一种流向开关型矢量加法器电路的制作方法

1.本实用新型属于射频集成电路技术领域，特别是指一种流向开关型矢量加法器电路。


背景技术：

2.在成本、集成度和功耗等方面因素的推动下，cmos技术突飞猛进。cmos晶体管截止频率能够满足几ghz以上频段的集成电路设计。随着5g相控阵技术的发展，有源移相器因为设计灵活、移相精度高、方便校准等受到广泛关注。矢量求和电路的实现通常方式是采用文章“a 24.25-26.65ghz 6-bit vector-sum phase shifter in 65nm cmos”所报道的共源极架构。这种实现方式实现的矢量加法器(vector adder)没有输入匹配，采用这种架构的矢量加法器只能通过如图1所示的电路，通过控制8个开关s1，s2，s1n，s2n实现输出信号增益的正负。
3.综上所述，现有技术中的矢量加法器在移相器设计中存在输入匹配，增益极性控制方式复杂，移相寄生调幅大的缺点。


技术实现要素：

4.本实用新型针对现有技术在cmos工艺下ghz宽带矢量加法器电路设计方面的困难和不足，提供一种流向开关型矢量加法器电路，其带有流向切换开关，在低频波段具有高性能的输入、输出匹配与矢量求和。
5.为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：
6.一种流向开关型矢量加法器电路，包括16个晶体管和14个无源器件，其中，晶体管m1i、m2i、m1q、m2q构成信号输入级；晶体管m3i、m4i、m5i、m6i、m3q、m4q、m5q、m6q构成流向切换开关，同时作为cascode增益级；晶体管m7～m10构成两个反相器；电感l1i、l2i与电容c1i、c2i构成i路输入匹配电路，电感l1q、l2q与电容c1q、c2q构成q路输入匹配电路；电感l3i、l3q、l4i、l4q与电阻r1i、r1q构成输出负载，同时具有输出匹配与带宽延展功能；
7.i路通道中，差分输入信号vin
,i
、vin-,i
从输入级晶体管m1i、m2i流入流向切换开关m3i、m4i、m5i、m6i，最终从vout 、vout-流出；q路通道中，差分输入信号vin
,q
、vin-,q
从输入级晶体管m1q、m2q流入流向切换开关m3q、m4q、m5q、m6q，最终从vout 、vout-流出。
8.进一步的，射频信号vin-.i
连接m1i的栅极以及电容c1i的一端，电容c1i的另一端连接m1i的源极，m1i的源极连接电感l1i的一端，电感l1i的另一端连接a节点，电流源的一端连接a节点，另一端连接地；m1i的漏极连接m3i、m4i的源极，m3i的栅极连接m6i的栅极，同时连接开关信号swt1；m4i、m5i的栅极连接开关输出信号nswt1；射频信号vin
,i
连接m2i的栅极和电容c2i的一端，电容c2i的另一端连接m2i的源极，m2i的源极连接电感l2i的一端，电感l2i的另一端连接a节点；m2i的漏极连接m5i、m6i的源极；m3i、m5i的漏极连接v1节点，m4i、m6i的漏极连接v2节点；
9.射频信号vin-,q
连接m1q的栅极以及电容c1q的一端，电容c1q的另一端连接m1q的
源极，m1q的源极连接电感l1q的一端，电感l1q的另一端连接b节点，电流源的一端连接b节点，另一端连接地；m1q的漏极连接m3q、m4q的源极，m3q的栅极连接m6q的栅极，同时连接开关信号swt2；m4q、m5q的栅极连接开关输出信号nswt2；射频信号vin
,q
连接m2q栅极以及电容c2q的一端，电容c2q的另一端连接m2q的源极，m2q的源极连接电感l2q的一端，电感l2q的另一端连接b节点；m2q的漏极连接m5q、m6q的源极；m3q、m5q的漏极连接v1节点，m4q、m6q的漏极连接v2节点；
10.电感l4i一端连接电源vdd，另一端连接r1i，r1i的另一端连接电感l3i，电感l3i另一端连接v2节点；电感l4q一端连接电源vdd，另一端连接r1q，r1q的另一端连接电感l3q，电感l3q另一端连接v1节点；
