CN113225050B - 一种基于GaAs HEMT工艺的施密特触发器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于GaAs HEMT工艺的施密特触发器，包括场效应晶体管fet1、fet2、fet3、fet4，输入端IN与电阻R1连接，电阻R另一端依次串接电阻R2、R3后连接电源负端VSS，电阻R1与电阻R2之间引出端子连接fet1的栅极，fet1的漏极经电阻R4连接电源正端VDD；电源正端经电阻R5连接fet3的漏极、经电阻R6连接fet4的漏极；fet1的源极、fet2的源极、fet3的源极、fet4的源极连接电源负极VSS；fet1的漏极连接fet3的栅极；fet3的漏极连接fet4的栅极fet1的漏极引出端子连接至fet2的栅极，fet2的漏极连接在R3、R2之间；在fet3的漏极引出端子连接至输出同相端OUTP；在fet4的漏极引出端子连接至输出反相端OUTN。本发明方案具有开关速度快、传输延迟小、抗干扰、输出电压在较宽范围内连续可调等优点。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路设计领域，特别涉及一种基于GaAs HEMT工艺的施密特触发器。
背景技术
砷化镓(GaAs)是新一代宽禁带半导体材料，属Ⅲ-V族化合物半导体，于1964年进入实用阶段。砷化镓可以制成电阻率比硅、锗高3个数量级以上的半绝缘高阻材料,用来制作集成电路衬底、红外探测器、γ光子探测器等。由于其电子迁移率比硅大5～6倍，故在制作微波器件和高速数字电路方面得到重要应用。用砷化镓制成的半导体器件具有高频、高温、低温性能好、噪声小、抗辐射能力强等优点。基于GaAs材料发展起来主要有两类晶体管工艺：场效应晶体管(FET)和双极型晶体管(BJT)，前者的主要代表是MESFET和pHEMT，后者的主要代表是HBT。目前主流的GaAs工艺是pHEMT和HBT。HEMT即高电子迁移率晶体管，pHEMT是HEMT的一种具体改进形式。由于GaAs材料特点，只能制作出N沟道的场效应晶体管，分为耗尽型(D-mode)和增强型(E-mode)，逻辑器件通常会采用增强型晶体管。
由于GaAs工艺特点，GaAs工艺的晶体管尺寸较大，金属层次较少(通常只有两三层)，其一般适用于射频方面而无法用于控制方面，基于GaAs工艺的MMIC通常仅仅集成一些简单的逻辑控制电路，例如数控衰减器、数控移相器的驱动器、支持TDD模式收发切换或需要高低增益切换的放大器等，规模一般也就在10个逻辑门的量级，晶体管数量很少会超过100。虽然其不适合用于逻辑控制电路，但是当集成电路中确定了GaAs工艺后，在一定特定情况下也需要采用GaAs工艺来实现一些控制电路，控制电路的设计要克服砷化镓工艺制成的晶体管的固有缺陷来实现一种可靠的逻辑控制电路，在现有技术中的施密特触发器应用场景很广泛，但是采用GaAs工艺晶体管实现的施密特触发器在现有技术中并没有，基于此本申请提供一种基于GaAs HEMT工艺的施密特触发器电路。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于GaAs HEMT工艺的施密特触发器电路。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于GaAs HEMT工艺的施密特触发器，包括场效应晶体管fet1、fet2、fet3、fet4，输入端IN与电阻R1连接，电阻R另一端依次串接电阻R2、R3后连接电源负端VSS，电阻R1与电阻R2之间引出端子连接fet1的栅极，fet1的漏极经电阻R4连接电源正端VDD；电源正端经电阻R5连接fet3的漏极、经电阻R6连接fet4的漏极；fet1的源极、fet2的源极、fet3的源极、fet4的源极连接电源负极VSS；fet1的漏极连接fet3的栅极；fet3的漏极连接fet4的栅极fet1的漏极引出端子连接至fet2的栅极，fet2的漏极连接在R3、R2之间；在fet3的漏极引出端子连接至输出同相端OUTP；在fet4的漏极引出端子连接至输出反相端OUTN。
