超宽耐温范围的高精度六位数控衰减器的制作方法

本发明涉及毫米波单片集成技术领域，具体涉及一个基于sigebicmos工艺，具有超宽耐温范围的高精度六位数控衰减器。

背景技术：

毫米波相控阵技术集毫米波技术和相控阵技术优点于一身。一方面，毫米波具有宽频带、高精度、高分辨率和大信息容量。另一方面，相控阵技术有更快的波束转向。并且可以通过阵列把来自空间中各个方向的强干扰抵消。它已经广泛应用于国防、科学以及卫星通信的系统中。毫米波收发前端作为相控阵技术的关键部件，其完备的射频功能对相控阵的性能起决定作用。随着毫米波相控阵技术的发展，系统的复杂度和成本增加，毫米波收发前端逐渐往往单片集成发展。sigebicmos工艺不仅可以为射频和模拟提供高性能的sigehbt工艺、并且可以为数字电路设计提供高密度集成的cmos工艺。因此基于sigebicmos工艺的毫米波收发前端单片集成电路为毫米波相控阵技术的发展必须。

作为目前收发前端的幅度控制器件的主流选择，数控衰减器拥有优越的线性度。基于sigebicmos工艺的半导体器件相较于gaas/inp/gan等工艺而言，其器件的工作结温上升更快，加之硅基衬底热传导性不佳，制约着sigebicmos工艺器件的应用发展。目前没有查阅到任何一种关于如何改善数控衰减器的温度特性的专利，本发明首次提出一个基于sigebicmos工艺，具有超宽耐温范围的高精度六位数控衰减器。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是sigebicmos工艺的半导体器件的不良温度特性对数控衰减器工作性能的恶化。进行数控衰减器的单元设计一般都会采用mos管作为每个单元切换直通态和衰减态的开关。本发明所使用的pi型衰减网络的电路结构见图1。图1中串联的m1开关管在直通态下栅极电压为高电平，并联的m2、m3开关管为低电平，衰减态下各个开关管的栅极电压状态反转。其在直通和闭合状态下的等效电路见图2。由图2可知，mos管的栅极为高电平等效为一个电阻，为低电平时则等效为一个电容。图3为mos管(栅长为120n，栅宽为100u)在栅极加载1.2v电压，在10-20ghz频带里，其插入损耗与插入相位随温度变化的曲线。由图3可知处于导通状态的mos管的差损随着频率的升高而增加，随着温度的增加而增加；mos管的插入相位随着频率的增加而滞后，随着温度的升高而滞后。图4为该衰减网络的衰减量为8db时，衰减量和附加相移随温度变化的曲线。由图4可知，受限于mos管的温度特性，衰减器的衰减量从7db到8.8db之间波动，附加相移从-2deg到1.5deg之间波动，其工作状态很不稳定。因此，对单片数控衰减器设计者而言，降低mos管的温度特性对数控衰减器的影响是一项很重要的工作。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：第一、提出一种电压转换模块使加载在mos管的栅极电压随温度变化，其电压变化趋势与温度变化呈现正相关。第二、提出用mos管做可变电容，通过随温度上升其等效电容减少来减少不同温度下的衰减附加相移。第三、在串联支路上使用温度负相关电阻，在串联支路上使用温度正相关电阻。

进一步的是，所述电压转换模块的原理为，利于工艺库中与温度变化正相关特性的电阻使其输出电压与温度变化呈现正相关。

进一步的是，所述电压转换模块一共12条电压输出支路。每一条支路由两个晶体管、一个开关管、一个隔离电阻和一个到地电阻组成。

进一步的是，由于基于cmos工艺设计的波速控制形成电路的电压输出控制信号为1.2v，所述的电压输出支路的开关管驱动电压为2.5v，因此增加了升压模块。所述的升压模块由8个晶体管和一个反向器组成，输出两路相反的控制电压，分别为0v和2.5v。

进一步的是，所述的每一条电压输出支路的电流为固定值100ua。该电压转换模块的供电电压为2.5v。

本发明的有益效果：通过引入电压转换模块和模拟到地电容的晶体管，因mos管的栅极电压变化与其等效电阻随温度变化方向相反，由此降低mos管的温度特性对数控衰减器的影响，减少了设定单元衰减量的波动范围，改善了衰减附加相移，使其工作性能在不同温度下趋于稳定。

