CN107733370A - 一种基于0.13um SiGeBiCMOS工艺的宽带单平衡三倍频器 - Google Patents

一种基于0.13um SiGeBiCMOS工艺的宽带单平衡三倍频器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于0.13um SiGeBiCMOS工艺的宽带单平衡三倍频器，包括三倍频核器和输出高通放大级电路；三倍频核器包括输入巴伦和输出巴伦、BJT1和BJT2以及两个直流偏置电路；两个直流偏置电路包括Vce1直流偏置电路和Vbe1直流偏置电路；Vce1直流偏置电路和Vbe1直流偏置电路分别与BJT1和BJT2的基极电连接；BJT1和BJT2的基极与输入巴伦的输出端连接；所述Vce1直流偏置电路与输出巴伦的输入端相连；输出高通放大级电路包括BJT3；BJT3的基极分别与输出巴伦和Vbe2直流偏置电路电连接；BJT3的集电极与Vce2直流偏置电路电连接。

Description

一种基于0.13um SiGeBiCMOS工艺的宽带单平衡三倍频器
技术领域
本发明属于倍频器的技术领域，具体涉及一种基于0.13um SiGeBiCMOS工艺的宽带单平衡三倍频器。
背景技术
随着通信与雷达技术的高速发展，微波频谱资源被不断压缩，急需向着更高频段的毫米波领域扩展。而倍频器是频率向上搬移的最核心器件之一，受到越来越广泛的关注与研究。现有得到高频段的毫米波频率输出，有2种方案：使用压控振荡器(VCO)直接产生或者使用倍频器搬移频率。而从VCO得到E波段和W波段频率信号，是一件很难实现的工作，因为VCO在E波段和W波段很难设计出稳定性高、低相位噪声的VCO；目前是靠倍频得到E波段和W波段频率信号。现阶段，绝大多数倍频器都是偶数(2次或4次)倍频，二次倍频到E波段和W波段需要输入信号在30～50GHz，而现有的频率源设计技术，很难保证得到优质的二次倍频输入信号，而且会增加频率源的设计难度和复杂度。四次倍频到E波段和W波段就增加了倍频器的设计难度，并且在性能上不能得到很好地保证，而且很多四倍频器是两次二倍频结构，复杂度和难度都会增加。再者，目前Ka波段技术已经较为成熟，很多Ka波段雷达与通信系统已经实现。在这种情况下，进行E波段和W波段的电路以及系统设计，应用现有的Ka波段成熟技术过渡到E波段和W波段，是最简单和成熟的。
目前国内外很多倍频器设计都是基于GaAs工艺和GaN工艺，使得成本和功耗都相对较高。不利于市场化应用；而且因为其工艺的特性，其金属层数较少，不利于电路的小型化设计。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于0.13um SiGeBiCMOS工艺的宽带单平衡三倍频器，以解决现有三倍频器高功耗、对高谐波抑制差和变频损耗大的问题。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
提供一种基于0.13um SiGeBiCMOS工艺的宽带单平衡三倍频器，其包括三倍频核器和输出高通放大级电路；
三倍频核器包括输入巴伦和输出巴伦、BJT1和BJT2以及两个直流偏置电路；两个直流偏置电路包括Vce1直流偏置电路和Vbe1直流偏置电路；Vce1直流偏置电路和Vbe1直流偏置电路分别与BJT1和BJT2的基极电连接；BJT1和BJT2的基极与输入巴伦的输出端连接；Vce1直流偏置电路与输出巴伦的输入端相连；
输出高通放大级电路包括BJT3；BJT3的基极分别与输出巴伦和Vbe2直流偏置电路电连接；BJT3的集电极与Vce2直流偏置电路电连接。
优选地，Vce1直流偏置电路和Vbe1直流偏置电路分别通过匹配电路与BJT1和BJT2的基极电连接。
优选地，BJT3的基极通过高通匹配分别与输出巴伦和Vbe2直流偏置电路电连接；BJT3的集电极通过高通匹配与Vce2直流偏置电路电连接。
