工艺概述 - 基于CMOS和DSA设计方法的数字步进衰减器设计

工艺概述

PE4302及PE4304均为符合商业用途的数字步进衰减器，它们采用已取得专利权的在蓝宝石基底上实现超薄硅（UTSi）的技术制造而成。其几何尺寸目前为0.5微米，水平尺寸为0.25微米。在未来，采用UTSi技术的RF CMOS产品将挑战用GaAs及其它特殊材料制成的产品。表2列出了两种UTSi几何尺寸下的FT及FMAX值。

图8：典型砷化镓/CMOS混合DSA电荷泵的寄生能量频谱图。

蓝宝石基底有效消除了体积效应（基底电容），可提供出色的射频性能，并天生具有抗锁闭能力。采用这种绝缘基底制作出的大电阻和FET器件，几乎没有消耗功率及频率的旁路电容。此外，蓝宝石还为高精度、高衰减的DAS提供必要的隔离度。

RF CMOS还意味着可以在单芯片中集成多种混合信号。这些可集成并可验证的模块包括数字逻辑、EEPROM及SRAM存储器、接口、线性、数据转换、高IP3（三阶截取点）混频器、低噪音PLL、VCO、放大器、电源管理以及高Q值无源射频。新DSA产品的具体性能包括较高的抗ESD能力、接近DC的高线性度、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，所有这些功能都集成在一个芯片上。

更重要的是，高性能步进衰减器需要先进的射频开关，RON与COFF的乘积是射频开关一个度量指标。图4所描述的设计及工艺的快速发展使Peregrine公司的UTSi技术具有很强的竞争力。

PE4302 的性能测量

图9：PE4302　NVG的寄生能量频谱图。

在-40℃到+85℃的温度范围内测出的PE4302典型插入损耗值如图5所示。这里假设将DSA模拟为一个串联电阻，并给DSA开关一个合理的近似值。

使用下列等式：

插入损耗为1.5dB的DSA等效总串联电阻REQ约等于18Ω，它代表6个开关的电阻总和，平均每个开关的电阻约为3Ω，这个数字与CAD模型的结果一致。与目前其它商用DSA产品相比，这种插入损耗为1.5dB的产品性能在同行处于领先地位。

图6显示了主要步进值下的1dB压缩点（P1dB）与频率的关系。这些数值代表实际的瞬时性能，一般总是高于＋33dBm。

考虑连续工作时发热及可靠性方面的因素，产品数据表中的最大功率限制会被定得稍微低些。这种做法对于峰值与平均值相差很大的无线电波形而言是很重要的，同时也是表征高线性度的一个更好的指标。

图10：扩大低频范围中的NVG的寄生能量频谱图。

IP3几乎在每一种无线电及有线电视（CATV）应用中都是至关重要的。图7是不同器件（工作电压都为＋3V）的IIP3（输入三阶截取点）值，可以看出某些产品的IIP3在低频时有所下降。在1GHz以上，大多数DSA确实都能达到市场需要的规格，但是许多DSA应用在10至300MHz频率的环境中，例如有线电视需要DSA从5MHz开始就具有高线性度。尽管这里提供的只是器件的采样数据，但是对于一般的砷化镓器件而言还是具有代表性的（请注意低端性能）。

回波损耗是另外一个重要参数。许多步进衰减器在无法容忍阻抗失配的混频器和滤波器的旁边工作，失配导致的反射波也会传输到相邻器件，并产生纹波、增益变化及其它问题。

负电压发生器（NVG）的设计

面向这种应用的器件（PE4302）包括一个可选择的片上逆变器，它可产生一个-3V的内部参考电压。与典型的咝咝响的电容电荷泵不同，Peregrine公司的产品使用改进的开关波形和电阻/电容低通滤波以降低噪声。结合这两种方法可设计一种被称为负电压发生器的电路。图8是带有常规电荷泵的GaAs

表1：电阻值与插入损耗、拓扑结构的关系。

DSA的寄生能量频谱图，在一个很宽的带宽上，毛刺高达-70dBm。

Peregrine产品在同样条件下的频谱如图9所示。试验装置包括一台频谱分析仪，RBW＝VBW＝10KHz，REFLVL＝-70dBm， 在它的前面是一台惠普50MHz低噪音放大器（图形作了增益调整）。除了DC附近一个几乎看不见的元件外，该图形反映了测量到固有噪声电平。

图10显示的是采用更窄滤波器带宽的近距离低频频谱图。该图减去了器件关闭电源时的标称固有噪声电平（约为-135dBm）以便更好地显示NVG的寄生信号成份。在NVG启动并工作的情况下，整个器件的能量消耗仅为几十微安培（工作电压为3V）。只要在Vss/GND管脚加上-3V的电压，就可以完全关闭NVG。

新增的功能

表2：UTSi性能与几何尺寸的关系

在CMOS芯片设计的早期阶段，可看到两个没有使用的管脚：PUP1和PUP2，用它们将衰减器上电后的状态设置为四个值中的一个：0、8、16或31dB。这种预先设置为发射机的排列带来实际好处。设置上电状态为最大衰减值可以遏制输出，同时控制器以及各种环路还可以保持它们的正常工作状态。潜在的寄生信号在到达天线及A-I-R之前就被拦截。

由于实现这个功能的额外逻辑电路实际上是免费使用的，所以单片CMOS具有很大的优势。

本文小结

本文讨论的先进DSA设计方法能将宽带线性度及精确度提高到一个新的水准。与许多RF器件不同，这种电路设计还能扩展到在电路中包括多种接口和特性，想必这一定会引起数字和系统设计者的兴趣。