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一種x波段5位有源本振移相器的制造方法

文檔序號(hào):7544856閱讀:311來(lái)源:國(guó)知局
一種x波段5位有源本振移相器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明屬于集成電路【技術(shù)領(lǐng)域】,涉及一種應(yīng)用于X波段(8~12GHz)相控陣接收機(jī)中移相器的設(shè)計(jì)。它由一個(gè)變壓器式巴倫、一個(gè)多相濾波器、四個(gè)子移相器和一個(gè)合成電路組成,如圖1。其中四個(gè)子移相器的移相精度為3位,即子移相器以45°為移相步進(jìn)值在0~360°范圍內(nèi)總共實(shí)現(xiàn)8種移相狀態(tài),如圖3。由這四個(gè)移相器及其余電路組成的X波段移相器的移相精度為5位,即該移相器以11.25°為移相步進(jìn)值在0~360°范圍內(nèi)總共實(shí)現(xiàn)32種移相狀態(tài)。首先單端輸入信號(hào)VIN經(jīng)過(guò)一個(gè)變壓器式巴倫得到差分信號(hào)VIN+和VIN-,它們經(jīng)過(guò)一個(gè)多相濾波器后得到一組正交差分信號(hào)VIN_I+、VIN_I-、VIN_Q+和VIN_Q-,它們是子移相器的輸入,四個(gè)子移相器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)合成電路合成之后就得到輸出信號(hào)VOUT+和VOUT-。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種X波段5位有源本振移相器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于集成電路【技術(shù)領(lǐng)域】,具體涉及一種應(yīng)用于X波段相控陣接收機(jī)中移相器,可用于射頻微波相控陣接收機(jī)等需要高精度移相器的射頻集成電路中。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著深亞微米集成電路工藝的不斷發(fā)展,采用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體CMOS工藝的高集成度低成本的相控陣系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成為可能。相控陣技術(shù)在民用領(lǐng)域如汽車(chē)?yán)走_(dá)(工作頻率在24GHz和77GHz)、短距離高速無(wú)線(xiàn)通信(工作頻率在60GHz)的應(yīng)用開(kāi)始引起人們的注意。移相器是相控陣系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的模塊。移相器的傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式有開(kāi)關(guān)傳輸線(xiàn)、正交混合耦合線(xiàn)以及加載線(xiàn)等,這些以分立元件為基礎(chǔ)的實(shí)現(xiàn)方式的缺點(diǎn)是:(1)電路拓?fù)鋸?fù)雜;(2)設(shè)計(jì)難度大;(3)工藝加工難度大;(4)相移精度低;(5)集成度低。隨著工藝尺寸的不斷縮小,片上元件的集成度越來(lái)越高,開(kāi)關(guān)電感式單片集成移相器開(kāi)始出現(xiàn),但是開(kāi)關(guān)電感式移相器需要的電感數(shù)目較多,對(duì)于較低頻率的應(yīng)用(30GHz以下)要占用較大的芯片面積。有源移相器不僅可以大大減小移相器占用的面積,而且可以實(shí)現(xiàn)較高的移相精度和較低的移相誤差。目前的有源移相器一般采用正交矢量合成方法,該方法首先將輸入信號(hào)分為正交的兩路,再根據(jù)想要的移相角度分別調(diào)整正交兩路信號(hào)的幅度,然后將這兩路正交信號(hào)合成就得到移相后的輸出。該方法的缺點(diǎn)是對(duì)調(diào)整正交兩路信號(hào)幅度的電路的精度要求較高、設(shè)計(jì)難度較大,這個(gè)精度與移相器的移相誤差直接相關(guān)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種X波段(8~12GHz)相控陣接收機(jī)中的5位有源移相器,可工作在X波段,具有高精度、低移相誤差、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。
