[發明專利]用于高頻應用的直接耦合偏置電路

無效

• 申請號: 201280033310.2
• 申請日: 2012-06-16
• 公開（公告）號: CN103650363A
• 公開（公告）日: 2014-03-19
• 發明（設計）人: 孔檬·塔姆;贊·徐
• 申請（專利權）人: 張量通訊公司
• 主分類號: H04B7/00
• 分類號: H04B7/00
• 代理公司: 北京派特恩知識產權代理事務所(普通合伙) 11270
• 代理人: 武晨燕;張穎玲

背景技術

聯邦通信委員會（FCC）已經在60GHz頻率范圍內（57GHz至64GHz）分配了一個帶寬頻譜。在半導體管芯中形成的集成電路在該毫米波波長頻率范圍內提供高頻操作。這些集成電路中的某些在這些設計中利用互補金屬氧化物半導體（CMOS）或硅-鍺（SiGe）技術來形成該管芯。在60GHz處，短的片上金屬跡線轉換成影響這些高頻電路的設計的電感值。在一個集成電路中的該金屬跡線在這一頻率處的近似寄生電感是大約每微米跡線長度（2um-4um跡線寬度和0.85um-3um厚度）1pH。在60GHz處，一個典型電感器具有一個近似于大約50pH至120pH量級的電感，并且在一種示例情況下，在一側上占據一個大約100um的管芯面積。

在這些高頻處（約60GHz），基本上有兩種在兩級之間轉接信號的方法。這兩種方法都使用電抗性設備。這些方法被稱為“AC耦合”和“變壓器耦合”。在這兩種方法中使用的這些電抗性設備往往比在這些級本身內的有源設備耗盡更多的管芯面積。

在該“AC耦合”方法中，（例如參見Chinh?H.Doan、Sohrab?Emami、Ali?M.Niknejad和Robert?W.Brodersen的“用于60GHz應用的CMOS設計”（Design?of?CMOS?for60GHz?Applications），第24.4次會議，2004年2月18日，IEEE國際固態電路會議，舊金山，加州）通過在第一級和下一級之間耦合的一個串聯電容器來轉接兩級之間的信號。該電容器阻塞該第一級的DC工作電壓以防止影響下一級的DC工作條件。該技術允許將被DC偏置的每一級之間相互獨立；然而，通過電容器在兩級之間轉接該信號的AC分量。在一個集成電路上形成這一電容器同樣將一個不希望的并且不可避免的寄生電容引入到地線、電源和管芯（襯底）。這降低了效率并且增加了“AC耦合”方法的功率耗散。在60GHz處的一個典型的耦合電容器可以在從200fF至500fF的范圍內，并且在一種示例情況下將具有一個40um乘40um的尺寸。

第二種方法在兩級之間使用“變壓器耦合”（例如參見Wei?L.Chan、John?R.Long、Marco?Spirito和John?J.Pekarik的“在65nm?CMOS中具有11%PAE的60GHz-頻帶1V11.5dBm功率放大器（A60GHz-Band?I?V11.5dBm?Power?Amplifier?with11％PAE?in65nm?CMOS）”，24.4期，2009年2月11日，IEEE國際固態電路會議，舊金山，加州）以便在第一級和下一級之間轉接信號。變壓器在一個管芯上具有大尺寸并且典型地在一個平衡信號配置中被使用。變壓器典型地具有一個大的寄生電容。這些有源設備和平衡網絡與該變壓器的寄生電容共振。然而，變壓器遭受趨膚損耗、耦合損耗和管芯（或襯底）損耗。該平衡配置要求產生兩個相互之間180度異相的信號。由于這種方法的級的數量超過“AC耦合”方法的兩倍，所以這增加了這種方法的功率耗散。這些金屬跡線形成了被一種氧化物分離的變壓器的下部和上部線圈并且典型地將一個疊加在另一個的上方以便在該變壓器中增加耦合系數（約0.9）。該下部線圈的下側、該上部線圈的頂側以及這些線圈的側面具有雜散電容。這降低了效率并且增加了“變壓器耦合”方法的功率耗散。在60GHz處的一種典型互感器可以具有一個80um乘80um的尺寸。這些變壓器使用的管芯面積比這些耦合電容器大約多4倍。

耦合電容器和耦合變壓器方法的缺點之一是其物理尺寸非常大，該物理尺寸轉換成更大的管芯面積和增加的成本。同樣，由于這些電抗組件的大面積，用于通過該電抗組件將第一級互連到下一級上的跡線長度增加。由于跡線的每微米具有1pH的電感并且電抗性設備的尺寸近似為100um長度，寄生電感和電容可以顯著地改變所希望的負載電感和電容。

除了這些缺點之外，CMOS鑄造廠典型地不會提供模型或者不會保證用于電路的耦合電容器和變壓器建模在大于20GHz下操作。這對沒有建模團隊和高頻測量裝備的公司提出了非常重大的挑戰和困難。這要求射頻（RF）設計者在沒有這些模型的優點或電路在60GHz處的性能的情況下，在給定的技術下仔細地研究和分析其電路的物理布局。執行這一分析所需要的附加時間增加了產生用于該給定技術（被稱為“流片”）的最終掩模層次的持續時間并且開放了損耗收入的潛力。

發明內容