CN116566356A - 一种利用晶体管寄生电感效应的片上多模谐振器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用晶体管寄生电感效应的片上多模谐振器，涉及射频集成电路设计技术领域，包括第一射频端口、第二射频端口、晶体管组、补偿电容、补偿电感和第一至第N直流端口，晶体管组包括第一至第N晶体管，第一至第N晶体管依次串联连接的，串联方式是：第i晶体管的源极或者漏极与第i+1晶体管的源极或者漏极连接，N为大于等于1的自然数，1≤i＜N。本发明使用有源晶体管代替传统谐振结构中的电容，可以在同一电路拓扑下实现多个工作频率；充分考虑晶体管导通时的寄生电感，并通过加载补偿电容使寄生电感与加载的电容产生谐振，提升关断抑制度。

Description

一种利用晶体管寄生电感效应的片上多模谐振器
技术领域
本发明涉及射频集成电路设计技术领域，特别是一种利用晶体管寄生电感效应的片上多模谐振器。
背景技术
谐振器是射频电路领域的基本元件，是滤波器、振荡器的核心组成部分。因此，提高谐振器的性能，对无线收发系统至关重要。目前现有公开的片上谐振器，依照其结构的不同，有以下几种：
(1)申请号为201610392745.6的中国专利申请公开了基于零阶谐振器的小型化微带滤波功分器，其中的零阶谐振器由具有四对交指的交指电容和一个传输线电感构成。该谐振器虽然具有较好的回波损耗，但插入损耗和面积较大。该谐振器的工作频率与交指电容和电感的值是一一对应的，无法做到在不改变电路拓扑的情况下实现多个工作频率。
(2)申请号为202022104818.1的中国专利公开了一种基于宽边耦合分布式电容器的片上谐振器。该谐振器输入端与传输线一端相连，谐振器输出端与传输线的另一端相连；分布式电容采用宽边耦合结构，通过改变分布电容器的物理尺寸，可以在任意给定的频率上产生谐振，但是每次改变工作频率时，需要重新设计传输线长度及电容大小。
(3)申请号为202111297515.9的中国专利申请公开了一种低插入损耗高线性度的单刀双掷开关，该开关的发射路径谐振器是由晶体管和电感构成，利用晶体管关断状态的等效电容和并联的晶体管产生谐振。该设计没有考虑到晶体管工作时的其他寄生效应，未考虑到晶体管导通时的寄生电感效应。
综上所述，公开的谐振器在以下方面有待提高：1)无源谐振器件无法实现频率可变；2)有源谐振器工作时将晶体管的导通状态简单的等效为小电阻或直接导通，没有考虑晶体管导通时的寄生电感。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种利用晶体管寄生电感效应的片上多模谐振器，使用有源晶体管实现频率可变，同时创新性地考虑到晶体管的导通状态的寄生电感，并巧妙地利用这部分等效电感以增强片上谐振器的多功能特性。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
根据本发明提出的一种利用晶体管寄生电感效应的片上多模谐振器，包括第一射频端口、第二射频端口、晶体管组、补偿电容、补偿电感和第一至第N直流端口，晶体管组包括第一至第N晶体管，第一至第N晶体管依次串联连接的，串联方式是：第i晶体管的源极或者漏极与第i+1晶体管的源极或者漏极连接，N为大于等于1的自然数，1≤i＜N，其中，
第i晶体管的栅极与第i直流端口连接，第一晶体管的自由端作为晶体管组的输入端，第N晶体管的自由端作为晶体管组的输出端，自由端为源极或者漏极，第一射频端口与晶体管组的输入端、补偿电感的一端、第二射频端口分别连接，晶体管组的输出端与补偿电容的一端连接，补偿电容的另一端接地，补偿电感的另一端接地。
作为本发明所述的一种利用晶体管寄生电感效应的片上多模谐振器进一步优化方案，第i晶体管的栅极与第i直流端口还设有栅极电阻，第i直流端口经栅极电阻接入直流偏置电压。