所述场效应晶体管fet1、fet2、fet3、fet4为采用GaAs工艺的高电子迁移率场效应晶体管。
所述场效应晶体管fet1、fet2、fet3、fet4为增强型场效应晶体管。
在输入端IN和电阻R1之间串接用于降压的二极管d1。
二极管d1为单个二极管或多个相互串联形成的二极管组。
所述施密特触发器还包括耗尽型场效应晶体管dfet1、dfet2、dfet3，所述电阻R4和VDD之间串接设置dfet1；所述电阻R5和VDD之间串接设置dfet2；所述电阻R6和VDD之间串接设置dfet3；VDD分别连接至dfet1的漏极、dfet2的漏极、dfet3的漏极，dfet1的源极经电阻R4连接至fet1的漏极；dfet2的源极经电阻R5连接至fet3的漏极；dfet3的源极经电阻R6连接至fet4的漏极；fet1的漏极连接至dfet1的栅极；fet3的漏极连接至dfet2的栅极；fet4的漏极连接至dfet3的栅极。
本发明的优点在于：具有开关速度快、传输延迟小、抗干扰和抗辐照能力强、输出电压在较宽范围内连续可调等诸多优点，可广泛应用于各类手持设备、无线通讯终端、射频收发设备、5G通信基站等场合，具体来讲，上述的数控衰减器、数控移相器的驱动器、支持TDD模式收发切换或需要高低增益切换的放大器等射频前端集成电路中的控制信号输入环节都可以用到本发明的施密特触发器电路，fet2的引入可以加速信号从输入到输出传输的转换速率，同时还具有了施密特触发器的特点，即输入从高电平到低电平、从低电平到高电平跳变时，具有不同的逻辑电平阈值，这种特点有利于增强电路的抗干扰能力；R5和fet3、R6和fet4分别组成两级基本的电阻负载型反相器进一步加速信号高低电平的转换速率，并分别提供OUTP同相输出和OUTN反向输出；增加串联二极管的数量来实现较大范围的电平位移，适应电压较高的应用场景；利用D-mode型晶体管加电阻组成恒流源来限制工作电流同时避免因电阻过大而增加电路面积，从而适应低功耗，或者VDD-VSS电压很高的应用场景；据此使得本申请的施密特触发器具备较宽的应用范围和场景。
附图说明
下面对本发明说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1为本发明实施例1中施密特触发器电路原理图；
图2为本发明施密特触发器的应用原理示意图；
图3为本发明施密特触发器的仿真输出示意图；
图4为本发明施密特触发器实施例2电路原理图；
图5为本发明施密特触发器实施例3电路原理图
图6、图7、图8分别为缓冲单元的三种实施例。
具体实施方式
下面对照附图，通过对最优实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
由于GaAs工艺的晶体管尺寸较大，金属层次较少(通常只有两三层)，因此基于GaAs工艺的MMIC通常仅仅集成一些简单的逻辑控制电路，例如数控衰减器、数控移相器的驱动器、支持TDD模式收发切换或需要高低增益切换的放大器等，规模一般也就在10个逻辑门的量级，晶体管数量很少会超过100。本发明基于GaAs HEMT E/D工艺实现了一种施密特触发器，可广泛应用于各类手持设备、无线通讯终端、射频收发设备、5G通信基站等场合，具体来讲，上述的数控衰减器、数控移相器的驱动器、支持TDD模式收发切换或需要高低增益切换的放大器等射频前端集成电路中的控制信号输入环节都可以用到本发明。具有开关速度快、传输延迟小、抗干扰和抗辐照能力强、输出电压在较宽范围内连续可调等诸多优点。
本发明针对现有技术中没有GaAs工艺的产生的场效应管的施密特触发器，本身请提供一种基于GaAs材料制成的场效应晶体管的施密特触发器，适用于一些特殊的应用场景，这些场景下的集成电路确认了采用了GaAs工艺的方式来进行电路设计需要匹配对应的施密特触发器，而现有技术中并没有类似的采用场效应晶体管的施密特触发器电路，为了本申请设计了一种施密特触发器电路结构具体如下：
