技术领域
[0001] 本文的
实施例涉及用于衰减
信号的衰减器。具体地，实施例涉及用于在
电子装置中衰减无线电
频率信号的无线电频率宽带分级衰减器（step attenuator）。
背景技术
[0002] 衰减器是用于连续或者逐步
控制信号幅度的
电路。当信号由衰减器逐步控制的时候，衰减器称为分级衰减器。衰减器或者分级衰减器广泛运用在各种电子装置中，比如，在无线通信装置（包含例如用于通信和
定位的用户设备或者移动装置和基站、无线电基站中的多天线系统）中的，还有在其它通用
电子电路和设备（比如自动增益控制电路和测量设备等）中的无线电频率收发器或者无线电频率前端。对于无线电频率前端，以互补金属
氧化物
半导体（CMOS）技术设计的芯片上分级衰减器具有小尺寸、低成本、灵活和高集成
水平等优势。有一些对设计芯片上分级衰减器的要求，比如衰减分级中的良好线性、低插入损失、宽带宽以及精准度等。
[0003] 在Cheng,W. et al, A Wideband IM3 Cancellation Technique for CMOS Attenuators, IEEE International Solid-State Circuits Conference, 2012以及在Cheng,W. et al, A Wideband IM3 Cancellation Technique for CMOS π- and T-Attenuators, IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2013, Vol. 48, NO. 2中，所公开的芯片上Pi类型和T类型分级衰减器提供6、12、18和24dB的衰减分级。然而，所公开的Pi类型和T类型分级衰减器，当工作在较低衰减模式时，也就是当衰减水平较低，比如6或12dB的衰减分级，特别是当需要没有衰减的时候，具有大的插入损失。高插入损失将减少增益和要求的
输入信号的
信噪比（SNR）。此外，所公开的Pi类型和T类型分级衰减器还承受
开关漏电，其在深度衰减模式期间对在高频率的输入信号的衰减水平造成损害。
[0004] 在Xiao, J. et al, A High Dynamic Range CMOS Variable Gain Amplifier for Mobile DTV Tuner, IEEE Journalof Solid-State Circuits, 2007, Vol. 42, No. 2中，呈现适合移动
数字电视（DTV）调谐器的
可变增益放大器。可变增益通过使用电容性衰减器和
电流导引跨导级而实现。虽然所呈现的
可变增益放大器提供增益和衰减，但是由于有源装置也就是跨导级而导致其线性不良。不良线性将导致无线电频率前端的不良频率选择，以及因此使所要求的SNR降级，这是由于来自其它不必要频率信号的干扰而造成。
发明内容
[0005] 因此本文实施例的目的是提供具有改善性能的衰减器。
[0006] 根据本文实施例一个方面，通过用于衰减信号的衰减器实现目的。衰减器包括具有正输入
节点和负输入节点的差分输入端口，用于接收信号，以及具有正
输出节点和负输出节点的差分输出端口，用于输出衰减的信号。衰减器还包括第一开关式
电阻器网络，连接在正输入节点和正输出节点之间；以及第二开关式
电阻器网络，连接在负输入节点和负输出节点之间。衰减器还包括一对补偿路径，用于第一和第二开关式电阻器网络的寄生漏电消除。该对补偿路径连接成使得第一补偿路径连接在正输入节点和负输出节点之间，以及第二补偿路径连接在负输入节点和正输出节点之间。衰减器还包括控制电路，用于产生用于控制第一和第二开关式电阻器网络的控制信号。
[0007] 由于衰减器根据本文实施例使用该对补偿路径，在第一和第二开关式电阻器网络的寄生漏电被消除。通过交叉耦合该对补偿路径而实现该消除，也就是，第一补偿路径连接在正输入节点和负输出节点之间，以及第二补偿路径连接在负输入节点和正输出节点之间。以此方式，任何在正输入节点的漏
电信号耦合至负输出节点，以便消除任何在负输出节点的漏电信号。以相同方式，任何在负输入节点的漏电信号耦合至正输出节点，以便消除任何在正输出节点的漏电信号。这样促成良好的衰减性能，特别是在高频率和在深度衰减分级中。此外，开关式电阻器网络是无源的以及因此具有高线性。