优选地，Vce1直流偏置电路、Vbe1直流偏置电路、Vce2直流偏置电路和Vbe2直流偏置电路中均设有用于去偶的接地的电容。
优选地，BJT1和BJT2的射极均接地设置。
优选地，输入巴伦和输出巴伦均为可实现上下层金属耦合的宽带耦合巴伦
本发明提供的基于0.13um SiGeBiCMOS工艺的宽带单平衡三倍频器，具有以下有益效果：
三倍频器核通过BJT1和BJT2，得到三次谐波输出，并通过输入巴伦和输出巴伦实现偶次谐波幅度相近，相位相反，进而将偶次谐波相互抵消，从而得到较为纯净的三次谐波输出，并在直流偏置电路的优化下，使三次谐波输出功率达到最大，减小变频损耗。同时利用输入巴伦和输出巴伦的宽带特性保证输入和输出较大的带宽；高通放大级电路利用BJT3和高通匹配电路，形成单管高通放大器，滤除基频和二次谐波，由于放大级电路放大效果随着频率升高有较为明显的降低，使得高通放大级电路在倍频核四次谐波频段内有一定抑制作用。
本发明采用集成电路设计，采用0.13um SiGeBiCMOS工艺，功耗低至40mW，变频损耗小于5dB，成本低，便于大规模生产，具有很强的实用性和推广性。
附图说明
图1为基于0.13um SiGeBiCMOS工艺的宽带单平衡三倍频器的电路结构图。
图2为基于0.13um SiGeBiCMOS工艺的宽带单平衡三倍频器中0.13um SiGeBiCMOS的7层金属工艺示意图。
图3、图4和图5为基于0.13um SiGeBiCMOS工艺的宽带单平衡三倍频器
图6为基于0.13um SiGeBiCMOS工艺的宽带单平衡三倍频器的仿真图。
图7为基于0.13um SiGeBiCMOS工艺的宽带单平衡三倍频器变频增益和基频抑制测试结果图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
根据本申请的一个实施例，如图1-7所示，本方案的基于0.13um SiGeBiCMOS工艺的宽带单平衡三倍频器包括三倍频核器和输出高通放大级电路。
参考图1，三倍频核器包括输入巴伦和输出巴伦、BJT1和BJT2以及两个直流偏置电路，两个直流偏置电路包括Vce1直流偏置电路和Vbe1直流偏置电路；Vce1直流偏置电路和Vbe1直流偏置电路分别与BJT1和BJT2的基极电连接，BJT1和BJT2的基极与输入巴伦的输出端连接，Vce1直流偏置电路与输出巴伦的输入端相连。
输出高通放大级电路包括BJT3，BJT3的基极分别与输出巴伦和Vbe2直流偏置电路电连接，BJT3的集电极与Vce2直流偏置电路电连接。
其中，Vce1直流偏置电路和Vbe1直流偏置电路分别通过匹配电路与BJT1和BJT2的基极电连接。BJT3的基极通过高通匹配分别与输出巴伦和Vbe2直流偏置电路电连接；BJT3的集电极通过高通匹配与Vce2直流偏置电路电连接。
Vce1直流偏置电路、Vbe1直流偏置电路、Vce2直流偏置电路和Vbe2直流偏置电路中均设有用于去偶的接地的电容。Vce1直流偏置电路中设有接地的电容C1和C2，Vbe1直流偏置电路中设有接地的电容C3和C4，Vbe2直流偏置电路中设有接地的电容C5，Vce2直流偏置电路中设有接地的电容C6。接地的电容C1、C2、C3、C4、C5和C6用于各个直流偏置电路中的片内去偶，避免芯片自激荡和杂波进入芯片电路。其中C1、C2、C3、C4、C5和C6均表示电容，其后的数字1-6代表电容位于电路中不同的位置。
0.13um SiGeBiCMOS工艺为IBM公司的0.13um SiGeBiCMOS的7层金属工艺，本方案的单平衡三倍频器可使用其中的任意一层金属，通过宽带耦合的巴伦，经过优化，可实现宽带(70～100GHz)，低插入损耗(小于1.5dB)，低幅度差(小于0.4dB)和低相位180度差(小于2.3度)。
