CN114389571A - 宽带开关控制衰减单元及宽带开关型衰减器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种T型宽带开关控制衰减单元以及π型宽带开关控制衰减单元，以及由所述的T型衰减单元和π型衰减单元所组成的衰减器。本发明针对开关型衰减器关断寄生电容的带宽问题，进行T型及π型开关型衰减单元的并联开关拓扑设计，增加并联开关补偿电容，减小参考状态关断寄生电容改善低通滤波传输特性、衰减状态下利用并联补偿电容对串联开关关断寄生电容进行补偿由高通滤波转为低通滤波传输特性，从而综合有效拓展频率特性及带宽。

Description

宽带开关控制衰减单元及宽带开关型衰减器

技术领域

本发明涉及半导体器件设计领域，特别是指一种射频前端电路设计的宽带开关控制衰减单元及宽带开关型衰减器。

背景技术

衰减器是一种提供衰减的电子元器件，广泛地应用于电子设备中，它的主要用途是：(1)调整电路中信号的大小；(2)在比较法测量电路中，可用来直读被测网络的衰减值；(3)改善阻抗匹配，若某些电路要求有一个比较稳定的负载阻抗时，则可在此电路与实际负载阻抗之间插入一个衰减器，能够缓冲阻抗的变化。衰减器是在指定的频率范围内，一种用以引入一预定衰减的电路。一般以所引入衰减的分贝数及其特性阻抗的欧姆数来标明。在有线电视系统里广泛使用衰减器以便满足多端口对电平的要求。如放大器的输入端、输出端电平的控制、分支衰减量的控制。衰减器有无源衰减器和有源衰减器两种。有源衰减器与其他热敏元件相配合组成可变衰减器，装置在放大器内用于自动增益或斜率控制电路中。无源衰减器有固定衰减器和可调衰减器。

幅度控制模块是相控阵系统的重要组成部分。通过幅度控制可以对相控阵系统各通道的信号幅度进行调节以减少通道间的幅度偏差以及降低相控阵系统合成波束的旁瓣，以增强波束的指向性。通常，相控阵系统采用可变增益放大器或衰减器用于幅度控制。可变增益放大器能够在调整幅度的同时提供功率增益，但具有功耗。相比之下，衰减器无直流功耗且可以在较宽的频带内工作，是实现幅度调节较优的选择。但衰减器通常工作在低频，一旦频率上升，比如到毫米波频段，晶体管的寄生电容将对衰减器的性能造成巨大影响，比如，降低幅度调节精度、引入较大的调幅附加相位等，因而衰减器在高频的应用受到了限制。

开关型衰减器通过级联多级衰减单元来实现较大范围的增益调节。在单个衰减单元中，晶体管开关被用来控制衰减状态，使信号从高增益或低增益路径通过，从而实现增益调节的功能。尽管开关型衰减器有零直流功耗、尺寸小、损耗低等优点，但是开关型衰减器的设计仍然面临很多挑战，如(1)衰减单元对负载阻抗敏感，这将降低增益调节的精度；(2)衰减器的工作频率受限于晶体管的寄生电容，这限制了衰减器在高频频段的应用；(3)受晶体管寄生电容的影响，衰减器在不同衰减状态时存在相位误差，这将导致相控阵系统的相位校准变得复杂。

开关型衰减器因其低功耗、低成本及低插损等性能优势常用于相控阵系统进行信号幅度控制。T型及π型衰减单元因其开关的关断寄生电容效应，在参考状态下并联开关关断寄生电容为低通滤波特性，衰减状态下串联开关关断寄生电容为高通滤波特性，限制了其综合衰减度的频率特性与带宽。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种宽带开关控制衰减单元以及由所述衰减单元构成的宽带开关型衰减器，具有较好的传输特性。

为解决上述问题，本发明所述的一种宽带开关控制衰减单元，所述的宽带开关控制衰减单元为T型衰减单元，其衰减单元包含有：

第一MOS管作为串联开关形成信号输入及输出，所述第一MOS管的漏极为所述衰减单元的信号输入端，所述第一MOS管的源极为所述衰减单元的信号输出端；所述第一MOS管的栅极连接到第一控制信号；

第一电阻与第二电阻串联之后并联在所述的衰减单元的信号输入端与信号输出端之间；

第二MOS管与第三MOS管串联，所述第二MOS管的源极接地，所述第三MOS管的漏极与第一电阻和第二电阻的串联节点相连，所述第二MOS管与第三MOS的栅极相连并连接到第二控制信号；

