基于GaAs HBT工藝的動(dòng)態(tài)分頻器的研究與設(shè)計(jì)

梁方建，閆廣濤，盧 震

（1.國(guó)網(wǎng)商丘供電公司 河南 商丘476000；2.天津大學(xué) 天津300072）

基于GaAs HBT工藝的動(dòng)態(tài)分頻器的研究與設(shè)計(jì)

梁方建1，閆廣濤1，盧 震2

（1.國(guó)網(wǎng)商丘供電公司 河南 商丘476000；2.天津大學(xué) 天津300072）

針對(duì)靜態(tài)分頻器工作頻率越高功耗越大的問題，本文采用GaAs HBT工藝研究設(shè)計(jì)了高性能動(dòng)態(tài)分頻器。通過對(duì)動(dòng)態(tài)分頻器結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，采用有源負(fù)載代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電阻負(fù)載，提高了分頻器工作的頻率。同時(shí)對(duì)動(dòng)態(tài)分頻器進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行仿真，得出其分頻范圍為9～15 GHz，具有良好的輸入靈活度，功耗僅為130.26mW，滿足設(shè)計(jì)要求。

分頻器；GaAs HBT；鎖相環(huán)；直流功耗

隨著各類無(wú)線通信技術(shù)蓬勃發(fā)展，人們對(duì)毫米波頻段的研究逐步深入，傳統(tǒng)的基于CMOS工藝的集成電路已滿足不了當(dāng)前的需求，基于GaAs工藝的集成電路已經(jīng)發(fā)展成射頻和微波領(lǐng)域電路設(shè)計(jì)的首選[1-4]。在無(wú)線系統(tǒng)中，分頻器不僅作為頻率合成器的反饋環(huán)的重要模塊，同時(shí)也是鎖相環(huán)電路中重要的模塊，工作頻率最高，也是功耗最大的的模塊之一，其性能直接影響鎖相環(huán)及無(wú)線系統(tǒng)的整體性能[5-7]，因此對(duì)高性能的動(dòng)態(tài)分頻器進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。本文闡釋了分頻器的結(jié)構(gòu)原理，研究并設(shè)計(jì)了基于GaAs HBT工藝的動(dòng)態(tài)分頻器，該動(dòng)態(tài)分頻器具有良好的性能，工作頻率高，功耗低，滿足設(shè)計(jì)要求，具有一定的使用意義。

1 動(dòng)態(tài)分頻器結(jié)構(gòu)及其相關(guān)理論

1.1 動(dòng)態(tài)分頻器結(jié)構(gòu)

動(dòng)態(tài)分頻器又稱為米勒分頻器，結(jié)構(gòu)如圖1所示，是基于反饋系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)，包含低通濾波器和放大器。在混頻器的兩端分別連接輸入信號(hào)和輸出信號(hào)，輸入信號(hào)和輸出信號(hào)在混頻器的內(nèi)部進(jìn)行混頻，產(chǎn)生的諧波分量為Fin+Fout、Fin-Fout，諧波中Fin-Fout可以通過低通濾波[8-10]，系統(tǒng)穩(wěn)定之后，由以下公式計(jì)算

從而實(shí)現(xiàn)分頻。

動(dòng)態(tài)分頻器的自身特點(diǎn)為可以工作在高頻率下，但是工作的頻率范圍較小，因此需要采用適合動(dòng)態(tài)分頻器的器件工藝及電路結(jié)構(gòu)，來增加動(dòng)態(tài)分頻器的工作范圍，降低直流功耗，這是研究動(dòng)態(tài)分頻器的重點(diǎn)所在。

圖1 動(dòng)態(tài)分頻器結(jié)構(gòu)