作为本发明所述的一种利用晶体管寄生电感效应的片上多模谐振器进一步优化方案，补偿电感为微带线电感或带状线电感或螺线电感。
作为本发明所述的一种利用晶体管寄生电感效应的片上多模谐振器进一步优化方案，补偿电容为微带线电容或金属-绝缘体-金属电容或金属-氧化物-金属电容或平板电容或交指电容。
作为本发明所述的一种利用晶体管寄生电感效应的片上多模谐振器进一步优化方案，第一至第N晶体管为场效应晶体管或高电子迁移率晶体管或mHEMT或pHEMT晶体管。
一种利用晶体管寄生电感效应的片上多模谐振器，包括第一射频端口、第二射频端口、晶体管组、补偿电容、补偿电感和第一至第N直流端口，晶体管组包括第一至第N晶体管，第一至第N晶体管依次串联连接的，串联方式是：第i晶体管的源极或者漏极与第i+1晶体管的源极或者漏极连接，N为大于等于1的自然数，1≤i＜N，其中，
第i晶体管的栅极与第i直流端口连接，第一晶体管的自由端作为晶体管组的输入端，第N晶体管的自由端作为晶体管组的输出端，自由端为源极或者漏极，第一射频端口与补偿电容的一端、补偿电感的一端、第二射频端口分别连接，补偿电容的另一端与晶体管组的输入端连接，晶体管组的输出端接地，补偿电感的另一端接地。
作为本发明所述的一种利用晶体管寄生电感效应的片上多模谐振器进一步优化方案，第i晶体管的栅极与第i直流端口还设有栅极电阻，第i直流端口经栅极电阻接入直流偏置电压。
作为本发明所述的一种利用晶体管寄生电感效应的片上多模谐振器进一步优化方案，补偿电感为微带线电感或带状线电感或螺线电感。
作为本发明所述的一种利用晶体管寄生电感效应的片上多模谐振器进一步优化方案，补偿电容为微带线电容或金属-绝缘体-金属电容或金属-氧化物-金属电容或平板电容或交指电容。
作为本发明所述的一种利用晶体管寄生电感效应的片上多模谐振器进一步优化方案，第一至第N晶体管为场效应晶体管或高电子迁移率晶体管或mHEMT或pHEMT晶体管。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)使用有源晶体管代替传统谐振结构中的电容，可以在同一电路拓扑下实现多个工作频率；
(2)充分考虑晶体管导通时的寄生电感，并通过加载补偿电容使寄生电感与加载的电容产生谐振，提升关断抑制度。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的基于一种利用晶体管寄生电感效应的片上多模谐振器的半导体射频单刀单掷开关的结构示意图。
图2a为第一直流端口V11、第二直流端口V12、第三直流端口V21、第四直流端口V22均接-5V电平时实施例1的散射参数随频率变化的仿真曲线。
图2b为第一直流端口V11、第三直流端口V21接-5V电平，第二直流端口V12、第四直流端口V22接0V电平时实施例1的散射参数随频率变化的仿真曲线。
图2c为第一直流端口V11、第二直流端口V12、第三直流端口V21、第四直流端口V22均接0V电平时实施例1的散射参数随频率变化的仿真曲线。
图3为本发明实施例2提供的一种利用晶体管寄生电感效应的片上多模谐振器的半导体射频单刀双掷开关的结构示意图。
图4是本发明的一种结构。
图5是本发明的另一种结构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明的一种利用晶体管寄生电感效应的片上多模谐振器可以用于设计频率可变的单刀单掷、单刀双掷开关。
实施例1
如图1所示，是一种利用晶体管寄生电感效应的片上多模谐振器在单刀单掷开关上的应用。包括第一射频端口P1、第二射频端口P2、第一直流端口V11、第二直流端口V12、第三直流端口V21、第四直流端口V22、第一栅极电阻Rg11、第二栅极电阻Rg12、第三栅极电阻Rg21、第四栅极电阻Rg22、第一谐振器11、第二谐振器21、第一匹配电感Ll1、第二匹配电感Ll2、第三匹配电感Ll3；
