CN114265038B - 一种具有温度补偿效应的高精度开关式移相单元 - Google Patents

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本发明属于相控阵雷达系统技术领域，提供一种具有温度补偿效应的高精度开关式移相单元，用以解决现有技术在高低温工作温度范围下温度可靠性差的问题。本发明高精度开关式移相单元由电感L1、晶体管M1、晶体管M2与晶体管M3构成，采用栅极接地保持关断状态的MOS晶体管M3代替并联支路上的MIM、MOM电容，利用其寄生关断电容Coff具有正温度系数的特性，有效补偿移相单元因工作温度升高而造成的移相量减小，从而改善相位误差性能；利用其寄生关断电容Coff的Q值随温度变化不敏感的特性，保证相移单元的参考态与相移态的损耗在全工作温度下具有相同的变化趋势，从而改善附加幅度误差性能；综上，本发明能够保证芯片的全温度工作性能。

Description

一种具有温度补偿效应的高精度开关式移相单元
技术领域
本发明属于相控阵雷达系统技术领域，涉及相控阵系统中重要的相位控制模块，具体提供一种具有温度补偿效应的高精度开关式移相单元。
背景技术
早期的相控阵系统常用分离元器件搭建，它的结构复杂、体积庞大且价格昂贵。随着固态集成电路技术的发展，硅基CMOS半导体工艺的截止频率的不断提升，并具有可集成度高的优点，利用CMOS工艺设计毫米波集成电路极大地降低了相控阵系统的成本与体积、提升了灵活性；并且，随着相控阵系统的飞速发展，其工作环境也是越来越复杂，尤其是在通信基站、民用车载雷达、军用雷达的特殊应用场景下，常常对芯片工作温度的可靠性要求尤为苛刻，常见的工业级-40℃～85℃，车规级-40℃～125℃，军品级-55℃～125℃。
相控阵系统一般由多个收发通道和阵列天线构成、如图1所示，相比于传统机械式扫描，其优势在于基于馈电网络的快速波束扫描能力具有极高的灵活性、较低的体积和成本，在军事雷达中占据明显优势。在多通道收发系统中，只需保证相邻通道间具有一定的相位差，那么在天线波束形成时则具有一定的指向性，其指向角d为天线之间的间距，β为相邻通道间的相位差、λ为工作波长，通常在射频移相系统中β由5～6个移相单元产生，移相步进为5.625°/11.25°，覆盖了360°的移相范围；β的相位精度直接影响着最终天线波束指向角的精度，在目标跟踪雷达中则直接影响了目标识别的精度；因此在复杂工作环境及温度下，高精度的移相单元的可靠性对整体相控阵系统的性能至关重要。
为了设计出高精度、低插损的移相单元，研究者提出了许多不同的电路结构；在传统的小移相单元的电路设计中，常常采用加载线型移相器的电路结构，利用的是传输线特性，如图2所示。而近年来由于CMOS工艺的迅速发展和成本优势，在CMOS工艺中实现高精度移相单元时，常见的结构是采用集总元件电容、电感、MOS管替代的开关式的T型/Π型低通网络，如图3所示，其中，晶体管作为开关使用时等效模型如图4所示，通常认为晶体管开启时并不是理想导通状态，而是存在一定的导通电阻Ron、约为1Ω～100Ω，晶体管关断时也不是理想断开状态，而是存在一定的关断电阻Roff、一般大于1000Ω；在传输频率较高的信号时，晶体管在关断状态下不只有关断电阻，还存在一定的寄生电容Cgd、Cgs，分别由于栅极-源极、栅极-漏极之间的寄生结构产生；当栅极接低电平，也就是晶体管关断时，定义晶体管源极-漏极之间等效的寄生电容为关断电容Coff、约为10fF～100fF。
