CN113328729A - 一种具有温度工艺角误差补偿功能的无源数控衰减器 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种具有温度工艺角误差补偿功能的无源数控衰减器，以开关嵌入式T型衰减电路和简化T型衰减电路为基本单元，其中4dB、8dB和16dB单元采用T型结构，0.25dB、0.5dB、1dB和2dB单元采用简化T型结构。当控制信号控制所有电路单元工作在衰减态时，衰减器电路工作在最大衰减范围31.5dB，电路其余可调谐的衰减状态由控制信号决定，可调谐步进为0.5dB。本发明采取一系列的温度工艺角误差补偿措施，使电路在大温度范围和各种工艺角条件下均能保持稳定的衰减范围和衰减精度。其电路具体特征在于：用MOS管代替衰减电阻、正负温度系数衰减单元叠加使用、增设用于温度工艺角误差补偿的冗余位。

Description

一种具有温度工艺角误差补偿功能的无源数控衰减器

技术领域

本发明属于数控衰减器技术领域，尤其涉及一种具有温度工艺角误差补偿功能的无源数控衰减器。

背景技术

无线技术的高速发展和应用场景的扩大，加上集成电路产业工艺的巨大提升，收发模块的小型集成化已成为趋势，对高性能收发芯片的研究与开发已成为学术界与工业界的热点。收发芯片中的幅度控制电路，除了衰减器，还有可变增益放大器(Variable GainAmplifier)。但是由于VGA具有较大的功耗、较差的线性度以及复杂的控制电路，因此目前衰减器更广泛地被应用于收发芯片中。

作为幅度控制电路，衰减器在相控阵通信系统中均有着广泛的运用。首先，为了实现信号幅度的控制，需要衰减器有较大的衰减范围来对旁瓣电平进行调整；其次，为了实现相控阵雷达系统对目标进行准确追踪定位，需要衰减器有较高的衰减精度，能对旁瓣电平进行精确调节。在相控阵的每个天线阵列单元中，无论发射通道还是接收通道都广泛应用了衰减器模块，衰减器的性能直接影响着整个相控阵系统的表现。无源衰减器中使用的阻抗元件较多，其电路性能易受芯片加工时的工艺角和实际工作温度的影响。因此，衰减器的技术指标有衰减范围、衰减精度、附加相移以及上述指标对温度、工艺角的敏感程度。

目前工程中常用的衰减器结构主要包括分布式衰减器结构和开关内嵌式衰减器结构。现有的分布式衰减器电路原理结构如图1所示，往往有着较小的衰减范围，因此对信号幅度的控制范围有限。而衰减范围较大的开关内嵌式衰减器，如图2(a)和图2(b)所示，又经常伴随着插入损耗和附加相移较大的问题，为信号通道的整体增益和相位误差带来压力。并且所有结构的衰减器性能都会受到芯片加工的工艺角和工作温度的影响。

发明内容

本发明目的在于提供一种具有温度工艺角误差补偿功能的无源数控衰减器,以解决毫米波频段数控衰减器设计中，衰减器的衰减范围较小、衰减精度较差、附加相移较差，并且受温度和工艺角影响大的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：

一种具有温度工艺角误差补偿功能的无源数控衰减器，所述无源数控衰减器由0.25到16dB衰减单元电路级联组成，以开关嵌入式T型衰减电路和开关嵌入式简化T型衰减电路为基本单元，每个单元电路采用差分结构；

所述衰减单元的级联顺序从输入端到输出端依次为0.5dB、2dB、4dB、8dB、16dB、1dB和0.25dB，衰减单元电路之间用电感互相连接；

所述4dB、8dB和16dB单元为具有正温度系数的开关嵌入式T型衰减电路结构；所述0.25dB、0.5dB、1dB和2dB单元为具有负温度系数开关嵌入式简化T型衰减电路结构；两种类型的衰减器单元电路级联起来，使得整体电路因温度产生的误差可以互相补偿，实现抵消；

所述0.25dB衰减单元电路，作为一个温度工艺角误差补偿单元使用，在控制编码增加了一位的条件下，使得电路在工作温度和工艺角发生变化时，电路的整体衰减量调谐状态总能满足0.5dB的步进，并且使每个衰减状态的误差小于0.25dB，提高数控衰减器对每个衰减状态的控制精度；

