CN111010164B - 一种基于GaAs工艺的输出缓冲电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于GaAs工艺的输出缓冲电路，包括第一电阻、第二电阻、第一至第四PHEMT管、第一至第五肖特基二极管；第一电阻在输入信号为‑5V时发挥作用，从而开启第二PHEMT管与第三PHEMT管，将下拉路径打开；第二电阻在输入信号为‑4.2V时发挥作用，开启第四PHEMT管，将上拉路径打开。此种电路将输入电平充电至相对应的所需电平，起到电平位移以及电流驱动的作用，同时使输出电路的切换时间相对较小，从而满足系统高性能的要求，保证了芯片的安全可靠性。

Description

一种基于GaAs工艺的输出缓冲电路
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，特别涉及一种基于GaAs工艺适用于数字电路驱动的输出缓冲电路。
背景技术
输出缓冲电路是一颗完整芯片设计中不可或缺的一部分，其性能优劣直接关系到整个系统的稳定性。输出缓冲电路被广泛应用于各种数字电路，进一步隔离信号输入端与输出端，以避免信号输入端对负载的影响，并能够增强驱动负载的能力。在CMOS集成电路中，一般是用多级反相器构成的反相器链做输出缓冲电路，但是并不能满足GaAs电路中对于电平的要求。
基于此，本案由此产生。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种基于GaAs工艺的输出缓冲电路，通过将输入电平充电至相对应的所需电平，起到电平位移以及电流驱动的作用，同时使输出电路的切换时间相对较小，从而满足系统高性能的要求，保证了芯片的安全可靠性。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种基于GaAs工艺的输出缓冲电路，包括第一电阻、第二电阻、第一至第四PHEMT管、第一至第五肖特基二极管；
第一PHEMT管的栅极连接输入信号IN，其漏极连接第一肖特基二极管的负极，第一肖特基二极管的正极连接第二肖特基二极管的负极，第二肖特基二极管的正极连接第三肖特基二极管的负极，第三肖特基二极管的正极连接第四肖特基二极管的负极，第四肖特基二极管的正极经第一电阻连接正电电源VDD，第四肖特基二极管的正极还分别连接第二PHEMT管的栅极和第三PHEMT管的栅极，第一PHEMT管的源极接负电电源VSS；
第二PHEMT管的漏极连接第四PHEMT管的栅极，并通过第二电阻连接正电电源VDD，第二PHEMT管的源极接地GND；
第三PHEMT管的漏极分别连接第四PHEMT管的源极和输出信号OUT，第三PHEMT管的源极接地GND；
第四PHEMT管的漏极连接第五肖特基二极管的负极，第五肖特基二极管的正极连接正电电源VDD。
上述输入信号IN为-5V或-4.2V。
采用上述方案后，本发明基于GaAs电路中的实际电平需求，通过输出缓冲电路将输入电平充电至相对应的所需电平，起到电平位移以及电流驱动的作用，同时使输出电路的切换时间相对较小，从而满足系统高性能的要求，保证了芯片的安全可靠性。
与现有的输出缓冲电路相比，本发明的输出缓冲电路具有两方面的优点：第一个优点是通过灵活使用二极管将输入电平转换为所需电平；第二个优点是可以提供足够的驱动能力，在预设时间内保证输出缓冲器的上拉或者下拉操作所需的裕量。
附图说明
图1是本发明的原理图；
图2是本发明提出的输出缓冲电路在输入为-5V时的工作原理图；
图3是本发明提出的输出缓冲电路在输入为-4.2V时的工作原理图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
如图1所示，本发明提供一种基于GaAs工艺的输出缓冲电路，包括第一电阻R1、第二电阻R2、第一PHEMT管Q1、第二PHEMT管Q2、第三PHEMT管Q3、第四PHEMT管Q4、第一肖特基二极管D1、第二肖特基二极管D2、第三肖特基二极管D3、第四肖特基二极管D4、第五肖特基二极管D5；
第一PHEMT管Q1的栅极连接输入信号IN，其漏极连接第一肖特基二极管D1的负极，第一肖特基二极管D1的正极连接第二肖特基二极管D2的负极，第二肖特基二极管D2的正极连接第三肖特基二极管D3的负极，第三肖特基二极管D3的正极连接第四肖特基二极管D4的负极，第四肖特基二极管D4的正极经第一电阻R1连接正电电源VDD，串联点A、B位于第四肖特基二极管D4、第一电阻R1之间，串联点B还连接第二PHEMT管Q2的栅极和第三PHEMT管Q3的栅极，第一PHEMT管Q1的源极接负电电源VSS；
第二PHEMT管Q2的栅极连接第三PHEMT管Q3的栅极，其漏极连接第四PHEMT管Q4的栅极，并通过第二电阻R2连接正电电源VDD，其源极接地GND；
第三PHEMT管Q3的漏极分别连接第四PHEMT管Q4的源极和输出信号OUT，其源极接地GND；
第四PHEMT管Q4的漏极连接第五肖特基二极管D5的负极，第五肖特基二极管D5的正极连接正电电源VDD。
