6~18GHz CMOS有源衰减器设计文献综述

 2023-08-15 15:00:26
    1. 文献综述(或调研报告):

随着无线通信技术的快速发展,相控阵技术得到广泛的应用,相控阵雷达具有指向更灵活、可同时形成多个独立波束、抗干扰能力更好、适应能力更强等优点。衰减器是相控阵雷达收发系统中的重要模块,其可实现增益控制,调节信号电平使后级电路正常工作。

CMOS工艺具有高密度、低功耗、低成本的优点,可以采用CMOS工艺来实现衰减器。

可以通过改变输出电阻值来改变增益。1999年,Mostafa M等采用0.6 CMOS工艺,用开关改变输出电阻大小来控制增益,实现了70dB的增益控制范围和2dB的步进值[1]。2003年,Wu C-P等采用0.35 CMOS工艺,采用多晶电阻和MOS管电阻并联的结构,通过控制MOS管栅极电压,改变其等效电阻来控制增益,实现了84dB的增益控制范围和1dB的步进值[2]。这种结构的VGA动态范围大,工作稳定,但输出节点通常是放大器的主极点,因此,输出电阻的变化将导致带宽的变化。增益越高,带宽越小。

还可以通过改变放大器的等效跨导,即改变流入负载电阻的电流的大小来改变增益。2000年,GUO C-B等采用0.5 CMOS工艺,采用吉尔伯特电路结构,由控制电压控制电流大小来改变增益,实现了70dB的增益范围[3]。吉尔伯特电路适用于小信号输入情况,在大信号输入情况下,MOS管可能进入线性区,电路不能正常工作。2000年,Song W C等采用0.35 CMOS工艺,直接用控制电压控制跨导来实现增益变化[4]。这一方法实现简单,可以获得大带宽和低噪声,缺点是难以准确控制增益,输出信号动态范围受限。

为了使自动增益控制系统具有恒定的环路建立时间,则需增益控制部分的控制电压与增益的分贝值具有线性关系。可以将工作在饱和区的MOS管的平方律特性逼近指数函数泰勒展开式,从而逼近指数函数[5]。也可以工作在线性区的MOS管产生指数形式的控制信号[6]

在增益控制过程中,衰减器的附加相移应尽可能小。对于晶体管自身的寄生电容引起的相位波动,可以采用串联反馈电阻[7]和源极负反馈电阻[8]对相位波动进行补偿。在电流舵结构中,可以采用并联电容[9]和并联电感[10]补偿VGA的附加相移。当不同电路的相位特性相反时,可采用级联电路减小附加相移,例如,分裂式共源共栅结构与电流舵结构相位特性相反,可以将它们级联进行相位补偿[11]

近几年提出的一些CMOS 可变增益放大器如下:

2013年,Wei-Tsung Li等基于90nm CMOS工艺,采用电流舵结构和共源共栅结构偏置,实现了6.2dB的增益动态范围,1.86的相移,电流舵结构和共源共栅结构偏置的相位特性相反,可减小附加相移[12]

2014年,Di-Sheng Siao等基于65nm CMOS工艺,采用共源共栅结构与电流舵结构级联,实现了33dB的增益动态范围,工作频带为57-66GHz,相移小于7,直流功耗为10.9mW[13]

2015年,Elena Sobotta等基于28nm CMOS工艺,采用差分结构,用电流镜提供偏置电流,在输出端口添加晶体管以提高隔离度,该电路实现了25dB的增益控制范围,工作频带为0.01-13GHz,相移小于3.5,直流功耗为7.6mW,1dB压缩点为-10dBm[14]

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