本發(fā)明屬于射頻微波集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用于多功能收發(fā)組件中的寬帶高精度移相器，可用于無(wú)線通訊、雷達(dá)探測(cè)、電子對(duì)抗等相關(guān)相控陣系統(tǒng)中。

背景技術(shù)：

寬帶有源移相器作為有源相控陣系統(tǒng)的核心組成部分，對(duì)有源相控陣系統(tǒng)的性能有決定性的影響，其指標(biāo)直接決定了相控陣系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其重量和體積直接影響到相控陣系統(tǒng)的小型化，其可靠性和成本決定了相控陣系統(tǒng)的應(yīng)用前景。由于在一個(gè)相控陣系統(tǒng)中所裝備的移相器數(shù)量巨大，在符合相控陣系統(tǒng)既定設(shè)計(jì)指標(biāo)的條件下，我們應(yīng)盡可能降低其組件的體積、重量，控制元器件成本。為解決以上問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)都在積極的利用cmos集成電路工藝來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)相控陣系統(tǒng)中的組件。

有源移相器主要利用正交信號(hào)產(chǎn)生器產(chǎn)生正交信號(hào)，然后將正交信號(hào)送入到一個(gè)vga中來(lái)調(diào)整正交信號(hào)各自的幅度，最終再將正交信號(hào)合成便可以實(shí)現(xiàn)移相。而通常的移相器大多通過(guò)控制vga的偏置電流來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)正交信號(hào)幅度的調(diào)整，這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是當(dāng)移相器的精度較高時(shí)，會(huì)需要變化范圍非常大的偏置電流，一方面很難準(zhǔn)確的產(chǎn)生變化范圍如此大的偏置電流；另外一方面當(dāng)偏置電流的變化范圍比較大時(shí)，受限于mos管的線性度，vga的增益也會(huì)偏離預(yù)期值，移相準(zhǔn)確度下降，導(dǎo)致很難設(shè)計(jì)出精度較高移相器，而這就是新型移相器需要解決的首要問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種具有較寬的頻率范圍、能夠以較高的精度實(shí)現(xiàn)移相的寬帶高精度有源移相器。

本發(fā)明提供的寬帶高精度有源移相器，是以全差分的形式實(shí)現(xiàn)移相，通過(guò)數(shù)字開(kāi)關(guān)控制相位的變化，并且可以通過(guò)調(diào)整控制電壓來(lái)調(diào)整帶內(nèi)增益的平坦度。移相器的具體結(jié)構(gòu)如附圖1所示，主要包括以下依次連接的正交信號(hào)產(chǎn)生器、象限選擇開(kāi)關(guān)（switsh）、vga、輸出buffer模塊，其中：

（1）所述正交信號(hào)產(chǎn)生器，用于產(chǎn)生正交信號(hào)，如附圖2所示。保證正交信號(hào)的正交性非常重要，因其直接影響移相器移相的準(zhǔn)確度，因此，具體可選用三級(jí)多相濾波器（ppf）作為正交信號(hào)產(chǎn)生器，因?yàn)樗墚a(chǎn)生非常準(zhǔn)確的正交信號(hào)，且其帶寬足夠?qū)?，帶?fù)載能力足夠強(qiáng)，在工藝發(fā)生變化時(shí)仍能正常工作；

（2）所述象限選擇開(kāi)關(guān)，用于選擇正交信號(hào)極性，如附圖3所示。象限選擇開(kāi)關(guān)主要是用來(lái)切換信號(hào)極性的，但倘若使其同時(shí)也具備一定的放大功能，則其還可以對(duì)信號(hào)的損耗進(jìn)行一定的補(bǔ)償，并且還可以對(duì)噪聲系數(shù)起到一定的抑制作用。象限選擇開(kāi)關(guān)包括2個(gè)共源放大管m1和m2，4個(gè)切換開(kāi)關(guān)m3~m6，該電路同時(shí)實(shí)現(xiàn)信號(hào)極性的切換和放大功能。此外，由于該象限選擇開(kāi)關(guān)的輸入寄生電容要小于vga，故將其插入在ppf和vga之間，還可以減小ppf的負(fù)載電容，從而降低其損耗；

