一種x波段5位有源本振移相器的制造方法
【專利摘要】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）相控陣接收機中移相器的設(shè)計。它由一個變壓器式巴倫、一個多相濾波器、四個子移相器和一個合成電路組成，如圖1。其中四個子移相器的移相精度為3位，即子移相器以45°為移相步進值在0~360°范圍內(nèi)總共實現(xiàn)8種移相狀態(tài)，如圖3。由這四個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°為移相步進值在0~360°范圍內(nèi)總共實現(xiàn)32種移相狀態(tài)。首先單端輸入信號VIN經(jīng)過一個變壓器式巴倫得到差分信號VIN+和VIN-，它們經(jīng)過一個多相濾波器后得到一組正交差分信號VIN_I+、VIN_I-、VIN_Q+和VIN_Q-，它們是子移相器的輸入，四個子移相器的輸出信號經(jīng)過合成電路合成之后就得到輸出信號VOUT+和VOUT-。
【專利說明】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波段相控陣接收機中移相器，可用于射頻微波相控陣接收機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)的實現(xiàn)成為可能。相控陣技術(shù)在民用領(lǐng)域如汽車雷達(工作頻率在24GHz和77GHz)、短距離高速無線通信(工作頻率在60GHz)的應(yīng)用開始引起人們的注意。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)實現(xiàn)方式有開關(guān)傳輸線、正交混合耦合線以及加載線等，這些以分立元件為基礎(chǔ)的實現(xiàn)方式的缺點是:(1)電路拓撲復(fù)雜；(2)設(shè)計難度大；(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越高，開關(guān)電感式單片集成移相器開始出現(xiàn)，但是開關(guān)電感式移相器需要的電感數(shù)目較多，對于較低頻率的應(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)整正交兩路信號的幅度，然后將這兩路正交信號合成就得到移相后的輸出。該方法的缺點是對調(diào)整正交兩路信號幅度的電路的精度要求較高、設(shè)計難度較大，這個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)計一種X波段(8~12GHz)相控陣接收機中的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)計簡單等特點。
[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，該移相器由一個單轉(zhuǎn)雙巴倫、一個多相濾波器、四個3位子移相器和一個合成電路依次級聯(lián)而成。其中，單轉(zhuǎn)雙巴倫和多相濾波器將信號轉(zhuǎn)換為四個3位子移相器所需的正交差分信號，四個獨立的3位子移相器分別對輸入信號賦予獨立的相位，合成電路對這四個獨立的3位子移相器的輸出進行合成，即得到移相器的輸出信號。
[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)整正交兩路信號的幅度，然后將這兩路正交信號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輸入到四個獨立的3位子移相器，四個子移相器移相后的輸出再經(jīng)過合成電路合成之后就可以得到想要的移相輸出信號，如圖2中右半部分，移相角度為11.25°的輸出信號Vtot2可以由三個相位為O°的矢量Vin1、矢量Vin2、矢量Vin3和一個相位為45°的矢量Vin4合成而得到。
[0006]本發(fā)明中，四個獨立的3位子移相器以45°為移相步進值在0-360。內(nèi)實現(xiàn)8種移相狀態(tài)，而總的移相器是以11.25°為移相步進值在0-360°內(nèi)實現(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)是通過將具有合適極性的同相I路/[目號和正交Q路彳目號相加而實現(xiàn)的，O °和180°移相狀態(tài)是通過對I路彳目號施以相反的極性而實現(xiàn)的，90°和270°移相狀態(tài)是通過對Q路信號施以相反的極性而實現(xiàn)的。為了保證所有移相狀態(tài)下輸出信號的幅度一致，0°、90°、180°及270°移相狀態(tài)下的I路信號和Q路信號的幅度應(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，由一個單轉(zhuǎn)雙巴倫、一個多相濾波器、四個3位子移相器和一個合成電路依次級聯(lián)而成；其中，單轉(zhuǎn)雙巴倫和多相濾波器將信號轉(zhuǎn)換為四個3位子移相器所需的正交差分信號，四個獨立的3位子移相器分別對輸入信號賦予獨立的相位，合成電路對這四個獨立的3位子移相器的輸出進行合成，即得到移相器的輸出信號。
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3位子移相器由放大管、開關(guān)對、冗余DUMMY管、有源電感負載、交流耦合電容和直流偏置電阻組成；其中，放大管由8個晶體管(M1-M4和M7-M10)組成，冗余DUMMY管由4個晶體管(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；輸入信號的交流耦合電容由4個電容(C1-C4)組成，放大管的直流偏置電阻由4個電阻(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vIN—1+經(jīng)第一稱合電容(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￥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)組成開關(guān)對，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VPS—oUT_和同相輸出信號Vrltot+上,控制信號VCl和控制信號