CN113114162A - 一种用于cmos宽带幅相多功能芯片的衰减器电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于CMOS宽带幅相多功能芯片的衰减器电路,属于衰减器电路技术领域,包括依次连接的源随器电路、无源衰减器电路、共栅放大器电路,所述无源衰减器电路包括依次连接的多个基本衰减单元。本发明电路的前后级分别为源随器、共栅放大器,弥补了传统的带MOS开关管的电阻网络隔离度差、衰减器性能易受前后级负载变化的缺点;各个基态衰减单元衰减值和调相指标不随前后级负载变化,易于级联衰减性能优化;可级联到宽带幅相多功能芯片中,且不会恶化可用衰减带宽、衰减精度、寄生调相等核心指标,值得被推广使用。
Description
技术领域
本发明涉及衰减器电路技术领域,具体涉及一种用于CMOS宽带幅相多功能芯片的衰减器电路。
背景技术
宽带高精度低相移数控衰减器作为幅相多功能芯片的核心电路,其在相控阵系统、宽带电子对抗和宽带合成扫频信号发生器等电子系统中都有广泛的应用。在以电子波束扫描(ElectronicBean-steering)为核心的相控阵(PhasedArrays)系统中,衰减精度直接影响波束扫描精度等性能,并在很大程度上制约着系统造价。传统的宽带数控衰减器通常基于固有射频性能优势的III/V族工艺实现,但鉴于基于硅基工艺的CMOS芯片在大批量应用中成本上具有更为显著的优势,故研究基于CMOS工艺用于宽带幅相多功能芯片的高性能的衰减器电路具有重要意义。
通常传统CMOS数控衰减器电路的实现仅采用带MOS开关管的T/PI型电阻网络级联实现,单独的无源的数控衰减器模块固然能实现较大带宽,但这种方法主要存在以下几个问题:带MOS开关管的电阻网络隔离度差,衰减器性能易受前后级负载变化影响;各个基态衰减单元衰减值和调相指标随前后级负载变化趋势不一致,不易级联优化;级联到幅相多功能芯片中往往会导致可用衰减带宽减小,衰减寄生调相恶化,从而限制了整个芯片应用频带。上述问题亟待解决,为此,提出一种用于CMOS宽带幅相多功能芯片的衰减器电路。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于:如何解决现有用于CMOS宽带幅相多功能芯片的衰减器电路设计中衰减精度和寄生调幅易受前后级影响、工作带宽受限等问题,提供了一种用于CMOS宽带幅相多功能芯片的衰减器电路,采用源随器、6-bit无源衰减器、共栅放大器三级级联的方式实现,使得该电路级联在系统中,在6GHz~14GHz范围内衰减范围覆盖0~31.5dB。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的,本发明包括依次连接的源随器电路、无源衰减器电路、共栅放大器电路,所述无源衰减器电路包括依次连接的多个基本衰减单元,依次分别为0.5dB基本衰减单元、4dB基本衰减单元、2dB基本衰减单元、8dB基本衰减单元、1dB基本衰减单元、16dB基本衰减单元,所述0.5dB基本衰减单元、4dB基本衰减单元、2dB基本衰减单元、1dB基本衰减单元基于带MOS开关管的T型电阻网络实现,所述8dB基本衰减单元、16dB基本衰减单元基于带MOS开关管的PI型电阻网络实现,所述0.5dB基本衰减单元与所述源随器电路连接,所述16dB基本衰减单元与所述共栅放大器电路连接。
更进一步地,所述源随器电路与无源衰减器电路之间、所述无源衰减器电路与共栅放大器电路之间均设置有隔直电容,所述源随器电路与无源衰减器电路之间、所述无源衰减器电路与共栅放大器电路之间均通过所述隔直电容连接。
更进一步地,所述源随器电路包括MOS管M1、MOS管M2,输入信号输入MOS管M1的栅极,电源VDD端通过偏置电阻RB1与MOS管M1的栅极连接,偏置电压端VB1与MOS管M2的栅极连接,MOS管M1的源极和MOS管M2的漏极连接为输出节点,再与隔直电容连接。