11.开关输入信号swt1连接晶体管m7、m8的栅极，m7的源极连接电源vdd，漏极连接m8的漏极，m8的源极接地；开关输入信号swt2连接晶体管m9、m10的栅极，m9的源极连接电源vdd，漏极连接m10的漏极，m10的源极接地；m7的漏极连接开关输出信号nswt1,m9的漏极连接开关输出信号nswt2。
12.与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：
13.1)本实用新型电路实现了输入匹配，因此不需要另外为电路设计偏置电匹配网络，一方面降低了设计复杂度，另一方面降低芯片面积。
14.2)本实用新型电路中有流向切换开关，可以提供增益，另一方面可以改变电路增益正负，从而避免以前移相器设计中改变电流源接入方式来改变增益的极性。
15.3)本实用新型充分考虑了输出匹配、电路增益与带宽问题，具有良好的应用效果。
附图说明
16.下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明：
17.图1是现有技术中矢量加法器的原理图。
18.图2是本实用新型实施例中流向开关型矢量加法器的原理图。
19.图3是本实用新型实施例中流向开关型矢量加法器半边等效电路的输入匹配、输出匹配仿真结果。
20.图4是本实用新型实施例中流向开关型矢量加法器半边等效电路的增益仿真结果。
具体实施方式
21.下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的说明。
22.参看图2，一种流向开关型矢量加法器电路，包括输入匹配电路、输入晶体管、流向切换开关、输出匹配电路。该电路利用16个晶体管、14个无源器件设计，晶体管m1i、m2i、m1q、m2q构成信号输入级；晶体管m3i、m4i、m5i、m6i、m3q、m4q、m5q、m6q构成流向切换开关，同时作为cascode增益级；电感l1i、l2i与电容c1i、c2i构成i路输入匹配电路，电容c1i、电感l1i与晶体管m1i构成输入阻抗匹配网络，电感l1q、l2q与电容c1q、c2q构成q路输入匹配电路；电感l3i、l3q、l4i、l4q电阻r1i、r1q构成输出负载，同时具有输出匹配与带宽延展功能；晶体管m7～m10构成两个反相器。i路通道中，差分输入信号vin
,i
、vin-,i
从输入级晶体管m1i、m2i流入流向切换开关m3i、m4i、m5i、m6i，最终从vout 、vout-流出；q路通道中，差分
输入信号vin
,q
、vin-,q
从输入级晶体管m1q、m2q流入流向切换开关m3q、m4q、m5q、m6q，最终从vout 、vout-流出。
23.这些器件的具体连接关系为：
24.射频信号vin-,i
连接m1i的栅极以及电容c1i的一端，电容c1i的另一端连接m1i的源极，m1i的源极连接电感l1i的一端，电感l1i的另一端连接a点，电流源的一端连接a点，另一端连接地；m1i的漏极连接m3i、m4i的源极，m3i的栅极连接m6i的栅极，同时连接开关信号swt1；m4i、m5i的栅极连接开关输出信号nswt1；射频信号vin
,i
连接m2i的栅极以及电容c2i的一端，电容c2i的另一端连接m2i的源极，m2i的源极连接电感l2i的一端，电感l2i的另一端连接a点；m2i的漏极连接m5i、m6i的源极；m3i、m5i的漏极连接v1，m4i、m6i的漏极连接v2。
25.射频信号vin-,q
连接m1q的栅极以及电容c1q的一端，电容c1q的另一端连接m1q的源极，m1q的源极连接电感l1q的一端，电感l1q的另一端连接b点，电流源的一端连接b点，另一端连接地；m1q的漏极连接m3q、m4q的源极，m3q的栅极连接m6q的栅极，同时连接开关信号swt2；m4q、m5q的栅极连接开关输出信号nswt2；射频信号vin
,q
连接m2q栅极，电容c2q的一端，电容c2q的另一端连接m2q的源极，m2q的源极连接电感l2q的一端，电感l2q的另一端连接b点；m2q的漏极连接m5q、m6q的源极；m3q、m5q的漏极连接v1点，m4q、m6q的漏极连接v2点。
