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一款高線性度正電壓控制的壓控衰減器

2022-11-05 08:30:42許傳棟蘇郁秋董思源李光超周宏健
電子設計工程 2022年21期

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)

在無線接收機系統中,為實現對信號幅度的控制,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[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、芯片可靠性高等優點,適用于微波系統的射頻前端[3-5]。

目前已有學者對壓控衰減器進行相關研究,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 的產品抗輻射能力較差,該工藝制造的芯片不能滿足衛星通信的要求。國內白銀超等人基于GaAs PHEMT工藝設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,在實際工程應用中,正電壓很容易實現,而負電壓則需要特殊提供,加大了系統的復雜性。白元亮設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動電路,增加了設計的復雜度[8]。因此針對以上問題,該文設計了一款工作頻率在1~6 GHz的正電壓控制的壓控衰減器,管芯選用噪聲系數低、電阻率變化更小的D-mode PHEMT晶體管,通過電壓浮地技術實現正電壓控制,應用更廣[9]。

1 電路設計

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鍵器件,管芯的電特性對電路的設計至關重要[10]。壓控衰減器中,管芯工作在無源狀態,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,當柵極電壓變化時,柵下的耗盡層隨之變化,相應源漏間電阻RDS同樣改變。對于耗盡型晶體管,當柵壓VG=0 時,柵下溝道全部打開,管芯處于導通狀態,源漏間電阻等效為小電阻Ron,如圖2(a)所示[11]。當柵壓增大時,溝道縮小至截止,RDS增加,當VG>Vp(管芯的導通電壓)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。在實際應用中,根據具體指標選擇不同的晶體管,采用合適的衰減結構就能夠設計電壓可控衰減器[12]。

圖1 無源PHEMT模型

圖2 PHEMT導通和截止態等效模型

1.2 壓控衰減器的拓撲電路

單片衰減器的基本衰減結構有三種:橋T 型、T型和π型[13],在這三種不同結構中,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構,該設計采用T 型衰減網絡。

T 型衰減電路的衰減量與串聯電阻R1、R2、并聯電阻R3的關系如下:

由上述公式可以得到,為實現壓控衰減電路端口的良好匹配,主路串聯可變電阻R1、R2,其阻值應控制在0~50 Ω,并聯可變電阻R3的阻值控制在0~+∞。因此在電路設計中,R3由晶體管實現,R1、R2由晶體管并聯一個固定電阻實現,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管芯的線性度指標進行的,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IDS緩慢上升,PHEMT 晶體管工作在相同功率時,D-mode 管芯導通電阻變化率較小,有著更好的線性度,利用這種晶體管設計的電壓衰減器有著更高的輸入三階交調截取點[15]。

圖4 PHEMT管芯的VGS和IDS曲線

對于耗盡型管芯D-mode,在傳統的控制電路中,當柵極接-5 V 時,為高阻狀態,當柵極接0 V 時,為導通狀態。但在實際應用中,控制信號為正電壓的應用范圍更廣,因此需要對傳統的衰減器的電路結構進行改進,該文采用了電壓浮地技術,其原理是在管芯的兩側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,當柵極接0 V 時,柵源電壓VGS=-5 V,晶體管處于高阻狀態。當柵極接5 V 時,柵源電壓VGS=0 V,晶體管處于導通狀態[17]。在實際電路中,采用電壓浮地技術,并在射頻輸入、輸出端加隔直電容,可以將傳統的負電壓控制衰減器改進為正電壓控制。

圖5 電壓浮地技術拓撲圖

2 仿真和測試結果

2.1 仿真結果

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計,采用圖3 的拓撲結構,芯片內部的射頻輸入、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小于1.5,插入損耗小于2.3 dB,最大衰減量大于31 dB,動態衰減范圍為0~28 dB,整個工作頻帶內平坦度在1 dB以內,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,仿真結果符合設計要求。

圖6 壓控衰減器的仿真結果

在芯片設計中需要考慮靜電放電(ESD)問題。為實現對芯片的靜電保護,通常在電源電壓VC和控制電壓VT1、VT2的輸入端串聯二極管連接到地。電路正常工作時,二極管截至,處于斷開態,當產生靜電時,二極管雪崩擊穿,導通到地,保護內部芯片。

2.2 測試結果

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 矢量網絡分析儀和穩壓直流電壓。芯片的偏置電壓和真值表如表1 所示,測試結果如圖7 所示。

圖7 壓控衰減器的測試結果

表1 真值表

通過對比仿真和實測結果,實測的輸入、輸出駐波比與仿真結果基本一致,駐波最大值仿真為1.5,實測為1.6,衰減動態范圍和控制電壓衰減曲線與仿真結果吻合,證明了該設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 參數測試數據誤差;2)衰減器的內部分壓誤差;3)版圖小型化過程中內部微帶線之間的相互耦合。

3 結論

該文對壓控衰減器的線性度和電壓浮地技術進行了分析,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,動態衰減范圍為0~28 dB,整個工作頻帶內平坦度在1 dB 以內,芯片尺寸為1.75 mm×1.35 mm×0.1 mm,滿足設計指標要求。

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