更进一步地,所述MOS管M1的跨导gm1在18~22ms之间,所述源随器电路输出阻抗在6GHz~14GHz内保持相对恒定。
更进一步地,在所述8dB基本衰减单元、16dB基本衰减单元的带MOS开关管的PI型电阻网络中,通路分别并联电容C2、C3,降低寄生调相。
更进一步地,电容C2的容量在135~145f之间,电容C3的容量在25~35f之间。
更进一步地,所述共栅放大器包括MOS管M17、MOS管M18,偏置电压端VB2对MOS管M18的栅极偏置,电源VDD端通过偏置电阻RB2与MOS管M17的栅极连接,信号从MOS管M17的漏极经隔直电容输出。
更进一步地,所述选择合适偏置使得MOS管M18的跨导gm18在18~22ms之间,所述共栅放大器电路输入阻抗在6GHz~14GHz内可保持相对恒定。
本发明相比现有技术具有以下优点:
1)、电路隔离度高。本发明前后级分别为源随器、共栅放大器,弥补了传统的带MOS开关管的电阻网络隔离度差、衰减器性能易受前后级负载变化的缺点;
2)、易于级联优化。各个基态衰减单元衰减值和调相指标不随前后级负载变化,易于级联衰减性能优化;
3)、可用于较宽频带电路中。可级联到宽带幅相多功能芯片中,且不会恶化可用衰减带宽、衰减精度、寄生调相等核心指标。
附图说明
图1是本发明实施例二中用于CMOS宽带幅相多功能芯片的衰减器电路衰减原理示意图;
图2是本发明实施例二中的衰减器电路原理图;
图3是本发明实施例二中6GHz~14GHz衰减器设计仿真结果图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明,本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例一
本实施例提供一种技术方案:一种用于CMOS宽带幅相多功能芯片的衰减器电路,包括依次连接的源随器电路、无源衰减器电路、共栅放大器电路,所述无源衰减器电路包括依次连接的多个基本衰减单元,依次分别为0.5dB基本衰减单元、4dB基本衰减单元、2dB基本衰减单元、8dB基本衰减单元、1dB基本衰减单元、16dB基本衰减单元,所述0.5dB基本衰减单元、4dB基本衰减单元、2dB基本衰减单元、1dB基本衰减单元基于带MOS开关管的T型电阻网络实现,所述8dB基本衰减单元、16dB基本衰减单元基于带MOS开关管的PI型电阻网络实现,所述0.5dB基本衰减单元与所述源随器电路连接,所述16dB基本衰减单元与所述共栅放大器电路连接。
在本实施例中,信号先经源随器输出,源随器输出阻抗宽带内保持相对恒定,使得六位数控无源衰减器输入接口状态向外看去保持相对稳定,免于受前级负载变化干扰。信号经六位数控衰减器后能实现0~31.5dB范围内0.5dB步进衰减,经无源衰减器输出后信号输入共栅放大器,共栅放大器输入阻抗宽带内保持相对恒定,使得六位数控无源衰减器输出接口状态向看外去保持相对稳定,免于受后级负载变化干扰。
在本实施例中,所述源随器电路与无源衰减器电路之间、所述无源衰减器电路与共栅放大器电路之间均设置有隔直电容,所述源随器电路与无源衰减器电路之间、所述无源衰减器电路与共栅放大器电路之间均通过所述隔直电容连接。
在本实施例中,所述源随器电路包括MOS管M1、MOS管M2,输入信号输入MOS管M1的栅极,电源VDD端通过偏置电阻RB1与MOS管M1的栅极连接,偏置电压端VB1与MOS管M2的栅极连接,MOS管M1的源极和MOS管M2的漏极连接为输出节点,再与隔直电容连接。
在本实施例中,所述MOS管M1的跨导gm1在18~22ms之间,所述源随器电路输出阻抗在6GHz~14GHz内保持相对恒定。
