一种全氮化镓电路的制作方法

本公开涉及电路领域，特别涉及一种全氮化镓电路。

背景技术：

在民用移动电话、无线通信领域，或者军事用途的通信领域，高频乃至超高频的信号传输越来越广泛。随着频率的提升，对相关电路的设计提出了越来越严格的要求。

如何有效应对高频乃至超高频的各种应用场景，成为电路领域亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本公开提出了一种全氮化镓电路，至少包括：

第一差分放大单元，第一、第二输入端，和第一、第二输出端，和电源端，以及接地端；

所述第一差分放大单元包括第一氮化镓场效应晶体管、第二氮化镓场效应晶体管、第一氮化镓阻性单元、第二氮化镓阻性单元、第一氮化镓恒流源单元，其中：

第一氮化镓场效应晶体管的漏极与第一氮化镓阻性单元的一端串联形成第一氮化镓支路，第二氮化镓场效应晶体管的漏极与第二氮化镓阻性单元的一端串联形成第二氮化镓支路；并且：所述第一氮化镓阻性单元的另一端、第二氮化镓阻性单元的另一端均与电源端连接；

第一氮化镓场效应晶体管的源极与第二氮化镓场效应晶体管的源极相连，并共同连接于所述第一氮化镓恒流源单元的一端，所述第一氮化镓恒流源单元的另一端则连接所述接地端；

第一氮化镓场效应晶体管的栅极连接所述第一输入端，第二氮化镓场效应晶体管的栅极连接所述第二输入端；

第一氮化镓场效应晶体管的漏极连接所述第一输出端，第二氮化镓场效应晶体管的漏极连接所述第二输出端。

优选的，

所述第一氮化镓阻性单元、第二氮化镓阻性单元包括如下氮化镓器件：二极管连接方式的各种氮化镓场效应晶体管。

优选的，

所述电路中至少包括D型氮化镓和E型氮化镓场效应晶体管。

优选的，

所述第一氮化镓阻性单元、第二氮化镓阻性单元包括耗尽型或增强型器件；

所述第一氮化镓场效应晶体管、第二氮化镓场效应晶体管包括增强型器件或耗尽型器件。

优选的，

所述第一氮化镓阻性单元、第二氮化镓阻性单元包括：电压等级较高的氮化镓阻性单元。

优选的，

所述电路用作稳压器，或比较器，或放大器，或振荡器。

优选的，所述电路还包括：

第二级放大单元，其包括第二保护单元和第三差分放大单元，并且：

所述第三差分放大单元与第一差分放大单元的具有相同的拓扑结构；

所述第一差分放大单元的第一、第二输出端与第二保护单元的输入连接，所述第二保护单元的输出进一步与第三差分放大单元的第一、第二输入端连接，其中，第二保护单元用于防止第三差分放大单元中的器件损坏；

所述第三差分放大单元的第一、第二输出端连接后级。

优选的，

所述后级为第四输出单元或第三级放大单元；

当所述后级为第四输出单元时，所述第二级放大单元中的第三差分放大单元的第一、第二输出端连接第四输出单元的输入，且第四输出单元具有一个输出端，所述第四输出单元的输出端用于连接负载；

当所述后级为第三级放大单元时，所述第三级放大单元包括第四保护单元和第五差分放大单元，并且所述第三级放大单元与第二级放大单元具有相同的拓扑结构。

优选的，所述电路还包括：

所述第四输出单元的输出端还经由第一反馈单元而进一步连接至第一差分放大单元的第二输入端。

优选的，

所述第四输出单元包括如下任一输出结构：推挽式输出或源跟随器。

通过上述技术方案，本公开实现了一种新颖的、全氮化镓电路，其具备模块化和超高频的特点，可以广泛应用于稳压器、比较器、放大器、或振荡器等。

附图说明

图1是本公开中一个实施例所示的电路示意图；

图2是本公开中另一个实施例所示的电路示意图；

图3是本公开中另一个实施例所示的电路示意图。

具体实施方式

在以下描述中，阐述了多个细节，以提供对本公开的实施例的更全面的说明。然而，对本领域技术人员来说，将显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实施本实用新型的实施例。在其他实施例中，以框图形式而不是详细地示出了公知的结构，以避免使本公开的实施例模糊。此外，可以将以下描述的不同实施例的特征与彼此组合，除非以其他方式具体声明。

参见图1，在一个实施例中，本公开提出了一种全氮化镓电路，至少包括：

第一差分放大单元，第一、第二输入端(IN21，IN22)，和第一、第二输出端(OUT21，OUT22)，和电源端(VDD)，以及接地端；

所述第一差分放大单元包括第一氮化镓场效应晶体管(M23)、第二氮化镓场效应晶体管(M24)、第一氮化镓阻性单元(M21)、第二氮化镓阻性单元(M22)、第一氮化镓恒流源单元(Is21)，其中：

第一氮化镓场效应晶体管(M23)的漏极与第一氮化镓阻性单元(M21)的一端串联形成第一氮化镓支路，第二氮化镓场效应晶体管(M24)的漏极与第二氮化镓阻性单元(M22)的一端串联形成第二氮化镓支路；并且：所述第一氮化镓阻性单元(M21)的另一端、第二氮化镓阻性单元(M22)的另一端均与电源端(VDD)连接；

