专利名称：氮化镓基增强耗尽型电平转换电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子技术领域，更进一步涉及半导体集成电路技术领域中的氮化镓基增强耗尽型电平转换电路。本发明可用于控制氮化镓基微波射频领域的开关，使通过开关的射频信号关断和导通。
背景技术：
目前，随着半导体技术的成熟，微波射频单片系统越来越成熟，一般由数字逻辑单元和微波射频电路组成。氮化镓基微波射频电路多采用较为成熟的耗尽型器件，而耗尽型器件由于铝镓氮/氮化镓异质结天然形成的耗尽沟道，导致其开启电压为负值，且一般多在-2V-2.5V。而氮化镓基射频电路作为系统前端，与后端硅基电路配合是必不可少的。但大部分硅基集成电路接口为标准TTL输出，其高低电平分别为> 2.4V和< 0.4V，因此需要一个专门的接口 -电平转换电路，实现电平的转换，来衔接氮化镓基前端和硅基后端，进而保证氮化镓基电路中耗尽型器件构成的开关的正常工作。一般，可以认为如果转换后电压小于等于-3.5V则开关关断，大于等于-1V则开关开启。为了解决上述问题，目前已经有很多硅基电路来实现电平的转换。成都高新区尼玛电子产品外观设计工作室拥有的专利技术“双控制型号的电平转换电路”(申请号201120421799.3，授权公告号CN 202334487 U)公开了一种适用于控制开关的电平转换电路。该电路包括双通道NPN型晶体管以及同时与双通道NPN晶体管T2连接的输出信号电路和控制信号输入电路。该电路具有最小的成本。但是，该专利技术仍然存在的不足是:由于氮化镓材料P型掺杂困难，所以该电路结构中所用到的NPN晶体管，在氮化镓上尚不能实现，因此尚不能把氮化镓基电路和电平转换电路同衬底单片集成化。中国科学院微电子研究所拥有的专利技术“数模混合多路独立控制开关电路”(申请号200810238937.7，申请公布号CN 101753121A)公开了一种适用于控制开关的电平转换电路。该电路包括PWM控制器、输入驱动器、电平转换电路、电流型开关电路和输出伏在电路等。该电路可以显著提高场效应管的开关速度。但是，该专利技术仍然存在的不足是:虽然现在技术上已经可以把该专利技术和氮化镓基电路先通过金线连接而后封装在一个壳体内，但金线会带来信号串扰，可能影响电路功能的正常实现。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提出一种氮化镓基增强耗尽型电平转换电路。本发明为了提高氮化镓基电路的性能，设计了一种可实现的氮化镓基增强耗尽型电平转换电路，实现了片上系统的集成，降低了连线间串扰，并且可以与TTL电路连接使用。为实现上述目的，本发明包括第一反相电路，第一输出电路，第二反相电路，第二输出电路。第一反相电路的输出端与第一输出电路的输入端相接，第一输出电路的输出端与第二反相电路的输入端相接，第二反相电路的输出端与第二输出电路的输入端相接。
第一反相电路单元中的耗尽型高电子迁移率晶体管Tl的漏极接正偏置线，Tl的源极和其栅极短接后，分别与增强型高电子迁移率晶体管T2的漏极和第一输出电路单元中的增强型高电子迁移率晶体管T3的栅极相接；T2的栅极接输入VIN，Τ2的源极接地线。第一输出电路单元中的Τ3的漏极接正偏置线，Τ3的栅极接Τ2的漏极，Τ3的源极接肖特基二极管Dl的正极；D1的负极接肖特基二极管D2的正极，D2的负极接肖特基二极管D3的正极，D3的负极接肖特基二极管D4的正极；D4的负极接耗尽型高电子迁移率晶体管T4的漏极，T4的栅极和源极接负偏置线，T4的漏极接耗尽型高电子迁移率晶体管T6的栅极和第二输出VOUTl。第二反相电路单元中的增强型高电子迁移率晶体管T5的漏极接正偏置线，T5的源极和其栅极短接后，分别与T6的漏极和第二输出电路单元中耗尽型高电子迁移率晶体管T7的栅极相接；T6的栅极接第一输出VOUTl，Τ6的源极接地线。