基于GaAs工藝的L波段收發(fā)多功能芯片設(shè)計(jì)

高 顯，戴 劍，傅 琦

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊 050051）

0 引 言

無(wú)線通信領(lǐng)域的飛速發(fā)展，為單片微波集成電路的無(wú)線收發(fā)機(jī)提供了很大的應(yīng)用市場(chǎng)[1]。多功能芯片（Multi-Function Chip，MFC）作為無(wú)線收發(fā)機(jī)的核心功能器件發(fā)揮著重要作用。文章基于0.15μm GaAs 偽形態(tài)高電子遷移率晶體管（Pseudomorphic High Eleotron Mobility Transistor，PHEMT）工藝，設(shè)計(jì)并制作了L 波段收發(fā)多功能芯片，內(nèi)部集成6 位數(shù)控衰減器、6 位數(shù)控延時(shí)器、接收放大器、發(fā)射放大器、單刀雙擲開(kāi)關(guān)及數(shù)字驅(qū)動(dòng)電路，具有良好的幅相、收發(fā)切換、功率特性以及高集成度。在傳統(tǒng)多功能單元電路的基礎(chǔ)上，將數(shù)控移相器換為數(shù)控延時(shí)器，可以為通信系統(tǒng)提供更精準(zhǔn)的相位控制[2-4]。

1 電路設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

L 波段收發(fā)多功能芯片總體設(shè)計(jì)鏈路如圖1 所示，接收通道與發(fā)射通道共用6 位數(shù)控延時(shí)器以減小芯片尺寸，延時(shí)器用來(lái)補(bǔ)償不同頻率引起的相位差；接收放大器和發(fā)射放大器根據(jù)鏈路指標(biāo)需求具備一定增益，用來(lái)補(bǔ)償無(wú)源電路的插入損耗，并提供一定的輸出功率，在接收通道增加6 位數(shù)控衰減器實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)制功能；單刀雙擲開(kāi)關(guān)（Single Pole Double Throw，SPDT）用來(lái)實(shí)現(xiàn)收發(fā)切換，并在SPDT 后增加50 Ω 的負(fù)載開(kāi)關(guān)，保證負(fù)載態(tài)時(shí)芯片內(nèi)部不失配。芯片總體設(shè)計(jì)鏈路如圖1 所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)鏈路

1.2 延時(shí)器設(shè)計(jì)

6 位數(shù)控延時(shí)器由6 個(gè)基本延時(shí)位（12.02 ps、24.04 ps、48.08 ps、96.16 ps、192.32 ps、384.64 ps）組成，可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)值為12.02 ps 的64 個(gè)延時(shí)狀態(tài)，延時(shí)范圍為12.02 ～757.17 ps。

為了實(shí)現(xiàn)芯片小型化，3 位小延時(shí)位采用2 個(gè)互補(bǔ)的PHEMT 開(kāi)關(guān)管T1、T2控制的T 型延時(shí)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，如圖2 所示。通過(guò)PHEMT 開(kāi)關(guān)管T1、T2的導(dǎo)通、關(guān)斷切換參考支路和延時(shí)支路，當(dāng)零偏置柵電壓加載到PHEMT 開(kāi)關(guān)管柵極時(shí)，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，呈低阻狀態(tài)；當(dāng)PHEMT 開(kāi)關(guān)管柵源負(fù)偏置在數(shù)值上大于夾斷電壓時(shí)，PHEMT 開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，等效為一個(gè)電阻和電容的串并聯(lián)組合網(wǎng)絡(luò)。參考態(tài)時(shí)，PHEMT 開(kāi)關(guān)管T1導(dǎo)通，PHEMT 開(kāi)關(guān)管T2關(guān)斷，電路等效為一個(gè)小電阻；延時(shí)態(tài)時(shí)，PHEMT 開(kāi)關(guān)管T1關(guān)斷，PHEMT 開(kāi)關(guān)管T2導(dǎo)通，電路等效為電感L1和電容C1構(gòu)成的恒阻延時(shí)網(wǎng)絡(luò)，具備一定延時(shí)量；延時(shí)態(tài)和參考態(tài)的延時(shí)量差值即為所設(shè)計(jì)延時(shí)量[5]。