实施例1：如图1所示，其电路结构具体为：一种基于GaAs HEMT工艺的施密特触发器，包括场效应晶体管fet1、fet2、fet3、fet4，场效应晶体管fet1、fet2、fet3、fet4均为采用GaAs材料制成的晶体管，晶体管的类型为增强型场效应晶体管。
施密特触发器具有输入端IN、电源正端VDD、电源负端VSS、输出同相端OUTP、输出反相端OUTN，输入端IN与电阻R1连接，电阻R另一端依次串接电阻R2、R3后连接电源负端VSS，电阻R1与电阻R2之间引出端子连接fet1的栅极，fet1的漏极经电阻R4连接电源正端VDD；电源正端经电阻R5连接fet3的漏极、经电阻R6连接fet4的漏极；fet1的源极、fet2的源极、fet3的源极、fet4的源极连接电源负极VSS；fet1的漏极连接fet3的栅极；fet3的漏极连接fet4的栅极fet1的漏极引出端子连接至fet2的栅极，fet2的漏极连接在R3、R2之间；
在fet3的漏极引出端子连接至输出同相端OUTP；
在fet4的漏极引出端子连接至输出反相端OUTN。
本实施例1中提供的施密特触发器分别提供了同相输出和反向输出功能，其具体原理为：
VDD为电源正端，VSS为电源负端，IN为输入端，OUTP为输出同相端，OUTN为输出反相端。输入经电阻R1、R2、R3分压，加到增强型晶体管fet1上，R4和fet1组成一个基本的电阻负载型反相器。fet2将反相器输出反馈到输入侧：若fet2截止，R3参与输入分压，分压比例为若fet2导通，则R3被短路，不参与输入分压，分压比例为/>因此fet2的引入可以加速信号从输入到输出传输的转换速率，同时还具有了施密特触发器的特点，即输入从高电平到低电平、从低电平到高电平跳变时，具有不同的逻辑电平阈值，这种特点有利于增强电路的抗干扰能力。
R5和fet3、R6和fet4分别组成两级基本的电阻负载型反相器进一步加速信号高低电平的转换速率，并分别提供OUTP同相输出和OUTN反向输出。
如图2所示，其为本申请的典型应用电路，将本申请的VDD、VSS分别连接至电源的正极和负极/接地，并在输入端输入信号，就可以完成输出端OUTN、OUTP的输出。
通过选合理的电阻取值R1、R2、R3，可以平衡电路的功耗和速率。改变R1、R2、R3可以调整输入逻辑电平阈值以及施密特触发器的迟滞电压，对于一些低压应用(例如1.8V)，可直接用电阻分压，将输入逻辑电平阈值调整为0.8V～1.1V，迟滞电压0.3V。注意这里只关心输入逻辑电平阈值，如图3所示为本申请模拟仿真本申请实施例1施密特触发器的输出原理图，其输入为1.8V，通过电阻分压可以将输入的逻辑电平阈值调整为0.8-1.1V之间，输出电平(图3中为0.8V左右)是受晶体管栅极寄生的肖特基二极管箝位的，如果要提高输出电平到电源电压，需要增加输出缓冲单元。
如图6、7、8为缓冲单元的三种实现方式，输出缓冲单元有很多种形式，分别如下：(1)最简单的电阻负载型反相器，(2)增强输出驱动能力的反相器；(3)使用有源自偏置负载型且增强输出驱动能力的反相器。后面两种已经有点CMOS互补推挽电路的意味了，但由于GaAs HEMT工艺里只有N型晶体管，没有P型互补晶体管，故只能在前级增加反相器来使“推挽结构”的上边管fet1与下边管fet3互补导通。
实施例2：如图4所示，本实施例施密特触发器在实施例1的基础上进行改进，在实施例中的施密特触发器的输入端IN与电阻R1之间串接设置二极管用于降压，输入端IN和电阻R1之间串接用于降压的二极管d1。二极管d1为单个二极管或多个相互串联形成的二极管组。
对于一些电压较高的应用(例如5V-TTL)，即可按上图直接用电阻分压，也可按下图增加二极管d1降压，将输入逻辑电平阈值调整为2V～3V，迟滞电压1V。虽然图中只示意了一只二极管，但如果VSS为负压供电，即IN-VSS压差较大，还可以增加串联二极管的数量来实现较大范围的电平位移。
