一款高線性度正電壓控制的壓控衰減器

許傳棟，蘇郁秋，董思源，李光超，周宏健

（中科芯集成電路有限公司，江蘇無錫 214000）

在無線接收機系統(tǒng)中，為實現(xiàn)對信號幅度的控制，可變衰減器是極其重要的器件[1]。雖然信號幅度的控制可以通過可變增益放大器（VGA）來實現(xiàn)[2]，但是VGA 芯片的線性度較差，不適用于接收機的射頻前端。壓控衰減器具有成本低、插入損耗小、頻帶范圍寬、信號幅度變化線性度好、電路形式靈活、芯片可靠性高等優(yōu)點，適用于微波系統(tǒng)的射頻前端[3-5]。

目前已有學(xué)者對壓控衰減器進行相關(guān)研究，Maecus Granger-Jones 等人基于SOI CMOS 工藝研制一款工作頻率在0.05～4 GHz 的壓控衰減器[6]。但是，SOI CMOS 的產(chǎn)品抗輻射能力較差，該工藝制造的芯片不能滿足衛(wèi)星通信的要求。國內(nèi)白銀超等人基于GaAs PHEMT工藝設(shè)計了一款工作頻率在0.05～3 GHz的高線性度壓控衰減器[7]，但其控制信號為負電壓，在實際工程應(yīng)用中，正電壓很容易實現(xiàn)，而負電壓則需要特殊提供，加大了系統(tǒng)的復(fù)雜性。白元亮設(shè)計了一款正電壓控制、工作頻率為DC～4 GHz 的壓控衰減器，但是需要引入額外的驅(qū)動電路，增加了設(shè)計的復(fù)雜度[8]。因此針對以上問題，該文設(shè)計了一款工作頻率在1～6 GHz的正電壓控制的壓控衰減器，管芯選用噪聲系數(shù)低、電阻率變化更小的D-mode PHEMT晶體管，通過電壓浮地技術(shù)實現(xiàn)正電壓控制，應(yīng)用更廣[9]。

1 電路設(shè)計

1.1 GaAs PHEMT等效模型

衰減器電路中GaAs PHEMT 管芯是集成電路的關(guān)鍵器件，管芯的電特性對電路的設(shè)計至關(guān)重要[10]。壓控衰減器中，管芯工作在無源狀態(tài)，即源漏之間電壓很小，柵極加直流電壓控制信號幅度，管芯的等效電路如圖1 所示，當(dāng)柵極電壓變化時，柵下的耗盡層隨之變化，相應(yīng)源漏間電阻RDS同樣改變。對于耗盡型晶體管，當(dāng)柵壓VG=0 時，柵下溝道全部打開，管芯處于導(dǎo)通狀態(tài)，源漏間電阻等效為小電阻Ron，如圖2（a）所示[11]。當(dāng)柵壓增大時，溝道縮小至截止，RDS增加，當(dāng)VG＞Vp（管芯的導(dǎo)通電壓）時，RDS達最大值，源極和漏極之間等效為大電阻Roff和電容Coff的串聯(lián)形式，如圖2（b）所示。由上述理論，在ID不飽和，VDS較小時，PHEMT 管芯可以作為可變電阻，通過改變控制端VG電壓，可以控制晶體管漏極和源極之間的電阻。在實際應(yīng)用中，根據(jù)具體指標(biāo)選擇不同的晶體管，采用合適的衰減結(jié)構(gòu)就能夠設(shè)計電壓可控衰減器[12]。

圖1 無源PHEMT模型

圖2 PHEMT導(dǎo)通和截止態(tài)等效模型

1.2 壓控衰減器的拓撲電路

單片衰減器的基本衰減結(jié)構(gòu)有三種：橋T 型、T型和π型[13]，在這三種不同結(jié)構(gòu)中，橋T 型衰減電路的插入損耗最小，同時衰減也可以達到較大的衰減范圍，但是其工作頻段內(nèi)衰減平坦度最差；π 型衰減電路的插入損耗較小，但其工作頻帶內(nèi)衰減平坦度也較差；T 型衰減電路的插入損耗也較小，同時衰減量也較大，工作頻帶的衰減平坦度也較好[14]。通過比較三種不同的電路結(jié)構(gòu)，該設(shè)計采用T 型衰減網(wǎng)絡(luò)。

T 型衰減電路的衰減量與串聯(lián)電阻R1、R2、并聯(lián)電阻R3的關(guān)系如下：

由上述公式可以得到，為實現(xiàn)壓控衰減電路端口的良好匹配，主路串聯(lián)可變電阻R1、R2，其阻值應(yīng)控制在0～50 Ω，并聯(lián)可變電阻R3的阻值控制在0～+∞。因此在電路設(shè)計中，R3由晶體管實現(xiàn)，R1、R2由晶體管并聯(lián)一個固定電阻實現(xiàn)，電路的拓撲圖如圖3 所示。