第一输出端口P1与第一谐振器11通过加载第一匹配电感Ll1相连，第一谐振器11与第二谐振器21之间通过加载第二匹配电感Ll2相连，第二谐振器21的另一端连接第三匹配电感Ll3，第三匹配电感Ll3的另一端与第二射频端口P2相连。
图2a为第一直流端口V11、第二直流端口V12、第三直流端口V21、第四直流端口V22均接-5V电平时实施例1的散射参数随频率变化的仿真曲线，该单刀单掷开关工作在20-24GHz，带内插入损耗普遍低于0.5dB，性能优越；
图2b为第一直流端口V11、第三直流端口V21接-5V电平，第二直流端口V12、第四直流端口V22接0V电平时实施例1的散射参数随频率变化的仿真曲线，该单刀单掷开关工作在15-20GHz，成功实现双模工作；
图2c为第一直流端口V11、第二直流端口V12、第三直流端口V21、第四直流端口V22均接0V电平时实施例1的散射参数随频率变化的仿真曲线，该单刀单掷开关在19.6GHz和20.2GHz处产生两个传输零点，提高了关断抑制度。
实施例2
图3为一种利用晶体管寄生电感效应的片上多模谐振器在单刀双掷开关上的应用。包括第一射频端口P1、第二射频端口P2、第三射频端口P3、第一直流端口K111、第二直流端口K112、第三直流端口K121、第四直流端口K122、第五直流端口K211、第六直流端口K212、第七直流端口K221、第八直流端口K222、第一谐振器11、第二谐振器12、第三谐振器21、第四谐振器22、输入匹配电路Xin、输入耦合电容C1、第一输出匹配电路X1out、第二输出匹配电路X1out、第一级联电感LA、第二级联电感LB；
第一射频端口P1与输入匹配电路Xin的一端相连，输入匹配电路Xin的另一端与输入耦合电容C1的一端相连，输入耦合电容C1的另一端接地；
第一开关臂中，第一谐振器11的一端接在输入匹配电路Xin与输入耦合电容C1的连接点上，第一谐振器11和第二谐振器12通过加载第一级联电感LA相连，第二谐振器的另一端与第一输出匹配电路X1out的一端电连接，第一输出匹配电路X1out的另一端接第二射频端口；
第二开关臂关于输入匹配电路Xin及耦合电容C1对称。
如图4所示，一种利用晶体管寄生电感效应的片上多模谐振器，包括第一射频端口P1、第二射频端口P2、晶体管组、补偿电容C、补偿电感L和第一至第N直流端口K1-KN，晶体管组包括第一至第N晶体管M1–MN，其中，
第一晶体管的漏极作为晶体管组的输入端，第N晶体管的源极作为晶体管组的输出端，第一射频端口与第一晶体管的漏极、补偿电感的一端、第二射频端口分别连接，第i晶体管的源极与第i+1晶体管的漏极连接，第N晶体管的源极与补偿电容的一端连接，补偿电容的另一端接地，补偿电感的另一端接地，第i晶体管的栅极与第i直流端口连接；其中，1≤i＜N，N为大于等于1的整数。或者：
第一晶体管的源极作为晶体管组的输入端，第N晶体管的漏极作为晶体管组的输出端，第一射频端口与第一晶体管的源极、补偿电感的一端、第二射频端口分别连接，第i晶体管的漏极与第i+1晶体管的源极连接，第N晶体管的漏极与补偿电容的一端连接，补偿电容的另一端接地，补偿电感的另一端接地，第i晶体管的栅极与第i直流端口连接；其中，1≤i＜N，N为大于等于1的整数。
图5所示，一种利用晶体管寄生电感效应的片上多模谐振器，包括第一射频端口P1、第二射频端口P2、晶体管组、补偿电容C、补偿电感L和第一至第N直流端口K1-KN，晶体管组包括第一至第N晶体管M1–MN，其中，
第一晶体管的漏极作为晶体管组的输入端，第N晶体管的源极作为晶体管组的输出端，第一射频端口与补偿电容的一端、补偿电感的一端、第二射频端口分别连接，补偿电容的另一端与第一晶体管的漏极连接，第i晶体管的源极与第i+1晶体管的漏极连接，第N晶体管的源极接地，补偿电感的另一端接地，第i晶体管的栅极与第i直流端口连接；其中，1≤i＜N，N为大于等于1的整数。
或者：