圖2 T 型延時(shí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

T型延時(shí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有低插損和小尺寸的優(yōu)點(diǎn)，但受限于延時(shí)精度和端口匹配情況，不適用于較大延時(shí)量。3 個(gè)大位延時(shí)為保證高延時(shí)精度，采用單刀雙擲開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)參考支路和延時(shí)支路的切換，延時(shí)支路采用恒阻延時(shí)網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)構(gòu)成，可滿足寬帶、大延時(shí)量需求，并具備良好的延時(shí)精度。參考支路采用衰減電路抵消延時(shí)支路產(chǎn)生的損耗，保證兩路間較小的幅度波動(dòng)。開(kāi)關(guān)型恒阻延時(shí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3 所示[6,7]。

圖3 開(kāi)關(guān)型恒阻延時(shí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.3 衰減器設(shè)計(jì)

6 位數(shù)控衰減器由6 個(gè)基本衰減位（-0.5 dB、-1 dB、-2 dB、-4 dB、-8 dB、-16 dB）組成，以-0.5 dB的步進(jìn)衰減，可以實(shí)現(xiàn)64 種衰減狀態(tài)，衰減范圍為-0.5 ～-31.5 dB。

-0.5 dB 與-1 dB 這2 個(gè)小位衰減采用T 型衰減結(jié)構(gòu)，在保證衰減精度的同時(shí)，節(jié)省芯片面積且損耗小[8]。T 型衰減結(jié)構(gòu)不適用于大衰減量，寬帶平坦度較差，同時(shí)易受相鄰電路阻抗拉偏影響，T 型衰減拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4 所示。PHEMT 開(kāi)關(guān)管T5關(guān)斷為參考態(tài)，PHEMT 開(kāi)關(guān)管T5導(dǎo)通為衰減態(tài)，衰減態(tài)插損與參考態(tài)插損之差即為所設(shè)計(jì)衰減量[9]。

圖4 T 型衰減拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

-2 dB、-4 dB、-8 dB 衰減位采用開(kāi)關(guān)Π 型衰減結(jié)構(gòu)，-16 dB 衰減位采用2 個(gè)-8 dB 衰減位串聯(lián)組成。開(kāi)關(guān)Π 型衰減結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的寬帶性能和端口駐波特性，可實(shí)現(xiàn)高精度的大衰減量，與T 型衰減結(jié)構(gòu)相比損耗較大，開(kāi)關(guān)Π 型衰減拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5 所示。PHEMT 開(kāi)關(guān)管T6導(dǎo)通、T7關(guān)斷為參考態(tài)；PHEMT開(kāi)關(guān)管T6關(guān)斷、T7導(dǎo)通為衰減態(tài)。

圖5 開(kāi)關(guān)Π 型衰減拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.4 接收放大器與發(fā)射放大器設(shè)計(jì)

接收通道包含6 位數(shù)控衰減器、6 位數(shù)控延時(shí)器以及開(kāi)關(guān)電路，為實(shí)現(xiàn)接收通道所需增益和功率，需級(jí)聯(lián)接收放大器單元電路，為降低接收通道噪聲，將接收路放大器置于接收通道輸入端。接收放大器原理如圖6 所示。由于接收放大器增益要求較低，選用單級(jí)放大器即可實(shí)現(xiàn)；放大器設(shè)計(jì)首先需選擇適當(dāng)?shù)墓β使埽谠肼曅阅芸紤]，功率管應(yīng)偏置在較低電流，在此偏置下，功率管的功率容量比處于較高偏置時(shí)要小，根據(jù)放大器噪聲和功率指標(biāo)需求，功率管尺寸選取4 μm×50 μm；采用源極電阻、電容并聯(lián)的偏置網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)功率管所需工作電流和偏壓，同時(shí)提高電路穩(wěn)定性；采用電阻、電容串聯(lián)的負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，有效改善帶內(nèi)增益平坦度和工作帶寬；功率管需與輸入、輸出網(wǎng)絡(luò)良好匹配，從而獲得較低的噪聲系數(shù)和良好的輸出功率特性。