[0008] 因此，本文实施例提供具有比如在高频率和在深度衰减分级的衰减水平和线性上改善性能的衰减器。
附图说明
[0009] 本文实施例的示例参考以下附图以描述更多细节，其中：图1 是根据本文实施例的衰减器的大概
框图。
[0010] 图2 是图示根据本文实施例具有Pi类型开关式电阻器网络的衰减器的概要框图。
[0011] 图3 是图示根据本文实施例具有T类型开关式电阻器网络的衰减器的概要框图。
[0012] 图4 是图示根据本文实施例可开关式可变
串联电阻器的概要图。
[0013] 图5 是图示根据本文实施例的可开关式可变并联电阻器的概要图。
[0014] 图6 是图示根据本文实施例的补偿路径的概要图。
[0015] 图7 是图示图2中Pi类型开关式电阻器网络的等效电路的简化概要图。
[0016] 图8 是示出根据本文一个实施例的衰减器的频率响应的图。
[0017] 图9 是示出根据本文另一个实施例的衰减器的频率响应的图。
[0018] 图10 是示出根据本文实施例的补偿感应器的示例布局的图。
[0019] 图11是图示本文实施例可实现的电子装置的框图。
具体实施方式
[0020] 在图1所示出的是根据本文实施例的用于衰减信号的衰减器100的概图。衰减器100包括具有正输入节点Inp和负输入节点Inn的差分输入端口Inp/Inn，用于接收信号，以及具有正输出节点Outp和负输出节点Outn的差分输出端口Outp/Outn，用于输出衰减的信号。
[0021] 衰减器100还包括第一开关式电阻器网络102，连接在正输入节点Inp和正输出节点Outp之间，以及第二开关式电阻器网络104，连接在负输入节点Inn和负输出节点Outn之间。第一和第二开关式电阻器网络102/104配置成用于形成期望衰减。
[0022] 衰减器100还包括一对补偿路径，用于第一和第二开关式电阻器网络102/104的寄生漏电消除。如图1所示，第一补偿路径106称为图1中的中和补偿NC 106，连接在正输入节点Inp和负输出节点Outn之间，并且第二补偿路径108称为图1中的NC 108，连接在负输入节点Inn和正输出节点Outp之间。
[0023] 此外，衰减器100还包括控制电路110，用于产生用于控制第一和第二开关式电阻器网络102/104的控制信号。
[0024] 根据一些实施例，衰减器100中的控制电路110还可配置成用于产生用于控制该对补偿路径106/108的控制信号。
[0025] 控制信号CtrlS、CtrlP以及CtrlNC由控制电路110通过数字数据
接口所产生。第一和第二开关式电阻器网络102/202由控制信号CtrlP和CtrlS所控制以便第一和第二开关式电阻器网络102/202的电阻值是可调的。控制信号CtrlNC用于控制补偿路径106/108。
[0026] 根据一些实施例，衰减器100还可包括第一对感应器L1a/L1b，连接在差分输入端口Inp/Inn，以及第二对感应器L2a/L2b，连接在差分输出端口Outp/Outn。在这些实施例中，第一和第二开关式电阻器网络102/104相应地通过第一和第二对感应器耦合到差分输入/输出端口。第一和第二对感应器L1a/L1b、L2a/L2b用于补偿衰减器100的带宽。根据一些实施例，第一和第二对感应器是相互耦合的感应器，具有相应耦合系数M1和M2。
[0027] 根据一个实施例，衰减器100可由图2所示电路所实现，其中第一和第二开关式电阻器网络102/104可由Pi类型开关式电阻器网络202/204所实现。
[0028] 如图2所示，每个Pi类型开关式电阻器网络202/204包括两个可开关式可变并联电阻器Rp和一个可开关式可变串联电阻器Rs。
[0029] 根据一个实施例，衰减器100可由图3所示电路所实现，其中第一和第二开关式电阻器网络102/104可由T类型开关式电阻器网络302/304所实现。
[0030] 如图3所示，每个T类型开关式电阻器网络302/304包括一个可开关式可变并联电阻器Rp和两个可开关式可变串联电阻器Rs。
