰减器
技术领域
本发明属于射频微波集成电路技术领域，具体涉及一种多功能收发组件中的宽带衰减器。可用于无线通讯、雷达探测等相关相控阵系统中。
背景技术
通常，接收机接收到的信号幅度会随着与信号源距离的变化，产生几十到几百毫伏的变化。为了保证接收机内部的信道不被幅度过大的信号阻塞，能够对信号进行处理，需要增加信号幅度控制模块。该模块用于对信号的增益进行控制，使后续模块，如移相器、混频器、低噪放等以及数字信号处理器能正常工作。可变衰减器和可变增益放大器是常用的两种模块。相比于可变增益放大器，可变衰减器具有极低的功耗、较高的线性度以及较宽的工作带宽，因此有着更为广泛的应用，传统的可变衰减器产品均采用砷化镓工艺，其电路具有低插入损耗、高线性度的优点。但是，砷化镓工艺成品率较低，加工成本较高，与广泛应用的硅工艺不兼容，这限制了其应用范围。随着硅工艺的不断改进，MOS场效应晶体管的特性得到了很大的提升，使得CMOS高性能衰减器的实现成为了可能。
数控衰减器通过开关来控制信号是否通过衰减网络以实现参考态和衰减态的切换，由于NMOS开关的非理想特性导致不同状态的信号具有较大的相位误差和幅度误差，因此很难在宽的频率范围内实现精度较高的衰减器，这就需要设计新型的补偿电路来解决此问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有较宽的频率范围、能够以较高的精度实现衰减的宽带高精度数控有源衰减器。
本发明提供的宽带高精度数控有源衰减器，是以六个一位的开关Pi/T型衰减单元级联而成的六位数控衰减器，通过数字开关控制幅度的变化，并且可以通过数控电压来调整幅度随频率变化的斜率。衰减器器的具体电路如附图1所示，其包括：
六个一位的衰减单元，三个斜率补偿匹配电路；其中，六个一位的衰减单元按照1dB、2dB、8dB、4dB、16dB和0.5dB顺序级联，构成31.5dB衰减器；三个斜率补偿匹配电路分别设置于衰减单元1dB与2dB，8dB与4dB，16dB与0.5dB之间，用于改善级间的匹配特性，从而改变幅度随频率变化的斜率；其中，衰减单元8dB和16dB采用Pi型结构，衰减单元0.5dB、1dB、2dB、4dB采用桥T型结构。
此外，在衰减单元2dB、8dB之间连接一晶体管M6到地，在衰减单元4dB、16dB之间连接另一晶体管M13到地，在不增加电路插损的情况下，增加额外的0.5dB衰减单元、1dB衰减单元，用于调整衰减器整体性能。
本发明中，衰减单元2dB、4dB、8dB、16dB采用到地电阻并联电容的结构，以减小相位误差，如附图1中的16dB衰减单元所示，电阻R11，R12分别与电容C5，C6并联。0.5dB，1dB衰减单元中的电阻采用晶体管导通电阻代替，减小了由工艺偏差带来的误差。
本发明中，所述斜率补偿匹配电路，可以采用开关并联电感的结构，如附图1中M5和L17，由于NMOS开关的寄生电容，每一级衰减单元的输入阻抗呈容性，采用电感匹配可以降低插损，且随着频率升高，降低的插损越大，开关打开时可以旁路电感，这样开关导通关断时幅度随着频率变化的斜率就会改变。给开关串联电阻可以降低开关的作用，如附图1中的R1和M3，R7和M10，如此这三个斜率补偿匹配电路可以不同程度的改变幅度随频率变化的斜率，附图3为参考态下通过这三个开关改变斜率的示意图。
本发明设计的衰减器的衰减单元基于switched Pi/T类型的架构，衰减器通过控制MOS管开关的通断分别提供0.5、1、2、4、8、16dB的衰减；幅度补偿匹配电路由MOS开关并联电感组成，开关的导通和关断可以改变幅度随着频率变化的斜率，进而能够显著减小幅度误差；此外，该衰减器的0.5dB、1dB衰减单元中的电阻采用晶体管导通电阻代替，减小了由工艺偏差带来的误差；为便于衰减量的补充和微调，设计了冗余的0.5dB衰减单元和1dB衰减单元。
以上的设计衰减器能够实现在较宽的频率范围、以较高的精度实现衰减。
附图说明
图1为本发明的衰减器的结构示意图。
图2为本发明的衰减器在参考态下的插入损耗。
图3为本发明的衰减器在参考态下的幅度补偿效果图。
图4为本发明的衰减器的63个衰减态相对于参考态的相对衰减幅度。
图5为本发明的衰减器的63个衰减态相对于参考态的相对相位变化。
图6为本发明的衰减器的幅度均方根误差。
