一种采用CMOS工艺实现的太赫兹振荡器的制作方法

本发明涉及一种太赫兹振荡器。特别是涉及一种采用CMOS工艺实现的太赫兹振荡器。

背景技术：

近年来，高速无线通信系统正不断朝着更高频率、带宽、更高集成度以及更低成本等方向发展。太赫兹频段(300GHz-3THz)介于微波和红外线之间，是电磁波谱中唯一没有获得较全面研究并很好加以利用的最后一个波谱区间，在通信频带日益紧缺的今天，对太赫兹波通信技术的研究具有重要意义。太赫兹波通信技术广泛应用于生活的各个方面，由于其自身所具有的独特性质以及在光谱中的位置使太赫兹波在通信、电子对抗、雷达、电磁武器、天文学、医学成像、无损检测、环境监测及安全检查等领域存在着广泛的应用前景。

近年来，随着特征尺寸的不断减小，深亚微米CMOS工艺及其MOSFET的特征频率已经达到200GHz以上，使得利用CMOS工艺实现GHz频段的高频模拟电路成为可能。在硅CMOS、BiCMOS、双极工艺、GaAs MESFET、异质结双极晶体管(HBT)、GeSi器件等众多工艺中，虽然硅CMOS的高频性能和噪声性能不是最好，但由于它的工艺最为成熟、成本最低、功耗最小、应用也最为广泛，因此CMOS射频集成电路是近年来发展的趋势。随着射频识别技术的发展，世界各国的研究人员在CMOS射频集成电路的设计和制作方面进行了大量研究，使CMOS射频集成电路的性能不断提高。随着硅基工艺的进步，硅基工艺已能支持实现太赫兹通信集成电路，但高达几百GHz的工作频段使太赫兹通信集成电路的实现面临一系列挑战。

传统的数字CMOS工艺技术之所以没有在超高频电路(频率超过100GHz)应用方面被充分考虑，是因为CMOS振荡器电路受到器件的截止频率(f_T)和最大振荡频率(f_max)的限制。然而，工艺技术的发展使得器件尺寸不断缩小，器件的工作频率不断增加，使在CMOS工艺下能够使得场效应晶体管截止频率接近甚至达到太赫兹的频率范围，使得采用CMOS工艺实现在太赫兹波频段下工作的电路成为可能。

采用CMOS工艺实现的太赫兹波电路已有研究，但是因为CMOS工艺器件在截止频率附近工作性能较差，在太赫兹波段实现的功率放大器方案还鲜有报道。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种集成度高、成本低、易于大规模生产的采用CMOS工艺实现的太赫兹振荡器。

本发明所采用的技术方案是：一种采用CMOS工艺实现的太赫兹振荡器，包括有由第一MOS管M1、第二MOS管M2和第一电感L1构成的交叉耦合震荡电路，以及由第三MOS管M3、第四MOS管M4和第二电感L2构成的频率选择负阻结构，其中，所述的第二电感L2的一端连接第三MOS管M3的栅极，另一端连接第四MOS管M4的栅极，第三MOS管M3和第四MOS管M4的漏极均连接供电电源Vdd，第三MOS管M3的源极分别连接第一电感L1的一端、第一MOS管M1的漏极以及第二MOS管M2的栅极，所述第四MOS管M4的源极分别连接第一电感L1的另一端、第二MOS管M2的漏极以及第一MOS管M1的栅极，所述第一MOS管M1和第二MOS管M2的源极接地。

所述的第一MOS管(M1)和第二MOS管(M2)的栅宽w₁的限制条件：

所述的第三MOS管(M3)和第四MOS管(M4)的栅宽w₃需要满足的限制条件：

式中w₁表示交叉对管结构中的第一MOS管M1和第二MOS管M2的栅宽，w₂表示交叉对管结构中的第三MOS管M3和第四MOS管M4的栅宽，l表示MOS管的特征尺寸，即沟道长度，C_ox表示单位栅氧化层电容，μ_n表示器件电子迁移率，I表示偏置电流，ω表示振荡器的工作频率，R_eq表示电路的寄生电阻。

本发明的一种采用CMOS工艺实现的太赫兹振荡器，采用标准的CMOS工艺实现，有集成度高、成本低、易于大规模生产等优点。同时还克服了CMOS工艺截止频率附近工作性能差的限制，实现了太赫兹振荡源的设计。本发明具有如下优点：

