CN101989837A - GaAs HBT高增益宽带线性跨导单元电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GaAs HBT高增益宽带线性跨导单元电路，包括：输入级子电路、基本跨导子电路、线性化子电路、负阻子电路和镜像电流源子电路，其中：输入级子电路用于对输入的差分电压IN_P和IN_N进行电平移位，并将移位之后的信号导入到基本跨导子电路；基本跨导子电路用于将输入的差分电压信号转换为差分电流信号；线性化子电路用于提高基本跨导电路的线性度；负阻子电路用于提高跨导电路的增益；镜像电流源子电路用于为其余所有电路提供偏置电流。本发明采用GaAs HBT工艺设计制造，具有很宽的工作带宽；采用的线性化子电路可以有效地补偿电路非线性，提供优良的线性度；采用的负阻子电路，有效解决了电路高增益要求与晶体管饱和的矛盾，提供高增益性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件及集成电路设计领域，尤其涉及一种采用砷化镓异质结双极型晶体管(GaAs HBT)工艺设计的将输入差分电压转换为差分输出电流的高增益宽带线性跨导单元电路。
背景技术
GaAs HBT因其优秀的高频及击穿性能，成为设计制造射频电路及超高速数模混合电路的最佳选择之一。采用GaAs HBT工艺设计制造的集成电路，具有更高的工作频率和更宽的带宽，并且具有良好的器件匹配性能，适合用于大规模数模混合集成电路。跨导单元电路用于将输入的电压信号转换为电流信号输出，通常被应用于光通信电路以及Sigma-Delta调制器等场合。这些应用场合要求跨导单元电路具有高增益、宽带宽以及高线性度。
采用GaAs HBT设计的跨导单元电路，由于GaAs HBT固有的优良高频性能，将具有宽带宽的天然优势。当GaAs HBT跨导单元电路输入端的差分电压信号导致输入端差分对晶体管的电流不同，从而使得这两个晶体管的基极-发射极电压VBE不同，这是跨导电路非线性的主要来源。另外，为了提供高增益，根据增益计算公式AV＝-gm·RL(其中AV为跨导电路的电压增益，gm为跨导，RL为负载电阻)，需要大的负载电阻；但是大的负载电阻将导致其两端的直流压降很大，致使电路中的晶体管饱和而不能正常工作。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种GaAs HBT跨导单元电路，具有高增益、宽带宽和高线性度的优良性能。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种GaAs HBT高增益宽带线性跨导单元电路，该电路包括：输入级子电路、基本跨导子电路、线性化子电路、负阻子电路和镜像电流源子电路，其中：
输入级子电路用于对输入的差分电压IN_P和IN_N进行电平移位，并将移位之后的信号导入到基本跨导子电路；
基本跨导子电路用于将输入的差分电压信号转换为差分电流信号；
线性化子电路用于提高基本跨导电路的线性度；
负阻子电路用于提高跨导电路的增益；
镜像电流源子电路用于为其余所有电路提供偏置电流。
上述方案中，所述线性化子电路是一个对称的全差分结构，将基本跨导子电路输入端差分对晶体管的基极-发射极电压VBE之差作为其输入，通过该基本跨导子电路的处理，产生与该电压差成比例的电流信号，并将该电流信号加入到该基本跨导子电路的差分电流输出之上，作为对输入端差分对晶体管的基极-发射极电压VBE之差所导致的电路非线性的补偿，从而提高GaAs HBT跨导电路的线性度。
上述方案中，所述负阻子电路是一个对称的全差分结构，将一个等效负阻电阻Rneg与负载电阻RL相并联，总的等效负载为
当负阻Rneg取值使得Rneg+RL＝0时，基本跨导子电路的总等效负载电阻为无穷大，其电压增益也将趋于无穷大。
上述方案中，所述镜像电流源子电路通过调节镜像电流源各个支路中的发射极串联电阻，可调节该支路的偏置电流。
(三)有益效果
本发明提供的GaAs HBT高增益宽带线性跨导单元电路，采用GaAsHBT工艺设计制造，具有很宽的工作带宽；电路中采用的线性化子电路可以有效地补偿由于输入端差分对晶体管的基极-发射极电压VBE之差所导致的电路非线性，提供优良的线性度；电路中采用的负阻子电路，有效解决了电路高增益要求与晶体管饱和的矛盾，提供高增益性能。