第一晶体管的源极作为晶体管组的输入端，第N晶体管的漏极作为晶体管组的输出端，第一射频端口与补偿电容的一端、补偿电感的一端、第二射频端口分别连接，补偿电容的另一端与第一晶体管的源极连接，第i晶体管的漏极与第i+1晶体管的源极连接，第N晶体管的漏极接地，补偿电感的另一端接地，第i晶体管的栅极与第i直流端口连接；其中，1≤i＜N，N为大于等于1的整数。
晶体管的源极或者漏极接地、补偿电感接地均是通过端接金属化接地通孔实现。
补偿电感为微带线电感或带状线电感或螺线电感，补偿电容为微带线电容或金属-绝缘体-金属电容或金属-氧化物-金属电容或平板电容或交指电容，第一至第N晶体管为场效应晶体管或高电子迁移率晶体管或mHEMT或pHEMT晶体管。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种利用晶体管寄生电感效应的片上多模谐振器，其特征在于，包括第一射频端口、第二射频端口、晶体管组、补偿电容、补偿电感和第一至第N直流端口，晶体管组包括第一至第N晶体管，第一至第N晶体管依次串联连接的，串联方式是：第i晶体管的源极或者漏极与第i+1晶体管的源极或者漏极连接，N为大于等于1的自然数，1≤i＜N，其中，
第i晶体管的栅极与第i直流端口连接，第一晶体管的自由端作为晶体管组的输入端，第N晶体管的自由端作为晶体管组的输出端，自由端为源极或者漏极，第一射频端口与晶体管组的输入端、补偿电感的一端、第二射频端口分别连接，晶体管组的输出端与补偿电容的一端连接，补偿电容的另一端接地，补偿电感的另一端接地。
2.根据权利要求1所述的一种利用晶体管寄生电感效应的片上多模谐振器，其特征在于，第i晶体管的栅极与第i直流端口还设有栅极电阻，第i直流端口经栅极电阻接入直流偏置电压。
3.根据权利要求1所述的一种利用晶体管寄生电感效应的片上多模谐振器，其特征在于，补偿电感为微带线电感或带状线电感或螺线电感。
4.根据权利要求1所述的一种利用晶体管寄生电感效应的片上多模谐振器，其特征在于，补偿电容为微带线电容或金属-绝缘体-金属电容或金属-氧化物-金属电容或平板电容或交指电容。
5.根据权利要求1所述的一种利用晶体管寄生电感效应的片上多模谐振器，其特征在于，第一至第N晶体管为场效应晶体管或高电子迁移率晶体管或mHEMT或pHEMT晶体管。
6.一种利用晶体管寄生电感效应的片上多模谐振器，其特征在于，包括第一射频端口、第二射频端口、晶体管组、补偿电容、补偿电感和第一至第N直流端口，晶体管组包括第一至第N晶体管，第一至第N晶体管依次串联连接的，串联方式是：第i晶体管的源极或者漏极与第i+1晶体管的源极或者漏极连接，N为大于等于1的自然数，1≤i＜N，其中，
第i晶体管的栅极与第i直流端口连接，第一晶体管的自由端作为晶体管组的输入端，第N晶体管的自由端作为晶体管组的输出端，自由端为源极或者漏极，第一射频端口与补偿电容的一端、补偿电感的一端、第二射频端口分别连接，补偿电容的另一端与晶体管组的输入端连接，晶体管组的输出端接地，补偿电感的另一端接地。
7.根据权利要求6所述的一种利用晶体管寄生电感效应的片上多模谐振器，其特征在于，第i晶体管的栅极与第i直流端口还设有栅极电阻，第i直流端口经栅极电阻接入直流偏置电压。
8.根据权利要求6所述的一种利用晶体管寄生电感效应的片上多模谐振器，其特征在于，补偿电感为微带线电感或带状线电感或螺线电感。
9.根据权利要求6所述的一种利用晶体管寄生电感效应的片上多模谐振器，其特征在于，补偿电容为微带线电容或金属-绝缘体-金属电容或金属-氧化物-金属电容或平板电容或交指电容。
10.根据权利要求6所述的一种利用晶体管寄生电感效应的片上多模谐振器，其特征在于，第一至第N晶体管为场效应晶体管或高电子迁移率晶体管或mHEMT或pHEMT晶体管。
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