專利名稱：GaAs HBT超高速2分頻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于集成電路技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種GaAs異質(zhì)結(jié)雙極晶體管HBT超高速 分頻器，可用于集成電路設(shè)計(jì)及信號處理。
背景技術(shù)：
分頻器是一種能夠把輸入的高頻信號經(jīng)過處理輸出低頻率的信號裝置，廣泛應(yīng)用 于通信設(shè)備中。通常，使用觸發(fā)器電路或鎖存器電路來實(shí)現(xiàn)分頻器。分頻器作為鎖相環(huán)的 重要組成部分，其工作的速度直接決定了鎖相環(huán)的應(yīng)用范圍，高速通信是信息時(shí)代發(fā)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(nèi)的各模塊是 通過單端信號進(jìn)行傳輸，信號傳輸較慢；高速分頻器內(nèi)各模塊間則通過差分信號進(jìn)行傳輸， 信號傳輸快。在現(xiàn)代通信電路中由于需要適合差分信號的直接結(jié)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(guān)性能，可以很好的滿足 現(xiàn)代超高速通信系統(tǒng)的要求。因?yàn)镮nGaP/GaAs HBT價(jià)帶偏移大，導(dǎo)帶偏移小，電流增益穩(wěn) 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，不存在深能級復(fù)合中心，因而改善了器件的增益與Ι/f噪聲特性；采用半導(dǎo)體絕緣 襯底擁有更好的A-D隔離，偏置方便等優(yōu)點(diǎn)。因此GaAs HBT適合中規(guī)模超高速混合信號集 成電路?，F(xiàn)代2分頻器如圖1所示，它是窄帶的基于超諧波注入鎖定，該電路是通過注入 一個(gè)振蕩電路一個(gè)比較強(qiáng)的二倍頻信號，從而牽引振蕩器并使之鎖定到注入信號的1/2頻 率。這類電路工作頻率范圍比較窄，比較低，不能滿足超高頻電路的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于避免上述已有技術(shù)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范圍，提高工作頻率，滿足超高頻電路的要求。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的技術(shù)方案是結(jié)合InGaP/GaAs HBT和電流模邏輯CML電路兩者的 特點(diǎn)，用HBT基于CML結(jié)構(gòu)組成2分頻器。整個(gè)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采用GaAs HBT和CML結(jié)構(gòu)，以提高工作頻率及電路的穩(wěn)定性；分頻 器核心部件的輸入端連接有輸入緩沖器，輸出端連接有輸出緩沖器，以提高驅(qū)動(dòng)能力，實(shí)現(xiàn) 電平轉(zhuǎn)換和阻抗的匹配。所述的偏置電路包括4個(gè)GaAs異質(zhì)結(jié)雙極晶體管Ql Q44，Ql和Q42分別與Q43 和Q44連接，共同構(gòu)成Bata-help電流鏡結(jié)構(gòu)；該偏置電路分別與分頻器核心部件、輸入緩 沖器和輸出緩沖器連接，為其提供偏置電壓。所述的輸入緩沖器，包括9個(gè)GaAs異質(zhì)結(jié)雙極晶體管Ql1 Ql9, Ql1與Ql2構(gòu)成 差分電路，Ql3與Ql5構(gòu)成第一射極跟隨器，Ql4與Ql6構(gòu)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(fā)射極和第一、第二射極跟隨器連接。所述的輸出緩沖器，包括7個(gè)GaAs異質(zhì)結(jié)雙極晶體管QS1 Q37，Q3S與Q34構(gòu)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，采用由電流模邏輯電路CML構(gòu)成的τ-type觸發(fā)器，該觸 發(fā)器采用主要由14個(gè)GaAs異質(zhì)結(jié)雙極晶體管Q2i Q214組成的主從結(jié)構(gòu)，其中，由Q2i Q27構(gòu)成主結(jié)構(gòu)，由Q28 Q214構(gòu)成從結(jié)構(gòu)；該分頻器核心部件與輸入緩沖器和輸出緩沖器 之間，通過雙端差分輸入雙端差分輸出相連接。本發(fā)明由于分頻器使用InGaP/GaAs HBT結(jié)構(gòu)，提高了分頻器的工作頻率；同時(shí)由 于在分頻器核心部件的兩端連接輸入輸出緩沖器，提高了電路的驅(qū)動(dòng)能力，并通過射極跟 隨器提供合適的電平轉(zhuǎn)換；此外由于偏置電路采用Bata-help電流鏡結(jié)構(gòu)，提供了更精確 的電流，分頻器核心部件采用CML電路，實(shí)現(xiàn)了差分信號的負(fù)載對稱，抑制了共模噪聲，增 強(qiáng)了分頻器自身電路的穩(wěn)定性，使用峰化電感。為了獲得更好的匹配版圖嚴(yán)格對稱，所有的高速路徑都進(jìn)行了 EM電磁仿真驗(yàn)證。仿真實(shí)驗(yàn)表明，該分頻器最高工作頻率達(dá)到22. 3GHZ，工作頻率范圍從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(xiàn)有技術(shù)中窄帶的基于超諧波注入鎖定分頻器電路圖