所述的第二MOS管的源极和漏极之间还并接有第一电容。

进一步地，所述的第二MOS管与第三MOS管形成两级串联，整体作为所述衰减单元的并联开关；所述第三MOS管作为中间隔离级开关；所述第一电容作为补偿电容，与所述第二MOS管并联新城接地级开关；所述的作为中间隔离级开关的第三MOS管的尺寸大于作为接地极开关的第二MOS管；接地级导通电阻为衰减并联电阻。

进一步地，所述的衰减单元在参考状态时，串联开关导通，并联开关关断，并联开关两级串联减小关断寄生电容，改善低通滤波传输特性。

进一步地，所述的衰减单元在衰减状态时，串联开关关断、并联开关导通，利用并联补偿电容对串联开关关断寄生电容进行补偿，衰减状态下由高通滤波转为低通滤波传输特性。

进一步地，综合衰减度为衰减状态下插损相对参考状态下插损的变化，两者均表现为同向低通滤波，能有效拓展频率特性及带宽。

进一步地，所述的任意MOS管能替换为射频开关单元。

进一步地，所述的第一控制信号和第二控制信号互为反向的信号。

本发明提供另一种宽带开关控制衰减单元，所述的宽带开关控制衰减单元为π型衰减单元，其衰减单元包含有：

第四MOS管作为串联开关形成信号输入及输出，所述第四MOS管的漏极为所述衰减单元的信号输入端，源极为所述衰减单元的信号输出端；所述第四MOS管的栅极连接到第一控制信号；

第三电阻并联于所述信号输出端与信号输入端之间；

第五MOS管的漏极连接到所述的信号输入端，第六MOS管的漏极连接到所述的信号输出端；所述第五MOS管的栅极和第六MOS管的栅极连接；

第七MOS管的漏极与所述第五MOS管的源极相连，第八MOS管的漏极与所述第六MOS管的源极相连，所述第七MOS管的源极和所述第八MOS管的源极均接地；

所述第七MOS管的栅极与所述第八MOS的栅极连接，并与第五MOS的栅极和第六MOS管的栅极一起连接到第二控制信号；

第二电容，并联于所述第七MOS管的源极和漏极之间；

第三电容，并联与所述第八MOS管的源极和漏极之间。

进一步地，所述的第四MOS管作为所述衰减单元的串联开关，所述第五、六、七、八MOS管形成的两级串联并整体作为所述衰减单元的并联开关，其中，第七MOS管和第八MOS管以及并联的第二电容、第三电容一起作为接地级开关，第五MOS管和第六MOS管作为中间隔离级开关；所述的作为中间隔离级开关的第五MOS管及第六MOS管的尺寸大于作为接地极开关的第七MOS管和第八MOS管；所述第二电容和第三电容作为补偿电容。

进一步地，所述的衰减单元在参考状态时，串联开关导通，并联开关关断，并联开关两级串联减小关断寄生电容，改善低通滤波传输特性。

进一步地，所述的衰减单元在衰减状态时，串联开关关断、并联开关导通，利用并联补偿电容对串联开关关断寄生电容进行补偿，衰减状态下由高通滤波转为低通滤波传输特性。

进一步地，综合衰减度为衰减状态下插损相对参考状态下插损的变化，两者均表现为同向低通滤波，能有效拓展频率特性及带宽。

进一步地，所述的第一控制信号和第二控制信号互为反向的信号。

进一步地，所述的任意MOS管能替换为射频开关单元。

本发明提供一种宽带开关型衰减器，是由上述的T型衰减单元和π型衰减单元组成的6-bit宽带开关型衰减器，包含两个T型衰减单元以及两个π型衰减单元，所述的两个T型衰减单元以及两个π型衰减单元依次级联，且所述衰减单元是呈双向的中心对称排列，即以T、π、π、T的方式排列。

所述的宽带开关型衰减器的首尾两端均为简化衰减单元分别引出所述宽带开关型衰减器的信号输入端和信号输出端；所述的首尾两端的简化衰减单元其结构相同，均由一电阻和与电阻串联后接地的MOS管组成；所述MOS管栅极分别接第五控制信号及第六控制信号；电阻的另一端分别与信号输入端或信号输出端相连。