[0004]本發(fā)明提供出的X波段5位有源移相器,其電路如圖1所示,該移相器由一個(gè)單轉(zhuǎn)雙巴倫、一個(gè)多相濾波器、四個(gè)3位子移相器和一個(gè)合成電路依次級(jí)聯(lián)而成。其中,單轉(zhuǎn)雙巴倫和多相濾波器將信號(hào)轉(zhuǎn)換為四個(gè)3位子移相器所需的正交差分信號(hào),四個(gè)獨(dú)立的3位子移相器分別對(duì)輸入信號(hào)賦予獨(dú)立的相位,合成電路對(duì)這四個(gè)獨(dú)立的3位子移相器的輸出進(jìn)行合成,即得到移相器的輸出信號(hào)。
[0005]傳統(tǒng)的有源移相器采用的移相原理是正交矢量合成方法,該方法首先將輸入信號(hào)分為正交的兩路,再根據(jù)想要的移相角度分別調(diào)整正交兩路信號(hào)的幅度,然后將這兩路正交信號(hào)合成就得到移相后的輸出,如圖2中左半部分,移相角度為11.25°的輸出信號(hào)Vram由同相矢量Vin i和正交矢量Vin Q合成而得到。本發(fā)明移相器有別于傳統(tǒng)有源移相器的正交矢量合成方法,它將正交的輸入信號(hào)輸入到四個(gè)獨(dú)立的3位子移相器,四個(gè)子移相器移相后的輸出再經(jīng)過(guò)合成電路合成之后就可以得到想要的移相輸出信號(hào),如圖2中右半部分,移相角度為11.25°的輸出信號(hào)Vtot2可以由三個(gè)相位為O°的矢量Vin1、矢量Vin2、矢量Vin3和一個(gè)相位為45°的矢量Vin4合成而得到。
[0006]本發(fā)明中,四個(gè)獨(dú)立的3位子移相器以45°為移相步進(jìn)值在0-360。內(nèi)實(shí)現(xiàn)8種移相狀態(tài),而總的移相器是以11.25°為移相步進(jìn)值在0-360°內(nèi)實(shí)現(xiàn)32種移相狀態(tài)。3位子移相器中45°、135°、225°及315°移相狀態(tài)是通過(guò)將具有合適極性的同相I路/[目號(hào)和正交Q路彳目號(hào)相加而實(shí)現(xiàn)的,O °和180°移相狀態(tài)是通過(guò)對(duì)I路彳目號(hào)施以相反的極性而實(shí)現(xiàn)的,90°和270°移相狀態(tài)是通過(guò)對(duì)Q路信號(hào)施以相反的極性而實(shí)現(xiàn)的。為了保證所有移相狀態(tài)下輸出信號(hào)的幅度一致,0°、90°、180°及270°移相狀態(tài)下的I路信號(hào)和Q路信號(hào)的幅度應(yīng)為45°、135°、225°及315°移相狀態(tài)下的及倍。
[0007]
【權(quán)利要求】
1.一種X波段5位有源移相器,其特征在于,由一個(gè)單轉(zhuǎn)雙巴倫、一個(gè)多相濾波器、四個(gè)3位子移相器和一個(gè)合成電路依次級(jí)聯(lián)而成;其中,單轉(zhuǎn)雙巴倫和多相濾波器將信號(hào)轉(zhuǎn)換為四個(gè)3位子移相器所需的正交差分信號(hào),四個(gè)獨(dú)立的3位子移相器分別對(duì)輸入信號(hào)賦予獨(dú)立的相位,合成電路對(duì)這四個(gè)獨(dú)立的3位子移相器的輸出進(jìn)行合成,即得到移相器的輸出信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的X波段5位有源移相器,其特征在于,每個(gè)3位子移相器由放大管、開(kāi)關(guān)對(duì)、冗余DUMMY管、有源電感負(fù)載、交流耦合電容和直流偏置電阻組成;其中,放大管由8個(gè)晶體管(M1-M4和M7-M10)組成,冗余DUMMY管由4個(gè)晶體管(M5、M6、Mil、M12)組成;第一~第四晶體管(M1-M4)和第七~第十晶體管(M7-M10)分別為同相I路和正交Q路的放大管;輸入信號(hào)的交流耦合電容由4個(gè)電容(C1-C4)組成,放大管的直流偏置電阻由4個(gè)電阻(R3-R6)組成,偏置電壓Vbi接于直流偏置電阻(R3-R6)的一端,直流偏置電阻(R3-R6)的另一端接于第一~第四晶體管(M1-M4)和第七~第十晶體管(M7-M10)的柵極上;輸入信號(hào)vIN—1+經(jīng)第一稱(chēng)合電容(Cl)輸入至同相I路放大管的第一、第三晶體管(Ml、M3)的柵極,輸入信號(hào)Vm—經(jīng)第二耦合電容(C2)輸入至同相I路放大管的第二、第四晶體管(M2、M4)的柵極,輸入信號(hào)Vin