整体电路为每个单元电路分配一位控制信号，控制信号决定该衰减单元工作在衰减态或参考态；当控制信号控制所有电路单元工作在衰减态时，衰减器电路工作在最大衰减范围31.5dB，电路可调谐步进为0.5dB；

所述的开关嵌入式T型衰减电路结构，包括从信号输入端口IN+到信号输出端口OUT+之间有两条支路，第一条支路中MOS开关管M1的源极与信号输入端IN+相连，M1的漏极与信号输出端OUT+相连；另一条支路是两个MOS晶体管M2和M3串联连接，M2和M3的漏极分别和信号输入端IN+、信号输出端OUT+相连，M2和M3的源极连接在一起，MOS开关管M4的漏极与M2、M3源极相连的节点连接在一起；MOS管M4的栅极连接直流偏置电压VB；MOS开关管M2、M3的栅极连接直流偏置VB，M1的栅极连接数控信号/VC，M4的栅极连接数控信号VC；从信号输入端口IN-到信号输出端口OUT-之间有两条支路，第一条支路中MOS开关管M5的源极与信号输入端IN-相连，M5的漏极与信号输出端OUT-相连；另一条支路是两个MOS晶体管M6和M7串联连接，M6和M7的漏极分别和信号输入端IN-、信号输出端OUT-相连，M6和M7的源极连接在一起，MOS开关管M8的漏极与M6、M7源极相连的节点连接在一起；MOS管M4的栅极连接直流偏置电压VB；MOS开关管M6、M7的栅极连接直流偏置VB，M5的栅极连接数控信号/VC，M8的栅极连接数控信号VC；M4的源极连接MOS管M9的漏极和相位补偿电容CC的一端，M8管的源极连接MOS管M9的源极和相位补偿电容CC的另一端，M9的栅极连接直流偏置VB；

所述开关嵌入式简化T型衰减电路结构，包括信号输入端口IN+和信号输出端口OUT+之间直接相连，开关管M10的漏极与输入端口IN+、输出端口OUT+相连，MOS开关管M10的源极和MOS管M12的漏极相连；信号输入端口IN-和信号输出端口OUT-之间直接相连，开关管M11的漏极与输入端口IN-和输出端口OUT-相连，开关管M11的源极和M12的源极相连；M10和M11的栅极连接数控信号VC，M12的栅极连接直流偏置VB。

进一步的，所述的电感用传输线实现。

进一步的，所述的电感用螺旋电感实现。

本发明的一种具有温度工艺角误差补偿功能的无源数控衰减器，具有以下优点：

(1)将传统衰减器电路中的电阻替换为MOS管电阻，降低了电阻器件因温度工艺角等外界条件对电路性能产生的影响，提高了衰减器单元电路对温度和工艺角特性的敏感程度。

(2)正负温度系数的两种衰减单元结构叠加使用，使两种电路结构因温度产生的误差得以互相补偿，从而使电路的整体衰减范围相对稳定，不随外界温度变化而剧烈变化。

(3)添加一个误差补偿衰减单元，在控制编码增加了一位的条件下，使得电路的整体衰减量调谐状态总能满足以0.5dB为步进，并且使每个衰减状态的误差小于0.25dB，提高了数控衰减器对每个衰减状态的控制精度。

附图说明

图1为现有的分布式衰减器电路原理结构示意图；

图2(a)为现有的T型衰减电路结构示意图；

图2(b)为现有的π型衰减电路结构示意图；

图3为本发明的数控衰减器整体电路架构示意图；

图4为本发明所基于的差分结构T型衰减单元电路示意图；

图5为本发明所基于的差分结构简化T型衰减单元电路示意图；

图6为本发明在27℃和加工制造的半导体器件工作速率为典型值工艺角条件下的衰减量仿真曲线示意图；

图7为本发明在27℃和加工制造的半导体器件工作速率为典型值工艺角条件下的附加相移仿真曲线示意图；

图8为本发明在-40℃和加工制造的半导体器件工作速率为最快值工艺角条件下的衰减量仿真曲线示意图；

图9为本发明在-40℃和加工制造的半导体器件工作速率为最快值工艺角条件下的附加相移仿真曲线示意图；

图10为本发明在85℃和加工制造的半导体器件工作速率为最慢值工艺角条件下的衰减量仿真曲线示意图；

图11为本发明在85℃和加工制造的半导体器件工作速率为最慢值工艺角条件下的附加相移仿真曲线示意图；

具体实施方式

为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种具有温度工艺角误差补偿功能的无源数控衰减器做进一步详细的描述。

