专利名称：GaAs HBT超高速2分频器的制作方法
技术领域：
本发明属于集成电路技术领域，特别涉及一种GaAs异质结双极晶体管HBT超高速 分频器，可用于集成电路设计及信号处理。
背景技术：
分频器是一种能够把输入的高频信号经过处理输出低频率的信号装置，广泛应用 于通信设备中。通常，使用触发器电路或锁存器电路来实现分频器。分频器作为锁相环的 重要组成部分，其工作的速度直接决定了锁相环的应用范围，高速通信是信息时代发展的 必然趋势。因此，提高分频器的工作速度势在必行。目前的分频器主要分为普通分频器和高速分频器两类。普通分频器内的各模块是 通过单端信号进行传输，信号传输较慢；高速分频器内各模块间则通过差分信号进行传输， 信号传输快。在现代通信电路中由于需要适合差分信号的直接结果，所以分频器通常使用 差分信号。GaAs HBT 2分频器工作速度快，可以有效地提高高频开关性能，可以很好的满足 现代超高速通信系统的要求。因为InGaP/GaAs HBT价带偏移大，导带偏移小，电流增益稳 定，可靠性高；频率特性主要由外延层决定，对光刻水平要求低，成品率高，器件匹配性好； 不含Al，不存在深能级复合中心，因而改善了器件的增益与Ι/f噪声特性；采用半导体绝缘 衬底拥有更好的A-D隔离，偏置方便等优点。因此GaAs HBT适合中规模超高速混合信号集 成电路。现代2分频器如图1所示，它是窄带的基于超谐波注入锁定，该电路是通过注入 一个振荡电路一个比较强的二倍频信号，从而牵引振荡器并使之锁定到注入信号的1/2频 率。这类电路工作频率范围比较窄，比较低，不能满足超高频电路的要求。
发明内容
本发明的目的在于避免上述已有技术的不足，推出一种GaAs HBT超高速2分频 器，以展宽电路工作频率范围，提高工作频率，满足超高频电路的要求。实现本发明目的技术方案是结合InGaP/GaAs HBT和电流模逻辑CML电路两者的 特点，用HBT基于CML结构组成2分频器。整个2分频器包括分频器核心部件和偏置电 路，其中分频器核心部件采用GaAs HBT和CML结构，以提高工作频率及电路的稳定性；分频 器核心部件的输入端连接有输入缓冲器，输出端连接有输出缓冲器，以提高驱动能力，实现 电平转换和阻抗的匹配。所述的偏置电路包括4个GaAs异质结双极晶体管Ql Q44，Ql和Q42分别与Q43 和Q44连接，共同构成Bata-help电流镜结构；该偏置电路分别与分频器核心部件、输入缓 冲器和输出缓冲器连接，为其提供偏置电压。所述的输入缓冲器，包括9个GaAs异质结双极晶体管Ql1 Ql9, Ql1与Ql2构成 差分电路，Ql3与Ql5构成第一射极跟随器，Ql4与Ql6构成第二射极跟随器；该第一射极跟随器与Ql1的集电极连接，该第二射极跟随器与Ql2的集电极连接；Ql7 Ql9分别与差分电 路的发射极和第一、第二射极跟随器连接。所述的输出缓冲器，包括7个GaAs异质结双极晶体管QS1 Q37，Q3S与Q34构成 差分电路，Q3,和Q32分别与Q3S和Q34连接，Q35 Q37分别与QS1、差分电路和Q32连接。所述的分频器核心部件，采用由电流模逻辑电路CML构成的τ-type触发器，该触 发器采用主要由14个GaAs异质结双极晶体管Q2i Q214组成的主从结构，其中，由Q2i Q27构成主结构，由Q28 Q214构成从结构；该分频器核心部件与输入缓冲器和输出缓冲器 之间，通过双端差分输入双端差分输出相连接。