CN104953975A - 一种桥式差分无源衰减器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桥式差分无源衰减器，属于射频集成电路领域。桥式差分无源衰减器主体电路包括跨接在差分输入端正端与差分输出端正端的第一N型管、跨接在差分输入端正端与差分输出端负端的第二N型管、跨接在差分输入端负端与差分输出端正端的第三N型管、跨接在差分输入端负端与差分输出端负端的第四N型管，通过调节第一至第四N型管的源级、漏极和栅极电压来改变其导通电阻的大小，完成信号衰减的功能。源跟随器电路的输出信号作为差分输入端与差分输出端的直流偏置，使第一至第四N型管的导通电阻与阈值电压无关，减小了由于温度变化、生产工艺的偏差等因素引起的衰减器衰减量的变化。

Description

一种桥式差分无源衰减器

技术领域

本发明涉及射频集成电路领域，具体涉及一种桥式差分无源衰减器。

技术背景

随着科学技术的进步，毫米波相控阵雷达、射频通信***、自动增益控制***等的应用日趋广泛，衰减器作为这些***的重要的组成部分，实现对信号功率的衰减，从而对***的增益起到控制和调节的作用。电性能较好的衰减器通常拥有较好的衰减精度、较小的相位变化和较高的线性度等。现有技术中，常见的衰减器有两种，第一种是采用“T”或“Π”型拓扑结构，通过开关控制电阻元件的大小以产生希望的衰减量，这些拓扑结构具有良好的回波损耗以及期望的衰减量。但是，这种拓扑结构的衰减器在最小衰减状态的***损耗较大，信号通过后会引起不必要的额外损耗。第二种是利用PIN二极管实现可变电阻元件，其电阻与偏置电流成反比，这种方法的缺点是每个PIN二极管都消耗了显著的直流电流，增加了***功耗。

发明内容

本发明提供一种桥式差分无源衰减器，实现了一种低功耗、高精度的衰减器。

本发明所采用的技术方案包括桥式差分无源衰减器主体电路以及源跟随器电路。桥式差分无源衰减器主体电路包括跨接在差分输入端正端与差分输出端正端的第一N型管、跨接在差分输入端正端与差分输出端负端的第二N型管、跨接在差分输入端负端与差分输出端正端的第三N型管、跨接在差分输入端负端与差分输出端负端的第四N型管，通过调节第一至第四N型管的源级、漏极和栅极电压来改变其导通电阻的大小，完成信号衰减的功能。源跟随器电路的输出信号作为差分输入端与差分输出端的直流偏置，使第一至第四N型管的导通电阻与阈值电压无关，减小了由于温度变化、生产工艺的偏差等因素引起的衰减器衰减量的变化。

无源衰减器主体电路包括差分输入端正端和负端、差分输出端正端和负端、控制电压Vc、第一N型管、第二N型管、第三N型管、第四N型管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第一电感、第二电感。源跟随器电路包括控制电压Vb，第一电流源、第五N型管。

所述第一N型管的源级与差分输入端正端连接，漏极与差分输出端正端连接，栅极与第一电阻的一端连接，第一电阻的另一端与电源连接；第二N型管的源级与差分输入端正端连接，漏极与差分输出端负端连接，栅极与第二电阻的一端连接，第二电阻的另一端与控制电压Vc连接；所述第三N型管的源级与差分输入端负端连接，漏极与差分输出端正端连接，栅极与第三电阻的一端连接，第三电阻的另一端与控制电压Vc连接；第四N型管的源级与差分输入端负端连接，漏极与差分输出端负端连接，栅极与第四电阻的一端连接，第四电阻的另一端与电源连接；第五、六、七、八电阻的一端分别与差分输入端正端、差分输入端负端、差分输出端正端、差分输出端负端连接，第五、六、七、八电阻的另一端连接在一起，并与源跟随器电路的输出端连接；第一电感的一端与差分输入端正端连接，另一端与差分输入端负端连接，第二电感的一端与差分输出端正端连接，另一端与差分输出端负端连接。上述为桥式差分无源衰减器主体电路。

所述第五N型管的漏极与电源连接，栅极与控制电压Vb连接，源级与第一电流源的输入端连接，并作为源跟随器电路的输出端，第一电流源的输出端与低电平连接。上述为源跟随器电路。

通过改变差分输入端与差分输出端的直流偏置，可改变第一N型管与第四N型管的导通电阻；通过同时改变差分输入端与差分输出端的直流偏置以及控制电压Vc，可改变第二N型管与第三N型管的导通电阻。通过以上方式改变第一至第四N型管的导通电阻，进而可改变衰减器的衰减量。当第一N型管与第四N型管的导通电阻最小，第二N型管和第三N型管的导通电阻最大时，衰减量最小；当第一至第四N型管的导通电阻一样大时，衰减量最大。

通过改变控制电压Vb改变差分输入端与差分输出端的直流偏置，使用源跟随器电路的输出信号作为差分输入端与差分输出端的直流偏置，使第一至第四N型管的导通电阻与阈值电压无关，减小了由于温度变化、生产工艺的偏差等因素引起的衰减器衰减量的变化。

附图说明

图1是本发明所述的一种桥式差分无源衰减器原理图；

图2是本发明所述的一种桥式差分无源衰减器衰减结果；

图3是本发明所述的一种桥式差分无源衰减器相位结果。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明提供了一种桥式差分无源衰减器，原理图如图1所示。本发明所采用的技术方案是包括桥式差分无源衰减器主体电路以及源跟随器电路。通过调节N型管M1至M4的源级、漏极和栅极电压来改变其导通电阻的大小，完成信号衰减的功能。源跟随器电路的输出信号作为差分输入端与差分输出端的直流偏置，使N型管M1至M4的导通电阻与阈值电压无关，减小了由于温度变化、生产工艺的偏差等因素引起的衰减器衰减量的变化。本实施例的桥式差分无源衰减器以0.5dB为衰减步进值，在0～16dB范围内实现33种衰减量。

