文獻標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.182447
中文引用格式: 原怡菲,張博. GaAs基雙相壓控衰減器MMIC設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2019,,45(4):45-47,51.
英文引用格式: Yuan Yifei,,Zhang Bo. The MMIC design of GaAs bi-phase voltage variable attenuator[J]. Application of Electronic Technique,,2019,45(4):45-47,,51.
0 引言
壓控衰減器是一種通過控制直流偏置調(diào)整輸入,、輸出端口之間信號幅度的雙端口網(wǎng)絡(luò),廣泛應(yīng)用于射頻,、微波系統(tǒng)中,。其用途包括:LNA(Low Noise Amplifier)或PA(Power Amplifier)之后的增益控制、幅度調(diào)制器,、振蕩器中的幅度穩(wěn)定電路,、自動增益控制系統(tǒng)等[1-5]。
隨著電路工作頻率的提高,,GaAs pHEMT管芯的寄生效應(yīng)嚴(yán)重影響了壓控衰減器的電路工作性能,。目前,已有多種方法對其進行改進,。文獻[2]采用三柵MESFETs減小寄生,,提高功率容量。文獻[3]在π型衰減結(jié)構(gòu)的技術(shù)上,,采用帶通濾波器技術(shù)以消除FET的寄生影響,。文獻[4]采用π型衰減結(jié)構(gòu)和T型衰減結(jié)構(gòu)級聯(lián)的拓撲形式,擴大衰減范圍,,并聯(lián)支路采用堆疊結(jié)構(gòu),,提高線性度。文獻[5]采用分布式結(jié)構(gòu)以拓展帶寬,,采用堆疊結(jié)構(gòu)以提高線性度,。
本文設(shè)計了一款工作在Ku波段的雙相壓控衰減器。通過采用平衡式衰減器結(jié)構(gòu),,供電電壓采用互補形式,,實現(xiàn)電路衰減值的雙相調(diào)節(jié)。衰減部分采用T型衰減器和π型衰減器級聯(lián)拓撲,,擴大衰減范圍,。并聯(lián)支路采用堆疊結(jié)構(gòu),提高電路的線性度,。
1 壓控衰減器基本原理
1.1 GaAs pHEMT等效模型
GaAs pHEMT管芯是單片集成電路設(shè)計的基礎(chǔ)和核心,,理解和掌握管芯的電特性機理和模型特點,對單片集成電路設(shè)計十分重要,。在壓控衰減器中,,pHEMT管芯作為受柵壓控制的可變電阻,,實現(xiàn)電路的可變衰減。
當(dāng)VDS<<2(VGS-Vth)時,,pHEMT管工作在深三極管區(qū),,等效電路是R0和C0并聯(lián),如圖1所示,。R0和C0的值取決于管芯子尺寸,,且隨柵壓的變化而變化[5]。在深三極管區(qū),,漏極電流ID是VDS的線性函數(shù),,源漏之間的溝道可以用一個線性電阻R0表示,其阻值如式(1)[6]:
1.2 壓控衰減器電路拓撲
基本的衰減器拓撲有5種,,即T型,、π型、橋T型,、反射式,、平衡式。其工作原理是通過控制pHEMT管柵壓來控制整個電路的等效電阻,,從而改變衰減量。
T型衰減器結(jié)構(gòu)簡單,,面積小,,但兩端的輸入、輸出回波損耗大,;π型衰減器結(jié)構(gòu)衰減范圍大,,端口匹配好;橋T型衰減器是T型結(jié)構(gòu)的一種衍生結(jié)構(gòu),,易匹配[7],;反射式衰減器結(jié)構(gòu)輸入、輸出回波損耗小,,但受管芯寄生參數(shù)的影響,,衰減范圍有限,且性能不好,;平衡式衰減器結(jié)構(gòu)采用互補電壓控制,,可以消除最大衰減處的紋波,擴大衰減范圍[8],。
2 電路設(shè)計
本文設(shè)計的雙相壓控衰減器采用平衡結(jié)構(gòu),。其中,3 dB正交耦合器采用Lange耦合器實現(xiàn),,衰減部分采用T型衰減器和π型衰減器級聯(lián)拓撲,。
T型π型級聯(lián)衰減結(jié)構(gòu)如圖3所示,。控制電壓VG1和VG2的電壓變化范圍為-1.5 V~+1.5 V,。引入R1,、R2、R3,、R4,、R5、R6可以減小最大衰減對控制電壓的敏感度[10],。并聯(lián)支路使用雙柵pHEMT管,,等效為兩個尺寸相同的單柵pHEMT管串聯(lián),但電路更為緊湊,、寄生小[11],。并聯(lián)支路使用兩個雙柵pHEMT管串聯(lián),可以提升整個電路的功率容量[5],。
3 版圖設(shè)計與電磁仿真結(jié)果
3.1 版圖設(shè)計
在電路版圖設(shè)計過程中,,為了減小芯片面積,降低成本,,在滿足電路性能和設(shè)計規(guī)則的前提下,,對Lange耦合器進行彎折,使整體電路布局合理,。圖4為雙相壓控衰減器版圖,。芯片尺寸為1.8 mm×1.2 mm。
3.2 電磁仿真結(jié)果
本設(shè)計采用0.25 μm GaAs pHEMT工藝,,版圖電磁(Electromagnetic simulation EM)仿真基于ADS2013仿真軟件平臺的Momentum仿真工具進行仿真,。
圖5給出了各個控制電壓下電路插入損耗隨頻率的變化曲線。從圖5中可以看出,,最小插損為-12.5 dB,,整個工作頻帶內(nèi)衰減平坦度為±0.1 dB;最大衰減為-31.5 dB,,整個工作頻帶內(nèi)衰減平坦度為±0.9 dB,;衰減范圍達到20 dB以上。
圖6給出了電路在13 GHz處傳輸系數(shù)S21的幅度和相位隨控制電壓的變化曲線,。從圖6中可以看出,,當(dāng)-1.5<VG1<0時,S21>0,;當(dāng)0<VG1<1.5時,,S21<0,可以實現(xiàn)雙相衰減。
圖7仿真條件是在13 GHz處,,插入損耗為-12 dB時的仿真結(jié)果,,Pout曲線為射頻輸出端口的輸出功率曲線,Line線為輔助線,。隨著輸入功率的增大,,輸出功率增大,當(dāng)輸入功率為30.5 dBm時,,插損增大1 dB,,則本設(shè)計的1 dB壓縮點最大為30.5 dBm。
4 結(jié)論
本文應(yīng)用0.25 μm GaAs pHEMT工藝設(shè)計了一款13~16 GHz頻帶的雙相壓控衰減器,。由版圖仿真結(jié)果可知,,輸入、輸出回波損耗小,插入損耗為-12.5 dB,衰減范圍達到20 dB以上,,輸入1 dB壓縮點大于30 dBm,,功率容量大,線性度好,。本文設(shè)計可為國產(chǎn)化雙相壓控衰減器芯片設(shè)計提供參考,。
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作者信息:
原怡菲,,張 博
(西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院,,陜西 西安