本发明由于分频器使用InGaP/GaAs HBT结构，提高了分频器的工作频率；同时由 于在分频器核心部件的两端连接输入输出缓冲器，提高了电路的驱动能力，并通过射极跟 随器提供合适的电平转换；此外由于偏置电路采用Bata-help电流镜结构，提供了更精确 的电流，分频器核心部件采用CML电路，实现了差分信号的负载对称，抑制了共模噪声，增 强了分频器自身电路的稳定性，使用峰化电感。为了获得更好的匹配版图严格对称，所有的高速路径都进行了 EM电磁仿真验证。仿真实验表明，该分频器最高工作频率达到22. 3GHZ，工作频率范围从DC到 22. 3GHZ ；输入频率为22. 3GHZ，输入功率为9. 972dBm，输出频率为11. 15GHZ，输出功率为 0.788dBm。
图1为现有技术中窄带的基于超谐波注入锁定分频器电路图
图2为本发明分频器结构框图3为本发明的输入缓冲器电路图4为本发明的分频器核心部件电路图5为本发明的输出缓冲器电路图6为本发明的偏置电路电路图7为本发明仿真中的系统结构图8为本发明仿真中的仿真结果图。
具体实施例方式参照图2，本发明的分频器包括输入缓冲器、分频器核心部件，输出缓冲器和偏置 电路。分频器核心部件的输入端与输入缓冲器连接，输出端与输出缓冲器连接；偏置电路分 别与分频器核心部件、输入缓冲器和输出缓冲器连接；整个分频器采用双端差分输入双端 差分输出连接结构。其中输入缓冲器，结构如图3所示，它包括9个GaAs异质结双极晶体管Ql1 Ql9和 7个电阻Rl1 Rl7。其中Ql1与Ql2构成差分电路，Ql3与Ql5构成第一射极跟随器，Ql4与 Ql6构成第二射极跟随器；Ql1的基极与输入同相端IN_P、Rl1连接，Ql2的基极与输入反相 端IN_N和Rl2连接，差分对Ql1与Ql2的集电极分别与Ql3、Ql4的基极和Rl3、Rl4连接，Ql3 和Ql4的集电极与地线连接，Ql3的发射极与Ql5的集电极连接，Ql4的发射极与Ql6的集电 极连接，Ql5的发射极和Ql8的集电极与输出反相端0UT_N连接，Ql6的发射极和Ql9的集电极与输出同相端0UT_P连接，Ql和Ql2的发射极与Ql7的集电极连接，Ql7的基极与偏置端 Bais连接，Ql7的发射极与Rl5连接，Ql8的基极与偏置端Bais连接，Ql8的发射极与Rl6连 接，Ql9的基极与偏置端Bais连接，Ql9的发射极与Rl7连接。分频器核心部件，结构如图4所示，它包括10个电阻R2i R21(1、8个电感I^1 L28和14个GaAs异质结双极晶体管Q2, Q214。该Q2, Q214组成主从结构，其中Q2, Q27组成主结构，Q28 Q214组成从结构；Q23与Q24构成整个分频器核心部件的第一差分电 路，Q25与Q26构成整个分频器核心部件的第二差分电路，Q2n与Q212构成整个分频器核心 部件的第三差分电路，Q213与Q214构成整个分频器核心部件的第四差分电路；Q2i和Q29的 基极与输入同相端IN_P连接，Q2i和Q22的发射极与Q27的集电极连接，(^1的集电极与第 一差分对Q23和Q24的发射极连接，Q22和Q21(1的基极与输入反相端IN_N连接，Q22的集电 极与第二差分对Q25和Q26的发射极连接，Q23的基极与Q212的集电极连接；Q23的集电极、 Q25的基极、Q26的集电极、Q213的基极和R29均与R25连接，R29的另一端与L27连接，R25的 另一端与L23连接，Q24的基极与Q212的基极连接，Q24的集电极、Q25的集电极、Q26的基极、 Q214的基极、R210均与R26连接，R210的另一端与L28连接，R26的另一端与L24连接，Q27的 基极与偏置端Bais连接，Q27的发射极与R2i连接，Q28的基极与偏置端Bais连接，Q28的 发射极与R22连接，Q28的集电极与Q29、Q210的发射极连接，Q29集电极与第三差分对Q2n、 Q212的发射极连接，Q210集电极与第四差分对Q213、Q214的发射极连接；Q2n的基极、Q214的 集电极、Q212的集电极与输出反相端0UT_N连接，R28、R24与输出反相端0UT_N连接，R28与 L26连接，R24与L22连接，Q2n集电极、Q213集电极、Q212的基极与输出同相端0UT_P连接； R27、R23与输出同相端0UT_P连接，R27与L25连接，R23与12,连接。