N型管M1跨接在差分输入端正端Vinp与差分输出端正端Voutp之间，N型管M2跨接在差分输入端正端Vinp与差分输出端负端Voutn之间，N型管M3跨接在差分输入端负端Vinn与差分输出端正端Voutp之间，N型管M4跨接在差分输入端负端Vinn与差分输出端负端Voutn之间。N型管M1、M4的栅极分别通过电阻R1、R4连接到电源Vdd，N型管M2、M3的栅极分别通过电阻R2、R3连接到控制电压Vc。差分输入端正端Vinp与负端Vinn、差分输出端正端Voutp与负端Voutn分别通过电阻R5、R6、R7、R8连接到源跟随器电路的输出(N型管M5的源级)。连接在差分输入端Vinp与Vinn之间的电感Ind1和连接差分输出端Voutp与Voutn之间的电感Ind2均是用来抵消寄生电容进行阻抗匹配的。N型管M5的漏极与电源Vdd连接，栅极与控制电压Vb连接，源级与电流源CS1的输入端连接，CS1的输出端与低电平连接。

N型管M1～M4均处于深线性区，以M1为例，其导通电阻为：

$R_{on}=\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_n{C}_{ox}{\left(\frac{W}{L}\right)}_1(V_{G1}-V_{S1}-V_{th1})}---\left(1\right)$

其中μ_n为N型管电子迁移率，C_ox为单位面积栅氧化物电容，为M1的宽长比，V_G1为M1的栅极电压，V_S1为M1的源极电压，V_th1为M1的阈值电压。

当电流源CS1的电流为I时，源跟随器电路输出电压为：

$V_{out}=V_b-V_{th5}-\sqrt{\frac{2I}{{\mathrm{\μ}}_n{C}_{ox}{\left(\frac{W}{L}\right)}_5}}---\left(2\right)$

其中V_b为M5的栅极电压，V_th5为M5的阈值电压，为M5的宽长比。

源跟随器电路的输出电压作为差分输入端与差分输出端的直流偏置，即以(2)式中的V_out替换(1)式中的V_S1，当M1与M5尺寸相同时，有V_th1＝V_th5，可得M1的导通电阻为：

$R_{on}=\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_n{C}_{ox}{\left(\frac{W}{L}\right)}_1(V_{G1}-V_b+\sqrt{\frac{2I}{{\mathrm{\μ}}_n{C}_{ox}{\left(\frac{W}{L}\right)}_5}})}---\left(3\right)$

即M1的导通电阻与阈值电压无关，当温度变化或生产工艺产生偏差而使阈值电压变化时，M1的导通电阻将不受影响。

本实施例中，M1～M5晶体管尺寸相同，同理可知M1～M4的导通电阻在补偿后均与阈值电压无关，当温度变化或生产工艺产生偏差而使阈值电压变化时，M1～M4的导通电阻将不受影响，从而衰减器的衰减量不受影响。

本实施例所述的一种桥式差分无源衰减器衰减结果如图2所示，本实施例中心频率为25GHz，以0.5dB为衰减步进值，在0～16dB范围内实现33种衰减量，中心频率处最小衰减为4.5dB。本实施例所述的一种桥式差分无源衰减器相位结果如图3所示，在中心频率附近1GHz带宽内，相位波动小于10°。

在具体实施例中，桥式差分无源衰减器主体电路以及源跟随器电路均采用N型管，也可以采用P型管代替N型管，低电平与供电电源互换，实现P型管的桥式差分无源衰减器。并且，电流源CS1可采用任何形式、任何结构的电流源。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种桥式差分无源衰减器，包括桥式差分无源衰减器主体电路以及源跟随器电路；

无源衰减器主体电路包括差分输入端正端和负端、差分输出端正端和负端、控制电压Vc、第一N型管、第二N型管、第三N型管、第四N型管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第一电感、第二电感；源跟随器电路包括控制电压Vb，第一电流源、第五N型管；

所述第一N型管的源级与差分输入端正端连接，漏极与差分输出端正端连接，栅极与第一电阻的一端连接，第一电阻的另一端与电源连接；第二N型管的源级与差分输入端正端连接，漏极与差分输出端负端连接，栅极与第二电阻的一端连接，第二电阻的另一端与控制电压Vc连接；所述第三N型管的源级与差分输入端负端连接，漏极与差分输出端正端连接，栅极与第三电阻的一端连接，第三电阻的另一端与控制电压Vc连接；第四N型管的源级与差分输入端负端连接，漏极与差分输出端负端连接，栅极与第四电阻的一端连接，第四电阻的另一端与电源连接；第五、六、七、八电阻的一端分别与差分输入端正端、差分输入端负端、差分输出端正端、差分输出端负端连接，第五、六、七、八电阻的另一端连接在一起，并与源跟随器电路的输出端连接；第一电感的一端与差分输入端正端连接，另一端与差分输入端负端连接，第二电感的一端与差分输出端正端连接，另一端与差分输出端负端连接，上述为桥式差分无源衰减器主体电路；

所述第五N型管的漏极与电源连接，栅极与控制电压Vb连接，源级与第一电流源的输入端连接，并作为源跟随器电路的输出端，第一电流源的输出端与低电平连接，上述为源跟随器电路。

2.根据权利要求1所述的一种桥式差分无源衰减器，其特征在于：以P型管代替N型管，低电平与供电电源互换，实现P型管的桥式差分无源衰减器。

3.根据权利要求1所述的一种桥式差分无源衰减器，其特征在于：所述第一电流源包括任何形式、任何结构的电流源。