圖2為本發(fā)明分頻器結(jié)構(gòu)框圖3為本發(fā)明的輸入緩沖器電路圖4為本發(fā)明的分頻器核心部件電路圖5為本發(fā)明的輸出緩沖器電路圖6為本發(fā)明的偏置電路電路圖7為本發(fā)明仿真中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖8為本發(fā)明仿真中的仿真結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式參照圖2，本發(fā)明的分頻器包括輸入緩沖器、分頻器核心部件，輸出緩沖器和偏置 電路。分頻器核心部件的輸入端與輸入緩沖器連接，輸出端與輸出緩沖器連接；偏置電路分 別與分頻器核心部件、輸入緩沖器和輸出緩沖器連接；整個(gè)分頻器采用雙端差分輸入雙端 差分輸出連接結(jié)構(gòu)。其中輸入緩沖器，結(jié)構(gòu)如圖3所示，它包括9個(gè)GaAs異質(zhì)結(jié)雙極晶體管Ql1 Ql9和 7個(gè)電阻Rl1 Rl7。其中Ql1與Ql2構(gòu)成差分電路，Ql3與Ql5構(gòu)成第一射極跟隨器，Ql4與 Ql6構(gòu)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(fā)射極與Ql5的集電極連接，Ql4的發(fā)射極與Ql6的集電 極連接，Ql5的發(fā)射極和Ql8的集電極與輸出反相端0UT_N連接，Ql6的發(fā)射極和Ql9的集電極與輸出同相端0UT_P連接，Ql和Ql2的發(fā)射極與Ql7的集電極連接，Ql7的基極與偏置端 Bais連接，Ql7的發(fā)射極與Rl5連接，Ql8的基極與偏置端Bais連接，Ql8的發(fā)射極與Rl6連 接，Ql9的基極與偏置端Bais連接，Ql9的發(fā)射極與Rl7連接。分頻器核心部件，結(jié)構(gòu)如圖4所示，它包括10個(gè)電阻R2i R21(1、8個(gè)電感I^1 L28和14個(gè)GaAs異質(zhì)結(jié)雙極晶體管Q2, Q214。該Q2, Q214組成主從結(jié)構(gòu)，其中Q2, Q27組成主結(jié)構(gòu)，Q28 Q214組成從結(jié)構(gòu)；Q23與Q24構(gòu)成整個(gè)分頻器核心部件的第一差分電 路，Q25與Q26構(gòu)成整個(gè)分頻器核心部件的第二差分電路，Q2n與Q212構(gòu)成整個(gè)分頻器核心 部件的第三差分電路，Q213與Q214構(gòu)成整個(gè)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)射極與R2i連接，Q28的基極與偏置端Bais連接，Q28的 發(fā)射極與R22連接，Q28的集電極與Q29、Q210的發(fā)射極連接，Q29集電極與第三差分對Q2n、 Q212的發(fā)射極連接，Q210集電極與第四差分對Q213、Q214的發(fā)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(jìn)入工作狀態(tài)，傳輸信號。Q29開啟，使Q2n和Q212差分對鎖存數(shù)據(jù)。 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(jìn)入工作狀態(tài)，傳輸信號。Q21(l開啟，使0213和0214差分對鎖存數(shù)據(jù)。相互間交替工 作，且0212輸出端與023和Q24輸入端相連接，四個(gè)差分對構(gòu)成了環(huán)形反饋回路，本發(fā) 明在時(shí)鐘信號控制下可實(shí)現(xiàn)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(jié)果圖如圖8所示。輸出緩沖器，結(jié)構(gòu)如圖5所示，它包括7個(gè)GaAs異質(zhì)結(jié)雙極晶體管QS1 Q37和5 個(gè)電阻RS1 R35。其中Q33與Q34構(gòu)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(fā)射極、Q33的基極與 Q35的集電極連接，Q32的發(fā)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(fā)射極與Q36的集電極連接，Q35的基極與偏置端Bais連接，Q35的發(fā)射極 與R33連接，Q36的基極與偏置端Bais連接，Q36的發(fā)射極與R34連接，Q37的基極與偏置端 Bais連接，Q37的發(fā)射極與R35連接。偏置電路，結(jié)構(gòu)如圖6所示，它包括4個(gè)GaAs異質(zhì)結(jié)雙極晶體管Ql Q44和6個(gè) 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(fā)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(fā)射極與R43連接，Q42的發(fā)射極與R44連接，Q43的發(fā)射極與R45連接，Q44的發(fā)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(zhì)結(jié)雙極晶體管正常工作。本發(fā)明的效果可以通過以下仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步說明本發(fā)明的仿真的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示，其中輸入緩沖器用IruBuffer表示，分頻器 核心部件用Divider_2表示，輸出緩沖器用Out_buffer表示，偏置電路用Bias表示；差分 輸入正弦信號與輸入緩沖器IruBuffer連接，差分輸出信號與輸出緩沖器OutJxiffer連 接，采用瞬態(tài)仿真，兩個(gè)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(jié)果如圖8所示，其中圖8A是時(shí)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(shí)現(xiàn)了二分頻功能。
