一款DC～40 GHz 六位數(shù)控衰減器芯片設(shè)計(jì)

李光超，周睿濤，蔣 樂(lè)，張 鎮(zhèn)，豆興昆

（中科芯集成電路有限公司，江蘇無(wú)錫 214000）

近年來(lái)，MMIC 單片集成微波電路[1-4]憑借其體積小、重量輕、性能優(yōu)良、可靠性高、可批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)在微波通信等領(lǐng)域的整機(jī)系統(tǒng)中得到廣泛的運(yùn)用。隨著軍用和民用技術(shù)的飛速發(fā)展，微波通信等領(lǐng)域的整機(jī)系統(tǒng)對(duì)超寬帶MMIC 數(shù)控衰減器的性能提出更高的要求，在確保實(shí)現(xiàn)高衰減精度的同時(shí)，還必須保證低衰減附加相移[5-6]。傳統(tǒng)的砷化鎵數(shù)控衰減器需要外加TTL 驅(qū)動(dòng)器，增加了應(yīng)用的復(fù)雜性，而內(nèi)置驅(qū)動(dòng)的砷化鎵數(shù)控衰減器[7-9]使用靈活，在應(yīng)用方面更加簡(jiǎn)單，可靠性更高，裝配難度更低，鍵合線更少，小型化和實(shí)用化更容易。

文中研制了一款超寬帶集成數(shù)字驅(qū)動(dòng)的6 位數(shù)控衰減器，工作頻率為DC～40 GHz，衰減位由0.5 dB、1 dB、2 dB、4 dB、8 dB、16 dB 6 個(gè)基本衰減位組成，通過(guò)對(duì)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并合理地安排每一個(gè)衰減位，最終在該頻段實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)指標(biāo)。

1 電路設(shè)計(jì)

1.1 衰減器電路設(shè)計(jì)

數(shù)控衰減器由微波開(kāi)關(guān)器件、傳輸線、電阻、偏置和控制電路構(gòu)成，通過(guò)切換電壓來(lái)控制開(kāi)關(guān)的通斷，使信號(hào)經(jīng)過(guò)不同的路徑傳播，從而產(chǎn)生插損的變化。數(shù)控衰減器的主要技術(shù)指標(biāo)有工作頻段、插入損耗、衰減量、衰減精度、衰減附加調(diào)相、電壓駐波比等。為此，必須選用合適的電路拓?fù)洌瑢?duì)各種指標(biāo)進(jìn)行綜合的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

數(shù)字衰減器有以下4 種常見(jiàn)衰減拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式：開(kāi)關(guān)T型、開(kāi)關(guān)橋T型、開(kāi)關(guān)π型和SPDT選通式型[10-12]。根據(jù)技術(shù)指標(biāo)的要求，0.5 dB、1 dB 位使用簡(jiǎn)化開(kāi)關(guān)T 型衰減器[13]，如圖1 所示，該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于小衰減位通態(tài)插損小、附加調(diào)相小、面積小。2 dB、4 dB位使用開(kāi)關(guān)T 型和開(kāi)關(guān)π型衰減器，如圖2 和圖3 所示，該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于中衰減位，通態(tài)插損小、附加調(diào)相小、面積小。8 dB、16 dB 位使用SPDT 選通式型衰減器，如圖4 所示，該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于大衰減位附加調(diào)相小、衰減精度高。

圖1 0.5 dB、1 dB電路拓?fù)?/p>

圖2 2 dB電路拓?fù)?/p>

圖3 4 dB電路拓?fù)?/p>

圖4 8 dB、16 dB電路拓?fù)?/p>

為降低6 個(gè)衰減位級(jí)聯(lián)后的相互影響，一般在設(shè)計(jì)每一個(gè)衰減位時(shí)要求各個(gè)衰減位在頻帶內(nèi)的駐波足夠小，一般駐波最好小于1.2。6 個(gè)衰減單元級(jí)聯(lián)時(shí)，應(yīng)把受相鄰端口影響較小的放在多個(gè)衰減位的兩端，而把受相鄰端口影響較大的放在中間。最終，6 位單片衰減器拓?fù)鋱D如圖5 所示。

圖5 6位數(shù)控衰減器電路拓?fù)?/p>

簡(jiǎn)化開(kāi)關(guān)T 型衰減器R1初始值可通過(guò)式（1）得 出[14-15]，其中Z0為特征阻抗，其值為50 Ω，L為插入損耗。

開(kāi)關(guān)T型衰減器R1和R2初始值可由式（2）、（3）得出:

開(kāi)關(guān)π型衰減器、SPDT 選通式型衰減器R1和R2初始值可由式（4）、（5）得出：

1.2 驅(qū)動(dòng)器電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)器電路的功能是將單個(gè)控制信號(hào)0 V或+5 V轉(zhuǎn)換為一對(duì)電平值為-5 V 和0 V 的反相控制電平，以此控制多個(gè)pHEMT 開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和截止，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)控衰減器衰減量的改變。將TTL 信號(hào)的輸入低電平0 V 視為“0”，輸入高電平+5 V 視為“1”，輸出低電平-5 V 視為“0”，輸出高電平0 V 視為“1”。單位數(shù)字驅(qū)動(dòng)器真值表如表1 所示。

表1 驅(qū)動(dòng)器真值表

根據(jù)數(shù)控衰減器的工作狀態(tài)，基于增強(qiáng)型和耗盡型pHEMT 直流模型設(shè)計(jì)了一種數(shù)字驅(qū)動(dòng)器，結(jié)構(gòu)原理如圖6 所示。驅(qū)動(dòng)器主要由ESD 電路、TTL 電平轉(zhuǎn)換電路、反相器電路等構(gòu)成。其中ESD 電路用于數(shù)字驅(qū)動(dòng)器的靜電防護(hù)；TTL 電平轉(zhuǎn)換電路用于將TTL 電平轉(zhuǎn)化為適合反相器的輸入電平；反相器電路用于實(shí)現(xiàn)輸出一個(gè)與TTL 電平同相、一個(gè)與TTL反相的電平。

圖6 數(shù)字驅(qū)動(dòng)器原理圖

2 仿真和測(cè)試結(jié)果

2.1 仿真結(jié)果

數(shù)控衰減器芯片基于GaAs pHEMT 0.15 μm 工藝研制，選用ADS 2016 軟件完成單個(gè)電路的仿真和整體版圖的設(shè)計(jì)，6 位數(shù)控衰減器芯片整體版圖如圖7 所示，仿真結(jié)果如圖8 所示。圖8(a)、圖8(b)和圖8(c)分別是數(shù)控衰減器基態(tài)插入損耗、全態(tài)衰減附加調(diào)相和駐波；圖8(d)和圖8(e)分別是數(shù)控衰減器衰減量和64 態(tài)衰減精度RMS。

圖7 6位數(shù)控衰減器芯片整體版圖

圖8 6位數(shù)控衰減器芯片仿真結(jié)果

2.2 測(cè)試結(jié)果

流片完成的6 位數(shù)控衰減器芯片如圖9 所示。

圖9 6位數(shù)控衰減器芯片

芯片的電性能采用Cascade 探針臺(tái)、ACP-GSGI50 微波探針、Agilent 5225B 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、數(shù)字多路電源和直流電源進(jìn)行在片測(cè)量，芯片的偏置電壓和真值表如表2 所示。測(cè)試結(jié)果如圖10 所示。圖10(a)、圖10(b)和圖10(c)分別是數(shù)控衰減器基態(tài)插入損耗、衰減附加調(diào)相和駐波，圖10(d)和圖10(e)分別是數(shù)控衰減器衰減量和64 態(tài)衰減精度RMS。

表2 偏置電壓和真值表

圖10 6位數(shù)控衰減器芯片測(cè)試結(jié)果

通過(guò)仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比可以看出，實(shí)測(cè)結(jié)果比仿真結(jié)果稍有惡化，插入損耗仿真小于6 dB，實(shí)測(cè)小于6.5 dB。衰減附加調(diào)相仿真小于±8°，實(shí)測(cè)小于±10°。輸入駐波仿真小于1.8，實(shí)測(cè)小于1.8。64 態(tài)衰減精度RMS仿真小于0.5 dB，實(shí)測(cè)小于0.8 dB。經(jīng)過(guò)初步分析可知，實(shí)測(cè)和仿真存在偏差的主要原因在于：1）金屬層加工精度的誤差。2）開(kāi)關(guān)管小信號(hào)S 參數(shù)的測(cè)量誤差。3）版圖面積壓縮導(dǎo)致某些微帶線之間的耦合效應(yīng)。表3 為所設(shè)計(jì)的衰減器和同類產(chǎn)品及文獻(xiàn)[16]的比較。

表3 測(cè)試結(jié)果與同類產(chǎn)品的比較

3 結(jié)論

文中成功研制了一款集成數(shù)字驅(qū)動(dòng)的超寬帶數(shù)控衰減器芯片，工作頻段為DC～40 GHz，芯片為-5 V電源工作，TTL 控制方式控制，控制電壓為0/5 V。插入損耗小于6.5 dB，均方根衰減精度（64態(tài)）小于0.8 dB，衰減附加調(diào)相小于±10°，兩端口全態(tài)衰減態(tài)的輸入輸出駐波比小于1.8，芯片尺寸為2.08 mm×1.1 mm×0.1 mm。