如图3所示网络主要由一个串联支路上的电感L1、两个并联支路上的晶体管M1和M2、一个并联支路上的电容C1、两个晶体管的栅极控制电压VC、构成；当VC为高电压(一般取电源供电电压VDD)、/>为低电压(一般接0V)时，晶体管M1导通，晶体管M2断开，此时晶体管M1、电容C1构成一条并联到地通路，该并联支路可以等效为一个晶体管导通电阻Ron串联一个电容C1，形成低通网络，信号在通过该网络时有一部分泄露到地，所以此时电路具有一定插入损耗，定义此时的移相单元处于移相态；当VC为低电压，/>为高电压时，晶体管M1断开，并联支路可以等效为一个关断电阻Roff串联一个电容C1，由于晶体管关断时的等效电阻Roff非常大，所以该并联支路近似为开路，此时信号不会泄露到地而是直接通过流向输出，定义此时的移相单元处于参考态；为了避免在两个状态切换时电路的插入损耗产生剧烈的变化，在另外一个并联支路引入一个尺寸较小的晶体管M2，此时M2处于导通状态，则信号有一部分也可以通过M2泄露到地，使得移相态与参考态具有相同的损耗。由于在移相态时电路存在等效并联到底电容，呈现低通特性，也就是传输相位会滞后；而在参考态时电路不存在等效并联到地电容，所以该网络不会呈现低通特性，从而产生了两个状态下的相位差，定义这个差值为移相单元的移相量；实际的移相量与理想的移相量(5.625°、11.25°等)之间的差值，定义为相位误差；而两个不同状态下的损耗的差值，定义为附加幅度误差。
然而，晶体管的温度特性如图5所示，其中，MOS：金属-氧化物-半导体结构、MIM：金属-绝缘体-金属结构、MOM：金属-氧化物-金属结构；在CMOS工艺中，无源器件电容、电感的容值C及感值L由金属图形的形状决定(介电常数的温度系数非常小)，而由于温度变化造成的结构形变非常小，则可以近似认为它们保持不变，而电容、电感的Q值都会随温度升高而降低，从而导致损耗增加，如图5中(a)所示；在CMOS工艺中，MOS晶体管的导通电阻与载流子迁移率成反比，而随着温度升高，电子不规则运动增强，晶格振动散射加强，载流子碰撞愈加剧烈，平均自由程降低，导致迁移率下降，所以等效导通电阻Ron随温度升高而增大，如图5中(b)所示；MOS晶体管的寄生关断电容Coff与晶体管的电荷储存能力有关，温度升高时，PN结处扩散运动增强，导致电荷更容易在沟道积累，所以等效关断电容Coff随温度升高而增大，如图5中(c)所示。
基于上述温度特性，当如图3所示的CMOS工艺高精度移相单元在高低温工作范围内时，会出现如下问题：
1)随着工作温度升高，MIM、MOM电容(电容C1)值几乎保持不变，但MOS开关管的导通电阻Ron增大，所以并联支路等效的电容值Ceffect降低ω为角频率，导致移相单元移相态的移相量会随温度升高而降低，所以相位误差会随温度升高而增大；
2)移相单元参考态的损耗主要由导通状态的晶体管M2决定，移相态的损耗主要由导通状态的晶体管M1和电容Q值决定；随着工作温度升高，晶体管M2的导通电阻Ron的增加导致移相单元在参考态时的损耗降低，虽然晶体管M1的导通电阻的增加也会导致移相单元在移相态时的损耗降低，两个状态的损耗都会有所降低，但是由于额外的MIM、MOM电容(C1)Q值的大幅下降会导致移相单元在移相态时的损耗增加，进而导致移相单元的移相态与参考态之间的损耗差值显著增大，所以移相单元的附加幅度误差会随温度升高而增大；
由此可见，现有CMOS工艺高精度移相单元在高低温工作温度范围下温度可靠性差；基于此，本发明提供一种具有温度补偿效应的高精度开关式移相单元，用以提升移相单元的温度可靠性。
发明内容
