[發(fā)明專利]基于差分結(jié)構(gòu)的GaAs邏輯單元及其串并轉(zhuǎn)換電路

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510051935.7
• 申請日: 2015-01-30
• 公開（公告）號: CN104682967B
• 公開（公告）日: 2018-12-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳普鋒
• 申請（專利權(quán)）人: 天津中科海高微波技術(shù)有限公司
• 主分類號: H03M9/00
• 分類號: H03M9/00
• 代理公司: 天津市三利專利商標(biāo)代理有限公司 12107
• 代理人: 李文洋

本發(fā)明涉及GaAs邏輯電路，尤其涉及一種基于差分結(jié)構(gòu)的GaAs邏輯單元及其串并轉(zhuǎn)換電路。所述的邏輯單元包括差分輸入邏輯門以及由耗盡型場效應(yīng)管D1、耗盡型場效應(yīng)管D2、電阻R1、電阻R2組成的負(fù)載；其中，耗盡型場效應(yīng)管D1和D2的漏極分別接地，耗盡型場效應(yīng)管D1和D2的源極分別與所述電阻R1和電阻R2的一端連接，所述電阻R1另一端分別接所述差分輸入邏輯門和耗盡型場效應(yīng)管D1的柵極，所述電阻R2另一端分別接所述差分輸入邏輯門和耗盡型場效應(yīng)管D2的柵極。本發(fā)明所述邏輯單元及串并轉(zhuǎn)換電路，具有結(jié)構(gòu)簡單、速度快、功耗低、面積小的優(yōu)勢，并且不同溫度和電源電壓的變化對其影響較小。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及GaAs邏輯電路，尤其涉及一種基于差分結(jié)構(gòu)的GaAs邏輯單元及其串并轉(zhuǎn)換電路。

背景技術(shù)

當(dāng)今電子產(chǎn)品發(fā)展的目標(biāo)之一就是把盡可能多的功能通過一個芯片來實現(xiàn)。得益于半導(dǎo)體制造工藝的不斷進(jìn)步，現(xiàn)在已經(jīng)可以在一個芯片上集成多種復(fù)雜的功能，這種芯片被稱之為多功能芯片。多功能芯片可以集成模擬電路、數(shù)字電路以及射頻電路。在微波與毫米波系統(tǒng)領(lǐng)域，目前已經(jīng)涌現(xiàn)出大量的采用砷化鎵(GaAs)技術(shù)的多功能芯片，它們通常會集成數(shù)控移相電路、數(shù)控衰減電路、放大電路、開關(guān)電路以及負(fù)責(zé)控制串并轉(zhuǎn)換的數(shù)字電路。其中串并轉(zhuǎn)換電路用于完成串聯(lián)輸入的數(shù)字信號至并聯(lián)輸出的數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，從而可以通過一位串聯(lián)數(shù)字信號來實現(xiàn)幾十位甚至上百位的內(nèi)部并聯(lián)數(shù)字信號的控制。

GaAs是一種化合物半導(dǎo)體，主要應(yīng)用于微波與毫米波集成電路，具有低噪聲、大功率、高頻率、抗輻照等優(yōu)點。在基于GaAs技術(shù)的多功能芯片中，串并轉(zhuǎn)換電路是非常重要的一個組成部分：一方面，它占據(jù)較大的芯片面積約為整個芯片面積的1/4至1/3，從而影響整個芯片的成本；另一方面，由于受到GaAs工藝的限制，它的功耗和工作速度無法與CMOS工藝下同等功能電路相媲美，通常串并轉(zhuǎn)換電路功耗約為50 mA、工作速度約為10 MHz，較低的串并轉(zhuǎn)換電路工作速度導(dǎo)致開關(guān)的驅(qū)動信號工作速度較慢，從而影響整個多功能芯片的功耗、信號轉(zhuǎn)換時間等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。

目前國內(nèi)外基于GaAs技術(shù)的串并轉(zhuǎn)換電路及相關(guān)研究非常少見。傳統(tǒng)的基于GaAs技術(shù)的串并轉(zhuǎn)換電路，根據(jù)負(fù)載電路的不同可以有如下兩種典型的實現(xiàn)方法：如圖1為以耗盡型場效應(yīng)管為負(fù)載的邏輯單元而構(gòu)建串并轉(zhuǎn)換電路；如圖2為以電阻為負(fù)載的邏輯單元而構(gòu)建串并轉(zhuǎn)換電路。

圖1為以耗盡型場效應(yīng)管為負(fù)載的邏輯單元，包含一個單端輸入邏輯門102和一個耗盡型場效應(yīng)管101。其中，單端輸入邏輯門102依據(jù)不同的邏輯功能而有不同的實現(xiàn)方法，比如邏輯“與非”、邏輯“或非”、邏輯“非”等；耗盡型場效應(yīng)管101作為負(fù)載，連接單端輸入邏輯門102和“地”GND，在正常工作時，耗盡型場效應(yīng)管101有穩(wěn)定的電流流過其源端和漏端。由于耗盡型場效應(yīng)管101的柵端電壓和源端電壓相等，場效應(yīng)管以二極管連接方式在工作，這使得源端看進(jìn)去的輸出阻抗理論上為1/gmgm為其跨導(dǎo)，遠(yuǎn)小于該場效應(yīng)管工作在飽和區(qū)時呈現(xiàn)的輸出阻抗理論值rds。較小的輸出阻抗會導(dǎo)致在同等工作速度、同等輸出幅度的前提之下，該電路將消耗更多的功耗，以及產(chǎn)生較小的噪聲裕量和輸出擺動幅度，進(jìn)而導(dǎo)致基于這種邏輯單元的串并轉(zhuǎn)換電路工作速度低、功耗大、噪聲裕量小。但是，它的結(jié)構(gòu)簡單，僅包含兩個晶體管，使得芯片面積小。

圖2為以電阻為負(fù)載的邏輯單元，包含一個單端輸入邏輯門202和一個電阻201。其中，單端輸入邏輯門202與單端輸入邏輯門102相同，依據(jù)不同的邏輯功能而有不同的實現(xiàn)方法，比如邏輯“與非”、邏輯“或非”、邏輯“非”等；電阻201作為負(fù)載，連接單端輸入邏輯門202和“地”，在正常工作時，電阻201有穩(wěn)定的電流流過其兩端，它的輸出阻抗就是電阻的阻抗R。在GaAs工藝中，電阻的阻值越大，電阻的尺寸也就越長，這就使得在同等工作速度、同等輸出幅度的前提之下，該電路將需要較大的負(fù)載電阻并消耗較大的電流，從而導(dǎo)致它的功耗大、面積大，進(jìn)而導(dǎo)致基于這種結(jié)構(gòu)的串并轉(zhuǎn)換電路功耗大、面積大。但是，它的電路最簡單，加工工藝不復(fù)雜，工作速度快。