第一氮化镓场效应晶体管(M23)的源极与第二氮化镓场效应晶体管(M24)的源极相连，并共同连接于所述第一氮化镓恒流源单元(Is21)的一端，所述第一氮化镓恒流源单元的另一端则连接所述接地端；

第一氮化镓场效应晶体管(M23)的栅极连接所述第一输入端(IN21)，第二氮化镓场效应晶体管(M24)的栅极连接所述第二输入端(IN22)；

第一氮化镓场效应晶体管(M23)的漏极连接所述第一输出端(OUT21)，第二氮化镓场效应晶体管(M24)的漏极连接所述第二输出端(OUT22)。

对于上述实施例，显然，其披露了一种带有具体拓扑结构的差分放大电路。就差分放大电路而言，其可以通过两个输出端连接后级负载来提供差分放大功能。极端情况下，如果一级差分放大输出确有必要的话，其可以作为具有一级差分放大能力的电路。另外，下文会披露该电路的更优的实施例：多级放大以及高频(或超高频)应用的其他器件的具体实施(例如用于进一步实现比较器、振荡器等)。

其中，氮化镓阻性单元可以包括二极管连接方式的各种氮化镓场效应晶体管，本领域技术人员均知晓二极管连接方式是指将场效应晶体管的栅极和漏极连接在一起(例如图1中的M21、M22)，此时该场效应晶体管工作在饱和区，相当于一个小信号电阻。另外，二极管连接方式的各种氮化镓场效应晶体管可以包括如下任一类型器件或其任意组合：二极管连接方式的氮化镓MESFET、二极管连接方式的氮化镓MOSFET、二极管连接方式的氮化镓HFET、二极管连接方式的氮化镓HEMT。需要说明的是：当以二极管连接方式的各种氮化镓场效应晶体管实现氮化镓阻性单元时，对应的差分放大单元中差分对的增益与输入的变化相对无关，增益相对保持稳定。

能够理解，上述实施例的特点之一是其具体拓扑结构，特点之二在于全氮化镓的特性：更能胜任含有高频或超高频放大器电路。由于上述实施例在每一个元件(或器件)方面均将其实现为氮化镓元件(或器件)，而电路是一个互相连接和协同的结构，使得上述电路在开关频率、响应、损耗等各方面达到了完美的配合，完全胜任各种高频或超高频应用场景。

在另一个实施例中，

所述电路中至少包括D型氮化镓和E型氮化镓场效应晶体管。其中，E型氮化镓也称E-mode GaN，为增强型器件；D型氮化镓也称D-mode GaN，为耗尽型器件。也就是说，电路具备复合型氮化镓的特点。

例如，图1中M21、M22选择耗尽型或D型氮化镓器件，M23、M24选择增强型的话，OUT21和OUT22这两个输出端的电压摆幅最高可以达到VDD，那么，整个电路将能够实现相当高的增益。

在另一个实施例中，

所述第一氮化镓阻性单元、第二氮化镓阻性单元包括耗尽型或增强型器件；

所述第一氮化镓场效应晶体管、第二氮化镓场效应晶体管包括增强型器件或耗尽型器件。

如前所述，图1中，第一、第二氮化镓阻性单元M21、M22选择耗尽型或D型氮化镓器件，M23、M24选择增强型的话，整个电路将能够实现相当高的增益；类似的，第一、第二氮化镓阻性单元M21、M22选择增强型氮化镓器件，M23、M24也选择增强型的话，整个电路同样能够实现相当高的增益，只是较M21、M22选择耗尽型时的增益要小一点，这是因为与M21、M22选择耗尽型器件相比较，M21、M22选择增强型器件时的阻抗较小。也就是说，M23、M24选择增强型的话，无论M21、M22如何选型，对此种情形的电路的高增益影响很小。但是，M23、M24选择耗尽型的话，则整个电路所能够实现的增益的上限，将不如M23、M24选择增强型的情形。这是因为，M23、M24选择耗尽型的话，OUT21和OUT22这两个输出端的电压摆幅最高也就达到VDD-VTH，相比之下，摆幅较M23、M24选择增强型时要小。然而，总体而言，由于VTH影响也是有限的，所以，本实施例始终实现了在较高水平上的增益。

在另一个实施例中，

所述第一氮化镓阻性单元、第二氮化镓阻性单元包括：电压等级较高的氮化镓阻性单元。

就该实施例而言，其可以提高电路的耐压能力。

在另一个实施例中，

所述电路用作稳压器，或比较器，或放大器，或振荡器。

如前文所述，本公开虽然在第一个实施例中揭示的是一种差分放大电路，然而本公开所揭示的电路能够进一步实现其一定程度的通用性或扩展性，例如实现比较器、振荡器等。这与差分放大电路的输出有关，其很容易连接后级对应的电路来实现稳压器、比较器、放大器，或振荡器，其中，振荡器可以采用比较器级联后显而易见的得到。后文将会采用更详细的实施例和电路示意图来说明。

