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(多图) 基于CMOS工艺的数字步进衰减器的设计

来源:Peregrine半导体公司 Ray Baker?? 2008年04月14日 ?? 收藏0

  采用CMOS技术的数字步进衰减器能提供较高的抗ESD能力、高线性度、低插入损耗、串联及并联逻辑接口以及专有的超低噪音负电压发生器。本文基于Peregrine(派更)半导体公司的单片数字步进衰减器(DSA,Digital Step Attenuator)产品系列,阐述了DSA通用设计方法、RF CMOS工艺以及这些器件的性能。

  DSA通过一个友好的处理器接口控制RF信号强度,被广泛应用于多种RF产品,比如宽动态范围接收器、功率放大器的失真信号消除环路,以及各种有线电视分配系统。

  DSA通常具有“线性增益”的特性,是ADC与外界之间的普通接口。与模拟的解决方案相比,它们能提供更高的精确度、更好的温度稳定性以及更小的失真,此外还具有尺寸小、功耗低、易于实现等特点,是一种富有成本效益的解决方案。

  本文的讨论虽然集中于Peregrine半导体公司的PE4302(50Ω)与PE4304(70Ω)这两种6位DSA器件上,但实际上这种DSA通用设计方法适用于所有类似产品。

  单片衰减器的设计

  图1是一个典型的步进衰减器,衰减器的每个管脚位于两个单刀双掷(SPDT)开关之间。机械式继电器或开关能提供几乎无损耗的接触,经过仔细设计,这种结构能提供很低的插入损耗和优良的隔离度。

典型的步进衰减器

图1:典型的步进衰减器。

  要使一个集成的解决方案提供与此相当的性能,需要一个具有相同特性、导通电阻小以及关断电容在pF以下的固态开关。工作在线性区域的FET开关基本上可以满足这个要求。FET的导通电阻RON虽然为有限值,但是可以在较大的器件中接近0Ω。但是大器件的成本高,如果有办法将串联开关的数量减少一半,例如将每个单元的SPDT换成单刀单掷开关(SPST),则在性能和成本上都可以得到改善。

  图2是π型衰减器经过改进的单刀串联开关结构。在每个单元都由一个串联SPST和两个旁路SPST代替原来的两个SPDT。实际上,这一技术将每个单元的插入损耗(IL)降低了一半,SPST结构也比SPDT更简洁,同时性能更好,特别是在高频的时候。

带单刀串联开关的

图2:带单刀串联开关的π型衰减器。

  由于所有无源衰减器均为三端网络,这种串联/旁路设计需要与其它拓扑结构一起工作,如T型和桥接T型(见图3)。可能是由于所受培训或者习惯上的原因,工程师似乎更倾向采用π型结构,但是在一个电阻值跨度很大的单片电路中,这可能并不是最好的选择。

π型、T型以及桥接T型电路

图3:π型、T型以及桥接T型电路。

  设计分立电阻时,电阻值不是一个重要问题。然而在集成电路中,具有特定电阻系数的矩形面积决定了电阻的阻值,这种表面电阻在CMOS工艺中通常约为200Ω/square。集成电路设计面临的难题是,不管电阻值是多倍于200Ω还是远小于200Ω,电阻值都已经成为设计及制造过程中的一个棘手问题。

  设计阻值非常大或非常小的电阻都需要很大的面积以及很高的成本。大阻值的电阻是长而薄的方形设计,而小阻值的电阻则具有很宽的外形以避免公差问题。表1给出了最低有效位(LSB)为0.5dB的50Ω 6位二进制衰减器的电阻值,其中Rp和Rs分别代表每一个网络中的旁路电阻和串联电阻。

  在表1第一行,步进值为0.5dB,这时π型及T型网络所需的电阻比约为600:1(1738/2.9及868/1.4),而桥接T型网络所需的电阻比只有它的一半,约为300:1(844/3)。当步进值为1dB和2dB时,桥接T型网络仍然保持了较低的最大电阻值/最小电阻值的比率,它的电阻值范围缩小了一半,其代价只是增加一个电阻。

表1:电阻值与插入损耗、拓扑结构的关系。

电阻值与插入损耗

  当步进值等于或大于4dB时,T型网络的Rpp值较高而成为最佳选择。这形成了一个普遍策略:当步进值较小时使用桥接T型网络,当步进值较大时使用π型网络。

  无论是哪种情况,要使DSA具有较高的准确度、优良的线性度、最小的工艺误差以及最佳的温度记录,就需要每一个电阻的阻值远远大于相应开关的导通电阻RON。对于较低的dB值,T型结构的Rp值较高,约为几百欧姆,相比之下旁路开关的RON(通常只有几欧姆)显得很小。同样,当dB值较大时,π型网络旁路电阻的阻值也较大,远远大于旁路开关的RON。


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CMOS? 数字步进衰减器? Peregrine?

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