GaAsHBT超高速2分頻器的製作方法

2023-05-05 15:42:21

專利名稱：GaAs HBT超高速2分頻器的製作方法
技術領域：
本發明屬於集成電路技術領域，特別涉及一種GaAs異質結雙極電晶體HBT超高速 分頻器，可用於集成電路設計及信號處理。
背景技術：
分頻器是一種能夠把輸入的高頻信號經過處理輸出低頻率的信號裝置，廣泛應用 於通信設備中。通常，使用觸發器電路或鎖存器電路來實現分頻器。分頻器作為鎖相環的 重要組成部分，其工作的速度直接決定了鎖相環的應用範圍，高速通信是資訊時代發展的 必然趨勢。因此，提高分頻器的工作速度勢在必行。目前的分頻器主要分為普通分頻器和高速分頻器兩類。普通分頻器內的各模塊是 通過單端信號進行傳輸，信號傳輸較慢；高速分頻器內各模塊間則通過差分信號進行傳輸， 信號傳輸快。在現代通信電路中由於需要適合差分信號的直接結果，所以分頻器通常使用 差分信號。GaAs HBT 2分頻器工作速度快，可以有效地提高高頻開關性能，可以很好的滿足 現代超高速通信系統的要求。因為InGaP/GaAs HBT價帶偏移大，導帶偏移小，電流增益穩 定，可靠性高；頻率特性主要由外延層決定，對光刻水平要求低，成品率高，器件匹配性好； 不含Al，不存在深能級複合中心，因而改善了器件的增益與Ι/f噪聲特性；採用半導體絕緣 襯底擁有更好的A-D隔離，偏置方便等優點。因此GaAs HBT適合中規模超高速混合信號集 成電路。現代2分頻器如圖1所示，它是窄帶的基於超諧波注入鎖定，該電路是通過注入 一個振蕩電路一個比較強的二倍頻信號，從而牽引振蕩器並使之鎖定到注入信號的1/2頻 率。這類電路工作頻率範圍比較窄，比較低，不能滿足超高頻電路的要求。

發明內容
本發明的目的在於避免上述已有技術的不足，推出一種GaAs HBT超高速2分頻 器，以展寬電路工作頻率範圍，提高工作頻率，滿足超高頻電路的要求。實現本發明目的技術方案是結合InGaP/GaAs HBT和電流模邏輯CML電路兩者的 特點，用HBT基於CML結構組成2分頻器。整個2分頻器包括分頻器核心部件和偏置電 路，其中分頻器核心部件採用GaAs HBT和CML結構，以提高工作頻率及電路的穩定性；分頻 器核心部件的輸入端連接有輸入緩衝器，輸出端連接有輸出緩衝器，以提高驅動能力，實現 電平轉換和阻抗的匹配。所述的偏置電路包括4個GaAs異質結雙極電晶體Ql Q44，Ql和Q42分別與Q43 和Q44連接，共同構成Bata-help電流鏡結構；該偏置電路分別與分頻器核心部件、輸入緩 衝器和輸出緩衝器連接，為其提供偏置電壓。所述的輸入緩衝器，包括9個GaAs異質結雙極電晶體Ql1 Ql9, Ql1與Ql2構成 差分電路，Ql3與Ql5構成第一射極跟隨器，Ql4與Ql6構成第二射極跟隨器；該第一射極跟隨器與Ql1的集電極連接，該第二射極跟隨器與Ql2的集電極連接；Ql7 Ql9分別與差分電 路的發射極和第一、第二射極跟隨器連接。所述的輸出緩衝器，包括7個GaAs異質結雙極電晶體QS1 Q37，Q3S與Q34構成 差分電路，Q3,和Q32分別與Q3S和Q34連接，Q35 Q37分別與QS1、差分電路和Q32連接。所述的分頻器核心部件，採用由電流模邏輯電路CML構成的τ-type觸發器，該觸 發器採用主要由14個GaAs異質結雙極電晶體Q2i Q214組成的主從結構，其中，由Q2i Q27構成主結構，由Q28 Q214構成從結構；該分頻器核心部件與輸入緩衝器和輸出緩衝器 之間，通過雙端差分輸入雙端差分輸出相連接。