专利名称：超宽带脉冲信号发生器集成电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种产生超宽带脉冲信号的集成电路芯片技术，特别是利用微分电路法实现 脉冲发射的一种新型方法。本发明的结构同时可实现超宽带脉冲信号的幅度和极性调制。
背景技术：
超宽带(ultraiide band, UWB)通信技术通过调制和传送宽度极窄的脉冲信号序列实 现通信，这种脉冲的脉宽通常在l纳秒以下，其带宽可以达到或超过千兆赫兹(GHz)。
产生纳秒级或亚纳秒级宽度的窄脉冲信号是UWB通信技术的前提条件。目前,产生UWB 脉冲信号的方法主要有以下几种
1. 雪崩三极管方法。该方法的基本原理是对晶体三极管PN结加反向电压，利用在雪崩 击穿获得陡峭的上升沿，整形后即得到脉宽极窄的脉沖。详细请参照樊孝明，郑继禹， 林基明，"基于RF-BJT的超宽带极窄脉冲发生器的设计",电视技术2005年第5期(参 考文献[l])。
2. 阶跃二极管方法。该方法利用在管芯设计和结构工艺上经特殊处理的阶跃恢复二极管 产生电流阶跃，可以用来产生极窄的脉冲。详细请参照陈振威，郑继禹，"基于SRD 的超宽带脉冲产生与设计，"桂林电子工业学院学报，第25巻，第5期(参考文献[2])。
3. 交错方波信号产生法。详细请参照Smaini， L. Tinella， C. Helal， D. Stoecklii^ C. Chab賊L. Dcvaucellc， C. Ca加noz, R. Rinaldi, N. Bclot, D: Adv, Syst. Technol" STMicroelectronics， Genevaj Switzerland "Single-chip CMOS pulse generator for UWB systems" IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 41， NO. 7, JULY 2006 (参考文献[3])。
4. 微分电路产生法。该方法通过对信号的多次求导获得脉冲宽度极窄的脉冲。详细请参 照Yuanjing Zheng, Han Dong and Yong Ping Xu， "A Novel CMOS BiCMOS UWB Pulse Generator and Modulator" IEEE Microwave Symposium Di辟st， 2004 IEEE MTT國S International, Volume: 2, On page(s): 1269- 1272 Vol.2 (参考文献[4])。
在高速UWB通信当中，要求宽度极窄的脉冲信号，同时对系统的集成度，功耗等方面都 有很高的要求。然而传统的雪崩三极管和阶越二极管方法所产生的脉冲(参考文献[l] ， [2])， 其一般脉冲宽度都在Ins左右，很难实现低于纳秒级的脉沖信号。对于3.1-10. 6 GHz频段的 UWB系统，其对应的脉冲需要在0.2纳秒的量级，以上的技术很难实现。另外，上述方法同 传统硅CM0S的可集成性比较差，很难实现射频系统的单芯片方案，从而成本上将无法同可集 成的脉冲发生器技术相竞争。
交错方波信号产生法一般采用数字电路的方式来实现(参考文献[3]),具有脉冲宽度窄、 系统集成度髙等优点。但是，其实现的电路结构比较复杂、实现难度大，而且其芯片面积大， 从而成本将比较髙。
微分电路产生法采用的是模拟电路的路线，这种方法也是一种集成度较高的脉冲信号发 生器(参考文献[4])。它通过对信号的多次求导来实现窄脉冲，但目前发表的技术显示，传 统微分电路产生的信号由于通过多次求导，信号的幅度有了不少衰减， 一般输出只有几十毫 伏(参考文献[4])。对于远距离的UWB系统应用来说，这样的输出幅度是不能满足系统要 求的。
