CN101888245A - GaAs HBT超高速2分频器 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

GaAs HBT超高速2分频器
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1/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Q41～Q44，Q41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Q11～Q19，Q11与Q12构成差分电路，Q13与Q15构成第一射极跟随器，Q14与Q16构成第二射极跟随器；该第一射极跟随器与Q11的集电极连接，该第二射极跟随器与Q12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。
所述的输出缓冲器，包括7个GaAs异质结双极晶体管Q31～Q37，Q33与Q34构成差分电路，Q31和Q32分别与Q33和Q34连接，Q35～Q37分别与Q31、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Q21～Q214组成的主从结构，其中，由Q21～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。
附图说明
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；
图3为本发明的输入缓冲器电路图；
图4为本发明的分频器核心部件电路图；
图5为本发明的输出缓冲器电路图；
图6为本发明的偏置电路电路图；
图7为本发明仿真中的系统结构图；
图8为本发明仿真中的仿真结果图。
具体实施方式
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Q11～Q19和7个电阻R11～R17。其中Q11与Q12构成差分电路，Q13与Q15构成第一射极跟随器，Q14与Q16构成第二射极跟随器；Q11的基极与输入同相端IN_P、R11连接，Q12的基极与输入反相端IN_N和R12连接，差分对Q11与Q12的集电极分别与Q13、Q14的基极和R13、R14连接，Q13和Q14的集电极与地线连接，Q13的发射极与Q15的集电极连接，Q14的发射极与Q16的集电极连接，Q15的发射极和Q18的集电极与输出反相端OUT_N连接，Q16的发射极和Q19的集电极与输出同相端OUT_P连接，Q1和Q12的发射极与Q17的集电极连接，Q17的基极与偏置端Bais连接，Q17的发射极与R15连接，Q18的基极与偏置端Bais连接，Q18的发射极与R16连接，Q19的基极与偏置端Bais连接，Q19的发射极与R17连接。
分频器核心部件，结构如图4所示，它包括10个电阻R21～R210、8个电感L21～L28和14个GaAs异质结双极晶体管Q21～Q214。该Q21～Q214组成主从结构，其中Q21～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，Q211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；Q21和Q29的基极与输入同相端IN_P连接，Q21和Q22的发射极与Q27的集电极连接，Q21的集电极与第一差分对Q23和Q24的发射极连接，Q22和Q210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R21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Q211、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；Q211的基极、Q214的集电极、Q212的集电极与输出反相端OUT_N连接，R28、R24与输出反相端OUT_N连接，R28与L26连接，R24与L22连接，Q211集电极、Q213集电极、Q212的基极与输出同相端OUT_P连接；R27、R23与输出同相端OUT_P连接，R27与L25连接，R23与L21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，Q21和Q29开启，Q22和Q210截止。Q21开启，使Q23和Q24差分对进入工作状态，传输信号。Q29开启，使Q211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，Q21和Q29截止。Q22开启，使Q25和Q26差分对进入工作状态，传输信号。Q210开启，使Q213和Q214差分对锁存数据。相互间交替工作，且Q211和Q212输出端与Q23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Q31～Q37和5个电阻R31～R35。其中Q33与Q34构成差分电路，Q31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，Q31、Q32的集电极与地线连接，Q31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OUT_N、OUT_P连接，R31与输出反相端OUT_N连接，R32与输出同相端OUT_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Q41～Q44和6个电阻R41～R46。其中，Q41的基极和Q43、的集电极与R41连接，Q42的基极和Q44的集电极与R42连接，R41和R42与控制端Ctrl连接，Q41和Q42的集电极与地线连接，Q41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，Q41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In_Buffer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In_Buffer连接，差分输出信号与输出缓冲器Out_buffer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，V1＝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1V，其差分输出正弦信号O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。

Claims (9)

1.一种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GaAs HBT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GaAs HBT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GaAs HBT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Q11～Q19，Q11与Q12构成差分电路，Q13与Q15构成第一射极跟随器，Q14与Q16构成第二射极跟随器；该第一射极跟随器与Q11的集电极连接，该第二射极跟随器与Q12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GaAs HBT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Q21～Q214组成的主从结构，其中，由Q21～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GaAs HBT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Q21和Q22连接，该Q21与Q22组成差分输入。
7.根据权利要求5所述的GaAs HBT超高速2分频器，其特征在于所述的从结构，包括由Q211与Q212和Q213与Q214组成的两个差分对，两个差分对分别与Q29和Q210连接，该Q29与Q210组成差分输入。
8.根据权利要求1所述的GaAs HBT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Q31～Q37，Q33与Q34构成差分电路，Q31和Q32分别与Q33和Q34连接，Q35～Q37分别与Q31、差分电路和Q32连接。
9.根据权利要求1所述的GaAs HBT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Q41～Q44，Q41和Q42分别与Q43和Q44连接，共同构成Bata-help电流镜结构。
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