在另一个实施例中，所述电路还包括：

第二级放大单元，其包括第二保护单元和第三差分放大单元，并且：

所述第三差分放大单元与第一差分放大单元的具有相同的拓扑结构；

所述第一差分放大单元的第一、第二输出端与第二保护单元的输入连接，所述第二保护单元的输出进一步与第三差分放大单元的第一、第二输入端连接，其中，第二保护单元用于防止第三差分放大单元中的器件损坏；

所述第三差分放大单元的第一、第二输出端连接后级。

对于本领域技术人员而言，该实施例相比前一实施例，则进一步在本公开的第一个实施例的基础上实现了多级放大的电路。也就是说，在该实施例中，其所继承的第一个实施例的技术方案实质上充当了第一级放大单元，而当前实施例的第二级放大单元则用于进一步实现多级放大。

详见图2，其中，以氮化镓场效应晶体管M311、M312、M313、M314、氮化镓恒流源单元Is311为主，其代表第一级放大单元，即代表第一差分放大单元；

以氮化镓场效应晶体管M315、M316、氮化镓恒流源单元Is312和Is313为主，其代表第二保护单元；而以氮化镓场效应晶体管M317至M320、和氮化镓恒流源单元Is314为主，其代表第三差分放大单元。此处，第二保护单元和第三差分放大单元共同隶属于第二级放大单元；显然，对照图2和图1，容易理解：第三差分放大单元与第一差分放大单元的具有相同的拓扑结构。毫无疑问，上述实施例实现了全氮化镓电路的多级放大电路。

需要说明的是，第三差分放大单元与第一差分放大单元的具有相同的拓扑结构，还包括图3所示的情形。图3中的第三差分放大单元，相当于通过第三、第四电阻M117、M118来作为阻性单元。所述第三、第四电阻可以包括如下任一：高压电阻，薄膜电阻，深(埋)层电阻。另外，第三、第四电阻用作连接VDD电源端的负载时，以M119为例，当其输入端发生变化时，鉴于氮化镓器件的特点，会很快引起漏电流发生变化，改变的漏电流导致第三电阻M117处的输出也很快发生变化，从而实现对应输出的非线性增益，如果M119的输入变化幅度越大，那么非线性增益越明显。这有利于在第三差分放大单元实现非线性的增益。也就是说，当第三差分放大单元采用第三、第四电阻时，第三差分放大单元具备非线性增益的特性。

至于第二保护单元的具体实施方式，对于本领域技术人员而言，由于其用于防止第三差分放大单元中的器件损坏，所以其实现方式很多。典型的，如图2中所示的以氮化镓场效应晶体管M315、M316、氮化镓恒流源单元Is312和Is313为主的部分，其本质上属于电压/电平转换器(Level Shifter)。能够理解，除电平转换器外，可以用氮化镓器件实现其他方式的保护单元，同样能够防止第三差分放大单元中的器件损坏。

在另一个实施例中，

所述后级为第四输出单元或第三级放大单元；

当所述后级为第四输出单元时，所述第二级放大单元中的第三差分放大单元的第一、第二输出端连接第四输出单元的输入，且第四输出单元具有一个输出端，所述第四输出单元的输出端用于连接负载；

当所述后级为第三级放大单元时，所述第三级放大单元包括第四保护单元和第五差分放大单元，并且所述第三级放大单元与第二级放大单元具有相同的拓扑结构。

对于该实施例，图2实际上示例了以氮化镓场效应晶体管M321、M322为主，所代表的第四输出单元作为后级的情形。而后级为第三级放大单元的情形，相当于比前一实施例再多增加一级放大单元，鉴于前一实施例的描述，此处不再图示赘述。

在另一个实施例中，

所述第四输出单元的输出端还经由第一反馈单元而进一步连接至第一差分放大单元的第二输入端。

对于该实施例而言，由于额外限定反馈这一单元，所以使得其可以在差分放大电路的基础上实现更佳的放大器。需要额外说明的是，如果没有反馈这一单元，本公开的电路则能够用于实现比较器：第一级放大单元的两个输入端用于输入两个要比较的信号，而最终输出则输出比较的结果。

在另一个实施例中，

所述第四输出单元包括如下任一输出结构：推挽式输出或源跟随器。

如图2所示的第四输出单元，其属于推挽式输出：可以采用两个参数相同的氮化镓场效应晶体管，当上面的N管M321导通时，电流从上往下通过，提供电流给负载；当管M322导通，M321关断时，电流的方向是从负载到地。所以，电流的方向是双向的。以推挽方式存在的电路工作时，两只对称的场效应晶体管每次只有一个导通，所以导通损耗小效率高。推挽式输出既可以向负载灌电流，也可以从负载抽取电流。至于源跟随器所实现的第四输出单元，其实现方式众多，在此不一一赘述。

上述实施例对本公开的原理仅是示意性的。应当理解，本文描述的布置和细节的修改和变型将对本领域技术人员来说显而易见。因此，意图是仅受接下来的专利权利要求的范围限制，而不受通过本文对实施例的描述和说明而提出的具体细节限制。