本发明实施例提供了一种工作频段为27.5～31GHz的数控衰减器电路，该电路实现了在大温度范围和各种工艺角条件下均有稳定的衰减范围和衰减精度。下面对其电路结构和实现的性能进行详细说明。

图3为本发明实施例提供的一种数控衰减器的整体电路架构图。衰减单元的级联顺序从输入端到输出端依次为0.5dB、2dB、4dB、8dB、16dB、1dB和0.25dB，衰减单元电路之间用电感互相连接。其中4dB、8dB和16dB单元采用开关嵌入式T型衰减电路结构，0.25dB、0.5dB、1dB和2dB单元采用开关嵌入式简化T型衰减电路结构。

MOS管电阻替换传统衰减器电路中的无源电阻，是指当MOS管工作在开启状态时，漏源之间的沟道电阻和其栅宽成一定反比关系，呈现恒定电阻特性，可以用来替代CMOS集成电路中的无源电阻，包含MOS管M2、M3、M6、M7、M9。由于CMOS集成电路工艺中无源电阻随温度工艺角变化较大，而MOS管电阻具有较稳定的工艺温度角特性，可以替代无源电阻，改善衰减器单元电路对温度和工艺角特性的敏感程度。

本实施例采取的开关嵌入式T型衰减电路如图4所示，从信号输入端口IN+到信号输出端口OUT+之间存在两条支路，第一条支路中MOS开关管M1的源极与信号输入端IN+相连，M1的漏极与信号输出端OUT+相连。另一条支路是两个MOS晶体管M2和M3串联连接，M2和M3的漏极分别和信号输入端IN+、信号输出端OUT+相连，M2和M3的源极连接在一起，MOS开关管M4的漏极与M2、M3源极相连的节点连接在一起。MOS管M4的栅极连接直流偏置电压VB。MOS开关管M2、M3的栅极连接直流偏置VB，M1的栅极连接数控信号/VC，M4的栅极连接数控信号VC。从信号输入端口IN-到信号输出端口OUT-之间存在两条支路，第一条支路中MOS开关管M5的源极与信号输入端IN-相连，M5的漏极与信号输出端OUT-相连。另一条支路是两个MOS晶体管M6和M7串联连接，M6和M7的漏极分别和信号输入端IN-、信号输出端OUT-相连，M6和M7的源极连接在一起，MOS开关管M8的漏极与M6、M7源极相连的节点连接在一起。MOS管M4的栅极连接直流偏置电压VB。MOS开关管M6、M7的栅极连接直流偏置VB，M5的栅极连接数控信号/VC，M8的栅极连接数控信号VC。M4的源极连接MOS管M9的漏极和相位补偿电容CC的一端，M8管的源极连接MOS管M9的源极和相位补偿电容CC的另一端，M9的栅极连接直流偏置VB。

在开关嵌入式T型衰减电路中，开关管M1和M5的栅极控制电压为/VC，而开关管M4和M8栅极控制电压为VC。当/VC为高电平时，M1、M5导通，其所在支路呈现低阻状态；此时VC为低电平，M4、M8关断，其所在支路呈现高阻状态。此时，射频信号从输入端口IN+流入后将直接流经M1所在支路到达电路输出端OUT+，射频信号从输入端口IN-流入后将直接流经M5所在支路到达电路输出端OUT-。电路对信号不产生大额衰减，只存在少量损耗。当/VC为低电平时，M1、M5关断，其所在支路呈现高阻状态；此时VC为高电平，M4、M8导通，其所在支路呈现低阻状态。此时，大部分的射频信号从输入端IN+会流经M2所在支路被电阻器件消耗，只有小部分的信号能够到达输出端OUT+，大部分的射频信号从输入端IN-会流经M6所在支路被电阻器件消耗，只有小部分的信号能够到达输出端OUT-，电路实现信号衰减的功能。