当输入信号IN为-5V时，输出缓冲电路的工作原理图如图2所示，此时第一PHEMT管Q1的栅源电压低于其阈值电压，第一PHEMT管Q1关断，其中第一电阻R1是限流电阻，正电电源电压VDD通过第一电阻R1进行降压，A点的电压为0.8V左右，且此时第一肖特基二极管D1、第二肖特基二极管D2、第三肖特基二极管D3、第四肖特基二极管D4不导通，第二PHEMT管Q2与第三PHEMT管Q3的栅源电压大于其阈值电压，使得第二PHEMT管Q2与第三PHEMT管Q3导通，第二PHEMT管Q2的导通将C点(第二PHEMT管Q2的漏极)的电压下拉至0V左右，此时第四PHEMT管Q4的栅源电压低于其阈值电压，即第四PHEMT管Q4处于关断状态，此时上拉路径关断，第三PHEMT管Q3的导通将输出OUT下拉至0V，即此时输出为低电平。
当输入IN为-4.2V时，输出缓冲电路的工作原理图如图3所示，此时第一PHEMT管Q1的栅源电压高于其阈值电压，第一PHEMT管Q1导通，第一肖特基二极管D1、第二肖特基二极管D2、第三肖特基二极管D3和第四肖特基二极管D4导通，假设此时每个二极管的导通电压为0.8V，那么A点电压是-5+4*0.8＝-1.8V，此时第二PHEMT管Q2与第三PHEMT管Q3的栅源电压低于其阈值电压，第二PHEMT管Q2与第三PHEMT管Q3关断。正电电源电压VDD通过第二电阻R2，使得第四PHEMT管Q4的栅源电压大于其阈值电压，使得第四PHEMT管Q4导通，第四PHEMT管Q4的漏极电压为正电电源电压VDD减去第五肖特基二极管D5的导通压降，即5-0.8V＝4.2V。下拉路径第三PHEMT管Q3被关断，输出信号OUT被上拉至第四PHEMT管Q4的漏极电压4.2V，即此时输出为高电平。第五肖特基二极管D5的存在使第四PHEMT管Q4的栅极电压与漏极电压大致相等，避免了漏电。若电路中没有第五肖特基二极管D5，那么第四PHEMT管Q4的栅极电压低于漏极电压，从漏极到栅极将存在漏电，增大了电路的功耗。
本发明设计的输出缓冲电路，第一电阻R1在输入信号为-5V时发挥作用，从而开启第二PHEMT管Q2与第三PHEMT管Q3，将下拉路径打开。第二电阻R2在输入信号为-4.2V时发挥作用，开启第四PHEMT管Q4，将上拉路径打开。本发明在设计中适当增大第三PHEMT管Q3与第四PHEMT管Q4管的宽长比，增大其通过的电流，提供足够的负载驱动能力，相应的输出等效电阻减小，但同时也带来了寄生电容的增大。此外，由τ＝RC(R为等效输出电阻，C为输出等效电容)可知，电阻R、电容C与延迟时间息息相关，在设计时将在它们之间进行折中，从而实现系统性能的最优。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于GaAs工艺的输出缓冲电路，其特征在于：包括第一电阻、第二电阻、第一PHEMT管、第二PHEMT管、第三PHEMT管、第四PHEMT管、第一肖特基二极管、第二肖特基二极管、第三肖特基二极管、第四肖特基二极管以及第五肖特基二极管；
第一PHEMT管的栅极连接输入信号IN，其漏极连接第一肖特基二极管的负极，第一肖特基二极管的正极连接第二肖特基二极管的负极，第二肖特基二极管的正极连接第三肖特基二极管的负极，第三肖特基二极管的正极连接第四肖特基二极管的负极，第四肖特基二极管的正极经第一电阻连接正电电源VDD，第四肖特基二极管的正极还分别连接第二PHEMT管的栅极和第三PHEMT管的栅极，第一PHEMT管的源极接负电电源VSS；
第二PHEMT管的漏极连接第四PHEMT管的栅极，并通过第二电阻连接正电电源VDD，第二PHEMT管的源极接地GND；
第三PHEMT管的漏极分别连接第四PHEMT管的源极和输出信号OUT，第三PHEMT管的源极接地GND；
第四PHEMT管的漏极连接第五肖特基二极管的负极，第五肖特基二极管的正极连接正电电源VDD；
当输入信号IN为-5V时，第一PHEMT管的栅源电压低于第一PHEMT管的阈值电压，第一PHEMT管关断，第一电阻是限流电阻，正电电源VDD通过第一电阻进行降压，此时第一肖特基二极管、第二肖特基二极管、第三肖特基二极管及第四肖特基二极管不导通，第二PHEMT管的栅源电压大于第二PHEMT管的阈值电压，第三PHEMT管的栅源电压大于第三PHEMT管的阈值电压，使得第二PHEMT管与第三PHEMT管导通，第二PHEMT管的导通将第二PHEMT管漏极的电压下拉至0V，此时第四PHEMT管的栅源电压低于第四PHEMT管的阈值电压，即第四PHEMT管处于关断状态，此时上拉路径关断，第三PHEMT管的导通将输出信号OUT下拉至0V，即此时输出为低电平；
当输入信号IN为-4.2V时，第一PHEMT管的栅源电压高于第一PHEMT管的阈值电压，第一PHEMT管导通，第一肖特基二极管、第二肖特基二极管、第三肖特基二极管及第四肖特基二极管导通，每个二极管的导通电压为0.8V，此时第二PHEMT管的栅源电压低于第二PHEMT管的阈值电压，第三PHEMT管的栅源电压低于第三PHEMT管的阈值电压，第二PHEMT管与第三PHEMT管关断，正电电源VDD通过第二电阻，使得第四PHEMT管的栅源电压大于第四PHEMT管的阈值电压，第四PHEMT管导通，第四PHEMT管的漏极电压为正电电源VDD减去第五肖特基二极管的导通压降，即5-0.8V＝4.2V，下拉路径第三PHEMT管被关断，输出信号OUT被上拉至第四PHEMT管的漏极电压4.2V，即此时输出为高电平；
增大第三PHEMT管与第四PHEMT管的宽长比，增大第三PHEMT管与第四PHEMT管通过的电流，相应的输出等效电阻减小，寄生电容增大。
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