进一步地，所述的π型衰减单元实现最高2-bit衰减幅度，T型衰减单元实现次高2-bit衰减幅度，位于首尾两端的简化衰减单元实现最低2-bit衰减幅度。

进一步地，所述的宽带开关型衰减器实现15.75dB的衰减范围，衰减步长为0.25dB。

本发明所述的一种宽带开关型衰减器，是包含由上述的多个T型衰减单元以及多个π型衰减单元所形成的衰减器。

本发明针对开关型衰减器关断寄生电容的带宽问题，进行T型及π型开关型衰减单元的并联开关拓扑设计，增加并联开关补偿电容，减小参考状态关断寄生电容改善低通滤波传输特性、衰减状态下利用并联补偿电容对串联开关关断寄生电容进行补偿由高通滤波转为低通滤波传输特性，从而综合有效拓展频率特性及带宽。

附图说明

图1是本发明提供的T型宽带开关控制衰减单元的结构示意图。

图2是本发明提供的π型宽带开关控制衰减单元的结构示意图。

图3是本发明利用图1及图2所示的衰减单元组成的衰减器的实施例结构。

图4是本发明衰减器在不同频率下的频率特性曲线图。

具体实施方式

以下结合附图给出本发明的具体实施方式，对本发明中的技术方案进行清楚完整的描述，但本发明不限于以下的实施方式。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。本领域普通技术人员在不做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大，自始至终相同附图标记表示相同的元件。应当明白，当元件或层被称为“在…上”、“与…相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在…上”、“与…直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

本发明所述的一种T型宽带开关控制衰减单元，如图1所示，其结构包含有：

第一MOS管M1作为串联开关形成信号输入及输出，所述第一MOS管M1的漏极为所述衰减单元的信号输入端RFin，所述第一MOS管M1的源极为所述衰减单元的信号输出端RFout；所述第一MOS管的栅极连接到第一控制信号Vc。

第一电阻R1s与第二电阻R2s串联之后并联在所述的衰减单元的信号输入端RFin与信号输出端RFout之间。

第二MOS管M2与第三MOS管M3串联，所述第二MOS管M2的源极接地，所述第三MOS管M3的漏极与第一电阻R1s和第二电阻R2s的串联节点相连，所述第二MOS管M2与第三MOS管M3的栅极相连并连接到第二控制信号Vcn。所述的第一控制信号和第二控制信号互为反向的信号，即在任一时刻，Vc为高电平则Vcn为低电平，Vc为低电平则Vcn为高电平。

所述的第二MOS管与第三MOS管形成两级串联，整体作为所述衰减单元的并联开关；所述第三MOS管作为中间隔离级开关。

所述的第二MOS管M2的源极和漏极之间还并接有第一电容Cp。所述第一电容Cp作为补偿电容，与所述第二MOS管并联新城接地级开关；接地级导通电阻为衰减并联电阻。

以上为本发明提供的新型的T型衰减单元，下面本发明再提供一种新型的π型衰减单元，其结构如图3所示：

第四MOS管M21作为所述衰减单元的串联开关，作为信号的输入及输出端，所述第四MOS管M21的漏极为所述衰减单元的信号输入端RFin，源极为所述衰减单元的信号输出端RFout；所述第四MOS管M21的栅极连接到第一控制信号Vc。

第三电阻Rs并联于所述信号输出端RFout与信号输入端RFin之间。

第五MOS管M31的漏极连接到所述的信号输入端RFin，第六MOS管N32的漏极连接到所述的信号输出端RFout；所述第五MOS管M31的栅极和第六MOS管M32的栅极连接。

第七MOS管M11的漏极与所述第五MOS管M31的源极相连，第八MOS管M12的漏极与所述第六MOS管M32的源极相连，所述第七MOS管M11的源极和所述第八MOS管M12的源极均接地。

所述第七MOS管M11的栅极与所述第八MOS管M12的栅极连接，并与第五MOS管M31的栅极和第六MOS管M32的栅极一起连接到第二控制信号Vcn。同样，第一控制信号Vc和第二控制信号Vcn互为反向的信号。

第二电容C1p，并联于所述第七MOS管M11的源极和漏极之间。

第三电容C2p，并联与所述第八MOS管M12的源极和漏极之间。

所述第五、六、七、八MOS管形成的两级串联并整体作为所述衰减单元的并联开关，其中，第七MOS管和第八MOS管以及并联的第二电容、第三电容一起作为接地级开关，第五MOS管和第六MOS管作为中间隔离级开关；所述第二电容和第三电容作为补偿电容。

