CN114513169B - 一种采用退化电感技术的宽带低相位误差可变增益放大器 - Google Patents
一种采用退化电感技术的宽带低相位误差可变增益放大器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于射频集成电路领域,具体提供一种采用退化电感技术的150‑170GHz宽带低相位误差可变增益放大器,用以用以有效降低不同增益档位之间的相位误差、同时有效扩展带宽。本发明由依次级联的四个可变增益放大器单元电路构成,每个可变增益放大器单元电路在电流舵型cascode结构的基础上、于共基管与共射管的中间节点引入相位补偿电感MTL,通过设计相位补偿电感MTL的电感值(MTLN或MTLP),使得前两级单元电路与后两级单元电路实现不同的增益‑相位特性(反向变换或同步变换);最终通过四级单元电路级联实现相位抵消,即有效减小相位误差,实现宽带低相位误差可变增益放大器。
Description
技术领域
本发明属于射频集成电路领域,涉及可变增益放大器(VGA),具体提供一种采用退化电感技术的150-170GHz宽带低相位误差可变增益放大器。
背景技术
毫米波段(30-300GHz)具有丰富的频谱资源,可以为5G提供需要的频率,随着工艺技术的不断发展和晶体管性能的提高,在过去的几年里,人们一直在积极地研究毫米波(mm-wave)频段的电路结构和设计技术。
在各种类型的电路模块中,可变增益放大器(VGA)控制跨导,导致增益变化,并在各种毫米波波段应用中发挥重要作用。例如,VGA用于波束形成或波束成形***,以降低增益误差和旁瓣电平;VGA用于动态偏振控制***,以控制偏振方向。最近,随着对Gb/s级高数据速率应用需求的增加,电路设计工程师们开发了各种结构的宽带VGA,但如何在宽频带范围内实现低相位误差的增益调节仍是需要解决的一大难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用退化电感技术的150-170GHz可变增益放大器(VGA),用以有效降低不同增益档位之间的相位误差、同时有效扩展带宽;本发明在电流舵型cascode结构的中间结点附加相位补偿电感到地结构形成单元电路,并通过设计相位补偿电感的电感值,使得前两级单元电路与后两级单元电路实现不同的增益-相位特性(同步变换或反向变换),进而通过四级单元电路级联实现相位抵消的效果,最终实现宽带低相位误差可变增益放大器。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:
一种采用退化电感技术的宽带低相位误差可变增益放大器,其特征在于,由依次级联的四个可变增益放大器单元电路构成,其中,每个可变增益放大器单元电路均为电流舵型cascode结构,并且,每个可变增益放大器单元电路中共基管与共射管的中间节点连接相位补偿电感MTL到地,电感MTL与地之间连接隔直电容CD。
进一步的,第一级可变增益放大器单元电路与第二级可变增益放大器单元电路中相位补偿电感MTL的电感值为MTLN,第三级可变增益放大器单元电路与第四级可变增益放大器单元电路中相位补偿电感MTL的电感值为MTLP,且MTLN与MTLP满足:
MTLN=1/jw(1+α)CBCONV,MTLP=1/jw(1-α)CBCONV,α>0;
其中,α为预设约束条件,CBCONV为可变增益放大器单元电路中共基管与共射管的中间节点处的到地电容。
进一步的,第一级可变增益放大器单元电路与第二级可变增益放大器单元电路中相位补偿电感MTL的电感值为MTLP,第三级可变增益放大器单元电路与第四级可变增益放大器单元电路中相位补偿电感MTL的电感值为MTLN,且MTLN与MTLP满足:
MTLN=1/jw(1+α)CBCONV,MTLP=1/jw(1-α)CBCONV,α>0;