1.THz波的波长处于微波及红外光之间，它和物质的相互作用具有独特的物理机制，并呈现出很多新的特点。由于0.3太赫兹—10太赫兹波能够很强的穿透像塑料、纸、木料、人体、大气等一类物质，因此它可以广泛应用于安保扫描、射电天文、生物遥感、生产监控等领域，具体分类可以包括邮件扫描、纸类生产、塑料焊接检测、古画分析、人体透视、食品质量检测、皮肤癌分类等。

2.该振荡器能工作在太赫兹频率下，能够克服由于频率接近器件截止频率带来的频率限制，使得输出频率提高到器件实际工作频率之上。

3.采用具有频率选择功能的负阻增强电路，这一结构在特定的频率下不但能够呈现负阻特性，以增加整体电路的负阻特。

综上所述，本发明提出的功率放大器结构和实施方法具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明采用CMOS工艺实现的太赫兹振荡器的电路原理图；

图2是本发明中频率选择负阻结构的电路原理图；

图3是本发明中频率选择负阻结构的小信号等效电路图；

图4是本发明中频率选择负阻结构的小信号等效电路图计算的等效阻抗与电容电感。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种采用CMOS工艺实现的太赫兹振荡器做出详细说明。

如图1所示，本发明的一种采用CMOS工艺实现的太赫兹振荡器，包括有由第一MOS管M1、第二MOS管M2和第一电感L1构成的交叉耦合震荡电路，以及由第三MOS管M3、第四MOS管M4和第二电感L2构成的频率选择负阻结构，其中，所述的第二电感L2的一端连接第三MOS管M3的栅极，另一端连接第四MOS管M4的栅极，第三MOS管M3和第四MOS管M4的漏极均连接供电电源Vdd，第三MOS管M3的源极分别连接第一电感L1的一端、第一MOS管M1的漏极以及第二MOS管M2的栅极，所述第四MOS管M4的源极分别连接第一电感L1的另一端、第二MOS管M2的漏极以及第一MOS管M1的栅极，所述第一MOS管M1和第二MOS管M2的源极接地。

如图1所示，本发明的一种采用CMOS工艺实现的太赫兹振荡器，首先，根据目标频率设置振荡器基频振荡频率，另外，根据工艺电路仿真、后仿以及实际流片测试结果的偏差，应适当留出一定的频率余量，余量通常可以取目标频率的10％左右。

如图2所示，频率选择负阻结构由第三MOS管M3、第四MOS管M4和第二电感L2构成。双端频率选择负阻结构的小信号等效电路图如图3所示，其中的Lg相当于图1、图2中的L2，可以推导得到其输入阻抗Z_in的表达式：

当时忽略1，j提到分子上，有

根据上式可以得到FSNR电路的小信号等效模型如图4所示，等效为栅极电感L_g与栅源电容C_gs串联再和一个电阻R_FSNR＝(1-ω²L_gC_gs)/g_m并联的关系。因为R_FSNR是一个随频率变化而变化的电阻，这使得FSNR提供了一个独特的频率选择特性：在一个设计的频率范围内，它可以同时提供电感和负阻。

在本发明中需要负阻特性，因此选择振荡器的工作频率LC串联通路便显出电感的特性L_eq，降低了整体结构的电感从而导致了更高的谐振频率，并联电阻R_FSNR＝(1-ω²L_gC_gs)/g_m是负阻会减小交叉耦合负阻结构所需提供的负阻，进而减小NMOS管尺寸，减小寄生电容以会的更高的谐振频率。

太赫兹振荡器的工作频率严格限制了器件设计的选择和尺寸。所述的第一MOS管(M1)和第二MOS管(M2)的栅宽w₁的限制条件：

所述的第三MOS管(M3)和第四MOS管(M4)的栅宽w₃需要满足的限制条件：

式中w₁表示交叉对管结构中的第一MOS管M1和第二MOS管M2的栅宽，w₂表示交叉对管结构中的第三MOS管M3和第四MOS管M4的栅宽，l表示MOS管的特征尺寸，即沟道长度，C_ox表示单位栅氧化层电容，μ_n表示器件电子迁移率，I表示偏置电流，ω表示振荡器的工作频率，R_eq表示电路的寄生电阻。

本发明在版图设计中，注意版图的对称性，经过功率分离器分离出信号的两个同路应保证完全的对称布局，任何幅度和相位的失配都会降低功率合成效率。