第二输出电路单元中的Τ7的漏极接正偏置线，Τ7的栅极接Τ6的的漏极，Τ7的源极接肖特基二极管D5的正极；D5的负极接肖特基二极管D6的正极，D6的负极接肖特基二极管D7的正极，D7的负极接肖特基二极管D8的正极；D8的负极接增强型高电子迁移率晶体管T8的漏极，T8的栅极和源极接负偏置线，T8的漏极接第二输出V0UT2。与现有技术相比，本发明具有以下优点:第一，由于本发明设计了一种电路结构，克服了现有技术中由于氮化镓材料P型掺杂困难，导致现有技术的结构中所用到的NPN晶体管在氮化镓上尚不能实现的不足，解决了氮化镓基电路系统单片在集成化过程中没有合适电路拓扑结构的问题，本发明电路结构简单，所用半导体器件工艺实现简单，使得本发明能够在氮化镓基上，实现与标准硅基电路的输出相匹配的单片电路集成。第二，由于本发明可以实现氮化镓基电路系统单片集成，克服了现有技术中硅基电路和氮化镓基电路之间使用金线可能带来信号串扰的不足，解决了硅基电路和氮化镓基电路片内互连引起的电路功能正常表达的问题，使得本发明具有氮化镓基系统出错率降低，性能更加稳定的优点。第三，由于本发明可以实现氮化镓基射频电路系统单片集成，克服了现有技术中硅基电路抗辐照能力较差的不足，解决了电路系统在特殊环境如在外太空中性能下降的问题，使得本发明具有了电路系统抗辐照能力更强，可靠性更高的优点。
图1为本发明的电路原理图；图2为本发明的输出端电压VOUTl和V0UT2对输入端电压VIN响应的仿真图。
具体实施方式
:下面参照附图对本发明作进一步详细描述。参照图1，对本发明的电路结构描述如下:本发明包括第一输出电路，第二反相电路，第二输出电路。第一反相电路的输出端与第一输出电路的输入端相接，第一输出电路的输出端与第二反相电路的输入端相接，第二反相电路的输出端与第二输出电路的输入端相接。
第一反相电路中的耗尽型高电子迁移率晶体管Tl的漏极接正偏置线VDD，Tl的源极和其栅极短接后，分别与增强型高电子迁移率晶体管T2的漏极和第一输出电路单元中的增强型高电子迁移率晶体管T3的栅极相接；T2的栅极接输入端VIN，T2的源极接地线GND。第一输出电路中的T3的漏极接正偏置线VDD，T3的栅极接T2的漏极，T3的源极接肖特基二极管Dl的正极；D1的负极接肖特基二极管D2的正极，D2的负极接肖特基二极管D3的正极，D3的负极接肖特基二极管D4的正极；D4的负极接耗尽型高电子迁移率晶体管T4的漏极，T4的栅极和源极接负偏置线VSS，T4的漏极接耗尽型高电子迁移率晶体管T6的栅极和第二输出端VOUTl。增强型高电子迁移率晶体管T2、T3、T5、T8的宽长比相同，耗尽型高电子迁移率晶体管Τ1、Τ4、Τ6、Τ7的宽长比相同，肖特基二极管01、02、03、04、05、06、07、08的物理尺寸相同。本发明中的第一反相电路和第一输出电路工作原理是:如果输入端VIN为低电平，则增强型高电子迁移率晶体管Τ2关断，因而Τ2沟道电阻较大，但耗尽型高电子迁移率晶体管Tl上栅压为0，因此沟道电阻相对Τ2的沟道电阻要小得多，所以第一反相电路的输出在沟道的分压中获得接近VDD的电压。因为增强型高电子迁移率晶体管Τ3栅压接近VDD，所以Τ3开启。进而Τ3的沟道电阻比Τ4的沟道电阻小。经过肖特基二极管D1、D2、D3、D4等四个肖特基二极管降压，能够将第一输出电路的输出端VOUTl调整为OV左右。本发明的实施例中，通过工艺上调节，使得T3的宽长比与耗尽型高电子迁移率晶体管T4的宽长比为5 8。如此选择是为了使得T3相比T4有一个较大的跨导，在此范围内既能满足T3在开启的情况下沟道电阻略小于T4的沟道电阻，又能满足T3在关断的情况下沟道电阻远大于T4的沟道电阻。