其中,α为预设约束条件,CBCONV为可变增益放大器单元电路中共基管与共射管的中间节点处的到地电容。
进一步的,所述可变增益放大器单元电路包括:共基管Q2与Q3、及共射管Q1,其中,共射管Q1的基极通过T型输入匹配网络分别连接前级电路与偏置电压Vbias1,共射管Q1的发射极接地,共基管Q2的集电极连接电源电压VDD,共基管Q2的基极连接控制电压Vctrl,共基管Q3的集电极通过T型输出匹配网络分别连接电源电压VDD与后级电路,共基管Q3的基极连接偏置电压Vbias2,共基管Q2与Q3的发射极相连后与共射管Q1的集电极相连;
共基管Q2的基极与控制电压Vctrl之间、共基管Q3的基极与偏置电压Vbias2之间、以及T型输入匹配网络与偏置电压Vbias1之间分别连接有直流旁路电容CB,共基管Q2的集电极与电源电压VDD之间、以及T型输出匹配网络与电源电压VDD之间分别连接有直流旁路电容CVDD,T型输入匹配网络与前级电路之间连接有隔直电容CDC。
更进一步的,所述第一级可变增益放大器单元电路与第二级可变增益放大器单元电路中控制电压Vctrl为控制电压Vctrl1,所述第三级可变增益放大器单元电路与第四级可变增益放大器单元电路中控制电压Vctrl为控制电压Vctrl2,采用固定步进在预设范围内同步调节控制电压Vctrl1与控制电压Vctrl2实现可变增益放大器的增益调节。
本发明的有益效果在于:
本发明提供一种采用退化电感技术的150-170GHz可变增益放大器,由依次级联的四个可变增益放大器单元电路构成,每个可变增益放大器单元电路在电流舵型cascode结构的基础上、于共基管与共射管的中间节点引入相位补偿电感MTL,通过设计相位补偿电感MTL的电感值,使得前两级单元电路与后两级单元电路实现不同的增益-相位特性:前两级单元电路的电路增益和相位的变化趋势呈相反特性(相位补偿电感MTL的电感值为MTLN、称为“N”型可变增益放大器单元电路)、后两级单元电路的电路增益和相位的变化趋势呈相同特性(相位补偿电感MTL的电感值为MTLP、称为“P”型可变增益放大器单元电路),或者前两级单元电路的电路增益和相位的变化趋势呈相同特性、后两级单元电路的电路增益和相位的变化趋势呈相反特性;最终通过四级单元电路级联实现相位抵消,即有效减小相位误差,实现宽带低相位误差可变增益放大器;与传统的在共源管源极添加负反馈电感或电阻的设计相比,本发明的对单元电路的增益牺牲较小,同时结构简单、附加电感占用面积小、不影响可变增益放大器的输入匹配。
附图说明
图1为本发明采用退化电感技术的宽带低相位误差可变增益放大器的框图和级间匹配条件。
图2为本发明采用退化电感技术的宽带低相位误差可变增益放大器的单级电路图。
图3为本发明采用退化电感技术的宽带低相位误差可变增益放大器的小信号电路示意图。
图4为本发明采用退化电感技术的宽带低相位误差可变增益放大器的整体电路图。
图5为本发明实施例中宽带低相位误差可变增益放大器所有增益档位的仿真结果。
图6为本发明实施例中宽带低相位误差可变增益放大器所有增益档位的相位误差仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本实施例提供一种采用退化电感技术的150-170GHz宽带低相位误差可变增益放大器,其电路结构如图1所示,由依次级联的四个可变增益放大器单元电路构成;每个可变增益放大器单元电路均为电流舵型cascode结构,具体如图2所示,核心部分由两个共基管Q2、Q3和一个共射管Q1构成,其中,共射管Q1的基极接T型输入匹配网络,输入匹配网络末端:MTL2与基极相连、MTL1与前级电路之间连接有隔直电容CDC、MTL3与偏置电压Vbias1之间接直流旁路电容CVDD,共射管Q1的发射机接地;共基管Q2为抽取电流通路,共基管Q2的集电极端空载、直接连到电源电压VDD,集电