（3）所述vga，用于調(diào)整正交信號(hào)幅度，如附圖4所示。該vga由一系列固定的子增益單元組成，通過(guò)開(kāi)關(guān)管選擇合適的子增益單元組合使其工作，并在輸出節(jié)點(diǎn)以電流形式將這些信號(hào)相加即，可得到所需的增益，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)正交信號(hào)幅度的調(diào)整。利用這種方法實(shí)現(xiàn)的vga不再需要大范圍變化的偏置電流，也就不需要為了產(chǎn)生變化范圍非常大的偏置電流而再去設(shè)計(jì)復(fù)雜的多位dac。此外由于mos管的工作狀態(tài)相對(duì)固定，偏置電流不發(fā)生變化，就不會(huì)有mos管的線性度限制問(wèn)題，因此該vga能夠十分精確的控制正交信號(hào)的幅度，從而降低移相誤差；

（4）所述輸出buffer，用于驅(qū)動(dòng)下級(jí)電路以及測(cè)試電阻，如附圖5所示。該buffer包含一個(gè)帶可變負(fù)載的共源級(jí)放大器，以及一個(gè)由源級(jí)跟隨器和共源級(jí)放大器構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)器。帶可變負(fù)載的共源級(jí)放大器的負(fù)載由一對(duì)工作于線性區(qū)的pmos管實(shí)現(xiàn)，通過(guò)控制電壓調(diào)整其阻值得大小即相當(dāng)于調(diào)節(jié)電感的q值，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)帶內(nèi)平坦度的調(diào)節(jié)。此外，其增益還可以對(duì)驅(qū)動(dòng)器引入的損耗提供一定的補(bǔ)償。由源級(jí)跟隨器和共源級(jí)放大器構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)器主要是用來(lái)驅(qū)動(dòng)下級(jí)電路或者50歐姆的測(cè)試電阻的，但由于其傳輸函數(shù)與全差分放大電路十分相似，該驅(qū)動(dòng)器還可以抑制共模信號(hào)、放大差模信號(hào)，從而對(duì)差分信號(hào)起到一定的矯正作用。

本發(fā)明移相器沒(méi)有采用傳統(tǒng)的調(diào)整正交信號(hào)幅度的方法，即通過(guò)改變偏置電流來(lái)控制信號(hào)幅度，而采用通過(guò)開(kāi)關(guān)控制一系列子增益單元來(lái)合成所需要的幅度的方法，解決了傳統(tǒng)移相器中由于mos管的線性度有限導(dǎo)致移相準(zhǔn)確度下降的問(wèn)題，同時(shí)也省去了復(fù)雜的高位dac的設(shè)計(jì)（當(dāng)移相器的精度較高時(shí)需要高位dac來(lái)產(chǎn)生變化范圍非常大的偏置電流）。此外，該移相器的象限選擇開(kāi)關(guān)同時(shí)還具有一定的放大作用，并可對(duì)噪聲系數(shù)進(jìn)行一定的抑制。該移相器的輸出buffer中的共源放大器的負(fù)載可調(diào)，從而可以對(duì)信號(hào)的帶內(nèi)平坦度起到調(diào)節(jié)作用。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的移相器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明中的正交信號(hào)產(chǎn)生器三級(jí)ppf。

圖3為本發(fā)明中的象限選擇開(kāi)關(guān)。

圖4為本發(fā)明中控制正交信號(hào)幅度的vga。

圖5為本發(fā)明中的輸出buffer。

圖6為移相器的rms相位誤差曲線。

圖7為移相器的rms增益誤差曲線。

具體實(shí)施方式

如附圖1所示，為本發(fā)明的寬帶高精度移相器的具體結(jié)構(gòu)。進(jìn)入移相器的全差分信號(hào)首先被正交信號(hào)產(chǎn)生器三級(jí)ppf轉(zhuǎn)換成正交差分四路信號(hào)，它們的幅值相等，而相位依次相差90度。

然后這四路正交差分信號(hào)被送入到象限選擇開(kāi)關(guān)中（附圖3），圖中m1~m2為共源放大管，它們的漏極連接到開(kāi)關(guān)管m3~m6的源極，m3~m6的漏極被連接到負(fù)載r1~r2和l1上。信號(hào)首先經(jīng)過(guò)共源放大管被放大，之后即可以通過(guò)開(kāi)關(guān)管m3~m6來(lái)確定信號(hào)的極性，從而確定最后合成的信號(hào)是位于哪個(gè)象限。因?yàn)樗腿雟ga的信號(hào)只能被調(diào)整幅度，因此通過(guò)vga只能控制一個(gè)象限內(nèi)的相位變化，而若想實(shí)現(xiàn)在360度范圍內(nèi)的移相就需要象限選擇開(kāi)關(guān)將其擴(kuò)展到其它象限。例如將sni和spq（與附圖3相同的q路控制開(kāi)關(guān)）設(shè)置為高電平，spi和snq設(shè)置為低電平，則最終合成的信號(hào)便位于第二象限。