Q27和Q28端的偏置电 压为-3. 46V，若2分频器IN_P端电压=-2. 92V，Q2,和Q29开启，Q22和Q210截止。Q2,开 启，使Q23和Q24差分对进入工作状态，传输信号。Q29开启，使Q2n和Q212差分对锁存数据。 若2分频器IN_N端电压=-2. 92V, Q22和Q210开启，Q2,和Q29截止。Q22开启，使Q25和Q26 差分对进入工作状态，传输信号。Q21(l开启，使0213和0214差分对锁存数据。相互间交替工 作，且0212输出端与023和Q24输入端相连接，四个差分对构成了环形反馈回路，本发 明在时钟信号控制下可实现2分频功能，输入信号频率22. 3GHZ，输出信号频率11. 15GHZ。 差分输入信号和2分频差分输出信号仿真结果图如图8所示。输出缓冲器，结构如图5所示，它包括7个GaAs异质结双极晶体管QS1 Q37和5 个电阻RS1 R35。其中Q33与Q34构成差分电路，QS1的基极与输入同相端IN_P连接，Q32 的基极与输入反相端IN_N连接，Q3i、Q32的集电极与地线连接，QS1的发射极、Q33的基极与 Q35的集电极连接，Q32的发射极、Q34的基极与Q37的集电极连接，差分对Q33、Q34的集电极 分别与0UT_N、0UT_P连接，RS1与输出反相端0UT_N连接，R32与输出同相端0UT_P连接，差 分对Q33、Q34的发射极与Q36的集电极连接，Q35的基极与偏置端Bais连接，Q35的发射极 与R33连接，Q36的基极与偏置端Bais连接，Q36的发射极与R34连接，Q37的基极与偏置端 Bais连接，Q37的发射极与R35连接。偏置电路，结构如图6所示，它包括4个GaAs异质结双极晶体管Ql Q44和6个 电阻IM1 R46。其中，Ql的基极和Q43、的集电极与IM1连接，Q42的基极和Q44的集电极与 R42连接，IM1和R42与控制端Ctrl连接，Ql和Q42的集电极与地线连接，Ql和Q42的发射 极与偏置Bais端连接，Q43和Q44的基极与偏置Bais端连接，Ql的发射极与R43连接，Q42的发射极与R44连接，Q43的发射极与R45连接，Q44的发射极与R46连接。该偏置电路的电 源电压VEE为-5V，偏置电压为-3. 46V，使得所有异质结双极晶体管正常工作。本发明的效果可以通过以下仿真实验进一步说明本发明的仿真的系统结构如图7所示，其中输入缓冲器用IruBuffer表示，分频器 核心部件用Divider_2表示，输出缓冲器用Out_buffer表示，偏置电路用Bias表示；差分 输入正弦信号与输入缓冲器IruBuffer连接，差分输出信号与输出缓冲器OutJxiffer连 接，采用瞬态仿真，两个正弦信号幅值为0.5V，频率为22.3GHZ，相位为0°和180°，输入信 号无延迟，Vl = 0V, V2 = -5V。仿真结果如图8所示，其中图8A是时域图，图8B是频谱图，从图8A可以看出，差 分输入正弦信号I幅值为IV，其差分输出正弦信号0幅值为0. 4V ；从图8B可以看出，在最 高输入频率为22. 3GHZ，输入功率为9. 972dBm的条件下，其差分输出频率为11. 15GHZ，输出 功率为0. 788dBm，实现了二分频功能。