q+經(jīng)第三耦合電容(C3)輸入至正交Q路放大管的第七、第九晶體管(M7、M9)的柵極,輸入信號(hào)¥110_經(jīng)第四耦合電容(C4)輸入至正交Q路放大管的第八、第十晶體管(M8、M10)的柵極;所有放大管和DUMMY管的源端均接于地VSS上;第十三、第十四晶體管(M13、M14)組成開(kāi)關(guān)對(duì),第十三、第十四晶體管(M13、M14)的源極和第一晶體管(Ml)的漏極接在一起,第十三、第十四晶體管(M13、M14)的漏極分別接于子移相器的反相輸出信號(hào)VPS—oUT_和同相輸出信號(hào)Vrltot+上,控制信號(hào)VCl和控制信號(hào)VC2分別接于第十三、第十四晶體管(M13和M14)的柵極上;第十五、第十六晶體管(M15、M16)組成開(kāi)關(guān)對(duì),第十五、第十六晶體管(M15、M16)的源極和第二晶體管(M2)的漏極接在一起,第十五、第十六晶體管(M15、M16)的漏極分別接于子移相器的反相輸出信號(hào)VPS—oUT_和同相輸出信號(hào)vPsjm+上,控制信號(hào)VCl和控制信號(hào)VC2分別接于第十六、第十五晶體管(M16和M15)的柵極上;第十七、第十八晶體管(M17、M18)組成開(kāi)關(guān)對(duì),;第十七、第十八晶體管(M17、M18)的源極和第三晶體管(M3)的漏極及冗余DUMMY管的第五晶體管(M5)的漏極接在一起,;第十七、第十八晶體管(M17、M18)的漏極分別接于子移相器的反相輸出信號(hào)VPS—OTT_和同相輸出信號(hào)Vpsjm+上,控制信號(hào)VC3和控制信號(hào)VC4分別接于;第十七、第十八晶體管(M17和M18)的柵極上;第十九、第二十晶體管(M19、M20)組成開(kāi)關(guān)對(duì),第十九、第二十晶體管(M19、M20)的源極和第四晶體管(M4)的漏極及冗余DUMMY管的第六晶體管(M6)的漏極接在一起,第十九、第二十晶體管(M19、M20)的漏極分別接于子移相器的反相輸出信號(hào)VPS—oUT_和同相輸出信號(hào)Vps TOT+上,控制信號(hào)VC3和控制信號(hào)VC4分別接于第二十、第十九晶體管(M20和M19)的柵極上;第二十一、第二十二晶體管(M21、M22)組成開(kāi)關(guān)對(duì),第二十一、第二十二晶體管(M21、M22)的源極和第七晶體管(M7)的漏極接在一起,第二十一、第二十二晶體管(M21、M22)的漏極分別接于子移相器的同相輸出信號(hào)VPS—QUT+和反相輸出信號(hào)VPS—QUT_上,控制信號(hào)VC5和控制信號(hào)VC6分別接于第二十一、第二十二晶體管(M21和M22)的柵極上;第二十三、第二十四晶體管(M23、M24)組成開(kāi)關(guān)對(duì),第二十三、第二十四晶體管(M23、M24)的源極和第八晶體管(M8)的漏極接在一起,第二十三、第二十四晶體管(M23、M24)的漏極分別接于子移相器的同相輸出信號(hào)Vpsjjut+和反相輸出信號(hào)VPS—oUT_上,控制信號(hào)VC5和控制信號(hào)VC6分別接于第二十三、第二十四晶體管(M24和M23)的柵極上;第二十五、第二十六晶體管(M25、M26)組成開(kāi)關(guān)對(duì),第二十五、第二十六晶體管(M25、M26)的源極和第九晶體管(M9)的漏極及冗余DUMMY管的第十一晶體管(Mll)的漏極接在一起,第二十五、第二十六晶體管(M25、M26 )的漏極分別接于子移相器的同相輸出信號(hào)VPS—QUT+和反相輸出信號(hào)VPS—QUT_上,控制信號(hào)VC7和控制信號(hào)VC8分別接于第二十五、第二十六晶體管(M25和M26)的柵極上;第二十七、第二十八晶體管(M27、M28)組成開(kāi)關(guān)對(duì),第二十七、第二十八晶體管(M27、M28)的源極和第十晶體管(MlO)的漏極及冗余DUMMY管的第十二晶體管(M12)的漏極接在一起,第二十七、第二十八晶體管(M27、M28)的漏極分別接于子移相器的同相輸出信號(hào)Vps ουτ+和反相輸出信號(hào)Vps TOT_上,控制信號(hào)VC7和控制信號(hào)VC8分別接于第二十七、第二十八晶體管(M28和M27)的柵極上;控制信號(hào)VC1-VC8有高電平和低電平兩種狀態(tài);有源電感中的第二十九、第三十晶體管(M29、M30)的柵極分別通過(guò)第一電阻和第二電阻(Rl和R2)接于電源VDD上,第二十九、第三十晶體管(M29和M30)的漏極均接于電源VDD上,第二十九、第三十晶體管(M29和M30)的源極分別接子移相器的反相輸出信號(hào)VPS—QUT_和同相輸出信號(hào)VPS—QUT+上,第二十九晶體管(M29)、第一電阻(Rl)組成的有源電感是反相輸出的負(fù)載,第三十晶體管(M30)、第二電阻(R2)組成的有源電感是同相輸出的負(fù)載。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的X波段5位有源移相器,其特征在于,所述合成電路由放大管、偏置管、負(fù)載電感和電阻、偏置電阻和交流耦合電容組成;其中,所述放大管由8個(gè)晶體管(M35-M42)組成,偏置管由4個(gè)晶體管(M31-M34)組成,負(fù)載電感為L(zhǎng)I,負(fù)載電阻為第七、第八2個(gè)電阻(R7和R8),偏置電阻由第九~第十七9個(gè)電阻(R9-R17)組成,交流耦合電容由第五~第十二 8個(gè)電容(C5-C12)組成;放大管中,所有的晶體管(M35-M42)的柵極分別經(jīng)偏置電阻的第十一第十七電阻(R10-R1)7接于偏置電壓VB3上,第三十五、第三十六晶體管(M35和M36)的柵極分別通過(guò)交流稱(chēng)合電容的第五、第六電容(C5和C6)與輸入信號(hào)Vpsi+和Vps1-相連,第三十五、第三十六晶體管(M35和M36)的源極和第三十一晶體管(M31)的漏極相連,第三十五、第三十六晶體管(M35和M36)的漏極分別接于移相器的反相輸出端VQUT_和同相輸出端Vqut+上,第三十七、第三十八晶體管(M37和M38)的柵極分別通過(guò)交流耦合電容的第七、第八電容(C7和C8)與輸入信號(hào)VPS2+和VPS2_相連,第三十七、第三十八晶體管(M37和M38)的源極和第三十二晶體管(M32)的漏極相連,第三十七、第三十八晶體管(M37和M38)的漏極分別接于移相器的反`相輸出端VQUT_和同相輸出端Vqut+上,第三十九、第四十晶體管(M39和M40)的柵極分別通過(guò)交流耦合電容的第九、第十電容(C9和C10)與輸入信號(hào)VPS3+和Vps3-相連,第三十九、第四十晶體管(M39和M40)的源極和第三十三晶體管(M33)的漏極相連,第三十九、第四十晶體管(M39和M40)的漏極分別接于移相器的反相輸出端VQUT_和同相輸出端Vqut+上,第四十一、第四十二晶體管(M41和M42)的柵極分別通過(guò)交流耦合電容的第1、第十二電容(Cii和C12)與輸入信號(hào)vPS4+和vPS4_相連,第四^ 、第四十二晶體管(M41和M42)的源極和第三十四晶體管(M34)的漏極相連,第四十一、第四十二晶體管(M41和M42)的漏極分別接于移相器的反相輸出端VQUT_和同相輸出端Vqut+上;偏置管中,所有的晶體管(M31-M34)的柵極經(jīng)過(guò)偏置電阻R9接于偏置電壓Vb2上,第三十一~第三十四晶體管(M31-M34)的源極均接于地VSS上;電感(L)作為合成電路的負(fù)載,其中間抽頭接電源VDD,兩端分別接第七、第八電阻(R7和R8),第七電阻(R7) —端和電感(L)相連,第七電阻(R7)另一端和反相輸出端Vqut-相連,第八電阻(R8)—端和電感(L)相連,第八電阻(R8)另一端和同相輸出端Votjt+相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的X波段5位有源移相器,其特征在于,所述單轉(zhuǎn)雙巴倫為對(duì)稱(chēng)互繞結(jié)構(gòu),其中采用變壓器式的巴倫以將輸入的單端信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào),變壓器式的巴倫由初級(jí)線(xiàn)圈和次級(jí)線(xiàn)圈組成,初級(jí)線(xiàn)圈一端接單端信號(hào)輸入端,另一端接地,次級(jí)線(xiàn)圈的兩端即巴倫的差分信號(hào)輸出端。