实施例3：本实施例是在实施例1或2的基础上进行的改进，主要适用于对施密特触发器要求低功耗或者电源VDD-VSS电压很高的场景。如果电路对要求低功耗，或者VDD-VSS电压很高，则上拉电阻R4、R5、R6需要取值很大，势必会增加电路面积，因此可以利用D-mode型晶体管加电阻组成恒流源来限制工作电流同时减小电路面积。具体电路原理包括：在实施例1或2的基础上，增加耗尽型场效应晶体管dfet1、dfet2、dfet3，如图5所示，电阻R4和VDD之间串接设置dfet1；电阻R5和VDD之间串接设置dfet2；电阻R6和VDD之间串接设置dfet3；VDD分别连接至dfet1的漏极、dfet2的漏极、dfet3的漏极，dfet1的源极经电阻R4连接至fet1的漏极；dfet2的源极经电阻R5连接至fet3的漏极；dfet3的源极经电阻R6连接至fet4的漏极；fet1的漏极连接至dfet1的栅极；fet3的漏极连接至dfet2的栅极；fet4的漏极连接至dfet3的栅极。
由于dfet1和电阻R4、dfet2和电阻R5、dfet3和电阻R6结合组成恒流源来限制工作电流，从而适应于VDD-VSS大电压的要求以及低功耗的要求，同时避免因电阻过大而增加电路面积，集成电路中，大值电阻会占用很大面积，如果改用其他形式减小电阻值就可以缩小面积)。
显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，均在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于GaAs HEMT工艺的施密特触发器，其特征在于：包括场效应晶体管fet1、fet2、fet3、fet4，输入端IN与电阻R1连接，电阻R1另一端依次串接电阻R2、R3后连接电源负端VSS，电阻R1与电阻R2之间引出端子连接fet1的栅极，fet1的漏极经电阻R4连接电源正端VDD；电源正端VDD经电阻R5连接fet3的漏极，电源正端VDD经电阻R6连接fet4的漏极；fet1的源极、fet2的源极、fet3的源极、fet4的源极连接电源负极VSS；fet1的漏极连接fet3的栅极；fet3的漏极连接fet4的栅极，fet1的漏极引出端子连接至fet2的栅极，fet2的漏极连接在电阻R3、电阻R2之间；在fet3的漏极引出端子连接至输出同相端OUTP；在fet4的漏极引出端子连接至输出反相端OUTN。
2.如权利要求1所述的一种基于GaAs HEMT工艺的施密特触发器，其特征在于：所述场效应晶体管fet1、fet2、fet3、fet4为采用GaAs材料制成的晶体管。
3.如权利要求1所述的一种基于GaAs HEMT工艺的施密特触发器，其特征在于：所述场效应晶体管fet1、fet2、fet3、fet4为增强型场效应晶体管。
4.如权利要求1所述的一种基于GaAs HEMT工艺的施密特触发器，其特征在于：在输入端IN和电阻R1之间串接用于降压的二极管d1。
5.如权利要求4所述的一种基于GaAs HEMT工艺的施密特触发器，其特征在于：二极管d1为单个二极管或多个相互串联形成的二极管组。
6.如权利要求1-5任一所述的一种基于GaAs HEMT工艺的施密特触发器，其特征在于：所述施密特触发器还包括耗尽型场效应晶体管dfet1、dfet2、dfet3，所述电阻R4和VDD之间串接设置dfet1；所述电阻R5和VDD之间串接设置dfet2；所述电阻R6和VDD之间串接设置dfet3；VDD分别连接至dfet1的漏极、dfet2的漏极、dfet3的漏极，dfet1的源极经电阻R4连接至fet1的漏极；dfet2的源极经电阻R5连接至fet3的漏极；dfet3的源极经电阻R6连接至fet4的漏极；fet1的漏极连接至dfet1的栅极；fet3的漏极连接至dfet2的栅极；fet4的漏极连接至dfet3的栅极。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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