本發明由於分頻器使用InGaP/GaAs HBT結構，提高了分頻器的工作頻率；同時由 於在分頻器核心部件的兩端連接輸入輸出緩衝器，提高了電路的驅動能力，並通過射極跟 隨器提供合適的電平轉換；此外由於偏置電路採用Bata-help電流鏡結構，提供了更精確 的電流，分頻器核心部件採用CML電路，實現了差分信號的負載對稱，抑制了共模噪聲，增 強了分頻器自身電路的穩定性，使用峰化電感。為了獲得更好的匹配版圖嚴格對稱，所有的高速路徑都進行了 EM電磁仿真驗證。仿真實驗表明，該分頻器最高工作頻率達到22. 3GHZ，工作頻率範圍從DC到 22. 3GHZ ；輸入頻率為22. 3GHZ，輸入功率為9. 972dBm，輸出頻率為11. 15GHZ，輸出功率為 0.788dBm。


圖1為現有技術中窄帶的基於超諧波注入鎖定分頻器電路圖
圖2為本發明分頻器結構框圖3為本發明的輸入緩衝器電路圖4為本發明的分頻器核心部件電路圖5為本發明的輸出緩衝器電路圖6為本發明的偏置電路電路圖7為本發明仿真中的系統結構圖8為本發明仿真中的仿真結果圖。
具體實施例方式參照圖2，本發明的分頻器包括輸入緩衝器、分頻器核心部件，輸出緩衝器和偏置 電路。分頻器核心部件的輸入端與輸入緩衝器連接，輸出端與輸出緩衝器連接；偏置電路分 別與分頻器核心部件、輸入緩衝器和輸出緩衝器連接；整個分頻器採用雙端差分輸入雙端 差分輸出連接結構。其中輸入緩衝器，結構如圖3所示，它包括9個GaAs異質結雙極電晶體Ql1 Ql9和 7個電阻Rl1 Rl7。其中Ql1與Ql2構成差分電路，Ql3與Ql5構成第一射極跟隨器，Ql4與 Ql6構成第二射極跟隨器；Ql1的基極與輸入同相端IN_P、Rl1連接，Ql2的基極與輸入反相 端IN_N和Rl2連接，差分對Ql1與Ql2的集電極分別與Ql3、Ql4的基極和Rl3、Rl4連接，Ql3 和Ql4的集電極與地線連接，Ql3的發射極與Ql5的集電極連接，Ql4的發射極與Ql6的集電 極連接，Ql5的發射極和Ql8的集電極與輸出反相端0UT_N連接，Ql6的發射極和Ql9的集電極與輸出同相端0UT_P連接，Ql和Ql2的發射極與Ql7的集電極連接，Ql7的基極與偏置端 Bais連接，Ql7的發射極與Rl5連接，Ql8的基極與偏置端Bais連接，Ql8的發射極與Rl6連 接，Ql9的基極與偏置端Bais連接，Ql9的發射極與Rl7連接。分頻器核心部件，結構如圖4所示，它包括10個電阻R2i R21(1、8個電感I^1 L28和14個GaAs異質結雙極電晶體Q2, Q214。該Q2, Q214組成主從結構，其中Q2, Q27組成主結構，Q28 Q214組成從結構；Q23與Q24構成整個分頻器核心部件的第一差分電 路，Q25與Q26構成整個分頻器核心部件的第二差分電路，Q2n與Q212構成整個分頻器核心 部件的第三差分電路，Q213與Q214構成整個分頻器核心部件的第四差分電路；Q2i和Q29的 基極與輸入同相端IN_P連接，Q2i和Q22的發射極與Q27的集電極連接，(^1的集電極與第 一差分對Q23和Q24的發射極連接，Q22和Q21(1的基極與輸入反相端IN_N連接，Q22的集電 極與第二差分對Q25和Q26的發射極連接，Q23的基極與Q212的集電極連接；Q23的集電極、 Q25的基極、Q26的集電極、Q213的基極和R29均與R25連接，R29的另一端與L27連接，R25的 另一端與L23連接，Q24的基極與Q212的基極連接，Q24的集電極、Q25的集電極、Q26的基極、 Q214的基極、R210均與R26連接，R210的另一端與L28連接，R26的另一端與L24連接，Q27的 基極與偏置端Bais連接，Q27的發射極與R2i連接，Q28的基極與偏置端Bais連接，Q28的 