[0031] 根据一些实施例，可开关式可变串联电阻器Rs可由图4所示电路所实现，其中图4（a）示出可开关式可变串联电阻器Rs的符号，图4（b）示出可开关式可变串联电阻器Rs的示例结构，以及图4（c）以更多细节示出可开关式可变串联电阻器Rs的每一分支。
[0032] 如图4（b）所示，可开关式可变串联电阻器Rs包括一个或多个开关式电阻器分支400、401……40n，该一个或多个开关式电阻器分支400、401……40n中的每个包括电阻器，与开关相串联。可开关式可变串联电阻器Rs还包括旁路路径40b。
[0033] 如图4（c）所示，对于一个或多个开关，包括与电阻器相串联的电容器的引导路径连接在开关的源极或漏极和
门极之间，这取决于一个或多个开关的大小。使用引导路径能有效地提高开关线性。然而，对于更小大小的开关，可能不需要引导路径，例如，在分支400，没有引导路径连接在开关Ts0源极或漏极和门极之间.如图4（c）所示，旁路路径40b包括开关Tb，并且包括与电阻器Rb相串联的电容器Cb的引导路径连接在开关Tb源极或漏极和门极之间。
[0034] 当可开关式可变串联电阻器Rs包括多个开关式电阻器分支400、401……40n时，由控制电路110所产生的控制信号CtrlS包括多个控制信号Ctrls0、Ctrls1、……、Ctrlsn，用于控制每个分支中的开关，其中n是正整数。控制信号CtrlS还包括Ctrlspass，用于控制旁路路径40b。
[0035] 根据一些实施例，可开关式可变并联电阻器Rp可由图5所示电路所实现，其中图5（a）示出可开关式可变并联电阻器Rp的符号，图5（b）示出可开关式可变并联电阻器Rp的示例结构，以及图5（c）以更多细节示出可开关式可变并联电阻器Rp的每一分支。
[0036] 如图5（b）所示，可开关式可变并联电阻器Rp包括一个或多个开关式电阻器分支500、501……50m，以及可开关式可变并联电阻器Rp还包括电阻器（RPb），与开关式电阻器分支500、501……50m串联连接。该一个或多个开关式电阻器分支500、501……50m中的每个包括电阻器 ，其与开关相串联。
[0037] 如图5（c）所示，对于一个或多个开关，包括与电阻器相串联的电容器的引导路径连接在开关源极或漏极与门极之间，这取决于一个或多个开关的大小。例如，对于分支500中较小大小的开关Tp0，没有引导路径连接在开关Tp0源极或漏极与门极之间。
[0038] 当可开关式可变并联电阻器Rp包括多个开关式电阻器分支500、501……50m时，由控制电路110所产生的控制信号CtrlP包括多个控制信号Ctrlp0、Ctrlp1、……、Ctrlpm，用于控制每个分支中的开关，其中m是正整数。
[0039] 根据一些实施例，补偿路径106/108可由图6所示的电路所实现，其中图6（a）示出补偿路径106/108的符号，图6（b）示出补偿路径106/108的示例结构，以及图6（c）示出补偿路径106/108的另一示例结构。如图6（b）和图6（c）所示，每个补偿路径106/108包括一个或多个开关式电阻器分支，以及每个开关式电阻器分支包括电容器，其与电阻器 相串联连接。在旁路模式中，用于消除寄生漏电的补
偿路径可切断以便减少插入损失。
[0040] 根据一些实施例，在补偿路径106/108中的每个开关式电容器分支还包括与电容器 和电阻器 串联连接的开关。
[0041] 当补偿路径106/108包括多个开关式电容器分支时，控制信号CtrlNC包括多个控制信号Ctrlnck、......、Ctrlnc1、Ctrlnc0，用于控制每一分支中的开关，其中k是大于等于0的整数。
[0042] 下文描述根据本文实施例的衰减器100的实现细节、性能和优势。如上文所述，开关式电阻器网络102/104用于设置期望衰减。为了示出期望衰减和电阻器值之间的关系，得出示例设计公式用于Pi类型开关式电阻器网络202/204。在图7中示出没有补偿路径的Pi类型开关式电阻器网络202/204简化等效电路，其中图7（a）示出Pi类型开关式电阻器网络202/204，以差分方式连接，以及图7（b）示出其单端部分。