在本实施例中,在所述8dB基本衰减单元、16dB基本衰减单元的带MOS开关管的PI型电阻网络中,通路分别并联电容C2、C3。
在本实施例中,电容C2的容量在135~145f之间,电容C3的容量在25~35f之间。
在本实施例中,所述共栅放大器包括MOS管M17、MOS管M18,偏置电压端VB2对MOS管M18的栅极偏置,电源VDD端通过偏置电阻RB2与MOS管M17的栅极连接,信号从MOS管M17的漏极经隔直电容输出。
在本实施例中,所述选择合适偏置使得MOS管M18的跨导gm18在18~22ms之间,所述共栅放大器电路输入阻抗在6GHz~14GHz内可保持相对恒定。
实施例二
如图1所示,本发明提出的用于CMOS宽带幅相多功能芯片的衰减器电路包含源随器、无源衰减器、共栅放大器。信号从源随器输入,源随器输出阻抗在宽带内可保持相对恒定,使得无源衰减器输入状态保持稳定,输出信号最终经共栅放大器后放大输出,共栅放大器栅极输入阻抗在宽带内可保持相对恒定,使得无源衰减器输出状态保持稳定。
如图2所示,本发明设计的CMOS宽带幅相多功能芯片的衰减器电路,在6~14GHz范围内衰减范围覆盖0~31.5dB范围。
电路实施方式如下:
源随器电路主要包括MOS管M1和MOS管M2,其中,MOS管M1的栅极输入信号RFin,电源VDD端通过偏置电阻RB1对MOS管M1进行偏置,偏置电压VB1对MOS管M2进行栅极偏置,MOS管M1的源极和MOS管M2的漏极连接一起为源随器输出节点,信号经隔直电容C1输入6位无源衰减器。
无源衰减器电路主要包括多个基本衰减单元,多个基本衰减单元依次为0.5dB基本衰减单元、4dB基本衰减单元、2dB基本衰减单元、8dB基本衰减单元、1dB基本衰减单元、16dB基本衰减单元;其中为降低衰减误差及寄生调相,小衰减位(0.5dB、1dB、2dB、4dB)基于带MOS开关管的T型电阻网络实现;大衰减位(8dB、16dB)基于带MOS开关管的PI型电阻网络实现;
电阻R1、R2和R3通过串并联MOS开关管M3、M4组成T型电阻衰减网络,其中V1和互为反向控制信号,控制0.5dB衰减单元衰减与否;电阻R4、R5和R6通过串并联MOS开关管M5、M6组成T型电阻衰减网络,其中V2和互为反向控制信号,控制4dB衰减单元衰减与否;电阻R7、R8和R9通过串并联MOS开关管M7、M8组成T型电阻衰减网络,其中V3和互为反向控制信号,控制2dB衰减单元衰减与否;电阻R10、R11和R12、R13通过串并联MOS开关管M9、M10和M11组成PI型电阻衰减网络,其中V4和互为反向控制信号,控制8dB衰减单元衰减与否,在直通通路电阻R10和R11连接节点处并联电容C2到地,优化寄生调相指标;电阻R14、R15和R16通过串并联MOS12开关管M12、M13组成T型电阻衰减网络,其中V5和互为反向控制信号,控制1dB衰减单元衰减与否;电阻R17、R18和R19、R20通过串并联MOS开关管M14、M15和M16组成PI型电阻衰减网络,其中V6和互为反向控制信号,控制16dB衰减单元衰减与否,在直通通路电阻R17和R18连接节点处并联电容C2到地,优化寄生调相指标。
共栅放大器主要包括MOS管M17、MOS管M18,其中电感L1和L2分别用作输入输出匹配,偏置电压VB2对MOS管M18进行栅极偏置,电源VDD端通过偏置电阻RB2对MOS管M17进行偏置,信号从MOS管M17漏极经隔直电容C5输出RFout。
如图3所示,其中图3a为衰减器隔离度对比曲线图,图3b为衰减器在0~31.5dB衰减范围内的64态衰减示意图,图3c为衰减器衰减精度RMS值曲线图,设计仿真结果显示,采用本发明提出的电路结构和具体实现方式设计的用于CMOS宽带幅相多功能芯片的衰减器电路,相较于传统数控无源衰减器隔离度能实现大幅提升,隔离度>70dB;衰减步进为0.5dB,衰减范围0~31.5dB,在6GHz~14GHz工作频段内RMS衰减精度小于0.35dB;在6GHz~14GHz工作频段内衰减寄生调相小于4°。其中,64态衰减RMS精度按以下公式计算:
其中,Ai为第i个衰减状态时实际衰减值,Ai_ideal为第i个移相状态时理想衰减值。
综上所述,上述实施例的用于CMOS宽带幅相多功能芯片的衰减器电路,前后级分别为源随器、共栅放大器,弥补了传统的带MOS开关管的电阻网络隔离度差、衰减器性能易受前后级负载变化的缺点;各个基态衰减单元衰减值和调相指标不随前后级负载变化,易于级联衰减性能优化;可级联到宽带幅相多功能芯片中,且不会恶化可用衰减带宽、衰减精度、寄生调相等核心指标,值得被推广使用。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (8)
1.一种用于CMOS宽带幅相多功能芯片的衰减器电路,其特征在于:包括依次连接的源随器电路、无源衰减器电路、共栅放大器电路,所述无源衰减器电路包括依次连接的多个基本衰减单元,依次分别为0.5dB基本衰减单元、4dB基本衰减单元、2dB基本衰减单元、8dB基本衰减单元、1dB基本衰减单元、16dB基本衰减单元,所述0.5dB基本衰减单元、4dB基本衰减单元、2dB基本衰减单元、1dB基本衰减单元基于带MOS开关管的T型电阻网络实现,所述8dB基本衰减单元、16dB基本衰减单元基于带MOS开关管的PI型电阻网络实现,所述0.5dB基本衰减单元与所述源随器电路连接,所述16dB基本衰减单元与所述共栅放大器电路连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于CMOS宽带幅相多功能芯片的衰减器电路,其特征在于:所述源随器电路与无源衰减器电路之间、所述无源衰减器电路与共栅放大器电路之间均设置有隔直电容,所述源随器电路与无源衰减器电路之间、所述无源衰减器电路与共栅放大器电路之间均通过所述隔直电容连接。
3.根据权利要求2所述的一种用于CMOS宽带幅相多功能芯片的衰减器电路,其特征在于:所述源随器电路包括MOS管M1、MOS管M2,输入信号输入MOS管M1的栅极,电源VDD端通过偏置电阻RB1与MOS管M1的栅极连接,偏置电压端VB1与MOS管M2的栅极连接,MOS管M1的源极和MOS管M2的漏极连接为输出节点,再与隔直电容连接。
4.根据权利要求3所述的一种用于CMOS宽带幅相多功能芯片的衰减器电路,其特征在于:所述MOS管M1的跨导gm1在18~22ms之间,所述源随器电路输出阻抗在6GHz~14GHz内保持相对恒定。
5.根据权利要求1所述的一种用于CMOS宽带幅相多功能芯片的衰减器电路,其特征在于:在所述8dB基本衰减单元、16dB基本衰减单元的带MOS开关管的PI型电阻网络中,通路分别并联电容C2、C3,用于降低寄生调相。
6.根据权利要求5所述的一种用于CMOS宽带幅相多功能芯片的衰减器电路,其特征在于:电容C2的容量在135~145f之间,电容C3的容量在25~35f之间。
7.根据权利要求1所述的一种用于CMOS宽带幅相多功能芯片的衰减器电路,其特征在于:所述共栅放大器包括MOS管M17、MOS管M18,偏置电压端VB2对MOS管M18的栅极偏置,电源VDD端通过偏置电阻RB2与MOS管M17的栅极连接,信号从MOS管M17的漏极经隔直电容输出。
8.根据权利要求7所述的一种用于CMOS宽带幅相多功能芯片的衰减器电路,其特征在于:所述MOS管M18的跨导gm18在18~22ms之间,所述共栅放大器电路输入阻抗在6GHz~14GHz内保持相对恒定。
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