權(quán)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，其特征在于分頻器核心部件采用GaAs HBT和CML結(jié)構(gòu)，以提高工作頻率及電路的穩(wěn)定性；分頻器核心部件的輸入端連接有輸入緩沖器，輸出端連接有輸出緩沖器，以提高驅(qū)動(dòng)能力，實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換和阻抗的匹配。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaAsHBT超高速2分頻器，其特征在于分頻器核心部件與輸 入緩沖器和輸出緩沖器之間，通過雙端差分輸入雙端差分輸出相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaAsHBT超高速2分頻器，其特征在于偏置電路分別與分頻 器核心部件、輸入緩沖器和輸出緩沖器連接，為其提供偏置電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaAsHBT超高速2分頻器，其特征在于輸入緩沖器(1)，包 括9個(gè)GaAs異質(zhì)結(jié)雙極晶體管Ql1 Ql9, Ql1與Ql2構(gòu)成差分電路，Ql3與Ql5構(gòu)成第一射 極跟隨器，Ql4與Ql6構(gòu)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(fā)射極和第一、第二射極跟隨 器連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaAsHBT超高速2分頻器，其特征在于分頻器核心部件(2)， 采用由電流模邏輯電路CML構(gòu)成的T-type觸發(fā)器，該觸發(fā)器采用主要由14個(gè)GaAs異質(zhì)結(jié) 雙極晶體管Q2i Q214組成的主從結(jié)構(gòu)，其中，由Q2i Q27構(gòu)成主結(jié)構(gòu)，由Q28 Q214構(gòu)成 從結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的GaAsHBT超高速2分頻器，其特征在于所述的主結(jié)構(gòu)，包括 由Q23與Q24和Q25與Q26組成的兩個(gè)差分對，兩個(gè)差分對分別與Q2i和Q22連接，該Q2i與 Q22組成差分輸入。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的GaAsHBT超高速2分頻器，其特征在于所述的從結(jié)構(gòu)，包括 由Q2n與Q212和Q213與Q214組成的兩個(gè)差分對，兩個(gè)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(jù)權(quán)利要求1所述的GaAsHBT超高速2分頻器，其特征在于輸出緩沖器(3)，包 括7個(gè)GaAs異質(zhì)結(jié)雙極晶體管Q3, Q37，Q3S與Q34構(gòu)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(jù)權(quán)利要求1所述的GaAsHBT超高速2分頻器，其特征在于偏置電路(4)，包括4 個(gè)GaAs異質(zhì)結(jié)雙極晶體管Qt Q44，Qi1和Q42分別與Q43和Q44連接，共同構(gòu)成Bata-help 電流鏡結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種GaAs HBT超高速2分頻器，主要解決現(xiàn)有分頻器工作頻率范圍比較窄，頻率低的問題。本發(fā)明的2分頻器主要由輸入緩沖器，分頻器核心部件，輸出緩沖器和偏置電路組成；其中輸入緩沖器通過一個(gè)差分放大電路后經(jīng)射極跟隨器差分輸出給分頻器核心部件；分頻器核心部件采用電流模邏輯電路CML所構(gòu)成的主從結(jié)構(gòu)的T-type觸發(fā)器，其輸出給輸出緩沖器；輸出緩沖器通過一射極跟隨器后經(jīng)差分放大電路輸出；偏置電路采用Bata-help電流鏡結(jié)構(gòu)為其它電路提供偏置電壓。本發(fā)明具有驅(qū)動(dòng)能力高、電平轉(zhuǎn)換精確、抑制共模噪聲強(qiáng)，穩(wěn)定性好和工作頻率高的優(yōu)點(diǎn)，適用于作超高速N級級聯(lián)的2N分頻器和鎖相環(huán)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(yōu)先權(quán)日2010年6月4日
發(fā)明者呂紅亮, 張義門, 張玉明, 湯曉燕, 洪樸, 程和遠(yuǎn), 詹曉偉 申請人:西安電子科技大學(xué)