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的X波段5位有源移相器,其特征在于,所述多相濾波器由8個(gè)多晶硅電阻即第十八~第二十五多電阻(R18-R25)和8個(gè)金屬-絕緣體-金屬M(fèi)M電容即第十三~第二十電容(C13-C20)構(gòu)成,所有多晶硅電阻和MIM電容的極性分布與第十八電阻(R18)—致,即多晶硅 電阻和MM電容的左側(cè)是其正極,右側(cè)為負(fù)極;多相濾波器共分為2級(jí),第一級(jí)中,第十八、第十九電阻(R18、R19)和第十三、第十四電容(C13、C14)的正極與同相輸入Vin+相連,第一級(jí)中,第二十、第二^ 電阻(R20、R21)和第十五、第十六電容(C15、C16)的正極與反相輸入VIN_相連,第一級(jí)的極點(diǎn)為9GHz ;第二級(jí)中,第二十二電阻(R22)和第十七電容(C17)的正極與第十八電阻(R18)和第十六電容(C16)的負(fù)極相連,第二十三電阻(R23)和第十八電容(C18)的正極與第十九電阻(R19)和第十三電容(C13)的負(fù)極相連,第二四電阻(R24)和第十九電容(C19)的正極與第二十電阻(R20)和第十四電容(C14)的負(fù)極相連,第二十五電阻(R25)和第二十電容(C20)的正極與第二十一電阻(R21)和第十五電容(C15)的負(fù)極相連,第二十二電阻(R22)和第二十電容(C20)的負(fù)極與輸出Vin 1+相連,第二十三電阻(R23)和第十七電容(C17)的負(fù)極與輸出VIN I_相連,第二十四電阻(R24)和第十八電容(C18)的負(fù)極與輸出Vin q+相連,第二十五電阻(R25)和第十九電容(C19)的負(fù)極與輸出Vin Q_相連,第二級(jí)的極點(diǎn)為IlGHz ;另在其輸出端增加了兩個(gè)負(fù)載電感(L2和L3),第二負(fù)載電感L2的兩端分別接在輸出Vin i+和VIN I_i,第三負(fù)載電感(L3)的兩端分別接在輸出VIN—Q+和VIN—Q-上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的X波段5位有源移相器,其特征在于,四個(gè)獨(dú)立的3位子移相器以45°為移相步進(jìn)值在0-360°內(nèi)實(shí)現(xiàn)8種移相狀態(tài),總的移相器是以11.25°為移相步進(jìn)值在0-360。內(nèi)實(shí)現(xiàn)32種移相狀態(tài);3位子移相器中45°、135。、225。及315。移相狀態(tài)通過(guò)將具有合適極性的同相I路信號(hào)和正交Q路信號(hào)相加而實(shí)現(xiàn),0°和180°移相狀態(tài)通過(guò)對(duì)I路信號(hào)施以相反的極性而實(shí)現(xiàn),90°和270°移相狀態(tài)通過(guò)對(duì)Q路信號(hào)施以相反的極性而實(shí)現(xiàn);0°、90°、180°及270°移相狀態(tài)下的I路信號(hào)和Q路信號(hào)的幅度為45°、135°、225°及315°移相狀態(tài)下的及倍。
【文檔編號(hào)】H03H11/16GK103746670SQ201410014004
【公開(kāi)日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2014年1月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月13日
【發(fā)明者】李巍, 陳昌銘, 李寧 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)
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