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)組成開關(guān)對，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VPS—oUT_和同相輸出信號vPsjm+上，控制信號VCl和控制信號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)組成開關(guān)對，；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VPS—OTT_和同相輸出信號Vpsjm+上，控制信號VC3和控制信號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)組成開關(guān)對，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VPS—oUT_和同相輸出信號Vps TOT+上，控制信號VC3和控制信號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)組成開關(guān)對，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VPS—QUT+和反相輸出信號VPS—QUT_上,控制信號VC5和控制信號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)組成開關(guān)對，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Vpsjjut+和反相輸出信號VPS—oUT_上,控制信號VC5和控制信號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)組成開關(guān)對，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VPS—QUT+和反相輸出信號VPS—QUT_上，控制信號VC7和控制信號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)組成開關(guān)對，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Vps ουτ+和反相輸出信號Vps TOT_上，控制信號VC7和控制信號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VPS—QUT_和同相輸出信號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個晶體管(M35-M42)組成，偏置管由4個晶體管(M31-M34)組成，負載電感為LI，負載電阻為第七、第八2個電阻(R7和R8)，偏置電阻由第九~第十七9個電阻(R9-R17)組成，交流耦合電容由第五~第十二 8個電容(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)的柵極分別通過交流稱合電容的第五、第六電容(C5和C6)與輸入信號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)的柵極分別通過交流耦合電容的第七、第八電容(C7和C8)與輸入信號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)的柵極分別通過交流耦合電容的第九、第十電容(C9和C10)與輸入信號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)的柵極分別通過交流耦合電容的第1、第十二電容(Cii和C12)與輸入信號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)雙巴倫為對稱互繞結(jié)構(gòu)，其中采用變壓器式的巴倫以將輸入的單端信號轉(zhuǎn)換成差分信號，變壓器式的巴倫由初級線圈和次級線圈組成，初級線圈一端接單端信號輸入端，另一端接地，次級線圈的兩端即巴倫的差分信號輸出端。
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個多晶硅電阻即第十八~第二十五多電阻(R18-R25)和8個金屬-絕緣體-金屬MM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)為負極；多相濾波器共分為2級，第一級中，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，第一級的極點為9GHz ;第二級中，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)的負極相連，第二十二電阻(R22)和第二十電容(C20)的負極與輸出Vin 1+相連，第二十三電阻(R23)和第十七電容(C17)的負極與輸出VIN I_相連，第二十四電阻(R24)和第十八電容(C18)的負極與輸出Vin q+相連，第二十五電阻(R25)和第十九電容(C19)的負極與輸出Vin Q_相連，第二級的極點為IlGHz ;另在其輸出端增加了兩個負載電感(L2和L3)，第二負載電感L2的兩端分別接在輸出Vin i+和VIN I_i，第三負載電感(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，四個獨立的3位子移相器以45°為移相步進值在0-360°內(nèi)實現(xiàn)8種移相狀態(tài)，總的移相器是以11.25°為移相步進值在0-360。內(nèi)實現(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)通過將具有合適極性的同相I路信號和正交Q路信號相加而實現(xiàn)，0°和180°移相狀態(tài)通過對I路信號施以相反的極性而實現(xiàn)，90°和270°移相狀態(tài)通過對Q路信號施以相反的極性而實現(xiàn)；0°、90°、180°及270°移相狀態(tài)下的I路信號和Q路信號的幅度為45°、135°、225°及315°移相狀態(tài)下的及倍。
【文檔編號】H03H11/16GK103746670SQ201410014004
【公開日】2014年4月23日 申請日期: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 申請人:復(fù)旦大學(xué)