本实施例采取的开关嵌入式简化T型衰减电路如图5所示，信号输入端口IN+和信号输出端口OUT+之间直接相连，开关管M10的漏极与输入端口IN+、输出端口OUT+相连，MOS开关管M10的源极和MOS管M12的漏极相连。信号输入端口IN-和信号输出端口OUT-之间直接相连，开关管M11的漏极与输入端口IN-和输出端口OUT-相连，开关管M11的源极和M12的源极相连。M10和M11的栅极连接数控信号VC，M12的栅极连接直流偏置VB。

在开关嵌入式简化T型衰减电路中，M12为MOS管电阻，其栅极电压VB为高电平。当VC为高电平时，M10、M11导通，此时，射频信号从输入端IN+会流经M10所在支路被电阻器件消耗，射频信号从输入端IN-会流经M11所在支路被电阻器件消耗，此时，该电路实现信号衰减的功能。当VC为低电平时，M10、M11关断，该电路不实现衰减。

本实施例中，各衰减单元电路各由一位控制信号控制，分别为VC0、VC1、VC2、VC3、VC4、VC5、VC6，各控制信号决定该衰减单元工作在衰减态或参考态。当控制信号控制所有电路单元工作在衰减态时，即VC0、VC1、VC2、VC3、VC4、VC5、VC6均为高电平时，衰减器电路工作在最大衰减范围31.5dB，当控制信号控制所有电路单元工作在参考态时，即VC0、VC1、VC2、VC3、VC4、VC5、VC6均为低电平时，衰减器电路不产生附加衰减量。电路其余可调谐的衰减状态由控制信号决定，电路可调谐步进为0.5dB。

本实施例中，采用了4个衰减量具有负温度系数的开关嵌入式简化T型结构衰减单元(0.25dB、0.5dB、1dB和2dB)和3个衰减量具有正温度系数的开关嵌入式T型结构衰减单元(4dB、8dB和16dB)，两种类型的衰减器单元电路级联起来，使得整体电路因温度产生的误差可以互相补偿，实现抵消，使电路的整体衰减范围相对稳定，不随外界温度变化而剧烈变化。本实施例增加了一个基于差分简化T型电路结构的0.25dB衰减单元电路，作为一个温度工艺角误差补偿单元使用。在控制编码增加了一位的条件下，使得电路在工作温度和工艺角发生变化时，电路的整体衰减量调谐状态总能满足0.5dB的步进，并且使每个衰减状态的误差小于0.25dB，提高数控衰减器对每个衰减状态的控制精度。

为论证本实施例采取的温度工艺角误差补偿措施有效，现将不同温度、工艺角的仿真结果汇总如下。

如图6所示，为本实施例在27℃和tt工艺角(加工制造的半导体器件工作速率为典型值)条件下的衰减量仿真曲线，中心频率29.5GHz处最大衰减量误差为0.25dB，衰减量均方根误差为0.11dB。图7为本发明在27℃和tt工艺角条件下的附加相移仿真曲线，全频段内附加相移误差范围为-3.2°～2.3°。

如图8所示，为本实施例在-40℃和ff工艺角(加工制造的半导体器件工作速率为最快值)条件下的衰减量仿真曲线，中心频率29.5GHz处最大衰减量误差为0.27dB，衰减量均方根误差为0.1dB。图9为本发明在-40℃和ff工艺角条件下的附加相移仿真曲线，全频段内附加相移误差范围为-3.3°～3.1°。

如图10所示，为本实施例在85℃和ss工艺角(加工制造的半导体器件工作速率为最慢值)条件下的衰减量仿真曲线，中心频率29.5GHz处最大衰减量误差为0.27dB，衰减量均方根误差为0.16dB。图11为本发明在85℃和ss工艺角条件下的附加相移仿真曲线，全频段内附加相移误差范围为-3°～4.4°。