下面对本方案的基于0.13um SiGeBiCMOS工艺的宽带单平衡三倍频器的工作流程做如下说明：
输入信号经过输入巴伦，分化成幅度相近，相位相差180度的宽带的两路差分信号，两路信号具有低插入损耗，宽带宽，低幅度差和低相位180度差(即相位差值与180度的差值)的特性。两路差分信号分别进入工作于B类状态下的BJT1和BJT2管对内，得到的偶次谐波输出信号幅度相近，相位相同；而奇次谐波输出信号幅度相近，相位相反。经过输出巴伦再一次反相以后，偶次谐波幅度相近，相位相反，相互抵消；而奇次谐波输出信号幅度相近，相位相同，幅度叠加。并且通过Vce1直流偏置电路的优化，使得三次谐波输出功率达到最大，其它谐波遭到抑制。
三倍频器核的输出信号进入BJT3中，通过对BJT3的高通匹配，形成单管高通放大器，滤除信号中的基频和二次谐波，并且利用放大级电路放大效果随着频率升高有较为明显的降低的特性，使得高通放大级电路在倍频核四次谐波频段具有一定抑制作用。
参考图2、图3、图4和图5，IBM公司的0.13um BJT SiBiCMOS工艺的7层金属，输入巴伦和输出巴伦进行信号的宽带耦合，在宽带为70GHZ-100GHZ的条件下，由仿真可得，输入巴伦和输出巴伦的低插入损耗小于1.5dB，低幅度差小于0.4dB和低相位180度差小于2.3度。
参考图6，对本发明的输入信号，在75～100GHz频带内仿真，由仿真图可知，本发明具有一定的变频增益，且谐波抑制均在20dB上。
参考图7，对本发明的输入信号，在75～100GHz频带内对变频损耗和基频抑制测试的仿真，由仿真图可知，变频增益小于5dB，基频抑制大于40dB。
本发明采用集成电路设计，采用0.13um SiGeBiCMOS工艺，功耗低至40mW，变频损耗小于5dB，成本低，便于大规模生产，具有很强的实用性和推广性。
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于0.13um SiGeBiCMOS工艺的宽带单平衡三倍频器，其特征在于：包括三倍频核器和输出高通放大级电路；
所述三倍频核器包括输入巴伦和输出巴伦、BJT1和BJT2以及两个直流偏置电路；两个直流偏置电路包括Vce1直流偏置电路和Vbe1直流偏置电路；所述Vce1直流偏置电路和Vbe1直流偏置电路分别与BJT1和BJT2的基极电连接；所述BJT1和BJT2的基极与输入巴伦的输出端连接；所述Vce1直流偏置电路与输出巴伦的输入端相连；
所述输出高通放大级电路包括BJT3；所述BJT3的基极分别与输出巴伦和Vbe2直流偏置电路电连接；所述BJT3的集电极与Vce2直流偏置电路电连接。
2.根据权利要求1所述的基于0.13um SiGeBiCMOS工艺的宽带单平衡三倍频器，其特征在于：所述Vce1直流偏置电路和Vbe1直流偏置电路分别通过匹配电路与BJT1和BJT2的基极电连接。
3.根据权利要求1所述的基于0.13um SiGeBiCMOS工艺的宽带单平衡三倍频器，其特征在于：所述BJT3的基极通过高通匹配分别与输出巴伦和Vbe2直流偏置电路电连接；所述BJT3的集电极通过高通匹配与Vce2直流偏置电路电连接。
4.根据权利要求1所述的基于0.13um SiGeBiCMOS工艺的宽带单平衡三倍频器，其特征在于：所述Vce1直流偏置电路、Vbe1直流偏置电路、Vce2直流偏置电路和Vbe2直流偏置电路中均设有用于去偶的接地的电容。
5.根据权利要求1所述的基于0.13um SiGeBiCMOS工艺的宽带单平衡三倍频器，其特征在于：所述BJT1和BJT2的射极均接地设置。
6.根据权利要求1所述的基于0.13um SiGeBiCMOS工艺的宽带单平衡三倍频器，其特征在于：所述输入巴伦和输出巴伦均为可实现上下层金属耦合的宽带耦合巴伦。
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