一款DC～40 GHz 六位数控衰减器芯片设计

李光超，周睿涛，蒋 乐，张 镇，豆兴昆

（中科芯集成电路有限公司，江苏无锡 214000）

近年来，MMIC 单片集成微波电路[1-4]凭借其体积小、重量轻、性能优良、可靠性高、可批量生产等优点在微波通信等领域的整机系统中得到广泛的运用。随着军用和民用技术的飞速发展，微波通信等领域的整机系统对超宽带MMIC 数控衰减器的性能提出更高的要求，在确保实现高衰减精度的同时，还必须保证低衰减附加相移[5-6]。传统的砷化镓数控衰减器需要外加TTL 驱动器，增加了应用的复杂性，而内置驱动的砷化镓数控衰减器[7-9]使用灵活，在应用方面更加简单，可靠性更高，装配难度更低，键合线更少，小型化和实用化更容易。

文中研制了一款超宽带集成数字驱动的6 位数控衰减器，工作频率为DC～40 GHz，衰减位由0.5 dB、1 dB、2 dB、4 dB、8 dB、16 dB 6 个基本衰减位组成，通过对不同拓扑结构进行分析，并合理地安排每一个衰减位，最终在该频段实现了设计指标。

1 电路设计

1.1 衰减器电路设计

数控衰减器由微波开关器件、传输线、电阻、偏置和控制电路构成，通过切换电压来控制开关的通断，使信号经过不同的路径传播，从而产生插损的变化。数控衰减器的主要技术指标有工作频段、插入损耗、衰减量、衰减精度、衰减附加调相、电压驻波比等。为此，必须选用合适的电路拓扑，对各种指标进行综合的优化设计。

数字衰减器有以下4 种常见衰减拓扑结构形式：开关T型、开关桥T型、开关π型和SPDT选通式型[10-12]。根据技术指标的要求，0.5 dB、1 dB 位使用简化开关T 型衰减器[13]，如图1 所示，该结构的优点是对于小衰减位通态插损小、附加调相小、面积小。2 dB、4 dB位使用开关T 型和开关π型衰减器，如图2 和图3 所示，该结构的优点是对于中衰减位，通态插损小、附加调相小、面积小。8 dB、16 dB 位使用SPDT 选通式型衰减器，如图4 所示，该结构的优点是对于大衰减位附加调相小、衰减精度高。

图1 0.5 dB、1 dB电路拓扑

图2 2 dB电路拓扑

图3 4 dB电路拓扑

图4 8 dB、16 dB电路拓扑

为降低6 个衰减位级联后的相互影响，一般在设计每一个衰减位时要求各个衰减位在频带内的驻波足够小，一般驻波最好小于1.2。6 个衰减单元级联时，应把受相邻端口影响较小的放在多个衰减位的两端，而把受相邻端口影响较大的放在中间。最终，6 位单片衰减器拓扑图如图5 所示。

图5 6位数控衰减器电路拓扑

简化开关T 型衰减器R1初始值可通过式（1）得 出[14-15]，其中Z0为特征阻抗，其值为50 Ω，L为插入损耗。

开关T型衰减器R1和R2初始值可由式（2）、（3）得出:

开关π型衰减器、SPDT 选通式型衰减器R1和R2初始值可由式（4）、（5）得出：

1.2 驱动器电路设计

驱动器电路的功能是将单个控制信号0 V或+5 V转换为一对电平值为-5 V 和0 V 的反相控制电平，以此控制多个pHEMT 开关管的导通和截止，从而实现数控衰减器衰减量的改变。将TTL 信号的输入低电平0 V 视为“0”，输入高电平+5 V 视为“1”，输出低电平-5 V 视为“0”，输出高电平0 V 视为“1”。单位数字驱动器真值表如表1 所示。

表1 驱动器真值表

根据数控衰减器的工作状态，基于增强型和耗尽型pHEMT 直流模型设计了一种数字驱动器，结构原理如图6 所示。驱动器主要由ESD 电路、TTL 电平转换电路、反相器电路等构成。其中ESD 电路用于数字驱动器的静电防护；TTL 电平转换电路用于将TTL 电平转化为适合反相器的输入电平；反相器电路用于实现输出一个与TTL 电平同相、一个与TTL反相的电平。

图6 数字驱动器原理图

2 仿真和测试结果

2.1 仿真结果

数控衰减器芯片基于GaAs pHEMT 0.15 μm 工艺研制，选用ADS 2016 软件完成单个电路的仿真和整体版图的设计，6 位数控衰减器芯片整体版图如图7 所示，仿真结果如图8 所示。图8(a)、图8(b)和图8(c)分别是数控衰减器基态插入损耗、全态衰减附加调相和驻波；图8(d)和图8(e)分别是数控衰减器衰减量和64 态衰减精度RMS。

图7 6位数控衰减器芯片整体版图

图8 6位数控衰减器芯片仿真结果

2.2 测试结果

流片完成的6 位数控衰减器芯片如图9 所示。

图9 6位数控衰减器芯片

芯片的电性能采用Cascade 探针台、ACP-GSGI50 微波探针、Agilent 5225B 矢量网络分析仪、数字多路电源和直流电源进行在片测量，芯片的偏置电压和真值表如表2 所示。测试结果如图10 所示。图10(a)、图10(b)和图10(c)分别是数控衰减器基态插入损耗、衰减附加调相和驻波，图10(d)和图10(e)分别是数控衰减器衰减量和64 态衰减精度RMS。

表2 偏置电压和真值表

图10 6位数控衰减器芯片测试结果

通过仿真和实测结果的对比可以看出，实测结果比仿真结果稍有恶化，插入损耗仿真小于6 dB，实测小于6.5 dB。衰减附加调相仿真小于±8°，实测小于±10°。输入驻波仿真小于1.8，实测小于1.8。64 态衰减精度RMS仿真小于0.5 dB，实测小于0.8 dB。经过初步分析可知，实测和仿真存在偏差的主要原因在于：1）金属层加工精度的误差。2）开关管小信号S 参数的测量误差。3）版图面积压缩导致某些微带线之间的耦合效应。表3 为所设计的衰减器和同类产品及文献[16]的比较。

表3 测试结果与同类产品的比较

3 结论

文中成功研制了一款集成数字驱动的超宽带数控衰减器芯片，工作频段为DC～40 GHz，芯片为-5 V电源工作，TTL 控制方式控制，控制电压为0/5 V。插入损耗小于6.5 dB，均方根衰减精度（64态）小于0.8 dB，衰减附加调相小于±10°，两端口全态衰减态的输入输出驻波比小于1.8，芯片尺寸为2.08 mm×1.1 mm×0.1 mm。