高精度、低附加相移数控衰减器设计.pdf

Telecom Power Technology 4 Oct.10,2023,Vol.40 No.19 2023 年 10 月 10 日第 40 卷第 19 期设计应用技术DOI：10.19399/ki.tpt.2023.19.002高精度、低附加相移数控衰减器设计张 磊（海军装备部驻南京地区第三代表室，江苏 南京 210001）摘要：采用0.13 m 双极的互补金属氧化物半导体（Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor，BiCMOS）工艺，设计了一款高精度、低附加相移的 6 位数控衰减器。电路采用 6 个基本衰减单元级联组合的方式，通过控制各衰减单元的工作状态，实现 64 个衰减状态。衰减器衰减步进为 0.5 dB，最大衰减量为 31.5 dB。仿真结果表明，衰减误差均方根小于0.22 dB，附加相移小于3，插入损耗小于8.2 dB，回波损耗小于-20 dB，芯片尺寸为750 m 500 m。关键词：衰减器；高精度；低附加相移；相控阵系统A Digital Attenuator with High Accuracy and Low Phase VariationZHANG Lei(The Third Military Representative Office of the Naval Armament Department in Nanjing Area,Nanjing 210001,China)Abstract:This letter presents a 6 bits digital attenuator with high accuracy and low phase variation in 0.13 m Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor(BiCOMS)technology.Circuit,composed of 6 cascaded units,gets 64 states by controlling the state of attenuation units.Proposed attenuator exhibits 31.5 dB tuning range with 0.5 dB tuning step.The simulation result of proposed circuit shows root mean square attenuator error better than 0.22 dB and phase error less than 3.Besides,the insert loss is less than 8.2 dB,and return loss is less than-20 dB.Die dimension of attenuator is 750 m500 m.Keywords:attenuator;high accuracy;low phase error;phase array system0 引 言衰减器作为移动通信、相控阵雷达等系统的关键模块，其性能的好坏将直接影响系统的工作性能。随着工艺节点的不断减小和人们对芯片集成度要求的不断提高，小尺寸、高性能的多位数控衰减器成为当今学术研究与工程应用的研究热点。数控衰减器由多位衰减量不同的单元级联组成，并通过外部信号控制衰减器的实际衰减量，以实现高精度、低附加相移等高性能指标。该结构具有设计简单、可移植性强等优点。1 电路设计设计的 6 位数控衰减器由 0.5 dB、1 dB、2 dB、4 dB、8 dB、16 dB 衰减位级联组成，以 0.5 dB 为衰减步进，实现最大 31.5 dB 的衰减量。0.5 dB 和 1 dB 衰减单元采用插损小、结构简单的简化 T 型结构，2 dB 采用回波损耗较好的桥 T 型结构，4 dB、8 dB 则采用适合大位衰减的 型结构1。由于衰减量大，开关内嵌式的拓扑结构无法较好地实现更大的衰减量，因此 16 dB 采用开关路径式拓扑结构2。电路原理如图1 所示。LineLine（a）简化 T 型 （b）桥 T 型LineLine参考态衰减态SPDTSPDT（c）型 （d）开关路径型图 1 衰减单元拓扑结构1.1 电容补偿和电感补偿以 型开关内嵌式拓扑结构为例，分析其在参考态和衰减态的工作原理。2 种工作状态的等效电路分别如图 2 所示。如图 2（a）所示，当衰减器工作在参考态时，串收稿日期：2023-08-20作者简介：张 磊（1982），男，河南滑县人，硕士研究生，主要研究方向为雷达、电子元器件。2023 年 10 月 10 日第 40 卷第 19 期 5 Telecom Power TechnologyOct.10,2023,Vol.40 No.19 张 磊：高精度、低附加相移数控 衰减器设计联金属-氧化物-半导体（Metal Oxide Semiconductor，MOS）场效应晶体管导通，并联 MOS 管断开。在理想开关状态下，信号从输入端通过 MOS 管导通电阻Ron1径直到达输出端，没有到地衰减路径，此时信号插损仅由导通电阻 Ron1和电阻 R1引入。但是，由于截止电容 Coff2的存在，部分高频信号将通过电阻 R2和 Coff2泄漏到地，参考态插损增大，同时衰减器的相对衰减量减小。随着信号频率的升高，截止电容引入的衰减误差更大。如图 2（b）所示，当衰减器工作在衰减态时，串联 MOS 管断开，并联 MOS 管导通。此时，信号路径中出现到地衰减路径，部分信号通过导通电阻Ron2和电阻R2泄漏到地，使得信号产生衰减。