权利要求
一种GaAs HBT超高速2分频器，包括分频器核心部件和偏置电路，其特征在于分频器核心部件采用GaAs HBT和CML结构，以提高工作频率及电路的稳定性；分频器核心部件的输入端连接有输入缓冲器，输出端连接有输出缓冲器，以提高驱动能力，实现电平转换和阻抗的匹配。
2.根据权利要求1所述的GaAsHBT超高速2分频器，其特征在于分频器核心部件与输 入缓冲器和输出缓冲器之间，通过双端差分输入双端差分输出相连接。
3.根据权利要求1所述的GaAsHBT超高速2分频器，其特征在于偏置电路分别与分频 器核心部件、输入缓冲器和输出缓冲器连接，为其提供偏置电压。
4.根据权利要求1所述的GaAsHBT超高速2分频器，其特征在于输入缓冲器(1)，包 括9个GaAs异质结双极晶体管Ql1 Ql9, Ql1与Ql2构成差分电路，Ql3与Ql5构成第一射 极跟随器，Ql4与Ql6构成第二射极跟随器；该第一射极跟随器与Ql1的集电极连接，该第二 射极跟随器与Ql2的集电极连接；Q17 Q19分别与差分电路的发射极和第一、第二射极跟随 器连接。
5.根据权利要求1所述的GaAsHBT超高速2分频器，其特征在于分频器核心部件(2)， 采用由电流模逻辑电路CML构成的T-type触发器，该触发器采用主要由14个GaAs异质结 双极晶体管Q2i Q214组成的主从结构，其中，由Q2i Q27构成主结构，由Q28 Q214构成 从结构。
6.根据权利要求5所述的GaAsHBT超高速2分频器，其特征在于所述的主结构，包括 由Q23与Q24和Q25与Q26组成的两个差分对，两个差分对分别与Q2i和Q22连接，该Q2i与 Q22组成差分输入。
7.根据权利要求5所述的GaAsHBT超高速2分频器，其特征在于所述的从结构，包括 由Q2n与Q212和Q213与Q214组成的两个差分对，两个差分对分别与Q29和Q21(1连接，该Q29 与Q21(1组成差分输入。
8.根据权利要求1所述的GaAsHBT超高速2分频器，其特征在于输出缓冲器(3)，包 括7个GaAs异质结双极晶体管Q3, Q37，Q3S与Q34构成差分电路，QS1和Q32分别与Q3S 和Q34连接，Q35 Q37分别与QS1、差分电路和Q32连接。
9.根据权利要求1所述的GaAsHBT超高速2分频器，其特征在于偏置电路(4)，包括4 个GaAs异质结双极晶体管Qt Q44，Qi1和Q42分别与Q43和Q44连接，共同构成Bata-help 电流镜结构。
全文摘要
本发明公开了一种GaAs HBT超高速2分频器，主要解决现有分频器工作频率范围比较窄，频率低的问题。本发明的2分频器主要由输入缓冲器，分频器核心部件，输出缓冲器和偏置电路组成；其中输入缓冲器通过一个差分放大电路后经射极跟随器差分输出给分频器核心部件；分频器核心部件采用电流模逻辑电路CML所构成的主从结构的T-type触发器，其输出给输出缓冲器；输出缓冲器通过一射极跟随器后经差分放大电路输出；偏置电路采用Bata-help电流镜结构为其它电路提供偏置电压。本发明具有驱动能力高、电平转换精确、抑制共模噪声强，稳定性好和工作频率高的优点，适用于作超高速N级级联的2N分频器和锁相环式频率综合器。
文档编号H03L7/18GK101888245SQ20101019275
公开日2010年11月17日 申请日期2010年6月4日 优先权日2010年6月4日
发明者吕红亮, 张义门, 张玉明, 汤晓燕, 洪朴, 程和远, 詹晓伟 申请人:西安电子科技大学