当该宽长比小于5时，T3的跨导太小，在开启的情况下分压太小，使得输出VOUTl的高电平远小于OV而功能不能正常实现；当该宽长比大于8时，T3跨导太大，在关断的情况下分压太大，使得输出VOUTl的低电平远高于-4V而功能不能正常实现。如果输入端VIN为低电压，则T2开启，而由于T2与Tl的宽长比为5 8，所以Tl的沟道电阻要若干倍于T2的沟道电阻，因而第一反相电路的输出为接近0V，使得T3关断，因而T3的沟道电阻要远大于T4的沟道电阻，因而第一输出电路的输出端VOUTl接近VSS。第二反相电路单元中的增强型高电子迁移率晶体管T5的漏极接正偏置线，T5的源极和其栅极短接后，分别与T6的漏极和第二输出电路单元中耗尽型高电子迁移率晶体管T7的栅极相接；T6的栅极接第一输出端VOUTl，Τ6的源极接地线。第二输出电路单元中的Τ7的漏极接正偏置线，Τ7的栅极接Τ6的的漏极，Τ7的源极接肖特基二极管D5的正极；D5的负极接肖特基二极管D6的正极，D6的负极接肖特基二极管D7的正极，D7的负极接肖特基二极管D8的正极；D8的负极接增强型高电子迁移率晶体管T8的漏极，T8的栅极和源极接负偏置线，T8的漏极接第二输出端V0UT2。本发明中的第二反相电路和第二输出电路工作原理是:该模块的输入为第一输出电路的输出V0UT1,结合上述原理,得知对第一输出电路的输出VOUTl来说，VIN为低电平，则VOUTl为高电平且接近0V，VIN为高电平，则VOUTl为低电平且接近VSS。如果输入端VIN为高电平，则VOUTl为低电平，耗尽型高电子迁移率晶体管T6关断，因而T6沟道电阻较大，但增强型高电子迁移率晶体管T5上栅压为0V，因此T6的沟道电阻相对T5的沟道电阻要大得多，因此第一反相电路的输出在沟道的分压中获得接近VSS。因为耗尽型高电子迁移率晶体管T7栅压接近VSS，所以T7开启，进而T7的沟道电阻比T8的沟道电阻小。通过工艺上调节，使得T7的宽长比与耗尽型高电子迁移率晶体管T8的宽长比为5 8，并经过肖特基二极管D1、D2、D3、D4四个二极管降压，能够将第二输出电路的输出端V0UT2调整为VDD左右且为高电平。如果输入端VIN为低电压，则VOUTl端为高电平，T6开启，而由于T6与T5的宽长比为5 8，所以T5的沟道电阻要若干倍于T6的沟道电阻，因而第一反相电路的输出为接近0V，使得T7关断，因而T7有较大的沟道电阻。而T8由于为增强器件且栅压为0，所以也有较大的沟道电阻，但由于T8的宽长比为T7的5 8倍，所以T8的沟道电阻小于T7的沟道电阻。经过肖特基二极管D5、D6、D7、D8的降压，使得第二输出电路的输出端V0UT2为低电平。下面结合图2仿真图对本发明的效果做进一步的描述。参照图2，对本发明第二反相电路的输出和第二输出电路的输出V0UT2分别随输入电压VIN响应的仿真图描述如下:本发明仿真的输入端VIN输入范围为0-5V为直流扫描，且认为当VIN < 0.4V时VIN为输入低电平，VIN > 2.4V时VIN为输入高电平；VDD = 5V，VSS = -5V ;认为当输出> -2V时为输出高电平，输出< -3V时为输出低电平。对本发明在如上仿真条件进行仿真，得到仿真结果如图2所示。图2中横轴表示输入端电压VIN，纵轴表示输出端电压，图2中的虚线表示输出VOUTl，实线表示输出V0UT2。当输入端电压VIN为低电平时，第二反相电路的输出为低电平，且为OV左右，输出V0UT2为低电平，且为-4V左右；当输入端电压VIN为高电平时，第二反相电路的输出为高电平，且为OV左右，输出V0UT2为高电平，且为OV左右。因此，当VIN在低电平和高电平之间变换时，VOUTl和V0UT2都能够将电平在高电平和低电平之间变换。因此本发明能够实现电平转换的功能。
权利要求