通过以上对现有技术的分析，我们发现，如何设计一款脉冲信号发生器，不但能使其产生的脉冲宽度足够窄，从而能满足高速UWB通信的要求，又能在电路复杂度、集成度上满足易实现和低成本的要求，同吋能够达到较高的输出幅度，是一个迄今尚未很好解决的问题。
本发明将采用微分电路产生法来实现宽度极窄的脉冲发射。同目前报道的结构(参考文献[4p相比，我们在同一集成电路芯片上集成了双端输入、双端输出的差分放大电路单元，从而可以提高脉冲的输出幅度，达到了 100mV以上的量级。另外，在本发明的电路结构中增加了电路单元，可以同时对脉冲进行极性调制。相比其它的设计技术，综合考虑脉冲宽度，脉冲输出幅度，以及芯片面积和复杂度等肉素，本设计都有较大的改进。
为论证本发明的设计思想，我们采用SMIC公司提供的0.18微米的互补型金属-氧化物-半导体场效应晶体管(CMOS)工艺，设计了超宽带脉冲信号发生器的集成电路芯片。电路设计结果验证了本发明的可行性。
发明内容
本设计采用的微分电路产生法，可以实现用于髙速UWB通信的极窄脉冲宽度的脉冲信号。与己经发表的技术相比，本发明是利用集成的脉冲调制电路，提髙脉冲幅度，并同时实现对脉冲的极性调制。相比其它的脉冲信号实现技术，综合考虑脉冲宽度、输出幅度及实现的难易程度和芯片面积、成本等因素，本设计具有较大的改进。
本发明在电路设计中采用了两阶微分电路和双相移相键控(BPSK)调制电路，分别用来产生窄脉冲和对脉冲进行极性调制。
两阶微分电路采用RLC网络实现。
BPSK调制电路采用传输门电路结构实现，通过控制电压的不同电平控制传输门的导通和关闭，输出不同极性的脉冲。以下解释本发明的基本原理
UWB脉沖信号发生器有两部分功能电路组成CMOS脉冲信号发生器，以及脉冲幅度调制、极性调制器。CMOS脉冲信号发生器产生满足脉冲宽度要求的窄脉冲；脉冲幅度调制、极性调制器增加前端电路产生的脉冲信号幅度，并通过控制电压的控制完成极性调制。
l.CMOS脉冲信号发生器
作为参考，我们引用己发表的结果作为讨论的基础。
按照参考文献[4]提出的结构，采用片上CMOS微分电路的方法，其基本原理如下在脉冲的发射部分，通过图l所示的框图来实现一个窄的二阶高斯脉冲。高斯脉冲的函数形式是<formula>formula see original document page 4</formula> (1)根据二阶高斯函数脉冲要求。首先，基带芯片发射出的数字信号通过
图1第一个功能模
块产生平方特性，可以通过将MOS管偏置在饱和区，电流与电压是一个平方的关系来实现
<formula>formula see original document page 4</formula> (2)
第二个模块需要指数率特性，当MOS管工作在弱反型区时，电流和电压的关系呈现指数特性(P. R. day, P. 1. Hmt, S. H. Lewis, and R. G Meyer, "Analysis and Design of AnalogIntegrated Circuits", Fourth edition, Job Wiley & Sons, Inc., 2001.,参i文献[5])。
第三个模块采取RLC谐振网络来实现，RLC谐振网络的传递函数正好可以实现二阶求导的功能(Thomas H. Lee "CMOS射频集成电路设计(第二版)"，电子工业出版社，参考文献[6p。经过第一级电路的上还三个模块，输出信号为脉宽小于1纳秒的二阶高斯脉冲，其带宽可以达到或超过GHz。
2.脉冲幅度调制、极性调制器
由前端脉冲信号发生器产生的窄脉冲信号可以达到适合高速UWB应用的脉冲宽度,但脉冲幅度往往只有十几毫伏(参考文献[4]),对于相对距离较远的UWB通信来说，信道的衰减和噪声会使得信号到达输出端已经很难被检测的到了 。
为克服幅度小的脉冲信号不易被检测的缺点，同时实现脉冲信号的调制，我们将脉沖发生器产生的脉冲信号接入后续的脉冲幅度调制以及极性调制单元。