附图说明

图1是本发明所使用的pi型衰减网络的电路结构示意图；

图2是本发明所使用的pi型衰减网络在直通和闭合状态下的等效电路结构示意图；

图3是本发明采用工艺中的mos管(栅长为120n，栅宽为100u)在栅极加载1.2v电压，在10-20ghz频带里，其插入损耗与插入相位随温度变化的曲线图；

图4为本发明所使用的pi型衰减网络的衰减量为8db时，(a)衰减量和(b)附加相移在高低温下随频率(14-19ghz)变化的曲线。

图5为本发明提出的超宽耐温范围的高精度六位数控衰减器电路结构示意图；

图6为本发明的版图照片；

图7为本发明具体实施的驻波特性曲线；

图8为本发明具体实施的衰减附加相移特性曲线；

图9为本发明具体实施的各单元的衰减精度特性曲线；

图10为本发明具体实施的高低温衰减量及其衰减rms特性曲线

图5和图6标记说明：4db固定衰减量单元网络(101)，2db固定衰减量单元(102)，0.5db固定衰减量单元(103)，1db固定衰减量单元(104)，8db固定衰减量单元(105)，16db固定衰减量单元(106)，升压模块(201)，电流源模块(301)，2.5v供电电压(401)，可变电压转换模块(501)。电阻(r1-r68)，n型晶体管(q1-q40)，p型晶体管(q41-q48)，dg晶体管(dgq1-dgq10)，反相器(inverter)，端口(in、out和controlsignal)

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

如图5所示，本发明包括一个6个不同固定衰减量单元网络(101-106)，一个升压模块(201)和可变电压转换模块(501)。电流源模块(301)和2.5v供电电压模块(401)不在本发明范围内。

其中所述4db固定衰减量单元网络(101)由衰减电阻(r33、r34和r37)、隔离电阻(r31、r35)、衬底隔离电阻(r32和r36)、开关管(q21和q22)和模拟到地电容管(q23)组成。

其中所述2db固定衰减量单元网络(102)由衰减电阻(r40、r41和r44)、直流隔离电阻(r38、r43)、衬底隔离电阻(r39和r42)、开关管(q24和q25)和模拟到地电容管(q26)组成。

其中所述0.5db固定衰减量单元网络(103)由衰减电阻(r45)、直流隔离电阻(r47)、衬底隔离电阻(r46)、开关管(q27)和模拟到地电容管(q28)组成。

其中所述1db固定衰减量单元网络(104)由衰减电阻(r50)、直流隔离电阻(r49)、衬底隔离电阻(r48)、开关管(q29)和模拟到地电容管(q30)组成。

其中所述8db固定衰减量单元网络(105)由衰减电阻(r54、r56和r59)、直流隔离电阻(r51、r55和r58)、衬底隔离电阻(r52、r54和r57)、开关管(q31、q32和q33)和模拟到地电容管(q34和q35)组成。

其中所述16db固定衰减量单元网络(106)由衰减电阻(r62、r65和r68)、直流隔离电阻(r60、r64和r67)、衬底隔离电阻(r61、r63和r66)、开关管(q36、q37和q39)和模拟到地电容管(q38和q40)组成。

其中所述升压模块(201)由反相器(inverter)、nfet管(q41-q44)和pfet管(q45-48)组成，一个七个相同的升压模块，所述可变电压转换模块(501)由稳流fet管(q1-q20)、控制电压变化温度电阻(r1-r0)和直流隔离电阻(r21-r30)组成。

在图5所示的in端接50欧姆匹配端口作输入端，out端50欧姆匹配端口作输出端，在cpu中输入控制信号到controlsignal端口，升压模块把控制信号电压抬高到2.5v，控制电压变换模块(501)把2.5v电压变成与温度正相关的可变电压，可变电压控制衰减网络(101-106)的开关管进行衰减态和直通态的切换。

如图7-图10所示，当输入信号频率为15-18ghz时候，对6位衰减器的控制电压进行64个状态扫描(开启为1，关闭为0，0.5db为第一位，依次排序到第六位，状态编码为000000到111111)，在温度范围为-55℃～125℃，其输出信号的s21的附加相移在±4°，端口驻波优于10db，衰减rms(均方根误差)小于0.8db，0.5db单元衰减精度为优于0.1db，0.5db单元衰减精度为优于0.07db，1db单元衰减精度为优于0.01db，2db单元衰减精度为优于0.08db，0.2db单元衰减精度为优于0.1db，8db单元衰减精度为优于0.53db，16db单元衰减精度为优于0.78db。因此可见，该发明能改善半导体器件不良温度特性对数控衰减器的影响，在毫米波相控阵领域有极大的应用价值。