發射極與R22連接，Q28的集電極與Q29、Q210的發射極連接，Q29集電極與第三差分對Q2n、 Q212的發射極連接，Q210集電極與第四差分對Q213、Q214的發射極連接；Q2n的基極、Q214的 集電極、Q212的集電極與輸出反相端0UT_N連接，R28、R24與輸出反相端0UT_N連接，R28與 L26連接，R24與L22連接，Q2n集電極、Q213集電極、Q212的基極與輸出同相端0UT_P連接； R27、R23與輸出同相端0UT_P連接，R27與L25連接，R23與12,連接。Q27和Q28端的偏置電 壓為-3. 46V，若2分頻器IN_P端電壓=-2. 92V，Q2,和Q29開啟，Q22和Q210截止。Q2,開 啟，使Q23和Q24差分對進入工作狀態，傳輸信號。Q29開啟，使Q2n和Q212差分對鎖存數據。 若2分頻器IN_N端電壓=-2. 92V, Q22和Q210開啟，Q2,和Q29截止。Q22開啟，使Q25和Q26 差分對進入工作狀態，傳輸信號。Q21(l開啟，使0213和0214差分對鎖存數據。相互間交替工 作，且0212輸出端與023和Q24輸入端相連接，四個差分對構成了環形反饋迴路，本發 明在時鐘信號控制下可實現2分頻功能，輸入信號頻率22. 3GHZ，輸出信號頻率11. 15GHZ。 差分輸入信號和2分頻差分輸出信號仿真結果圖如圖8所示。輸出緩衝器，結構如圖5所示，它包括7個GaAs異質結雙極電晶體QS1 Q37和5 個電阻RS1 R35。其中Q33與Q34構成差分電路，QS1的基極與輸入同相端IN_P連接，Q32 的基極與輸入反相端IN_N連接，Q3i、Q32的集電極與地線連接，QS1的發射極、Q33的基極與 Q35的集電極連接，Q32的發射極、Q34的基極與Q37的集電極連接，差分對Q33、Q34的集電極 分別與0UT_N、0UT_P連接，RS1與輸出反相端0UT_N連接，R32與輸出同相端0UT_P連接，差 分對Q33、Q34的發射極與Q36的集電極連接，Q35的基極與偏置端Bais連接，Q35的發射極 與R33連接，Q36的基極與偏置端Bais連接，Q36的發射極與R34連接，Q37的基極與偏置端 Bais連接，Q37的發射極與R35連接。偏置電路，結構如圖6所示，它包括4個GaAs異質結雙極電晶體Ql Q44和6個 電阻IM1 R46。其中，Ql的基極和Q43、的集電極與IM1連接，Q42的基極和Q44的集電極與 R42連接，IM1和R42與控制端Ctrl連接，Ql和Q42的集電極與地線連接，Ql和Q42的發射 極與偏置Bais端連接，Q43和Q44的基極與偏置Bais端連接，Ql的發射極與R43連接，Q42的發射極與R44連接，Q43的發射極與R45連接，Q44的發射極與R46連接。該偏置電路的電 源電壓VEE為-5V，偏置電壓為-3. 46V，使得所有異質結雙極電晶體正常工作。本發明的效果可以通過以下仿真實驗進一步說明本發明的仿真的系統結構如圖7所示，其中輸入緩衝器用IruBuffer表示，分頻器 核心部件用Divider_2表示，輸出緩衝器用Out_buffer表示，偏置電路用Bias表示；差分 輸入正弦信號與輸入緩衝器IruBuffer連接，差分輸出信號與輸出緩衝器OutJxiffer連 接，採用瞬態仿真，兩個正弦信號幅值為0.5V，頻率為22.3GHZ，相位為0°和180°，輸入信 號無延遲，Vl = 0V, V2 = -5V。仿真結果如圖8所示，其中圖8A是時域圖，圖8B是頻譜圖，從圖8A可以看出，差 分輸入正弦信號I幅值為IV，其差分輸出正弦信號0幅值為0. 4V ；從圖8B可以看出，在最 高輸入頻率為22. 3GHZ，輸入功率為9. 972dBm的條件下，其差分輸出頻率為11. 15GHZ，輸出 功率為0. 788dBm，實現了二分頻功能。