圖3 T型衰減器的電路拓撲圖

1.3 管芯的選擇和加電方式

管芯的選擇主要是根據(jù)管芯的線性度指標(biāo)進行的，線性度越好，管芯的電阻變化率越小，壓控衰減器的控制電壓能夠更精確地控制衰減量，同時衰減電路具有更高的穩(wěn)定性和高低溫特性。首先比較相同的管芯尺寸，如圖4 所示，相同尺寸的D-mode 管芯和E-mode 管芯，兩種曲線的VDS為1 V。從圖4 可以看出，在電壓開啟后，E-mode 管芯控制電壓低于0.4 V 時沒有導(dǎo)通，在高于0.4 V后IDS迅速上升，表明阻值變化劇烈。D-mode 管芯阻值變化比較平緩，在電壓變化范圍內(nèi)IDS緩慢上升，PHEMT 晶體管工作在相同功率時，D-mode 管芯導(dǎo)通電阻變化率較小，有著更好的線性度，利用這種晶體管設(shè)計的電壓衰減器有著更高的輸入三階交調(diào)截取點[15]。

圖4 PHEMT管芯的VGS和IDS曲線

對于耗盡型管芯D-mode，在傳統(tǒng)的控制電路中，當(dāng)柵極接-5 V 時，為高阻狀態(tài)，當(dāng)柵極接0 V 時，為導(dǎo)通狀態(tài)。但在實際應(yīng)用中，控制信號為正電壓的應(yīng)用范圍更廣，因此需要對傳統(tǒng)的衰減器的電路結(jié)構(gòu)進行改進，該文采用了電壓浮地技術(shù)，其原理是在管芯的兩側(cè)源極和漏極加上偏置電壓VC，其拓撲如圖5 所示[16]。偏置電壓VC=5 V 時，當(dāng)柵極接0 V 時，柵源電壓VGS=-5 V，晶體管處于高阻狀態(tài)。當(dāng)柵極接5 V 時，柵源電壓VGS=0 V，晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)[17]。在實際電路中，采用電壓浮地技術(shù)，并在射頻輸入、輸出端加隔直電容，可以將傳統(tǒng)的負電壓控制衰減器改進為正電壓控制。

圖5 電壓浮地技術(shù)拓撲圖

2 仿真和測試結(jié)果

2.1 仿真結(jié)果

壓控衰減器基于0.25 μm GaAs PHEMT 工藝研制，選用ADS 2016 軟件完成電路的仿真和整體版圖的設(shè)計，采用圖3 的拓撲結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)部的射頻輸入、輸出端和接地端加載隔直電容抑制直流信號，最終優(yōu)化壓控衰減器的性能和尺寸，芯片尺寸為1.75 mm×1.35 mm×0.1 mm。

壓控衰減器有一個供電端VC、兩個控制端VT1和VT2。VC為5 V 直流供電，VT1變化范圍為0～5 V，VT1、VT2電壓變化關(guān)系為VT1+VT2=5 V。柵極加載20 kΩ電阻作為隔離電阻。

壓控衰減器的仿真性能如圖6 所示。輸入、輸出端的電壓駐波比在工作頻段內(nèi)小于1.5，插入損耗小于2.3 dB，最大衰減量大于31 dB，動態(tài)衰減范圍為0～28 dB，整個工作頻帶內(nèi)平坦度在1 dB以內(nèi)，控制電壓的變化范圍為0～5 V，衰減量隨著電壓變化具有良好的線性度，仿真結(jié)果符合設(shè)計要求。

圖6 壓控衰減器的仿真結(jié)果

在芯片設(shè)計中需要考慮靜電放電（ESD）問題。為實現(xiàn)對芯片的靜電保護，通常在電源電壓VC和控制電壓VT1、VT2的輸入端串聯(lián)二極管連接到地。電路正常工作時，二極管截至，處于斷開態(tài)，當(dāng)產(chǎn)生靜電時，二極管雪崩擊穿，導(dǎo)通到地，保護內(nèi)部芯片。

2.2 測試結(jié)果

對流片完成的芯片進行探針臺測試，測試儀器有Cascade 探針臺、ACP-GSG-I50 微波探針、Agilent 5225B 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和穩(wěn)壓直流電壓。芯片的偏置電壓和真值表如表1 所示，測試結(jié)果如圖7 所示。

圖7 壓控衰減器的測試結(jié)果

表1 真值表

通過對比仿真和實測結(jié)果，實測的輸入、輸出駐波比與仿真結(jié)果基本一致，駐波最大值仿真為1.5，實測為1.6，衰減動態(tài)范圍和控制電壓衰減曲線與仿真結(jié)果吻合，證明了該設(shè)計的正確性和工藝的精確性。對于駐波曲線的誤差分析，主要原因如下：1）晶體管的S 參數(shù)測試數(shù)據(jù)誤差；2）衰減器的內(nèi)部分壓誤差；3）版圖小型化過程中內(nèi)部微帶線之間的相互耦合。

3 結(jié)論

該文對壓控衰減器的線性度和電壓浮地技術(shù)進行了分析，采用0.25 μm GaAs PHEMT 工藝研制了一款正電壓控制、高線性度的壓控衰減器。其工作頻段為1～6 GHz，控制電壓變化范圍為0～5 V。最終流片測試結(jié)果表明，壓控衰減器插入損耗小于2.3 dB，最大衰減量大于31 dB，動態(tài)衰減范圍為0～28 dB，整個工作頻帶內(nèi)平坦度在1 dB 以內(nèi)，芯片尺寸為1.75 mm×1.35 mm×0.1 mm，滿足設(shè)計指標(biāo)要求。