1.2 Gilbert混頻單元

Gilbert混頻單元是一種雙平衡的電路設(shè)計(jì)[11]，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。采用這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有很高的隔離度，混頻器的輸入信號(hào)都為平衡信號(hào)，直流偏置為零，輸出信號(hào)通過差分電路，抵消了本振信號(hào)的泄露，這樣可以增大本振的幅度。由于雙平衡混頻器采用Q3、Q4、Q5、Q6 4個(gè)晶體管組成雙平衡電路結(jié)構(gòu)，輸出的電流信號(hào)同差分放大器RF端差分輸入信號(hào)的電流差成正比，這樣就能抵消跨導(dǎo)級(jí)電路轉(zhuǎn)換電壓信號(hào)時(shí)產(chǎn)生的偶數(shù)階失真造成的影響[12-15]。 在Gilbert混頻電路中，本振信號(hào)的幅值會(huì)影響跨導(dǎo)級(jí)電路Q1、Q2產(chǎn)生的噪聲，并且跨導(dǎo)級(jí)電路的輸入跨導(dǎo)會(huì)對(duì)混頻器的線性度產(chǎn)生較大影響。

圖2 Gilber混頻單元

2 基于GaAsHBT工藝的動(dòng)態(tài)分頻器電路設(shè)計(jì)及仿真

2.1 動(dòng)態(tài)分頻器的電路設(shè)計(jì)

根據(jù)圖1動(dòng)態(tài)分頻器結(jié)構(gòu)圖及圖2 Gilbert混頻單元結(jié)構(gòu)圖，對(duì)動(dòng)態(tài)分頻器進(jìn)行電路的建模與分析，建模示意圖如圖 3所示。電路結(jié)構(gòu)上包括 input buffer（輸入緩沖電路）、Frequency Divider core（分頻器核心電路）、output buffer（輸出緩沖電路），電路建模示意圖顯示了模塊電路的連接順序。下面對(duì)各部分電路進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖3 動(dòng)態(tài)分頻器電路建模示意圖

1）輸入緩沖電路設(shè)計(jì)

輸入緩沖電路的結(jié)構(gòu)如圖4所示。通過在信號(hào)源和電路之間添加電容來實(shí)現(xiàn)電路隔離，R1、R2主要是匹配輸入阻抗，保證輸入阻抗為50歐姆；單端轉(zhuǎn)差分電路由晶體管Q1-Q4和電阻R3～R7組成，將輸入緩沖電路的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成核心分頻電路所需的差分輸入信號(hào)；放大器由Q3、Q4構(gòu)成提高模塊的驅(qū)動(dòng)能力，Q5、Q6與電阻R8和R9組成了射級(jí)跟隨器，用于實(shí)現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換和信號(hào)的輸出。

圖4 輸入緩沖電路結(jié)構(gòu)

2）輸出緩沖電路設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)的輸出緩沖電路如圖5所示，結(jié)構(gòu)上包括射級(jí)跟隨器和差分放大器，差分放大器帶有50歐姆的電阻負(fù)載，匹配輸出阻抗，射級(jí)跟隨器主要滿足電平的轉(zhuǎn)換并為放大器提供驅(qū)動(dòng)能力。整個(gè)結(jié)構(gòu)同輸入緩沖電路相似。

圖5 輸處緩沖電路結(jié)構(gòu)

3）分頻電路設(shè)計(jì)

分頻電路為動(dòng)態(tài)分頻器的核心電路，本文依據(jù)動(dòng)態(tài)分頻器的原理和圖2的Gilbert混頻單元電路結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)分頻電路如圖6所示。從結(jié)構(gòu)上劃分分頻電路可以劃分為雙平衡混頻器、有源負(fù)載電路、反饋電路、射隨輸出電路。

圖6 分頻器核心電路結(jié)構(gòu)

在雙平衡混頻器中，晶體管Q7-Q12組成雙平衡混頻電路。其中Q7、Q8跨導(dǎo)級(jí)電路，主要對(duì)輸入的電壓信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，輸出電流信號(hào)。晶體管Q9-Q12組成開關(guān)級(jí)電路，包含兩個(gè)=組開關(guān)差分對(duì)，由Q9與Q10、Q11與Q12組成。通過反饋的差分信號(hào)對(duì)經(jīng)跨導(dǎo)級(jí)電路的電流信號(hào)進(jìn)行控制和疏導(dǎo)，得到想要的頻率分量，過濾掉諧波分量。