图7为本发明的衰减器的相位均方根误差。
具体实施方式
如附图1所示，为本发明的宽带高精度衰减器的具体结构。六位数控衰减器六个一位的开关Pi/T型衰减单元级联而成，按照1dB、2dB、4dB、8dB、16dB和0.5dB级联顺序构成31.5dB衰减器。
图2为衰减器在参考态下的插入损耗，8-18GHz的频率范围内插损为6.2-8.6dB，插损较小且只有2.4dB的波动。
以16dB衰减单元为例，采用Pi型结构，M14，M15，M16为数控开关，R10，R11，R12构成电阻衰减网络，通过控制开关可以切换输入直接到输出和输入通过电阻衰减网络到输出。参考态时，开关M14导通，M15，M16关断，信号由输入直接到输出，由于M15和M16的隔离度有限，信号会泄露到地，所以信号幅度和相位会随着频率升高而降低；衰减态时，开关M14关断，M15和M16导通，信号通过电阻衰减网络，由于M14的隔离度有限，信号直接从输入泄露到输出，信号幅度和相位会随着频率升高而升高。
相位补偿电路采用电阻R11、R12分别与电容C5、C6并联，参考态时由于M15、M16的隔离度作用，几乎不会增加电路插损，衰减态时由于电容引入一个极点，使相位随着频率升高而降低，减小了相位误差。
由于每个衰减单元输入输出阻抗是容性的，因此需要电感做级间匹配。匹配网络由电感和并联开关组成（附图1中的L5和M17），当开关接通时，电感对电路的影响较小，所以幅度随频率升高而降低的斜率比开关关断时的大。串联电阻（R1，R7）可以减小开关（M3，M10）的影响，所以这三种网络可以不同程度地调节幅频特性的斜率，进而可以显著地减小幅度误差。附图3为衰减器参考态下的幅度补偿效果图，参考态处于中间位置，改变匹配网络中的开关的状态就可以增大或者减小幅频曲线的斜率，其余衰减态也类似，这样就可以使所有状态幅频曲线的斜率几乎一致，减小了幅度误差。信号通路上并联一个小尺寸的晶体管M6和M13到地。晶体管关断时，由于尺寸小，隔离度大，几乎不会对电路产生影响；晶体管导通时，相当于信号通路并联了一个大电阻到地。晶体管尺寸不同，电阻值就不同，可分别产生0.5dB，1dB的衰减。
图4为衰减器的63个衰减态相对于参考态的相对衰减幅度，每一条线间的间隔约为0.5dB，并且没有任何两条幅度特性曲线发生交叠，意味着没有任何两个衰减态会发生混淆。
图5为衰减器的63个衰减态相对于参考态的相对相位变化，其中最大相位偏差为12°。
最终经过计算可以得到衰减器的RMS幅度误差如附图6所示，从图中可以看出，在整个频带内移相器的RMS幅度误差都小于0.1dB。衰减器的RMS相位误差如附图7所示，从图中可以看出，在整个频带内衰减器的RMS相位误差都小于5.5度。不论是RMS幅度误差还是RMS相位误差都是相当的小，体现出本发明的优势。

Claims (4)

1.一种宽带高精度数控有源衰减器，其特征在于，是以六个一位的开关Pi/T型衰减单元级联而成的六位数控衰减器，通过数字开关控制幅度的变化，通过数控电压来调整幅度随频率变化的斜率；其包括：
六个一位的衰减单元，三个斜率补偿匹配电路；其中，六个一位的衰减单元按照1dB、2dB、8dB、4dB、16dB和0.5dB顺序级联，构成31.5dB衰减器；三个斜率补偿匹配电路分别设置于衰减单元1dB与2dB，8dB与4dB，16dB与0.5dB之间，用于改善级间的匹配特性，从而改变幅度随频率变化的斜率；其中，衰减单元8dB和16dB采用Pi型结构，衰减单元0.5dB、1dB、2dB、4dB采用桥T型结构。
2.根据权利要求1所述的宽带高精度数控有源衰减器，其特征在于，在所述衰减单元2dB、8dB之间连接一晶体管M6到地，在所述衰减单元4dB、16dB之间连接另一晶体管M13到地；在不增加电路插损的情况下，增加额外的0.5dB衰减单元、1dB衰减单元，用于调整衰减器整体性能。
3.根据权利要求2所述的宽带高精度数控有源衰减器，其特征在于，所述衰减单元2dB、4dB、8dB、16dB采用到地电阻并联电容的结构，以减小相位误差。
4.根据权利要求3所述的宽带高精度数控有源衰减器，其特征在于，所述斜率补偿匹配电路采用开关并联电感的结构。
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