附图说明
图1为本发明提供的GaAs HBT高增益宽带线性跨导单元电路的电路图；
图2为输入级及基本跨导电路的示意图；
图3为线性化子电路的示意图；
图4为负阻子电路的示意图；
图5为镜像电流源子电路的示意图；
图6为跨导单元实例的仿真结果增益/相位-频率曲线；
图7为跨导单元实例的仿真结果跨导-输入差分电压幅度曲线示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，本发明所提供的电路是全差分结构，所有对称的HBT晶体管器件及无源器件都是完全匹配的；电路的供电电源上轨为VCC＝0V，下轨为VEE＝-5.1V，以使该电路可以与发射极耦合逻辑(ECL)数字电路兼容。
本发明提供的这种GaAs HBT高增益宽带线性跨导单元电路，是在GaAs HBT基本跨导电路的基础上加入了线性化子电路和负阻子电路，来提高跨导单元电路的线性度及增益。
本发明提供的这种GaAs HBT高增益宽带线性跨导单元电路包括：输入级子电路、基本跨导子电路、线性化子电路、负阻子电路和镜像电流源子电路。其中：输入级子电路用于对输入的差分电压IN_P和IN_N进行电平移位，并将移位之后的信号导入到基本跨导子电路；基本跨导子电路用于将输入的差分电压信号转换为差分电流信号；线性化子电路用于提高基本跨导电路的线性度；负阻子电路用于提高跨导电路的增益；镜像电流源子电路用于为其余所有电路提供偏置电流。
图1所示为本发明提供的GaAs HBT高增益宽带线性跨导单元电路的电路图。可以看到，整个电路包括28个GaAs HBT晶体管(Q1□Q28)，20个氮化钽(TaN)薄膜电阻(R1□R20)，2个金属-介质-金属(MIM)电容(C1□C2)，2个二极管(D1□D2)。其中，Q1□Q10与R1、R2、R4、R10□R11、R14□R15及D1□D2构成输入级及基本跨导电路；Q11□Q18与R2、R12□R13构成线性化子电路；Q19□Q26与R16□R20、R5□R6构成负阻单元电路；Q27□Q28与R7□R9及C1□C2构成镜像电流源子电路。
图2所示为输入级及基本跨导电路，可以看到这是一个对称的全差分结构。输入差分信号从IN_P和IN_N端输入到差分对管Q1和Q2的基极，电阻R1和R2取值为50欧姆，为Q1和Q2的基极提供偏置的同时，也为电路的输入端口提供50欧姆端口匹配。二极管D1和D2的作用是进行电平移位，将输入信号的电平降低一个PN结压降，以适应其后电路的电平。电平移位之后的信号输入到构成基本跨导电路的差分对管Q7和Q8的基极，Q7和Q8将输入差分电压信号转换为电流信号IP和IN，这就是最基本的跨导功能。电阻R4跨接在Q7和Q8的发射极之间作为发射极串联负反馈电阻，可以改善基本跨导电路的线性度。Q3□Q5与R10□R11及R14□R15为尾电流源，为输入级和基本跨导电路提供偏置电流。
图3所示为线性化子电路，可以看到这是一个对称的全差分结构。输入级及基本跨导电路的输出电流，即Q7和Q8的集电极电流，连接到Q11和Q12的发射极，所以Q11和Q12的集电极电流与Q7和Q8的集电极电流相同。因此，Q7和Q8的基极-发射极电压VBE之差就被复制为Q11和Q12的基极-发射极电压VBE之差，并且输入到Q13和Q14的基极。Q13□Q16以及R3构成了带有发射极串联负反馈电阻的交叉耦合电路，在Q13和Q14的集电极产生用以补偿由于Q7和Q8的基极-发射极电压VBE之差所导致的电路非线性的电流。Q13和Q14的集电极连接到Q11和Q12的集电极，将补偿电流叠加到了基本跨导电路的输出电流上，完成了电路的线性化。Q17□Q18与R12□R13为尾电流源，为线性化子电路提供偏置电流。
线性化子电路的基本思想是，将跨导电路输入端差分对晶体管的基极-发射极电压VBE之差作为其输入，通过该子电路的处理，产生与该电压差成比例的电流信号，并将该电流信号加入到基本跨导电路的差分电流输出之上，作为对输入端差分对晶体管的基极-发射极电压VBE之差所导致的电路非线性的补偿，从而提高GaAs HBT跨导电路的线性度。