[0043] 为了简明，分析图7（b）中连接在单端的Pi类型开关式电阻器网络202/204，其中输入和输出端口阻抗RL=50添加到其中。对于匹配要求的理想条件中，开关式电阻器网络202/204应该匹配输入和输出端口阻抗RL=50 ohm，即：
当在匹配条件中，
电压增益vg由以下给出：
从匹配要求，给出：
所以Rs可表示为：
以（4）中的Rs表达式替代衰减或增益表达式（2）中的Rs，其给出：
其中 （对于理想纯电阻器情况）。
[0044] Rp可写为期望衰减的功能：其中 ，以及VG是以dB为单位的所需或期望的衰减。
[0045] 需要注意的是，以上公式是Pi类型开关式电阻器网络的示例设计公式，本领域技术人员将意识到，对于T类型开关式电阻器网络，设计公式将会不同。
[0046] 回到图4，其中示出根据本文一个实施例的可开关式可变串联电阻器Rs的结构。如上文所述，如图4（b）和图4（c）底部虚线框所示，可开关式可变串联电阻器Rs包括旁路路径40b。当没有需要衰减输入信号时，衰减器100设置成旁路模式以及所有开关式电阻器分支
400、401……40n通过开启旁路路径40b中的开关Tb而被旁路。控制信号CtrlSpass在旁路模式期间设置成逻辑高。如图4（c）所示，在旁路路径40b中，包括与电阻器Rb串联的电容器Cb的引导路径在开关Tb的源极或漏极和门极之间。电容器Cb的目的是用于通过在开关Tb的源极或漏极使用输入信号来引导开关Tb的门极电压，以及用于保持门极和漏极或源极之间的电压接近由控制信号CtrlSpass提供的恒定DC电压。这意味MOS开关晶体管Tb的传导电阻器Ron接近恒量，因此改进开关Tb的线性。插入于引导路径中的电阻器Rb用于避免增加信号路径中的电容性负荷，以及还减少由开关晶体管Tb的寄生电容引起的漏电。电阻器Rg是串联在控制节点和开关晶体管Tb门极之间的电阻器，并且RgCb的时间恒量应该比最低操作频率周期大得多。以此方式，实现较高频率的输入信号的较低插入损失。在其它衰减模式中，控制信号CtrlSpass设置成逻辑低，开关Tb关断，然后旁路路径断开。
[0047] 开关式电阻器分支400、401……40n用于包含旁路模式的不同衰减设置。在旁路模式中，所有控制信号Ctrls0、Ctrls1、……、Ctrlsn设置成逻辑高，因此所有在开关式电阻器分支400、401……40n中的开关是传导的，这进一步减少插入损失。
[0048] 当在其它衰减设置中，根据Eq.（4）所给公式，只有一些开关式电阻器分支400、401……40n传导，以及提供电阻值Rs。由于
硅工艺变化，芯片上电阻器的电阻值可在范围±
25%中变化。因此实际中，更多控制比特可添加用于调整电阻。
[0049] 开关式电阻器分支400、401……40n中的电阻器可设计为例如二进制加权（binary weighted）的大小，也就是 。对于开关式电阻器分支40n，其可n
视为并联的单位电阻器单元R的2 个分支。所以 是电阻中最小的电阻器，以及开关是大小中最大的开关。增大 的大小可减少开关 传导电阻Ron的影响，以便提高线性，但代价是在信号路径中引入较大寄生电容。因此，如图4（c）所示，在这里用于提高线性的引导路径对于较大大小的开关更有效。然而，对于较小大小的开关，引导路径可能不需要。如从图4（c）所见，对于开关式电阻器分支400，没有用于开关Ts0的引导路径。
[0050] 如图5所示，对于可开关式可变并联电阻器Rp，二进制加权电阻器还可用在开关式电阻器分支500、501……50m中。在旁路模式中，所有开关式电阻器分支断开，所以最小化插入损失。
[0051] 在其它衰减模式中，根据公式Eq.（6）Rp值可被选择。如图5（c）所示，引导路径取决于开关的大小还可选地使用，例如，引导路径用于开关式电阻器分支50m中的最大开关，而对于开关式电阻器分支500中的最小开关Tp0，引导路径被忽略。
[0052] 实际中，由于三个节点（也就是开关Tb的门极、漏极和源极）之间的寄生电容，寄生漏电存在，并且这些漏电在深度衰减分级中对衰减设置造成损害。图8示出针对旁路模式和不同衰减分级中衰减水平Vs频率，其中期望衰减水平以实线绘制，而由于寄生电容导致的真实衰减水平以虚线绘制。可见，由于寄生电容的寄生漏电破坏期望衰减水平，特别是在较高频率。
