基于BiCMOS工藝的分布式衰減器研究和設(shè)計.pdf

1、隨著無線通信技術(shù)和半導(dǎo)體工藝的飛速發(fā)展，SiGe BiCMOS工藝使得低成本、高集成度的微波單片電路成為可能。作為幅度控制電路，可變增益放大器和衰減器被廣泛應(yīng)用于相控陣系統(tǒng)中。特別的，數(shù)控衰減器具有可變增益放大器所不具備的高線性度、低功耗特性，這使得數(shù)控衰減器更加廣泛的應(yīng)用于相控陣系統(tǒng)中。本文采用Jazz公司0.18μm SiGe BiCMOS工藝，研究設(shè)計了一種10~20GHz工作頻帶內(nèi)五位分布式數(shù)控衰減器電路。該電路的設(shè)計方法為：首

2、先研究五個基本衰減結(jié)構(gòu)電路的設(shè)計實(shí)現(xiàn)，將基本模塊性能優(yōu)化到最優(yōu)，其中的基本衰減模塊主要由內(nèi)嵌開關(guān)式衰減結(jié)構(gòu)和分布式步進(jìn)衰減結(jié)構(gòu)兩類組成；然后將各個基本衰減模塊級聯(lián)實(shí)現(xiàn)整體的分布式衰減電路，并優(yōu)化整體電路性能。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴設(shè)計實(shí)現(xiàn)了基于BiCMOS工藝的片上微帶線結(jié)構(gòu)。結(jié)合分布式衰減電路中傳輸線的需求，基于Jazz公司0.18μm SiGe BiCMOS工藝，設(shè)計實(shí)現(xiàn)了采用metal6作為信號層，metal1作為接地

3、平面的片上微帶線結(jié)構(gòu)，且經(jīng)過電磁仿真軟件Sonnet驗(yàn)證了微帶線的特性。⑵改善了整體分布式衰減電路的衰減平坦度特性。對于衰減平坦度的改善，主要從兩個方面入手：(1)基本衰減模塊。在內(nèi)嵌開關(guān)式衰減結(jié)構(gòu)中，研究了NMOS開關(guān)管的高頻開關(guān)特性，通過柵極串聯(lián)電阻，深N阱結(jié)構(gòu)和體懸浮技術(shù)減小衰減量的波動，且呈現(xiàn)為隨頻率升高衰減量減小的趨勢；在分布式步進(jìn)衰減結(jié)構(gòu)中，研究了傳輸線電長度對衰減平坦度的影響，在所需工作頻段內(nèi)，當(dāng)傳輸線電長度為11.25°

4、時，衰減曲線波動較小，且呈現(xiàn)隨頻率升高衰減量增大的趨勢。(2)整體分布式衰減器電路?；趦?nèi)嵌開關(guān)式衰減結(jié)構(gòu)中衰減量隨頻率升高而減小以及分布式步進(jìn)衰減結(jié)構(gòu)中衰減量隨頻率升高而增大這兩種相反的變化趨勢，采用兩種基本衰減結(jié)構(gòu)級聯(lián)的方式減小衰減量的波動，改善衰減平坦度特性。⑶實(shí)現(xiàn)了較小的相對相移，即實(shí)現(xiàn)了衰減器參考狀態(tài)和衰減狀態(tài)較低的相位變化。穩(wěn)定的相位變化也是衰減器設(shè)計的一個需求，通過在內(nèi)嵌開關(guān)式結(jié)構(gòu)中引入電感型低通濾波網(wǎng)絡(luò)減小相對相移。⑷兼

5、顧較小芯片面積的同時，實(shí)現(xiàn)了較低的插入損耗。在電路結(jié)構(gòu)選擇上，由傳輸線形成的分布式步進(jìn)衰減結(jié)構(gòu)能夠獲得較低的插入損耗，但實(shí)現(xiàn)大衰減量時占用芯片面積較大；而內(nèi)嵌開關(guān)式結(jié)構(gòu)插入損耗較大，但結(jié)構(gòu)緊湊，面積較??；因此，在電路結(jié)構(gòu)上，小衰減模塊由分布式步進(jìn)衰減結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，大衰減量模塊由內(nèi)嵌開關(guān)式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，這樣實(shí)現(xiàn)較低插入損耗的同時占用較小的芯片面積。⑸仿真結(jié)果表明，在10~20GHz工作頻段內(nèi)，所設(shè)計的五位分布式衰減器的衰減動態(tài)范圍為31dB，衰減