极和电源电压之间接直流旁路电容CVDD,共基管Q2的基极通过直流旁路电容CB与可调的控制电压Vctrl相连;共基管Q3的集电极接T型输出匹配网络后分别与电源电压VDD和后级电路级联,T型输出匹配网络末端:MTL4与集电极相连、MTL5与电源电压之间接直流旁路电容CVDD、MTL6连接后级电路,共基管Q3的基极通过直流旁路电容CB与固定的偏置电压Vbias2相连;共基管Q2、Q3的发射极相连后与共射管Q1的集电极相连,且共基管与共射管连接的中间节点接电感MTL到地,电感MTL与地之间连接隔直电容CD。
从工作原理上讲,
如图1所示为本实施例中应用于150-170GHz的可变增益放大器(VGA)的框图和级间匹配条件,通过将匹配在不同中心频率的四级电路级联(stagger-tuning),从而实现宽带增益调制特性,同时优化3dB带宽;四级电路的结构相同、如图2所示,根据MTL的取值不同,电路特性也有不同,相应地将MTL电感分别记作MTLN和MTLP、如图4所示,电路前两级为“N”型可变增益放大器单元、电路增益和相位的变化趋势呈相反特性,后两级为“P”型可变增益放大器单元、电路增益和相位的变化趋势呈相同特性,通过级联实现了在较宽频带范围内的相位抵消。
更为具体的讲:如图2所示为本发明中单级可变增益放大器单元的电路结构,该结构基于电流舵型的电路结构,在共基管Q2、Q3和共射管Q1的中间结点引入了到地的电感MTL,减小了小信号模型下该结点的总电容,从而改变电路输入-输出的传输函数,最终实现了增益-相位特性的设计和调节;如图3所示为图2中单级可变增益放大器单元的小信号等效电路图,其中,Node_X结点处所能看到的到地电容为:CBCONV=Cgd1+Cds1+Cds2+Cgs2+Cds3+Cgs3,Cgd1为共射管Q1的栅漏寄生电容、Cds1为共射管Q1的漏源寄生电容、Cds2为共基管Q2的漏源寄生电容、Cgs2为共基管Q2的栅源寄生电容、Cds3为共基管Q3的漏源寄生电容、Cgs3为共基管Q3的栅源寄生电容,当共基管Q2、Q3和共射管Q1(晶体管)尺寸确定后,各个晶体管的寄生电容即确定,则Node_X结点处所能看到的到地电容CBCONV也随即确定;本发明中,通过Node_X结点引入的电感MTL的电感值进行设计,使其分别满足:
MTLN=1/jw(1+α)CBCONV,MTLP=1/jw(1-α)CBCONV,α>0;
其中,α为预设约束条件,j表示虚部,w为工作频率;
从而使得增益-相位分别呈现同步变换(MTLP)和反向变换(MTLN),且在α取值的约束条件下,实现G/Φ的偏导绝对值相同;即构成“N”型可变增益放大器单元与“P”型可变增益放大器单元;增益-相位分别呈现同步变换(MTLP)和反向变换(MTLN)后再合成(G/Φ的偏导绝对值相同),理解为对结点电容的“过补偿”和“欠补偿”。
进一步的,电路的固定偏置有电源电压VDD、共射管偏置电压Vbias1、共基管偏置电压Vbias2,可调偏置有控制电压Vctrl(Vctrl1/Vctrl2),通过以一定步进和范围调节Vctrl可以改变输出管Q3上的电流,从而改变增益,并将信号经过T型输出匹配网络向后级电路输出传递。
基于可变增益放大器单元,本实施例基于SiGe工艺完成了一个四级架构的可变增益放大器,如图4所示,每个单级可变增益放大器单元中,除去MTL电感的电感值外其他参数均相同;共基管Q2、Q3和共射管Q1均采用双极结型晶体管、且尺寸均为m=3,采用的退化电感MTLP/MTLN通过特征阻抗为50欧姆的GCPW实现、其长度分别为90u/70u,隔直电容CDC的取值为30fF,隔直电容CD的取值为60fF,直流旁路电容CB的取值为100fF以上,直流旁路电容CVDD的取值为150fF以上,偏置电阻为KΩ量级,电源电压VDD=2.25V,偏置电压Vbias1=0.9V、Vbias2=2.25V;控制电压Vctrl1以0.005V的步进从1.835V增加到1.91V,Vctrl2以0.005V的步进从1.655V增加到1.73V,两控制电压同步变化,实现不同增益档位的调节。