[0053] 如图1-3所示，衰减器100是采用差分结构，这使得能够添加一对补偿路径NC106/108用于中和或消除漏电。通过交叉耦合该对补偿路径106/108来实现消除，也就是，第一补偿路径106连接在正输入节点Inp和负输出节点Outn之间，以及第二补偿路径108连接在负输入节点Inn和正输出节点Outp之间。以此方式，任何在正输入节点的漏电信号耦合至负输出节点，以便消除任何在负输出节点的漏电信号。以相同方式，任何在负输入节点的漏电信号耦合至正输出节点，以便消除任何在正输出节点的漏电信号。如图8中的实线中所示，这样促成良好的衰减性能，特别是在高频率和在深度衰减分级中，其中补偿之后对于所有分级的衰减水平斜率是相同的。
[0054] 如上文所述，补偿路径106/108包括一个或多个开关式电容器分支。如图6（b）所示，当只有一个开关式电容器分支用于减少插入损失时，开关晶体管在旁路模式中关断，因此补偿路径从开关式电阻器网络断开。然而，需要注意的是，补偿路径中的开关晶体管是可选的，也就是，补偿路径可只包括电容器和电阻器，以及可一直连接至旁路模式中以及在其它衰减设置的开关式电阻器网络。
[0055] 图6（c）中，使用若干开关式电容器分支，因此其将给予更多的自由用于对不同衰减设置或者水平调谐补偿。由于这是可编程的方法，其还可处理由于设计工具中电容器值和电阻器值不准确的提取而导致的设计误差以及工艺变化。
[0056] 从图8可见的是，衰减水平具有随着频率轴的斜率。这意味在较高频率的插入损失高于在较低频率的插入损失，这致使衰减器较窄的带宽。为了提高带宽，一对具有相互耦合的感应器可用在输入端口和输出端口。如图1-3所示，第一对感应器L1a/L1b连接在差分输入端口Inp/Inn用于在期望频率与输入寄生电容谐振，以及第二对感应器L2a/L2b连接在差分输出端口Outp/Outn用于在期望频率与输出寄生电容谐振。以此方法，降低衰减水平的斜率，以及扩大衰减器100的带宽。这在图9中图示，其中实曲线是频率响应，也就是，衰减水平Vs频率，具有感应器补偿，并且虚线是未补偿的频率响应。
[0057] 如图10所示两对相互耦合感应器的示例布局，其中L1a/L1b和L2b/L2b的布局以交织方式设计，以便通过利用两部分之间的相互感应以节省硅区域以及增加Q因子。当然其它类型分离感应器也可被使用，但是代价是大的硅区域和稍多的插入损失。
[0058] 总结上文讨论，衰减器100各种实施例的优势包含：·准确的衰减水平或者分级：Pi或者T结构中的开关式电阻器网络使电阻可调谐以及还可处理工艺变化，因此提供准确衰减水平和分级；
·更大衰减范围：补偿路径用于消除寄生漏电以便衰减水平或者分级在深度衰减更准确，因此衰减器100实现更大衰减范围；
·更高线性和低插入损失：在一些实施例中引导路径用于较大大小开关晶体管和用于旁路路径以便提高线性以及减少插入损失；
·宽带宽：在一些实施例中补偿感应器用在输入端口和输出端口用于与相应的输入和输出寄生电容谐振，所以扩大衰减器100的带宽。
[0059] 衰减器100根据本文实施例可用在各种电子装置。图11示出电子装置1100的框图，其可以是，例如无线电频率收发器、无线电频率前端、无线通信装置，比如用户设备或者移动装置和/或基站、无线电基站中的多天线系统、或者任何通用电子电路或者设备，比如自动增益控制电路、测量设备等等。电子装置1100可包括其它单元，其中示出处理单元1110，其可与衰减器100中的控制电路110交互用于不同衰减设置或者操作模式。
[0060] 本领域技术人员将理解，虽然图4-6所示衰减器100的补偿路径104/106、旁路路径40b以及开关式电阻器阵列Rs、Rp中的开关晶体管是
场效应晶体管（FET），但是任何其它类型的晶体管例如金属氧化物半导体FET（MOSFET）、结FET（JFET）、双极结晶体管（BJT）等可包括在衰减器100中。当使用词语“包括”时，其应该解释为非限制的，也就是意味“至少由…组成”。
[0061] 本文实施例不限制于上文所述的优选实施例。各种可替代方案、
修改和等同方案可被使用。因此，上文实施例不应该视为限制由附上的
权利要求所限定的本发明范围。
