一种高线性度的单片集成电调衰减器

2020年6月
一种高线性度的单片集成电调衰减器
白银超，刘方罡，王
磊
（中国电子科技集团公司第十三研究所，河北石家庄050051）【摘要】本文设计了一款GaAs PHEMT 微波单片集成电调衰减器，该电路设计采用T 型衰减器的拓扑结构，对电调衰减器的线性度进行了专
门设计。

针对电调衰减器的线性度进行分析，提出了一种有着更小的电阻变化率的FET 管，提高了输入三阶交调截取点。

采用中国电科第十三研究所0.25μm GaAs PHEMT 工艺进行了仿真和流片，测试结果表明，在频率0.05~3GHz 内，衰减动态范围大于25dB ，输入三阶交调截取点
大于30dBm 。

该款微波单片集成电调衰减器设计达到了预期性能，
并实现了高线性度的目标。

【关键词】砷化镓（GaAs ）；微波单片集成电路（MMIC ）；电调衰减器；输入三阶交调截取点
（IIP3）【中图分类号】TN715【文献标识码】A 【文章编号】1006-4222（2020）06-0203-02
0引言
衰减器是一种重要的无源控制电路,用于在微波系统中实现对信号幅度的控制。

在现代通信系统中,对信号幅度的控制也可以用电压可变放大器(variable voltage amplifier ,VGA )实现,但是改变VGA 的增益需要改变偏置电压或电流,就会改变放大器的线性偏置点,从而影响系统的线性。

因此,衰减器就成为在大功率输入下实现增益调节的同时保持良好线性度的选择。

目前已经有相关学者设计了高线性度的电调衰减器,Marcus Granger-Jones 等人使用SOI CMOS 工艺设计了工作频率在0.05~4GHz ,IIP3达到47dBm 的电调衰减器[1]。

A.Bessemoulin 等人使用GaAs 工艺设计了工作频率在5~45GHz ,IIP3达到27dBm 的电调衰减器[2]。

但是,SOI CMOS 工艺的抗辐照能力较弱,使得该工艺设计的电路难以在空间中使用,而GaAs 工艺尚未有设计在低频下工作的电调衰减器。

因此针对以上问题,本文设计了一种工作频率在0.05~3GHz 的高IIP3的GaAs PHEMT 电调衰减器,使用了一种有着更小的电阻变化率的FET 管,提高了GaAs PHEMT 电调衰减器的I ⁃IP3。

1电路分析与设计
1.1电调衰减器的拓扑结构设计
电调衰减器的电路使用T 型衰减器实现,T 型衰减器的衰减量与串联电阻R1、R2,并联电阻R3的关系满足以下公式:
R1=R2=
Z N
√-1()
N √+1
(1)
R3=2Z N √N-1
(2)
由公式可知,为了使电调衰减器具有良好的端口匹配,对于串联可变电阻R1、R3,其阻值范围是从0~50Ω,而并联可变电阻R2的阻值范围是从0~+∞Ω。

因此在电路设计中,R2由开关管实现,R1、R3由开关器件并联一个固定电阻实现,电
路的拓扑如图1所示。

1.2电路IIP3的分析及设计
IIP3属于电路的非线性特性,非线性特性是由FET 管引起的。

对于电调衰减器中FET 管的非线性分析,文献[1、2]中已有详细的分析,本文不再赘述。

简单来说,其非线性产生的原因是开关器件的沟道电阻不是固定的,而是时间的函数[1]。

所以在本设计中使用开关器件作为可变电阻时,将多个FET 管堆叠使用,将RF 信号分布在“N ”个开关器件上,从而减少了由每个单独的FET 产生的非线性失真,进而改善电路的线性水平[2]。

此外,本设计提出了一种有着更小的电阻变化率的FET 管,用以提高电路的IP3,FET 管的V gs vs.I ds 曲线如图2所示。

图2中曲线B 为普通FET 管的V gs vs.I ds 曲线,曲线A 为改进的FET 管的V gs vs.I ds 曲线,两种曲线均在V ds =1V 的条件下测得。

改进后的FET 管为曲线B ,可以看出在开启后的I ds 上升较慢,直到栅极电压在-0.1V 后上升速度变快,因此其导通电阻随栅极电压的变化率较慢,在FET 管工作在相同的功率水平下,改进后的FET 管导通电阻变化较小,有着更好的线性水平,利用这种FET 管设计的电调衰减器有着更高的IIP3。