26.电感l4i一端连接电源vdd，另一端连接r1i，r1i的另一端连接电感l3i，电感l3i另一端连接v2；电感l4q一端连接电源vdd，另一端连接r1q，r1q的另一端连接电感l3q，电感l3q另一端连接v1点。
27.开关输入信号swt1连接晶体管m7、m8的栅极，m7的源极连接电源vdd，漏极连接m8的漏极，m8的源极接地。开关输入信号swt2连接晶体管m9、m10的栅极，m9的源极连接电源vdd，漏极连接m10的漏极，m10的源极接地。m7的漏极连接开关输出信号nswt1，m9的漏极连接开关输出信号nswt2。
28.上述电路中，当swt1＝1,swt2＝1时，i通道增益为正，q通道增益为正；当swt1＝1,swt2＝0时，i通道增益为正，q通道增益为负；当swt1＝0,swt2＝1时，i通道增益为负，q通道增益为正；当swt1＝0,swt2＝0时，i通道增益为负，q通道增益为负。
29.图2中的nmos和pmos晶体管均采用cmos工艺所支持的射频管，栅长选工艺能够支持的最小尺寸；电感采用普通的片上平面螺旋结构，电阻为多晶硅电阻，电容为mom电容。表1列出了图2对应实施例所采用器件的参数值。
30.表1.流向开关型矢量加法器实施例器件参数
[0031][0032][0033]
由图2可以得到该流向开关型矢量加法器的输入阻抗：
[0034][0035]
其中，ω表示角频率，c
gs
表示输入晶体管m1i的栅极电容，l表示电感l1i的值，ω
t
表示工艺的特征截止频率。
[0036]
由公式1可以得出，当1/(ωcgs)＝ωl时，
[0037]
输入阻抗
[0038]zin
(jω)＝ω
t
l
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0039]
该阻抗为实数，当ω
t
l＝50时输入阻抗匹配。
[0040]
输出端采用并联电感谐振技术，流过负载电阻的电流由于电感l4i/l4q的作用而被延长，这可以加速负载电容的充电速率。电感l3i/l3q的作用进一步推迟了电流流入其它网络的时间，从而提高系统带宽。
[0041]
l3i/l3q/l4i/l4q的值为l：
[0042][0043]
式中，r代表电阻r1i/r1q的值，c
l
表示输出端负载电容。k是参考系数，k值影响系统的最大平坦度延时，一般k在0.5左右。
[0044]
该流向开关型矢量加法器的增益为
[0045]
av(jω)＝g
m1gm3ro3
(jωl3//(r jωl4))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0046]
输入晶体管m3i的跨导为g
m1
，m3i的跨导为g
m3
，小信号阻抗为r
o3
，l3为电感l3i的值，l4代表电感l4i的值。从公式(4)中可以看出，流向开关引入的另一个功能为提高电路的增益。
[0047]
图3是该电路的增益仿真图，从图中可以看到该电路从5ghz到10ghz增益在-3db左右，增益平坦度为0.7db。图4是该电路的输入输出匹配仿真曲线,
[0048]
在5ghz～10ghz频率范围内，输入反射系数s11小于-12db，输出反射系数s22小于-11.6db。
[0049]
总之，本实用新型在矢量加法器设计中嵌入了由电感、输入晶体管、电容构成的匹配网络，无需再浪费芯片面积做复杂的匹配电路，该电路在与前级连接时，不会因为高频反射而导致功率无法传递的问题。本实用新型引入流向切换开关，一方面可以提升电路的增益，另一方面可以通过开关的切换改变输出增益的正负，这种方式避免了有源相器设计时为了切换正交轴方向而在电流源端设计复杂的开关网络。此外，本实用新型的负载采用带宽延展技术，使得移相器在很宽频率上保持增益的平坦。
[0050]
本实用新型可以稳定地工作在5～10ghz频率范围内，并保持-3db的增益和良好的输入、输出匹配，可以用于相控阵系统中移相器的设计。