圖6 接收放大器原理

發(fā)射通道包含6 位數(shù)控延時(shí)器和開(kāi)關(guān)電路，為實(shí)現(xiàn)發(fā)射通道所需增益及功率，需級(jí)聯(lián)發(fā)射放大器單元電路，為降低發(fā)射通道功耗，將發(fā)射放大器置于發(fā)射通道輸出端。發(fā)射放大器原理如圖7 所示。由于發(fā)射放大器增益要求較高，選用2 級(jí)放大電路實(shí)現(xiàn)；采用雙電源偏置，相比于單電源偏置的放大器，可以節(jié)省直流功耗。2 級(jí)功率管F2、F3采用同一VD 提供漏極正偏壓，同一VG 提供柵極負(fù)偏壓，偏置電路的電感和去耦電容可以防止射頻信號(hào)進(jìn)入直流偏置電路，保證電路穩(wěn)定性[10]。綜合考慮增益、功率、功耗指標(biāo)，發(fā)射放大器輸入端口駐波良好，與外部無(wú)源電路可以良好匹配，功率管級(jí)間采用共軛匹配，保證所需功率和增益。

圖7 發(fā)射放大器原理

1.5 其他電路設(shè)計(jì)

單刀雙擲開(kāi)關(guān)采用串并聯(lián)PHEMT 開(kāi)關(guān)管結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，具有小尺寸、端口駐波良好以及隔離度高等優(yōu)點(diǎn)，高隔離度保證了接收和發(fā)射通道間的隔離度需求；數(shù)字驅(qū)動(dòng)電路包含電平轉(zhuǎn)換電路單元，將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成pHEMT 開(kāi)關(guān)管所需的0 V/-5 V 控制電平。

2 在片測(cè)試結(jié)果

圖8 為L(zhǎng) 波段收發(fā)多功能芯片在片測(cè)試結(jié)果，接收通道增益大于3 dB，1 dB 壓縮輸入功率大于3 dBm，噪聲系數(shù)小于4 dB，64態(tài)衰減精度均方根（Root Mean Square，RMS）小于0.6 dB，64 態(tài)延時(shí)精度RMS小于8 ps；發(fā)射通道增益大于24 dB，飽和輸出功率大于23 dBm，64 態(tài)延時(shí)精度RMS 小于8.7 ps。

3 結(jié) 論

采用0.15μm GaAs PHEMT 工藝技術(shù)研制的L 波段收發(fā)多功能芯片，芯片內(nèi)部集成6 位數(shù)控衰減器、6 位數(shù)控延時(shí)器、驅(qū)動(dòng)放大器、開(kāi)關(guān)及數(shù)字驅(qū)動(dòng)電路。在1.1 ～1.6 GHz 的頻帶范圍內(nèi)，接收通道增益大于3 dB，1 dB 壓縮輸入功率大于3 dBm ，噪聲系數(shù)小于4 dB，64 態(tài)衰減精度均方根小于0.6 dB，64 態(tài)延時(shí)精度RMS 小于8 ps；發(fā)射通道增益大于24 dB，飽和輸出功率大于23 dBm，64 態(tài)延時(shí)精度RMS 小于8.7 ps。芯片具有高集成度、優(yōu)異的幅相控制功能以及一定的增益和功率指標(biāo)，適用于無(wú)線通信領(lǐng)域。

圖8 L 波段收發(fā)多功能芯片在片測(cè)試結(jié)果