图4所示为负阻子电路，可以看到这是一个对称的全差分结构。为了提供跨导电路的高增益，根据增益计算公式AV＝-gm·RL(其中AV为跨导电路的电压增益，gm为跨导，RL为负载电阻)，需要大的负载电阻RL；但是大的负载电阻将导致其两端的直流压降很大，致使电路中的晶体管饱和而不能正常工作。负阻子电路将一个等效负阻电阻Rneg与负载电阻RL相并联，总的等效负载为
可以看到，当负阻Rneg取值使得Rneg+RL＝0时，跨导电路的总等效负载电阻为无穷大，其电压增益也将趋于无穷大。Q19□Q22及Q20构成负阻电路，其等效负阻电阻为
(其中
为Q21的跨导)；Q23□Q26与R16□R19为尾电流源，为负阻电路提供直流偏置。在实际电路设计当中，根据基本跨导单元及线性化子电路单元中HBT器件的工作点，选择合适的负载电阻R5(或R6)；则负阻子电路的等效负阻电阻应为
通过调节负阻子电路的尾电流源电流可以调节Q21的跨导
从而可以调节等效负阻电阻满足条件。
高增益要求跨导电路的负载电阻有较大的值，大的负载电阻两端有大的直流压降，将导致电路中的晶体管饱和而不能正常工作。本发明所提供的负阻子电路，将一个等效负阻电阻Rneg与负载电阻RL相并联，总的等效负载为
可以看到，当负阻Rneg取值使得Rneg+RL＝0时，跨导电路的总等效负载电阻为无穷大，其电压增益也将趋于无穷大。负阻电路的引入，为电路的增益性能提供了额外的设计自由度，解决高增益要求与晶体管饱和的矛盾。
图5所示为镜像电流源子电路。通过调节控制端电压V_Ctrl可以调节Q28的基极电压，从而调节整个跨导单元电路中所有尾电流源的电流。电容C1和C2分别从Q28的基极连接到电路的上轨供电电源端VCC与下轨供电电源端VEE，这两个电容可以起到滤波和稳定Q28的基极电压的作用，从而稳定整个跨导单元电路中的所有偏置电流。
镜像电流源子电路为所有其余子电路提供电流偏置。通过调节镜像电流源各个支路中的发射极串联电阻，即可非常方便地调节该支路的偏置电流。可以灵活调节的偏置电流，也为线性化子电路及负阻子电路的性能提供了灵活的调节途径。
图6和图7所示为采用本发明提供的电路结构所设计的GaAs HBT跨导单元电路实例的仿真结果。由图6所示的跨导-输入差分电压幅度曲线仿真结果可以看到，电路的跨导在输入差分电压范围为[-0.15V，+0.15V]时基本保持恒定为37.5mS，显示了优良的线性度。由图7所示的增益/相位-频率曲线仿真结果可以看到，电路的低频电压增益达到22dB，并且其3dB带宽达到了4.8GHz，显示了很高的增益及很宽的工作带宽。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种GaAs HBT高增益宽带线性跨导单元电路，其特征在于，该电路包括：输入级子电路、基本跨导子电路、线性化子电路、负阻子电路和镜像电流源子电路，其中：
输入级子电路用于对输入的差分电压IN_P和IN_N进行电平移位，并将移位之后的信号导入到基本跨导子电路；
基本跨导子电路用于将输入的差分电压信号转换为差分电流信号；
线性化子电路用于提高基本跨导电路的线性度；
负阻子电路用于提高跨导电路的增益；
镜像电流源子电路用于为其余所有电路提供偏置电流。
2.根据权利要求1所述的GaAs HBT高增益宽带线性跨导单元电路，其特征在于，所述线性化子电路是一个对称的全差分结构，将基本跨导子电路输入端差分对晶体管的基极-发射极电压VBE之差作为其输入，通过该基本跨导子电路的处理，产生与该电压差成比例的电流信号，并将该电流信号加入到该基本跨导子电路的差分电流输出之上，作为对输入端差分对晶体管的基极-发射极电压VBE之差所导致的电路非线性的补偿，从而提高GaAs HBT跨导电路的线性度。
3.根据权利要求1所述的GaAs HBT高增益宽带线性跨导单元电路，其特征在于，所述负阻子电路是一个对称的全差分结构，将一个等效负阻电阻Rneg与负载电阻RL相并联，总的等效负载为
当负阻Rneg取值使得Rneg+RL＝0时，基本跨导子电路的总等效负载电阻为无穷大，其电压增益也将趋于无穷大。
4.根据权利要求1所述的GaAs HBT高增益宽带线性跨导单元电路，其特征在于，所述镜像电流源子电路通过调节镜像电流源各个支路中的发射极串联电阻，可调节该支路的偏置电流。
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