上述结构中，与传统器件结构相比，并联开关利用两级串联实现：分为中间隔离级及接地级，隔离级开关管的尺寸大于接地级，接地级并联开关由开关与补偿电容并联实现。

同样，上述的任意MOS管能替换为射频开关单元。

上述的T型衰减单元或者π型衰减单元在参考状态时，串联开关导通，并联开关关断，并联开关两级串联减小关断寄生电容，改善低通滤波传输特性。

所述的T型衰减单元或者π型衰减单元在衰减状态时，串联开关关断、并联开关导通，利用并联补偿电容对串联开关关断寄生电容进行补偿，衰减状态下由高通滤波转为低通滤波传输特性。

综合衰减度为衰减状态下插损相对参考状态下插损的变化，两者均表现为同向低通滤波，能有效拓展频率特性及带宽。

本发明再提供一种宽带开关型衰减器，是由上述的T型衰减单元和π型衰减单元组成的6-bit宽带开关型衰减器，如图3所示，包含两个T型衰减单元、两个π型衰减单元，以及首尾两端的两个简化衰减单元。所述的两个T型衰减单元以及两个π型衰减单元依次级联，且所述衰减单元是呈双向的中心对称排列，即以T、π、π、T的方式排列。

所述的宽带开关型衰减器的首尾两端均为简化衰减单元分别引出所述宽带开关型衰减器的信号输入端RFin和信号输出端RFout；所述的首尾两端的简化衰减单元其结构相同，均由一电阻Rp和与电阻串联后接地的MOS管M13组成；所述MOS管栅极分别接第五控制信号及第六控制信号；电阻的另一端分别与信号输入端或信号输出端相连(图中重复衰减单元中的器件采用相同的标号，外部控制信号的连接方式以及信号逻辑参考前面的衰减单元描述部分)。

上述6-bit衰减器，位于首尾两端的简化衰减单元具有最低的衰减幅度，为0.25dB和0.5dB,位于中心区的π型衰减单元具有最高的衰减幅度，分别为4dB和8dB,T型衰减单元具有次高级的衰减幅度，分别为1dB和2dB。整个衰减器最终实现15.75dB的衰减范围，衰减步长0.25dB。

图4是本发明衰减器在不同频率下的频率特性曲线图，由频率特性可知：参考态低通滤波特性维持几乎不变，衰减态高通滤波变为低通滤波，综合实现衰减带宽得到一定改善提高。

以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限定本发明。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种宽带开关控制衰减单元，其特征在于：所述的宽带开关控制衰减单元为T型衰减单元，所述T型衰减单元包含有：

第一MOS管作为串联开关形成信号输入及输出，所述第一MOS管的漏极为所述衰减单元的信号输入端，所述第一MOS管的源极为所述衰减单元的信号输出端；所述第一MOS管的栅极连接到第一控制信号；

第一电阻与第二电阻串联之后并联在所述的衰减单元的信号输入端与信号输出端之间；

第二MOS管与第三MOS管串联，所述第二MOS管的源极接地，所述第三MOS管的漏极与第一电阻和第二电阻的串联节点相连，所述第二MOS管与第三MOS管的栅极相连并连接到第二控制信号；

所述的第二MOS管的源极和漏极之间还并接有第一电容。

2.如权利要求1所述的宽带开关控制衰减单元，其特征在于：所述的第二MOS管与第三MOS管形成两级串联，整体作为所述衰减单元的并联开关；所述第三MOS管作为中间隔离级开关；所述第一电容作为补偿电容，与所述第二MOS管并联形成接地级开关；所述的作为中间隔离级开关的第三MOS管的尺寸大于作为接地极开关的第二MOS管；接地级导通电阻为衰减并联电阻。

3.如权利要求2所述的宽带开关控制衰减单元，其特征在于：所述的衰减单元在参考状态时，串联开关导通，并联开关关断，并联开关两级串联减小关断寄生电容，改善低通滤波传输特性。

4.如权利要求2所述的宽带开关控制衰减单元，其特征在于：所述的衰减单元在衰减状态时，串联开关关断、并联开关导通，利用并联补偿电容对串联开关关断寄生电容进行补偿，衰减状态下由高通滤波转为低通滤波传输特性。

5.如权利要求3或4所述的宽带开关控制衰减单元，其特征在于：综合衰减度为衰减状态下插损相对参考状态下插损的变化，两者均表现为同向低通滤波，能有效拓展频率特性及带宽。