脉冲幅度调制电路由双端输入、双端输出的差分放大电路组成，将前级产生的脉冲信号幅度放大后输出。
极性调制电路由传输门电路组成，通过控制电压的控制，完成对脉冲信号的BPSK调制。案例分析
为验证本电路发明的可行性，我们釆用SMIC公司0.18拜CMOS工艺和HSpice进行仿真，得到仿真结果如图3。
图3中第一行为时钟信号输入，第二行为脉冲极性调制控制信号。第三行和第四行信号为脉冲信号发生器未经调制输出的信号，最后一行为整个电路的输出信号。可以看出，该脉冲幅度为250mV，脉冲宽度为0.17ns(半峰宽)。还可以看出，在控制信号为O的时候输出正脉冲，控制信号为l输出负脉冲。
本设计的集成电路版图如图4所示。
附g说明
下面结合附图和实施例对本发明做进-步说明。
图1是本设计微分电路单元实现CMOS脉冲信号的电路原理示意图。
图2是本设计的集成电路芯片完整电路拓扑图。图中三个部分的具体功能将在具体实施方式
中阐述。其中电压信号Vck为固定的时钟脉冲；Vctrl为控制电压，对脉冲信号进行BPSK调制Vout为调制后的输出脉冲信号。
图3是我们采用SMIC公司0.18nmCMOS工艺和HSpice进行仿真得到的结果。第一行为时钟信号输入，第二行为脉冲极性调制控制信号。第三行和第四行信号为脉冲信号发生器未经调制输出的信号，最后一行为整个电路的输出信号。
图4是本设计的集成电路版图。
图2中，
10~电容Cs
11- 电容C/
12- 电容G
13- 电容C,/14_电容C"15-电容Cc,16~电容Cc220~电阻i /
21- 电阻i 2
22- 电阻/ 5
23- 电阻2f电阻i 725-电阻i 。w/
530~电感丄i
31-电感丄2
40"N-型场效应晶体管(NMOS)
41-P-型场效应晶体管(PMOS) Affl2
42-NMOS晶体管Mi
43-PMOS晶休管Jl/244~NMOS晶体管
45-NMOS晶体管A4S2
46-NMOS晶体管MS3
47-NMOS晶体管M3a
48-NMOS晶体管A/3b49~NMOS晶体管A/4a50"NMOS晶体管MA
51-NMOS晶体管M;m
52-NMOS晶体管Afo
53-PMOS晶体管Ma54~PMOS晶体管MM55-PMOS晶体管A/2556"PMOS晶体管Mm
57-PMOS晶体管Af27
58-NMOS晶体管M28
59-NMOS晶体管M2960"NMOS晶体管Af30
61—NMOS晶体管Af3i
62—NMOS晶体管
63—NMOS晶体管A/C264~NMOS晶体管MC370"输入电压Vck端口
71- 地GND
72-输出电压Vout
73- 地GND
74_^制电压Vctrl端口。
具体实施例方式
图2为电路的完整拓扑图。整个电路的拓扑图可以分为三个部分。其中A部分主耍包括电阻i /， i ,/, i w,2; MOS晶体管A^， Af2, M a， M3b， M《，Jl^b, 电感A,丄2,以及电容G， C2。 B部分主要包括MOS晶体管A/21， M22, M29， Mb， A^。其余的电路为C部分，包括MOS晶体管Afd， MC2, AfC3，电阻/ c。
A部分为脉冲信号产生电路；B部分是脉冲信号的幅度调制电路，该电路通过采用双端输入、双端输出差分形式将脉冲信号放大C部分是脉冲信号极性调制电路，控制电压Vctrl控制传输门开启、闭合决定输出脉冲的极性。
1.脉冲信号产生电路。MOS晶体管Jl^工作在饱和区，提供三极管漏电流和栅源电压的平方率关系。电阻i ;是反馈电阻，将电流转换为MOS管M2的输入电压。MOS晶体管械为源极跟随器，实现电平转换。差分对MOS晶体管M3a， Jl/3b工作在亚阈区，实现图l中的指数关系。电感丄i,丄2、电容C;， C2和电阻i 加,，i 加2组成RLC谐振网络，得到对差分
6对电流二阶导数的输出电压。