接下來(lái)信號(hào)便被送入vga（附圖4），在一個(gè)象限內(nèi)調(diào)整其幅度。本發(fā)明的vga是通過(guò)開(kāi)關(guān)管在i路和q路分別選擇合適的增益單元組合使其工作（具體的組合情況需依據(jù)要合成的相位來(lái)確定），然后在輸出節(jié)點(diǎn)以電流形式將i路增益單元產(chǎn)生的電流與q路增益單元產(chǎn)生的電流相加，即可合成所需相位的信號(hào)。下面就以第一象限為例，具體闡述如何設(shè)計(jì)子增益單元來(lái)實(shí)現(xiàn)在一個(gè)象限內(nèi)的移相。本發(fā)明的移相器為6bit，共有個(gè)狀態(tài)，分配到每個(gè)象限即需要實(shí)現(xiàn)16個(gè)狀態(tài)。但依據(jù)公式，只需要實(shí)現(xiàn)0至45度范圍內(nèi)的8個(gè)狀態(tài)，然后將i路控制開(kāi)關(guān)狀態(tài)與q路控制開(kāi)關(guān)狀態(tài)互換即可以實(shí)現(xiàn)45至90度范圍內(nèi)的另外8個(gè)狀態(tài)。要實(shí)現(xiàn)0度至45度之內(nèi)的移相，由公式：

即推算出所需要的值和值。其中為移相的角度，和分別是i路和q路總增益的大小，con代表一個(gè)常數(shù)。接下來(lái)就可以確定為實(shí)現(xiàn)這些值，所需要的子增益單元的數(shù)量以及它們之間的比值。經(jīng)過(guò)計(jì)算，每個(gè)信號(hào)通道需要六個(gè)子增益單元（附圖4），它們之間的比例為2:3:4:6:8:8（對(duì)應(yīng)管子的尺寸比例），通過(guò)開(kāi)關(guān)控制這六個(gè)子增益單元就可以實(shí)現(xiàn)所需要的值和值（前提是負(fù)載大小不能發(fā)生變化，因此選擇無(wú)源器件作為負(fù)載），從而實(shí)現(xiàn)在一個(gè)象限內(nèi)的移相。

最后信號(hào)便被送入了輸出buffer（附圖5），該buffer包括一個(gè)帶可變負(fù)載的共源級(jí)放大器，以及一個(gè)由源級(jí)跟隨器和共源級(jí)放大器構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)器。共源放大器包括放大管m7~m8，它們的漏極連接到可變有源負(fù)載管m9~m10的漏極，m9~m10的源極連接到差分電感l(wèi)2上來(lái)提高高頻增益。驅(qū)動(dòng)器包括共源放大管m11~m12，它們的漏極接到共柵管m13~m14的源極，并通過(guò)隔直電容輸出。信號(hào)首先經(jīng)過(guò)共源級(jí)放大器，通過(guò)調(diào)整控制電壓vtrl即可以調(diào)整工作于線性區(qū)的pmos管的等效電阻（也即相當(dāng)于調(diào)整電感的q值），從而使得在工藝產(chǎn)生偏差時(shí)，信號(hào)在通帶內(nèi)仍能保持平坦。之后信號(hào)就被送入輸出驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)能力足夠強(qiáng)可以驅(qū)動(dòng)測(cè)試的50歐姆負(fù)載，此外還可以對(duì)差分信號(hào)進(jìn)行矯正。

最終經(jīng)過(guò)仿真與計(jì)算可以得到移相器的rms相位誤差如附圖6所示，從圖中可以看出在整個(gè)頻帶內(nèi)移相器的rms相位誤差都小于1.86度。移相器的rms增益誤差如附圖7所示，從圖中可以看出在整個(gè)頻帶內(nèi)移相器的rms增益誤差都小于0.21db。不論是rms相位誤差還是rms增益誤差都是相當(dāng)?shù)男?，體現(xiàn)出本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)。