由图 2（b）可知，截止电容 Coff1使衰减态电路成为高通特性电路，与参考态相比相位超前。Ron1Coff2Coff2R1R2R2Coff1Ron2Ron2R1R2R2（a）参考态 （b）衰减态图 2 型开关内嵌式拓扑结构等效电路为了解决截止电容引入的衰减误差和附加相移，本文采用改进的 型衰减器结构。电路引入电容补偿和电感补偿，原理图及其参考态/衰减态等效电路图如图 3 所示3-4。电路通过分别在并联支路上引入高通特性电路和在串联支路上引入低通特性电路，抵消截止电容Coff1引入的附加相移。电感面积较大且会与截止电容形成带通网络，限制电路带宽。因此，设计中尽量避免采用电感补偿附加相移。8 dB 衰减单元中衰减量过大，仅依靠电容补偿无法满足附加相移要求，因此电路引入电感补偿。随着补偿电容的引入，在高频部分信号衰减量的变化量会逐步增大，一定程度上会影响频带平坦度，因此设计时需要选择合适的 Ls和 Cp。R1R2R2M1M2M3LsLsCp图 3 改进的的 型衰减器1.2 体悬浮技术晶体管的开关性能将直接影响衰减器的工作性能，因此引入体悬浮技术5，即在 MOS 开关管的栅极和衬底串联一个十几乃至几十千欧姆的大电阻，如图 4（a）所示。图 4（b）和图 4（c）分别展示了MOS 开关管在参考态和截止态的等效电路图。可以看出，在高频段，信号通路到栅极和衬底之间存在泄漏通路，将直接影响衰减器的插入损耗，且影响开关的隔离度。同时，MOS 开关的非线性主要来源于导通电阻随电压差 Ugs和 Ubs的变化。通过在栅极和衬底串联大电阻，使得栅极电压和衬底电压处于悬浮态。当大信号电压通过时，Ugs和 Ubs保持恒定不变，从而提高 MOS 开关管的线性度。DBSGRgRbDSGRgRbRsubCgdCgsCjdCjsRonDSGRgRbRsubCgdCgsCjdCjs （a）开关管 （b）参考态 （c）衰减态图 4 MOS 开关管和等效电路 2023 年 10 月 10 日第 40 卷第 19 期Oct.10,2023,Vol.40 No.19Telecom Power Technology 6 2 仿真结果及芯片面积设计采用 0.13 m 双极的互补金属氧化物半导体（Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor，BiCMOS）工艺，核心电路尺寸为 550 m175 m，芯片电压 1.5 V，工作频率 27 32 GHz。图 5 展示了电路在频带内的仿真结果，其中分别为衰减误差均方根曲线和附加相移曲线与输入输出的回波损耗。由仿真曲线图可以看出，衰减误差均方根最大为 0.216 dB，最大附加相移为-3 2，输入和输出的回波损耗均小于-20 dB。m5m6频率/GHz0.50.40.30.20.10.03533313432302927282625衰减误差均方根/dB 频率/GHz543210-1-2-3-4-535333134323029m4m327282625附加相移/（）（a）衰减误差均方根 （b）附加相移频率/GHz-15-20-25-30-35-403533313432302927282625输入回波损耗/dB 频率/GHz-15-20-25-30-35-403533313432302927282625输出回波损耗/dB （c）输入回波损耗 （d）输出回波损耗图 5 衰减器的仿真结果3 结 论本文在 0.13 m BiCMOS 工艺下设计了一款用于相控阵雷达系统的高性能 6 位数控衰减器，以 0.5 dB作为衰减步进，可以实现 31.5 dB 的最大衰减范围，衰减误差均方根小于 0.216 dB，附加相移小于 6，插入损耗小于 8.2 dB，回波损耗小于-20 dB。参考文献：1 SJOGREN L，INGRAM D，BIEDENBENDER M，et al.A low phase-error 44GHz HEMT attenuatorJ.IEEE Microwave and Guided Wave Letters，1998，8（5）：194-195.2 KU B H，HONG S.6-bit CMOS digital attenuators with low phase variations for X-band phased-array systemsJ.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2010，58（7）：1651-1663.3 GU P，ZHAO D.A DC-43.5 GHz CMOS switched-type attenuator with capacitive compensation techniqueC/Proc.IEEE Asian Solid-State Circuits Conf.，2019.4 DAVULCU M，CALISKAN C，KALYONCU I，et al.7-bit SiGe-BiCMOS step attenuator for X-band phased-array RADAR applicationsJ.IEEE Microwave Wireless Compon.Lett.，2016，26（8）：598-600.5 BAE J，LEE J，NGUYEN C.A 10-67GHz CMOS dual-function switching attenuator with improved flatness and large attenuation rangeJ.IEEE Transactions on Microwave Theory&Techniques，2013，61（12）：4118-4129.