一种基于晶体管可变电容器的相位温度补偿放大器集成电路

1.本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种基于晶体管可变电容器的相位温度补偿放大器集成电路。


背景技术：

2.随着集成电路技术的不断发展，射频集成电路收发系统在移动通信和卫星通信等方面的应用日益成熟。为满足微弱信号接收和高功率信号发射的需求，具备高可靠性的相控阵列技术是移动通信和卫星通信领域不可或缺的核心技术。在射频集成电路系统中，器件的阈值电压和电子迁移率会受到温度的影响，通常导致发射组件和接收组件的相位随温度升高而滞后，因此有必要补偿复杂环境条件下的相位以稳定器件性能。传统电路鲜有涉及对射频前端链路相位温度波动的模拟补偿技术，通常采用的是数字式的补偿方法，即通过测试环境温度，根据预设的码表改变射频链路中移相器的相位状态，从而校准相位。这种校准方案控制复杂度较高，并且不能实时地对由温度变化产生的相位波动进行修正。


技术实现要素：

3.针对现有技术的不足，本发明提出了一种相位温度补偿放大器，随着温度的变化，其通过自适应地改变晶体管可变电容器阵列的控制电压改变放大器的负载电容，进而改变放大器的相位响应，将该相位温度补偿放大器置于射频前端链路中，设计合适的控制信号，可以抑制射频链路整体相位随着温度的波动，使射频发射组件和接收组件能在复杂环境条件下保持稳定的相位响应。
4.本发明的目的通过如下的技术方案来实现：
5.一种基于晶体管可变电容器的相位温度补偿放大器集成电路，其包括放大器主体电路、晶体管可变电容器阵列、变压器x1、温控电压产生电路和偏置电路；放大器主体电路的输入端口为in
p
、inn，输出端口连接变压器x1初级线圈的输入端口v
op
、v
on
，变压器x1初级线圈的中心抽头连接到电源v
dd
，变压器x1次级线圈的两端分别连接输出端口out
p
和outn；温控电压产生电路产生随温度变化的三个输出控制电压信号v
ctl
《0》、v
ctl
《1》、v
ctl
《2》，连接至晶体管可变电容器阵列，通过控制其中的可变电容器的偏置状态控制晶体管可变电容器阵列的有效电容，晶体管可变电容器阵列的两端分别与变压器x1初级线圈的两端v
op
、v
on
相连；偏置电路产生的偏置电压vb连接至放大器主体电路，控制放大器的偏置状态；在不同温度下，改变晶体管可变电容器阵列的有效电容改变放大器的相位响应。
6.进一步地，所述的晶体管可变电容器阵列包括晶体管可变电容器c1、c2、c3、c4、c5、c6，电阻r1、r2、r3，控制电压输入端口v
ctl
《0》、v
ctl
《1》、v
ctl
《2》和射频信号端口；将放大器主体电路的输出端口v
op
、v
on
作为射频信号端口；晶体管可变电容器c1、c3、c5的一端连接至v
op
，晶体管可变电容器c1的另一端与电阻r1的一端和晶体管可变电容器c2的一端相连；晶体管可变电容器c3的另一端与电阻r2的一端和晶体管可变电容器c4的一端相连；晶体管可变电容器c5的另一端与电阻r3的一端和晶体管可变电容器c6的一端相连；晶体管可变电容器c2、
c4、c6的另一端连接至v
on
，电阻r1的另一端与v
ctl
《0》相连，电阻r2的另一端与v
ctl
《1》相连，电阻r3的另一端与v
ctl
《2》相连。
7.进一步地，所述的偏置电路包括电流源i
dc
、晶体管m7、偏置电压输出端口vb；晶体管m7的源极接地，栅极和漏极连接vb，电流源i
dc
的一端接v
dd
，另一端连接至vb。
8.进一步地，所述的放大器主体电路采用共源结构，包括晶体管m1、m2，电阻r4、r5，电容c7、c8，偏置电压输入端口vb，差分信号输入端口in
p
、inn和差分信号输出端口v
op
、v
on
；差分输入信号从in
p
、inn端口输入；in
p
端口与电容c8的一端、电阻r4的一端和晶体管m1的栅极相连，电容c8的另一端连接至v
on
，电阻r4的另一端连接至vb，晶体管m1的源极接地，漏极连接至v
op
；inn端口与电容c7的一端、电阻r5的一端和晶体管m2的栅极相连，电容c7的另一端连接至v
op
，电阻r5的另一端连接至vb，晶体管m2的源极接地，漏极连接至v