本发明的目的在于针对现有CMOS工艺高精度移相单元在高低温工作温度范围下温度可靠性差(相位误差、附加幅度误差随温度升高而增大)的问题，提供一种具有温度补偿效应的高精度开关式移相单元；本发明采用全MOS晶体管结构，采用栅极接地保持关断状态的MOS晶体管代替并联支路上的MIM、MOM电容，提升了移相单元的温度可靠性，保证了芯片的全温度工作性能。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种具有温度补偿效应的高精度开关式移相单元，由电感L1、晶体管M1、晶体管M2与晶体管M3构成；其中，电感L1一端作为输入端、另一端作为输出端，晶体管M1的源极与晶体管M3的漏极相连、漏极接输入端、栅极接控制电压VC，晶体管M3的源极与栅极均接地，晶体管M2的漏极接输出端、源极接地、栅极接控制电压
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种具有温度补偿效应的高精度开关式移相单元，采用栅极接地保持关断状态的MOS晶体管(M3)代替并联支路上的MIM、MOM电容，利用栅极接地保持关断状态的MOS晶体管(M3)的寄生关断电容Coff具有正温度系数的特性，有效补偿移相单元因工作温度升高而造成的移相量减小，从而改善相位误差性能；同时，利用栅极接地保持关断状态的MOS晶体管(M3)的寄生关断电容Coff的Q值随温度变化不敏感的特性，保证相移单元的参考态与相移态的损耗在全工作温度下具有相同的变化趋势，从而改善附加幅度误差性能；综上，本发明解决了移相单元随工作温度升高后相位误差、附加幅度误差性能恶化的问题，提升了移相单元的温度可靠性，保证了芯片的全温度工作性能。
附图说明
图1为相控阵系统的结构示意图。
图2为传统加载线型移相器的结构示意图。
图3为现有CMOS工艺高精度移相单元的结构示意图。
图4为MOS晶体管作为开关使用时等效模型图。
图5为MOS晶体管的温度特性示意图。
图6为本发明具有温度补偿效应的高精度开关式移相单元的结构示意图。
图7为本发明具有温度补偿效应的高精度开关式移相单元在全温度范围下相位误差、附加幅度误差的仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
本实施例提供一种具有温度补偿效应的高精度开关式移相单元，其结构如图6所示：具有由电感L1、晶体管M1、晶体管M2与晶体管M3构成；电感L1作为串联支路，一端作为输入端、另一端作为输出端；晶体管M1与晶体管M3构成第一并联支路，晶体管M1的源极与晶体管M3的漏极相连，晶体管M1的漏极接输入端，晶体管M3的源极接地，晶体管M1的栅极接栅极控制电压VC，晶体管M3的栅极接地；晶体管M2与作为第二并联支路，晶体管M2的栅极接栅极控制电压晶体管M2的漏极接输出端，晶体管M2的源极接地。
从工作原理上讲：
本发明提出了一种全MOS晶体管的开关式移相单元，将现有CMOS工艺移相单元中并联支路上的MIM、MOM电容(C1)替换为栅极接地保持关断状态的MOS晶体管(M3)，利用晶体管的寄生关断电容Coff实现移相，通过合理设计晶体管的尺寸，保证该并联支路等效到地电容Ceffect保持不变，实现了在不同工作温度下较好的相位误差和附加幅度误差等性能。
1)针对作为开关使用的MOS晶体管M1、M2；
本发明中所用到的MOS晶体管的源漏极零偏压(电压差VDS＝0)，在该情况下，MOS晶体管工作在线性区，其两端的电压与电流成正比，可以看作成一个线性电阻，其阻值与过驱动电压VGS-VTH的倒数相关，当VGS为低电平时、阻值接近正无穷、可以理解为晶体管关断，当VGS为高电平时、阻值接近0、可以理解为晶体管导通，其等效模型如图3所示(G表示、S表示源极、D表示漏极)；由图可见，器件为对称的，因而源极和漏极可以互换。当VDS＜＜2(VGS-VTH)时：
其中，ID为流过MOS晶体管的漏极电流，μ为MOS晶体管的载流子迁移率，Cox为栅氧化层单位面积电容，W为MOS晶体管的沟道宽度，L为MOS晶体管的沟道长度，VGS为栅极-源极的电压差，VDS为漏极-源极的电压差，VTH为MOS晶体管的阈值电压；