2. 幅度调制电路。晶体管M;n和M22等组成双端输入、双端输出差分放大电路，对第一
级输出的小幅脉冲信号放大，得到的脉冲幅度可达到几百毫伏。同参考文献[4]的结果相比，
我们的脉冲幅度提高1个数量级。
3. 极性调制电路。控制电压Vctrl加在晶体管MC,和MC2的栅极上，使两个晶体管交替导通，输出电压极性变化。
案例分析
为验证本电路发明的可行性，我们采用SMIC公司0.18nmCMOS工艺和HSpice进行仿真，得到仿真结果如图3。
图3中第一行为时钟信号输入，第二行为脉冲极性调制控制信号。第三行和第四行信号为脉冲信号发生器未经调制输出的信号，最后一行为整个电路的输出信号。可以看出，在控制信号为0的时候输出正脉冲，控制信号为1输出负脉冲。该脉冲幅度为250mV，脉冲宽度为0.17ns (半峰宽)。还可以看出，在控制信号为0的时候输出正脉冲，控制信号为l输出负脉冲。设计的版图如图4所示。
权利要求
1.一种超宽带脉冲信号发生器集成电路芯片的实现方法，本方法采用模拟电路结构，在一个芯片上集成了两阶微分电路，差分放大电路，以及双相移相键控(BPSK)调制电路三个单元，在实现超宽带脉冲信号的同时，实现脉冲的增幅和极性调制。
2. 按照权利要求1所述，超宽带脉冲信号发生器集成电路的微分电路部分由如下元件组成， 包括三个电阻(i !， i 。utl， i 加B)， 7个晶体管(MOS) (M， M2， AGa, M b， M《，M4b, JWS。， 2个电感(A, ￡2),以及2个电容(C,， C2)，产生脉宽小于Ins的二阶高斯脉冲信 号。
3. 按照权利要求1所述，超宽带脉冲信号发生器集成电路的差分放大电路部分主要由5个晶 体管(MOS) M21, M22， M29， M23， M24组成，实现脉冲信号的幅度调制和放大。
4. 按照权利要求1所述，超宽带脉冲信号发生器集成电路的双相移相键控(BPSK)调制电路 部分由3个晶体管(M0S) Md， MC2， MC3;以及电阻i c组成，通过控制电压(Vctrl)控 制传输门Md和MC2的开启和闭合，实现输出电压极性调制。
5. 按照权利要求2所述，微分电路部分的晶体管(MOS) A^工作在饱和区，提供晶体管漏 电流和栅源电压的平方率关系，电阻A是反馈电阻，将电流转换为MOS管械的输入电压， 晶体管(MOS) M2为源极跟随器，实现电平转换。
6. 按照权利要求2所述，微分电路部分的差分对晶体管(MOS) MJa， M b工作在亚阈区， 实现对输入信号的指数关系，电感丄,，丄2，电容C!， C2和电阻i 。必，i 。必组成RLC谐振 网络，得到对电流二阶微分导数的输出电压。
7. 按照权利要求3所述，差分放大电路部分的晶体管(MOS) il/;^和il/22组成双端输入、双 端输出差分放大电路，对第一级输出的小幅脉冲信号放大，得到1百毫伏以上的脉冲幅度。
8. 按照权利要求4所述，双相移相键控(BPSK)调制电路部分的控制电压Vctri加在晶体管 Md和AfC2的栅极上，使两个晶体管交替导通，实现输出电压极性变化。
全文摘要
设计了一种超宽带脉冲信号发生器集成电路芯片。本发明采用微分电路来实现宽度极窄的脉冲发射，电路中采用了双端输入、双端输出的差分放大电路结构，从而可以提高脉冲的输出幅度。另外，在本发明的电路结构中集成了调制电路，可以同时对脉冲进行极性调制。同目前报道的其他结构相比，本发明具有结构简单，芯片面积小，脉冲输出幅度高，脉冲窄等特点。我们利用0.18微米的混合信号CMOS工艺，验证了本发明的集成电路结构的可行性。
文档编号H04B1/69GK101656551SQ20081004196
公开日2010年2月24日 申请日期2008年8月21日 优先权日2008年8月21日
发明者伍莲洪, 欣 唐, 楠 姜, 勇 王, 黄风义 申请人:爱斯泰克(上海)高频通讯技术有限公司