最终,本实施例实现了在150-170GHz的宽带增益调节,增益调节范围为8dB,步进0.5dB,共计4bit(16个增益状态),如图5所示,对应的控制编码1111-0000,增益依次下降;在整个宽频带范围内相位误差小于2°,如图6所示。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,本说明书中所公开的任一特征,除非特别叙述,均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换;所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤,除了互相排斥的特征和/或步骤以外,均可以任何方式组合。
Claims (3)
1.一种采用退化电感技术的宽带低相位误差可变增益放大器,其特征在于,由依次级联的四个可变增益放大器单元电路构成,其中,每个可变增益放大器单元电路均为电流舵型cascode结构,并且,每个可变增益放大器单元电路中共基管与共射管的中间节点连接相位补偿电感MTL到地,电感MTL与地之间连接隔直电容CD;
第一级可变增益放大器单元电路与第二级可变增益放大器单元电路中相位补偿电感MTL的电感值为MTLN,第三级可变增益放大器单元电路与第四级可变增益放大器单元电路中相位补偿电感MTL的电感值为MTLP;或者,第一级可变增益放大器单元电路与第二级可变增益放大器单元电路中相位补偿电感MTL的电感值为MTLP,第三级可变增益放大器单元电路与第四级可变增益放大器单元电路中相位补偿电感MTL的电感值为MTLN;
且MTLN与MTLP满足:
MTLN=1/[jw(1+α) CBCONV],MTLP=1/[jw(1-α) CBCONV],α>0;
其中,α为预设约束条件,j表示虚部,w为工作频率,CBCONV为可变增益放大器单元电路中共基管与共射管的中间节点处的到地电容。
2.按权利要求1所述采用退化电感技术的宽带低相位误差可变增益放大器,其特征在于,可变增益放大器单元电路包括:共基管Q2与Q3、及共射管Q1,其中,共射管Q1的基极通过T型输入匹配网络分别连接前级电路与偏置电压Vbias1,共射管Q1的发射极接地,共基管Q2的集电极连接电源电压VDD,共基管Q2的基极连接控制电压Vctrl,共基管Q3的集电极通过T型输出匹配网络分别连接电源电压VDD与后级电路,共基管Q3的基极连接偏置电压Vbias2,共基管Q2与Q3的发射极相连后与共射管Q1的集电极相连;
共基管Q2的基极与控制电压Vctrl之间、共基管Q3的基极与偏置电压Vbias2之间、以及T型输入匹配网络与偏置电压Vbias1之间分别连接有直流旁路电容CB,共基管Q2的集电极与电源电压VDD之间、以及T型输出匹配网络与电源电压VDD之间分别连接有直流旁路电容CVDD,T型输入匹配网络与前级电路之间连接有隔直电容CDC。
3.按权利要求1所述采用退化电感技术的宽带低相位误差可变增益放大器,其特征在于,
所述第一级可变增益放大器单元电路与第二级可变增益放大器单元电路中控制电压Vctrl为控制电压Vctrl1,所述第三级可变增益放大器单元电路与第四级可变增益放大器单元电路中控制电压Vctrl为控制电压Vctrl2,采用固定步进在预设范围内同步调节控制电压Vctrl1与控制电压Vctrl2实现可变增益放大器的增益调节。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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