移相器——K波段有源移相器設計

    博主以前在作一款K波段有源移相器，所用工藝爲smic55nmll工藝，完成了幾個主要模塊的仿真，現對以前的工做作個總結。

    K波段的頻率範圍是18G——27GHz，所設計移相器的工做頻率範圍是19G——24GHz。其基本結構和我前面發佈的一篇隨筆相似，只不過用了45nm的工藝。

    首先是正交信號產生電路，分別仿真了兩種結構，即RC結構（圖1）和RLC結構（圖2）。

                     

圖1 RC結構正交信號產生電路

圖2 RLC結構正交信號產生電路

    通過仿真發現，RC電路和RLC電路都能產生近乎無偏差的四路正交信號，如圖3和圖4 所示。

 

圖3 RC結構相位仿真

 圖4 RLC結構相位仿真 

    可是，RC結構的增益損失交大，RLC增益損失較小，增益曲線如圖5和圖6所示。

圖5 RC結構增益仿真

圖6 RLC結構增益仿真

    咱們的指標要求裏還有溫度範圍的要求，即-50°C——125°C的範圍，經仿真發現，RC結構的正交信號精度受溫度影響較小，RLC結構的正交信號精度受溫度影響較大，故本設計採用RC結構，其瞬態仿真如圖7。

 

圖7 RC結構瞬態仿真結果

    接下來是吉爾伯特單元，即矢量合成單元，電路結構如圖8所示，其中爲了擴大帶寬，採用了電感峯化技術。

圖8 吉爾伯特單元電路結構

    目前用理想的電流源代替DAC幅度調製部分的電流鏡，方便仿真，真實結構如圖9所示。

圖9 吉爾伯特單元電路結構（加MOS開關）

    對於DAC幅度調製模塊，設計如圖10所示。其中電流由NMOS入，傳到PMOS，採用共源共柵電流鏡，能夠減少襯偏效應。經過開關選擇電流流入到I通路仍是Q通路，從而控制輸出信號幅度。尾部的NMOS開關用來選擇極性，即四個象限，11表明第一象限，01表明第二象限，00表明第三個象限，10表明第四個象限。

圖10 DAC幅度調製模塊

    首先，經過吉爾伯特單元的帶寬，如圖11所示，能夠看到帶寬遠遠知足要求，接着仿真了第一象限的相位，如圖12所示，最後，仿真了360°的相位變化，如圖13所示。

圖11 吉爾伯特單元的帶寬

 

圖12 第一象限相位仿真

圖13 360°相位仿真

    如今基本的模塊已經搭建完畢，360°的相移也能夠實現，基本功能完成，可是還要考慮輸入輸出巴倫，其做用是匹配和單端差分的轉換，在這裏不做考慮。

    最後要給出的是開關的真值表，利用該真值表能夠完成數字控制，如表1和表2所示。真值表基本採用one-hot編碼方式（忽略轉變極性的開關）。

表1 0到180°的開關控制真值表

表2 180°到360°的開關控制真值表

    考慮到每次開關切換，若是按照上述真值表，那麼每次可能會改變兩個相位及以上相位，形成移相偏差及沒必要要的功耗，故採用格雷碼完成開關電路設計。真值表如表3和表4所示。

表3 0到180°的開關控制真值表（格雷碼）

表4 180°到360°的開關控制真值表（格雷碼）

　　基本模塊搭建完成。以上即是個人工做總結。