1.3电调衰减器的仿真与版图设计
基于中国电科第十三研究所0.25μm GaAs PHEMT 工艺设计了一款工作频率在0.05~3GHz 的电调衰减器芯片。

该芯片使用了图1的拓扑结构,利用ADS 仿真软件对电路进行了仿真和优化。

电调衰减器有两个控制端VT1、VT2,VT1的电压控制范围从-2~0.5V ,VT2的电压控制范围从0.5~-0.6V 。

栅极添加20k Ω电阻提高低频下的线性[3]。

最终设计的芯片的面积为1.8mm ×1.4mm ,芯片版图如图3所示。

2测试结果与分析
对开关芯片使用矢量网络分析仪在探针台进行在片
测
图1GaAs PHEMT 电调衰减器的拓扑结构
图2FET 管的V ds vs.I ds 曲线
专题综述203
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作的开展和实施提供明确指导,并且发挥出有效的约束作用,避免由于工作人员的能力问题产生的工程质量问题,能够达到对工程质量的有效控制作用。

通常科学的监理实施细则主要包括施工技术要求、质量检查要点和方法、相关材料的质量评判标准、记录和统计表格规范等。

根据实际的工程情况,制定出符合监理需求的实施细则,注重细则的可行性和实操性,同时对实施细则的应用情况进行监督和反馈,对存在问题的部分进行调整和优化,使监理实施细则能够得到更好的工程质量控制效果。

3.4激活企业发展的动力之源
人力资源是所有企业发展的重要动力,在通信项目建设中,监理需要承担起重要的职责,就需要符合职责要求的工作能力和综合素质。

但在当前的监理队伍结构中,年龄趋势呈现为两头分布,这就会导致在实际的监理工作中,较为年轻的监理缺乏成熟的工作能力和经验,但善于学习和接受新兴事物,对于当前的技术变化和发展能够很好适应并提高;而较为年长的监理具有成熟的工作能力和经验,对于工作中的情况能够更为全面和周全地处理,尤其在面对突发情况时,能够更为灵活的处理,但也会存在过于遵循知识经验,缺乏对新知识和技术的接受与学习能力,容易产生独断专行、固执己见的问题。

为了能够激活企业发展的动力之源,可以针对企业的监理队伍情况进行相应的人力资源管理,包括以企业发展为总目
标,实行“末尾淘汰制”的管理制度,始终保持监理队伍的效率和质量。

还需要根据监理队伍的能力情况,安排意识、技能、综合素质等方面的培训学习,借鉴其他优秀监理经验,提高自身的监理质量。

还可以通过奖惩机制对监理的工作积极性进行提高,对表现优秀的监理予以奖励,对表现不好的监理予以处罚,做到赏罚分明、奖惩有序。

4结语
通信工程是一个综合性的项目,需要考虑多个环节、多个阶段,需要多个企业参与,政府支持,才能高质量做好通信项目建设,为社会提供可靠、安全、稳定的通信服务。

只有不断注入监理机制的创新,改进全过程咨询服务进程和完善力度,才能使通信工程建设得到系统性的优化。

参考文献
[1]王杰文.通信工程建设管理模式的创新思考[J].建材与装饰,2016(28):199.
[2]史先亮.浅谈通信工程建设监理创新模式[J].中国新通信,2014(24):125-126.
收稿日期：2020-04-15作者简介：李广军(1978-),男,汉族,陕西岐山人,高级工程师本科,主要从事通信监理、通信项目管理工作。

试[4]。

同时测试了芯片在所有衰减状态下的IIP3,实测结果如图4所示。

实际测试结果显示,在频率0.05~3GHz 内,插入损耗小于2.2dB ,衰减动态范围大于25dB 。

输入输出回波损耗小于-10dB ,在所有衰减状态下的IIP3≥30dBm 。

3结论
本文对电调衰减器中使用的FET 管线性进行分析,利用更小的电阻变化率的FET 管,提升了电路的IIP3。

基于0.25μm GaAs PHEMT 工艺对所设计的芯片进行了流片验证。

测试结果表明,在频率0.05~3GHz 内,插入损耗小于2.2dB ,衰减动态范围大于25dB 。

输入输出回波损耗小于-10dB ,在所有衰减状态下的IIP3≥30dBm 。

参考文献
[1]M.G.Jones ,B.Nelson ,Ed Franzwa.A Broadband High Dynamic Range Voltage Controlled Attenuator MMIC with IIP3>+47dBm over Entire 30dB Analog Control Range[J].IEEE MTT-S Digest ,2011.
[2]A.Bessemoulin ,P.Evans ,T.Fattorini.A 5~45GHz linear voltage con ⁃
trolled attenuator MMIC in 3×3-mm plastic package[C]//Proc.7th Eur.Mi ⁃crow.Integr.Circuit Conf ,2012:107-110.
[3]刘方罡,要志宏.一种正电压控制的单片微波集成单刀双掷开关[J].半导体技术,2019,44(7):526-530.
[4]袁帅,邱云峰.微波单片集成电路测试技术研究[J].数字技术与应用,2018,36(11):52-53.
收稿日期：2020-05-18作者简介：白银超(1986-),男,回族,河北唐山人,工程师,硕士研究生,主要从事微波射频芯片和模块的设计研发工作。

图3电调衰减器芯片版
图
(a )衰减动态范围
(b )输入三阶交调截取点
图4电调衰减器的测试曲线
（上接第202页）
专题综述
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