移相器——K波段有源移相器设计
目录
前言
正交信号产生单元
矢量合成单元
幅度调制单元
仿真结果
相位切换模块（数控）
总结
前言
博主研一阶段在做一款K波段有源数控移相器，所用工艺为smic55nmll，完成了几个关键模块的前仿真，现对之前工作做个总结。
正交信号产生单元
首先是正交信号产生电路，分别仿真了两种结构，即RC结构（图1）和RLC结构（图2）。
图1 RC结构正交信号产生电路 图2 RLC结构正交信号产生电路
经过仿真发现，RC电路和RLC电路都能产生近乎无误差的四路正交信号，如图3和图4 所示。
图3 RC结构相位仿真 图4 RLC结构相位仿真
但是，RC结构的增益损失交大，RLC增益损失较小，增益曲线如图5和图6所示。
图5 RC结构增益仿真 图6 RLC结构增益仿真
我们的指标要求里还有温度范围的要求，即-55°C——125°C的范围，经仿真发现，RC结构的正交信号精度受温度影响较小，RLC结构的正交信号精度受温度影响较大，故本设计采用RC结构，其瞬态仿真如图7。
图7 RC结构瞬态仿真结果
矢量合成单元
矢量合成单元采用吉尔伯特单元结构，电路结构如图8所示，其中为了扩大带宽，采用了电感峰化技术（源端增加电感）。
图8 吉尔伯特单元电路结构
目前用理想的电流源代替幅度调制部分的电流镜，方便仿真，真实结构如图9所示。
图9 吉尔伯特单元电路结构（加MOS开关）
幅度调制单元
对于幅度调制单元，设计如图10所示。其中电流由NMOS入，传到PMOS，采用共源共栅电流镜，可以减小衬偏效应。通过开关选择电流流入到I通路还是Q通路，从而控制输出信号幅度。尾部的NMOS开关用来选择极性，即四个象限，11代表第一象限，01代表第二象限，00代表第三个象限，10代表第四个象限。
图10 幅度调制单元
仿真结果
首先，通过吉尔伯特单元的带宽，如图11所示，可以看到带宽远远满足要求。接着仿真了第一象限的相位，如图12所示，最后，仿真了360°的相位变化，如图13所示。
图11 吉尔伯特单元带宽仿真
接着仿真了第一象限的相位，如图12所示，最后，仿真了360°的相位变化，如图13所示。
图12 第一象限相位仿真 图13 360°相位仿真
现在基本的模块已经搭建完毕，360°的相移也可以实现，基本功能完成，但是还要考虑输入输出巴伦，其作用是匹配和单端差分的转换，在这里不做考虑（我不懂这部分内容）。
相位切换模块（数控）
最后要给出的是开关的真值表，利用该真值表可以完成数字控制，如表1和表2所示。真值表基本采用类似one-hot编码的方式（忽略转变极性的开关）。
表1 0到180°的开关控制真值表
表2 180°到360°的开关控制真值表
考虑到每次开关切换，如果按照上述真值表，那么每次可能会改变两个相位及以上相位，造成移相误差及不必要的功耗，故采用格雷码完成开关电路设计。真值表如表3和表4所示。
表3 0到180°的开关控制真值表（格雷码）
表4 180°到360°的开关控制真值表（格雷码）
总结
基本模块介绍完毕，移相器的内容就更新到这里，接下来还是继续更新数字IC的内容吧。做过模拟之后为什么又开始做数字呢？模拟射频IC设计，非常需要经验，资深工程师一眼就能看出的问题，小白需要不断去尝试，随着尝试多了，经验也就上来了，做数字IC的时候，每次看到自己写的代码，仿出来的波形完全正确，心里就非常舒服，感觉非常有成就感，随着学的东西越多，自己的能力也在慢慢提升，现在甚至有点喜欢手撕代码，从代码看波形，这种进步的感觉是可以量化的，所以我选择了数字IC的道路。
希望同学们都能找到自己的方向，一起努力~
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