on
。
9.进一步地，所述的放大器主体电路采用共源共栅结构，包括晶体管m3、m4、m5、m6，电阻r6、r7，偏置电压输入端口vb、vg，差分信号输入端口in
p
、inn和差分信号输出端口v
op
、v
on
；差分信号从in
p
、inn端口流入，in
p
端口与电阻r6的一端和晶体管m3的栅极相连，电阻r6的另一端连接至偏置电压vb，晶体管m3的源极接地，晶体管m3的漏极与晶体管m5的源极相连，晶体管m5的栅极连接至偏置电压vg，漏极连接至v
op
；inn端口与电阻r7的一端和晶体管m4的栅极相连，电阻r7的另一端连接至偏置电压vb，晶体管m4的源极接地，晶体管m4的漏极与晶体管m6的源极相连，晶体管m6的栅极连接至偏置电压vg，漏极连接至v
on
。
10.进一步地，所述的温控电压产生电路包括恒定电流产生电路，正温度系数电流产生电路，晶体管m
11
、m
12
、m
13
、m
14
、m
15
、m
16
、m
17
、m
18
，电阻r
11
和控制信号输出端口v
ctl
；恒定电流产生电路的一个输出端口与晶体管m
11
的栅极、漏极和晶体管m
12
的栅极相连，另一个输出端口与晶体管m
14
的漏极，晶体管m
15
的栅极、漏极以及晶体管m
16
的栅极相连，正温度系数电流产生电路的输出端口与晶体管m
12
的漏极，晶体管m
13
的栅极、漏极以及晶体管m
14
的栅极相连，晶体管m
16
的漏极与晶体管m
17
的栅极、漏极以及晶体管m
18
的栅极相连，输出端口v
ctl
与晶体管m
18
的漏极和电阻r
11
的一端相连，电阻r
11
的另一端接地，晶体管m
11
、m
12
、m
13
、m
14
、m
15
、m
16
的源极接地，晶体管m
17
、m
18
的源极接电源v
dd
。
11.进一步地，共源结构的放大器主体电路属于差分结构，晶体管m1和m2相同，电容c7和c8相同。
12.进一步地，共源共栅结构的放大器主体电路属于差分结构，晶体管m3和m4相同，晶体管m5和m6相同。
13.进一步地，所述的偏置电压vg是v
dd
。
14.进一步地，晶体管m
11
、m
12
、m
13
、m
14
、m
15
、m
16
为nmos管，晶体管m
17
、m
18
为pmos管，晶体管m
11
、m
12
相同，晶体管m
13
、m
14
在沟道长度相同的情况下宽度成特定比例，晶体管m
15
、m
16
相同，晶体管m
17
、m
18
相同。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
16.本发明所提出的基于晶体管可变电容器的相位温度补偿放大器集成电路可以实现模拟自适应温度相位补偿，相比于测量环境温度并根据预设码表改变射频链路中移相器相位状态的数字式校准方法，大大降低了射频系统的校准复杂度，同时具有补偿精度高、电路结构简单等优点，其工作温度范围可以覆盖-45℃～125℃。
的一端相连，晶体管可变电容器c2、c4、c6的另一端连接至v
on
，电阻r1、r2、r3的另一端分别与v
ctl
《0》、v
ctl
《1》、v
ctl
《2》相连。
29.图3(a)是本发明所述的共源结构的放大器主体电路的电路原理图，包括晶体管m1、m2，电阻r4、r5，电容c7、c8，偏置电压输入端口vb，差分信号输入端口in
p
、inn和差分信号输出端口v
op
、v
on
。差分输入信号从in
p
、inn端口输入；in
p
端口与电容c8的一端、电阻r4的一端和晶体管m1的栅极相连，电容c8的另一端连接至v
on
，电阻r4的另一端连接至vb，晶体管m1的源极接地，漏极连接至v
op
；inn端口与电容c7的一端、电阻r5的一端和晶体管m2的栅极相连，电容c7的另一端连接至v
op
，电阻r5的另一端连接至vb，晶体管m2的源极接地，漏极连接至v
on
。所述的共源结构放大器主体电路属于差分结构，晶体管m1和m2相同，电容c7和c8相同，电阻r4和r5相同。
30.图3(b)是本发明所述的共源共栅结构的放大器主体电路的电路原理图，包括晶体管m3、m4、m5、m6，电阻r6、r7，偏置电压输入端口vb、vg，差分信号输入端口in