也就是说，漏极电流ID是VDS的线性函数，此线性关系表明源漏之间的可以用一个线性电阻Ron表示，该电阻等于：
载流子迁移率μ一般都具有负温度系数，即温度越高、载流子迁移率越小，则导通电阻Ron越大，晶体管做开关使用时的导通能力越弱。
2)针对作为电容使用的栅极接地保持关断状态的MOS晶体管M3；
MOS晶体管工作于上述的工作状态时，不只是一个线性电阻，在传输信号频率较高时，理论上还存在一个与之并联的源极、漏极之间的寄生电容CDS，在晶体管关断时，其电路模型可以等效为一个电容，称为等效关断电容Coff，如图3所示；该寄生电容与晶体管的电荷储存能力有关，温度升高时，PN结处扩散运动增强(D＝μ(kT/q))，导致电荷更容易在沟道积累，所以等效关断电容Coff随温度升高而增大；且此电容与W*L的乘积相关，一般在10fF～100fF左右，正好与常用在高精度移相器中的MIM、MOM电容的数量级相当。本发明主要就是利用MOS晶体管本身固有寄生电容，其电容值具有正温度系数的特性，对温度升高造成的移相量减小进行了补偿；与普通的MOM电容相比，其Q值随温度的变化相对较小，从而温度升高造成的附加幅度误差恶化的程度也会比较小。
当VC为高电压(一般取电源供电电压VDD)、为低电压(一般接0V)时，晶体管M1导通，晶体管M2断开，此时晶体管M1的导通电阻、晶体管M3的关断电容构成一条并联到地通路，此时电路处于移相态；由于晶体管M1的导通电阻Ron随温度升高而升高，晶体管M3的关断电容Coff同样随温度升高也升高，则根据该并联支路的等效到地电容Ceffect表达式：
通过匹配晶体管M1与晶体管M3的尺寸，使得等效到地电容Ceffect能够随温度保持不变，从而保证移相单元移相态的移相量会随温度保持不变，所以相位误差不会随温度升高而增大；
当VC为低电压、为高电压时，晶体管M1断开，第一并联支路可以等效为晶体管M1的关断电阻Roff串联晶体管M3的关断电容Coff，由于晶体管关断时的等效电阻Roff非常大，所以该并联支路近似为开路，晶体管M2处于导通状态，一部分信号从此泄露到地，此时电路处于参考态；采用传统MOM电容的结构随着温度的升高，其Q值大幅下降，所以其移相态的损耗恶化严重；然而由于MOS管寄生电容Coff的Q值随温度的变化相对较小，所以参考态和移相态的能量损耗机制大部分是来自于MOS晶体管(M1与M2)本身的寄生电阻，进而无论是在工艺偏差、还是温度变化时，其带来的损耗影响具有相同的趋势，进而保证参考态和移相态的损耗随温度升高保持相同的变化趋势，此时电路的附加幅度误差在温度变化时的变化大幅减小。
如图7所示为本实施例中具有温度补偿效应的高精度开关式移相单元在全温度范围下相位误差、附加幅度误差的仿真结果图，其中，(a)为相位随温度的变化，由图可见，与传统的MOM，MIM电容实现的移相单元相比，相位随温度波动1.5°减小至0.2°；(b)为幅度误差随温度的变化，由图可见，与传统的MOM，MIM电容实现的移相单元相比，幅度误差随温度波动0.18dB减小至0.08dB；即本发明能够有效改善相移单元的相位误差、附加幅度误差随温度升高而增大的问题，提升移相单元的温度可靠性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (1)

1.一种具有温度补偿效应的高精度开关式移相单元，由电感L1、晶体管M1、晶体管M2与晶体管M3构成；其中，电感L1一端作为输入端、另一端作为输出端，晶体管M1的源极与晶体管M3的漏极相连、漏极接输入端、栅极接控制电压VC，晶体管M3的源极与栅极均接地，晶体管M2的漏极接输出端、源极接地、栅极接控制电压
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