1.一种氮化镓基增强耗尽型电平转换电路，包括第一反相电路，第一输出电路，第二反相电路，第二输出电路；所述的第一反相电路的输出端与第一输出电路的输入端相接，第一输出电路的输出端与第二反相电路的输入端相接，第二反相电路的输出端与第二输出电路的输入端相接；其中: 所述的第一反相电路单元中的耗尽型高电子迁移率晶体管Tl的漏极接正偏置线，Tl的源极和其栅极短接后，分别与增强型高电子迁移率晶体管T2的漏极和第一输出电路单元中的增强型高电子迁移率晶体管T3的栅极相连；T2的栅极接输入VIN，Τ2的源极接地线.-^4 ， 所述的第一输出电路单元中的Τ3的漏极接正偏置线，Τ3的栅极接Τ2的漏极，Τ3的源极接肖特基二极管Dl的正极；D1的负极接肖特基二极管D2的正极，D2的负极接肖特基二极管D3的正极，D3的负极接肖特基二极管D4的正极；D4的负极接耗尽型高电子迁移率晶体管T4的漏极，T4的栅极和源极接负偏置线，T4的漏极接耗尽型高电子迁移率晶体管T6的栅极和第二输出VOUTl ； 所述的第二反相电路单元中的增强型高电子迁移率晶体管T5的漏极接正偏置线，T5的源极和其栅极短接后，分别与T6的漏极和第二输出电路单元中耗尽型高电子迁移率晶体管T7的栅极相接；T6的栅极接第一输出VOUTl，Τ6的源极接地线； 所述的第二输出电路单元中的Τ7的漏极接正偏置线，Τ7的栅极接Τ6的的漏极，Τ7的源极接肖特基二极管D5的正极；D5的负极接肖特基二极管D6的正极，D6的负极接肖特基二极管D7的正极，D7的负极接肖特基二极管D8的正极；D8的负极接增强型高电子迁移率晶体管T8的漏极，T8的栅极和源极接负偏置线，T8的漏极接第二输出V0UT2。
2.根据权利要求1所述的氮化镓基增强耗尽型电平转换电路，其特征在于，所述增强型高电子迁移率晶体管T2、T3、T5、T8的宽长比相同。
3.根据权利要求1所述的氮化镓基增强耗尽型电平转换电路，其特征在于，所述增强型高电子迁移率晶体管T2、T3、T5、T8阈值电压大于零。
4.根据权利要求1所述的氮化镓基增强耗尽型电平转换电路，其特征在于，所述耗尽型高电子迁移率晶体管T1、T4、T6、T7的宽长比相同。
5.根据权利要求1所述的氮化镓基增强耗尽型电平转换电路，其特征在于，所述耗尽型高电子迁移率晶体管Tl、Τ4、Τ6、Τ7的阈值电压小于零。
6.根据权利要求1所述的氮化镓基增强耗尽型电平转换电路，其特征在于，所述肖特基二极管Dl、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8的物理尺寸相同。
7.根据权利要求1所述的氮化镓基增强耗尽型电平转换电路，其特征在于，所述增强型高电子迁移率晶体管宽长比为耗尽型高电子迁移率晶体管宽长比的5 8倍。
8.根据权利要求1所述的氮化镓基增强耗尽型电平转换电路，其特征在于，所述的正偏置线电压与负偏置线电压数值相等，符号相反。
全文摘要
本发明公开了一种氮化镓基增强耗尽型电平转换电路，主要解决现有技术尚不能将电平转换电路和氮化镓基电路集成到一个衬底上的缺点。本发明包括第一反相电路，第一输出电路，第二反相电路，第二输出电路等四个部分。第一反相电路将输入电平反相，第一输出电路将第一反相电路反相后的电平下拉，第二反相电路将第一输出电路的输出反相，第二输出电路将第二反相电路反相后的电平下拉。本发明电路结构简单，所用半导体器件工艺实现简单，能够将电平转换电路与氮化镓基电路集成到一个衬底上，提高了可靠性，降低了串扰。
文档编号H03K19/0175GK103117739SQ20131005526
公开日2013年5月22日 申请日期2013年1月31日 优先权日2013年1月31日
发明者郝跃, 张译, 史江一, 马配军, 杨小峰, 邸志雄 申请人:西安电子科技大学