p
、inn和差分信号输出端口v
op
、v
on
。差分信号从in
p
、inn端口流入，in
p
端口与电阻r6的一端和晶体管m3的栅极相连，电阻r6的另一端连接至vb，晶体管m3的源极接地，晶体管m3漏极与晶体管m5源极相连，晶体管m5的栅极连接至偏置电压vg，漏极连接至v
op
；inn端口与电阻r7的一端和晶体管m4的栅极相连，电阻r7的另一端连接至vb，晶体管m4的源极接地，晶体管m4漏极与晶体管m6源极相连，晶体管m6的栅极连接至偏置电压vg，漏极连接至v
on
。所述的共源共栅结构的放大器主体电路属于差分结构，晶体管m3和m4相同，晶体管m5和m6相同，电阻r6和r7相同。可选地，偏置电压vg可以是v
dd
。
31.图3(c)是本发明所述的偏置电路的电路原理图，包括电流源i
dc
，晶体管m7，偏置电压输出端口vb。晶体管m7的源极接地，栅极和漏极连接vb，电流源i
dc
的一端接v
dd
，另一端连接至vb。
32.图4是本发明所述的温控电压产生电路的电路原理图，包括恒定电流产生电路，正温度系数电流产生电路，晶体管m
11
、m
12
、m
13
、m
14
、m
15
、m
16
、m
17
、m
18
，电阻r
11
和控制信号输出端口v
ctl
。恒定电流产生电路的一个输出端口与晶体管m
11
的栅极、漏极和晶体管m
12
的栅极相连，另一个输出端口与晶体管m
14
的漏极，晶体管m
15
的栅极、漏极以及晶体管m
16
的栅极相连，正温度系数电流产生电路的输出端口与晶体管m
12
的漏极，晶体管m
13
的栅极、漏极相连以及晶体管m
14
的栅极相连，晶体管m
16
的漏极与晶体管m
17
的栅极、漏极以及晶体管m
18
的栅极相连，输出端口v
ctl
与晶体管m
18
的漏极和电阻r
11
的一端相连，电阻r
11
的另一端接地，晶体管m
11
、m
12
、m
13
、m
14
、m
15
、m
16
的源极接地，晶体管m
17
、m
18
的源极接电源v
dd
。晶体管m
11
、m
12
、m
13
、m
14
、m
15
、m
16
为nmos管，晶体管m
17
、m
18
为pmos管，要求晶体管m
11
、m
12
相同，晶体管m
13
、m
14
在沟道长度相同的情况下宽度成特定比例，晶体管m
15
、m
16
相同，晶体管m
17
、m
18
相同。
33.本发明的工作原理及过程如下：
34.随着温度升高，正温度系数电流产生电路的输出电流与恒定电流产生电路的输出电流进行计算并通过电阻产生随温度变化的控制电压，控制电压连接至晶体管可变电容器，通过改变其偏置状态改变其有效电容值，进一步地，改变放大器的负载电容值就能调整电路整体的相位响应。在集成电路工艺中，温度的升高通常导致载流子迁移率的降低，进一步导致射频前端链路的相位响应随温度升高而滞后。为了降低射频前端链路的相位随着温度的波动，本发明所提出的相位温度补偿放大器可通过拟合相位温度曲线，实现射频前端
链路相位响应的自适应补偿。
35.具体地讲，正温度系数电流产生电路产生了与温度呈正相关的电流i
ptat
，恒定电流产生电路产生恒定电流i
c1
和i
c2
，根据电路连接关系，可以得到与温度呈负相关的电流i
ctat
，表示为
36.i
ctat
＝i
c2-a(i
ptat-i
c1
)
37.其中，a是晶体管m
14
和m
13
的在沟道长度一致时的宽度比。i
ctat
作用于电阻r
11
产生随温度升高而降低的控制电压v
ctl
。通过改变恒定电流i
c1
和i
c2
可以得到如图5所示的三条随温度变化的控制电压曲线v
ctl
《0》，v
ctl
《1》和v
ctl
《2》，将它们连接至图2所示的晶体管可变电容器阵列，就能控制其在不同温度下的有效电容值，如图6所示，有效电容值随温度升高而近似线性地减小。如图7所示，利用前述随温度变化的电容，相位温度补偿放大器就可以产生随温度升高而超前的相位，从而补偿温度升高对射频前端链路整体相位的影响，降低相位随着温度的波动。
38.本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。