在有源負(fù)載電路中，Q13-Q16同R12～R15共同構(gòu)成了有源負(fù)載電路。HBT為有源器件，當(dāng)出現(xiàn)較小信號(hào)時(shí)，HBT會(huì)產(chǎn)生很高的阻抗，并且不需要直流偏置電壓，這使得晶體管等效為阻值較大的電阻。通過采用有源負(fù)載可以提高混頻器的轉(zhuǎn)換增益，同時(shí)用可以降低功耗，擴(kuò)大分頻器的工作頻率。

在反饋電路中由Q17、R16和Q18、R17兩組射級(jí)跟隨器組成，并將輸出反饋到混頻器的輸入。為了得到更好的輸入靈敏度和更好的輸出功率，本次設(shè)計(jì)的分頻器反饋采用反饋到開關(guān)機(jī)，同時(shí)還可以調(diào)整直流的電位。

射隨輸出電路由Q19、R18和Q20、R19組成，同時(shí)在電路后端添加電容用于輸出隔離，過濾掉不需要的直流分量。

2.2 動(dòng)態(tài)分頻器的電路仿真

文中對(duì)動(dòng)態(tài)分頻器的仿真選擇ADS軟件平臺(tái)進(jìn)行，仿真主要是做瞬態(tài)仿真，此次仿真為對(duì)整體分頻器進(jìn)行瞬態(tài)仿真，并檢測(cè)其工作的頻率范圍。首先，選擇14 GHz，功率為0 dBm，輸入阻抗為50歐姆的輸入信號(hào)進(jìn)行整體的瞬態(tài)仿真，仿真時(shí)間為100 ns，最大間隔為0.01 ns，電路的偏置電壓為-6 V，得仿真效果如圖7所示。

圖7 頻譜圖

有圖可得在輸入頻率為14 GHz時(shí)，可實(shí)現(xiàn)2分頻，且輸出的頻譜很好，通過改變輸入信號(hào)的功率和信號(hào)頻率，最終確定了工作范圍為9～15 GHz。將瞬態(tài)仿真器更換為直流仿真器，輸入同樣的信號(hào)可換算出總電流，并進(jìn)一步計(jì)算出分頻器的功耗為130.26 mW。

3 結(jié) 論

動(dòng)態(tài)分頻器可以在較高的頻率下正常工作，本文通過選用GaAs HBT工藝，采用有源負(fù)載技術(shù)來設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)分頻電路，克服動(dòng)態(tài)分頻器工作范圍窄的特點(diǎn)，并通過仿真測(cè)試，得出此次設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)分頻器工作頻率為9～15 GHz，滿足設(shè)計(jì)要求，符合實(shí)際的應(yīng)用。

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Research and design of dynamic frequency divider based on HBT GaAs technology

LIANG Fang-jian1，YAN Guang-tao1，LU Zhen2
（1.Shangqiu Electric Power Supply Company，Shangqiu 476000，China；2.Tianjin Universi，Tianjin 300072，China）

Aiming at the problems of static frequency divider frequency higher the greater the power.In this paper，the GaAs HBT process of high performance dynamic frequency divider is designed.Through the study on the dynamic frequency divider structure，with active load instead of traditional resistive load，improve the frequency divider work.Also on dynamic frequency divider for circuit design，and carries on the simulation，it is concluded that the frequency range with good flexibility of input 9～15GHz，power only for 130.26mW and meet the design requirements.

frequency divider；HBT GaAs；phase locked loop；DC power consumption

TN915

A

1674-6236（2017）09-0125-03

2016-06-19稿件編號(hào)：201606129

國(guó)家自然科學(xué)基金（51190103）

梁方建（1972—），男，河南商丘人，高級(jí)工程師。研究方向：電網(wǎng)設(shè)備應(yīng)用故障診斷及檢修。