6.如权利要求1～5任一项所述的宽带开关控制衰减单元，其特征在于：所述的任意MOS管能替换为射频开关单元。

7.如权利要求1所述的宽带开关控制衰减单元，其特征在于：所述的第一控制信号和第二控制信号互为反向的信号。

8.一种宽带开关控制衰减单元，其特征在于：所述的宽带开关控制衰减单元为π型衰减单元，所述π型衰减单元包含有：

第四MOS管作为串联开关，形成信号输入及输出端，所述第四MOS管的漏极为所述衰减单元的信号输入端，源极为所述衰减单元的信号输出端；所述第四MOS管的栅极连接到第一控制信号；

第三电阻并联于所述信号输出端与信号输入端之间；

第五MOS管的漏极连接到所述的信号输入端，第六MOS管的漏极连接到所述的信号输出端；所述第五MOS管的栅极和第六MOS管的栅极连接；

第七MOS管的漏极与所述第五MOS管的源极相连，第八MOS管的漏极与所述第六MOS管的源极相连，所述第七MOS管的源极和所述第八MOS管的源极均接地；

所述第七MOS管的栅极与所述第八MOS的栅极连接，并与第五MOS的栅极和第六MOS管的栅极一起连接到第二控制信号；

第二电容，并联于所述第七MOS管的源极和漏极之间；

第三电容，并联与所述第八MOS管的源极和漏极之间。

9.如权利要求8所述的宽带开关控制衰减单元，其特征在于：所述的第四MOS管作为所述衰减单元的串联开关，所述第五、六、七、八MOS管形成两级串联并整体作为所述衰减单元的并联开关，其中，第七MOS管和第八MOS管以及并联的第二电容、第三电容一起作为接地级开关，第五MOS管和第六MOS管作为中间隔离级开关；所述的作为中间隔离级开关的第五MOS管及第六MOS管的尺寸大于作为接地极开关的第七MOS管和第八MOS管；所述第二电容和第三电容作为补偿电容。

10.如权利要求7所述的宽带开关控制衰减单元，其特征在于：所述的衰减单元在参考状态时，串联开关导通，并联开关关断，并联开关两级串联减小关断寄生电容，改善低通滤波传输特性。

11.如权利要求7所述的宽带开关控制衰减单元，其特征在于：所述的衰减单元在衰减状态时，串联开关关断、并联开关导通，利用并联补偿电容对串联开关关断寄生电容进行补偿，衰减状态下由高通滤波转为低通滤波传输特性。

12.如权利要求10或11所述的宽带开关控制衰减单元，其特征在于：综合衰减度为衰减状态下插损相对参考状态下插损的变化，两者均表现为同向低通滤波，能有效拓展频率特性及带宽。

13.如权利要求8所述的宽带开关控制衰减单元，其特征在于：所述的第一控制信号和第二控制信号互为反向的信号。

14.如权利要求8～12任一项所述的宽带开关控制衰减单元，其特征在于：所述的任意MOS管能替换为射频开关单元。

15.一种宽带开关型衰减器，其特征在于：为6-bit宽带开关型衰减器，包含两个T型衰减单元以及两个π型衰减单元，所述的两个T型衰减单元以及两个π型衰减单元依次级联，且所述衰减单元是呈双向的中心对称排列，即以T、π、π、T的方式排列；

所述的宽带开关型衰减器的首尾两端均为简化衰减单元分别引出所述宽带开关型衰减器的信号输入端和信号输出端；所述的首尾两端的简化衰减单元其结构相同，均由一电阻和与电阻串联后接地的MOS管组成；所述MOS管栅极分别接第五控制信号及第六控制信号；电阻的另一端分别与信号输入端或信号输出端相连。

16.如权利要求15所述的宽带开关型衰减器，其特征在于：所述的π型衰减单元实现最高2-bit衰减幅度，T型衰减单元实现次高2-bit衰减幅度，位于首尾两端的简化衰减单元实现最低2-bit衰减幅度。

17.如权利要求15所述的宽带开关型衰减器，其特征在于：所述的宽带开关型衰减器实现15.75dB的衰减范围，衰减步长为0.25dB。

18.一种宽带开关型衰减器，其特征在于：包含由权1和/或权8所述的T型衰减单元以及π型衰减单元所形成的衰减器。

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