權利要求
一種GaAs HBT超高速2分頻器，包括分頻器核心部件和偏置電路，其特徵在於分頻器核心部件採用GaAs HBT和CML結構，以提高工作頻率及電路的穩定性；分頻器核心部件的輸入端連接有輸入緩衝器，輸出端連接有輸出緩衝器，以提高驅動能力，實現電平轉換和阻抗的匹配。
2.根據權利要求1所述的GaAsHBT超高速2分頻器，其特徵在於分頻器核心部件與輸 入緩衝器和輸出緩衝器之間，通過雙端差分輸入雙端差分輸出相連接。
3.根據權利要求1所述的GaAsHBT超高速2分頻器，其特徵在於偏置電路分別與分頻 器核心部件、輸入緩衝器和輸出緩衝器連接，為其提供偏置電壓。
4.根據權利要求1所述的GaAsHBT超高速2分頻器，其特徵在於輸入緩衝器(1)，包 括9個GaAs異質結雙極電晶體Ql1 Ql9, Ql1與Ql2構成差分電路，Ql3與Ql5構成第一射 極跟隨器，Ql4與Ql6構成第二射極跟隨器；該第一射極跟隨器與Ql1的集電極連接，該第二 射極跟隨器與Ql2的集電極連接；Q17 Q19分別與差分電路的發射極和第一、第二射極跟隨 器連接。
5.根據權利要求1所述的GaAsHBT超高速2分頻器，其特徵在於分頻器核心部件(2)， 採用由電流模邏輯電路CML構成的T-type觸發器，該觸發器採用主要由14個GaAs異質結 雙極電晶體Q2i Q214組成的主從結構，其中，由Q2i Q27構成主結構，由Q28 Q214構成 從結構。
6.根據權利要求5所述的GaAsHBT超高速2分頻器，其特徵在於所述的主結構，包括 由Q23與Q24和Q25與Q26組成的兩個差分對，兩個差分對分別與Q2i和Q22連接，該Q2i與 Q22組成差分輸入。
7.根據權利要求5所述的GaAsHBT超高速2分頻器，其特徵在於所述的從結構，包括 由Q2n與Q212和Q213與Q214組成的兩個差分對，兩個差分對分別與Q29和Q21(1連接，該Q29 與Q21(1組成差分輸入。
8.根據權利要求1所述的GaAsHBT超高速2分頻器，其特徵在於輸出緩衝器(3)，包 括7個GaAs異質結雙極電晶體Q3, Q37，Q3S與Q34構成差分電路，QS1和Q32分別與Q3S 和Q34連接，Q35 Q37分別與QS1、差分電路和Q32連接。
9.根據權利要求1所述的GaAsHBT超高速2分頻器，其特徵在於偏置電路(4)，包括4 個GaAs異質結雙極電晶體Qt Q44，Qi1和Q42分別與Q43和Q44連接，共同構成Bata-help 電流鏡結構。
全文摘要
本發明公開了一種GaAs HBT超高速2分頻器，主要解決現有分頻器工作頻率範圍比較窄，頻率低的問題。本發明的2分頻器主要由輸入緩衝器，分頻器核心部件，輸出緩衝器和偏置電路組成；其中輸入緩衝器通過一個差分放大電路後經射極跟隨器差分輸出給分頻器核心部件；分頻器核心部件採用電流模邏輯電路CML所構成的主從結構的T-type觸發器，其輸出給輸出緩衝器；輸出緩衝器通過一射極跟隨器後經差分放大電路輸出；偏置電路採用Bata-help電流鏡結構為其它電路提供偏置電壓。本發明具有驅動能力高、電平轉換精確、抑制共模噪聲強，穩定性好和工作頻率高的優點，適用於作超高速N級級聯的2N分頻器和鎖相環式頻率綜合器。
文檔編號H03L7/18GK101888245SQ20101019275
公開日2010年11月17日 申請日期2010年6月4日 優先權日2010年6月4日
發明者呂紅亮, 張義門, 張玉明, 湯曉燕, 洪樸, 程和遠, 詹曉偉 申請人:西安電子科技大學