移相器——K波段有源移相器设计

目录

前言

正交信号产生单元

矢量合成单元

幅度调制单元

仿真结果

相位切换模块(数控)

总结


前言

博主研一阶段在做一款K波段有源数控移相器,所用工艺为smic55nmll,完成了几个关键模块的前仿真,现对之前工作做个总结。

正交信号产生单元

首先是正交信号产生电路,分别仿真了两种结构,即RC结构(图1)和RLC结构(图2)。

移相器——K波段有源移相器设计_第1张图片    移相器——K波段有源移相器设计_第2张图片

图1 RC结构正交信号产生电路                                                  图2 RLC结构正交信号产生电路

经过仿真发现,RC电路和RLC电路都能产生近乎无误差的四路正交信号,如图3和图4 所示。

移相器——K波段有源移相器设计_第3张图片  移相器——K波段有源移相器设计_第4张图片

图3 RC结构相位仿真                                                                 图4 RLC结构相位仿真 

但是,RC结构的增益损失交大,RLC增益损失较小,增益曲线如图5和图6所示。

移相器——K波段有源移相器设计_第5张图片  移相器——K波段有源移相器设计_第6张图片

图5 RC结构增益仿真                                                                图6 RLC结构增益仿真

我们的指标要求里还有温度范围的要求,即-55°C——125°C的范围,经仿真发现,RC结构的正交信号精度受温度影响较小,RLC结构的正交信号精度受温度影响较大,故本设计采用RC结构,其瞬态仿真如图7。

移相器——K波段有源移相器设计_第7张图片

图7 RC结构瞬态仿真结果

矢量合成单元

矢量合成单元采用吉尔伯特单元结构,电路结构如图8所示,其中为了扩大带宽,采用了电感峰化技术(源端增加电感)。

移相器——K波段有源移相器设计_第8张图片

图8 吉尔伯特单元电路结构

目前用理想的电流源代替幅度调制部分的电流镜,方便仿真,真实结构如图9所示。

移相器——K波段有源移相器设计_第9张图片

图9 吉尔伯特单元电路结构(加MOS开关)

幅度调制单元

对于幅度调制单元,设计如图10所示。其中电流由NMOS入,传到PMOS,采用共源共栅电流镜,可以减小衬偏效应。通过开关选择电流流入到I通路还是Q通路,从而控制输出信号幅度。尾部的NMOS开关用来选择极性,即四个象限,11代表第一象限,01代表第二象限,00代表第三个象限,10代表第四个象限。

移相器——K波段有源移相器设计_第10张图片

图10 幅度调制单元

仿真结果

首先,通过吉尔伯特单元的带宽,如图11所示,可以看到带宽远远满足要求。接着仿真了第一象限的相位,如图12所示,最后,仿真了360°的相位变化,如图13所示。

移相器——K波段有源移相器设计_第11张图片

图11 吉尔伯特单元带宽仿真

接着仿真了第一象限的相位,如图12所示,最后,仿真了360°的相位变化,如图13所示。

移相器——K波段有源移相器设计_第12张图片  移相器——K波段有源移相器设计_第13张图片

图12 第一象限相位仿真                                                              图13 360°相位仿真

现在基本的模块已经搭建完毕,360°的相移也可以实现,基本功能完成,但是还要考虑输入输出巴伦,其作用是匹配和单端差分的转换,在这里不做考虑(我不懂这部分内容)。

相位切换模块(数控)

最后要给出的是开关的真值表,利用该真值表可以完成数字控制,如表1和表2所示。真值表基本采用类似one-hot编码的方式(忽略转变极性的开关)。

表1 0到180°的开关控制真值表

移相器——K波段有源移相器设计_第14张图片

表2 180°到360°的开关控制真值表

移相器——K波段有源移相器设计_第15张图片

考虑到每次开关切换,如果按照上述真值表,那么每次可能会改变两个相位及以上相位,造成移相误差及不必要的功耗,故采用格雷码完成开关电路设计。真值表如表3和表4所示。

表3 0到180°的开关控制真值表(格雷码)

移相器——K波段有源移相器设计_第16张图片

表4 180°到360°的开关控制真值表(格雷码)

移相器——K波段有源移相器设计_第17张图片

总结

基本模块介绍完毕,移相器的内容就更新到这里,接下来还是继续更新数字IC的内容吧。做过模拟之后为什么又开始做数字呢?模拟射频IC设计,非常需要经验,资深工程师一眼就能看出的问题,小白需要不断去尝试,随着尝试多了,经验也就上来了,做数字IC的时候,每次看到自己写的代码,仿出来的波形完全正确,心里就非常舒服,感觉非常有成就感,随着学的东西越多,自己的能力也在慢慢提升,现在甚至有点喜欢手撕代码,从代码看波形,这种进步的感觉是可以量化的,所以我选择了数字IC的道路。

希望同学们都能找到自己的方向,一起努力~

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