综上所述，本实施例所设计的数控衰减器电路在-40℃、ff工艺角和85℃、ss工艺角等极端条件下，均满足了31.5dB的衰减范围和0.5dB的衰减步进，并且最大衰减量误差和均方根误差与常温常规工艺角相比无明显恶化，实现了衰减器电路应对温度和工艺角性能的完美提升。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (3)

1.一种具有温度工艺角误差补偿功能的无源数控衰减器，其特征在于，所述无源数控衰减器由0.25到16dB衰减单元电路级联组成，以开关嵌入式T型衰减电路和开关嵌入式简化T型衰减电路为基本单元，每个单元电路采用差分结构；

所述衰减单元的级联顺序从输入端到输出端依次为0.5dB、2dB、4dB、8dB、16dB、1dB和0.25dB，衰减单元电路之间用电感互相连接；

所述4dB、8dB和16dB单元为具有正温度系数的开关嵌入式T型衰减电路结构；所述0.25dB、0.5dB、1dB和2dB单元为具有负温度系数开关嵌入式简化T型衰减电路结构；两种类型的衰减器单元电路级联起来，使得整体电路因温度产生的误差互相补偿，实现抵消；

所述0.25dB衰减单元电路，作为一个温度工艺角误差补偿单元使用，在控制编码增加了一位的条件下，使得电路在工作温度和工艺角发生变化时，电路的整体衰减量调谐状态总能满足0.5dB的步进，并且使每个衰减状态的误差小于0.25dB，提高数控衰减器对每个衰减状态的控制精度；

整体电路为每个单元电路分配一位控制信号，控制信号决定该衰减单元工作在衰减态或参考态；当控制信号控制所有电路单元工作在衰减态时，衰减器电路工作在最大衰减范围31.5dB，电路可调谐步进为0.5dB；

所述的开关嵌入式T型衰减电路结构，包括从信号输入端口IN+到信号输出端口OUT+之间有两条支路，第一条支路中MOS开关管M1的源极与信号输入端IN+相连，M1的漏极与信号输出端OUT+相连；另一条支路是两个MOS晶体管M2和M3串联连接，M2和M3的漏极分别和信号输入端IN+、信号输出端OUT+相连，M2和M3的源极连接在一起，MOS开关管M4的漏极与M2、M3源极相连的节点连接在一起；MOS管M4的栅极连接直流偏置电压VB；MOS开关管M2、M3的栅极连接直流偏置VB，M1的栅极连接数控信号/VC，M4的栅极连接数控信号VC；从信号输入端口IN-到信号输出端口OUT-之间有两条支路，第一条支路中MOS开关管M5的源极与信号输入端IN-相连，M5的漏极与信号输出端OUT-相连；另一条支路是两个MOS晶体管M6和M7串联连接，M6和M7的漏极分别和信号输入端IN-、信号输出端OUT-相连，M6和M7的源极连接在一起，MOS开关管M8的漏极与M6、M7源极相连的节点连接在一起；MOS管M4的栅极连接直流偏置电压VB；MOS开关管M6、M7的栅极连接直流偏置VB，M5的栅极连接数控信号/VC，M8的栅极连接数控信号VC；M4的源极连接MOS管M9的漏极和相位补偿电容CC的一端，M8管的源极连接MOS管M9的源极和相位补偿电容CC的另一端，M9的栅极连接直流偏置VB；

所述开关嵌入式简化T型衰减电路结构，包括信号输入端口IN+和信号输出端口OUT+之间直接相连，开关管M10的漏极与输入端口IN+、输出端口OUT+相连，MOS开关管M10的源极和MOS管M12的漏极相连；信号输入端口IN-和信号输出端口OUT-之间直接相连，开关管M11的漏极与输入端口IN-和输出端口OUT-相连，开关管M11的源极和M12的源极相连；M10和M11的栅极连接数控信号VC，M12的栅极连接直流偏置VB。

2.根据权利要求1所述的具有温度工艺角误差补偿功能的无源数控衰减器，其特征在于，所述的电感用传输线实现。

3.根据权利要求1所述的具有温度工艺角误差补偿功能的无源数控衰减器，其特征在于，所述的电感用螺旋电感实现。

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