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兼具高隔离度和稳定输入匹配的毫米波 开关键控调制器

阅读：329发布：2020-05-08

专利汇可以提供兼具高隔离度和稳定输入匹配的毫米波开关键控调制器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种兼具高隔离度和稳定输入匹配的毫米波开关键控调制器，其包括共源级电路、变压器、改进型层叠共栅级开关电路，改进型层叠共栅级开关电路在传统型层叠共栅级开关电路的基础上加入了串联电感、下层开关晶体管、上层开关晶体管，通过优化串联电感的感值、下层开关晶体管和上层开关晶体管的栅宽，不仅能在不影响电路增益的情况下提升电路的开/关隔离度，还能显著减小电路在开/关状态下的输入阻抗变化；此外，共源级电路和改进型层叠共栅级开关电路之间通过变压器进行耦合，实现小尺寸、低电压和高增益，也进一步减小改进型层叠共栅级开关电路在开/关状态下的输入阻抗变化对调制器的输入匹配的影响，实现更加稳定的输入匹配。，下面是兼具高隔离度和稳定输入匹配的毫米波开关键控调制器专利的具体信息内容。

权利要求

1.兼具高隔离度和稳定输入匹配的毫米波开关键控调制器，其特征在于：包括共源级电路、变压器T1、改进型层叠共栅级开关电路；共源级电路和改进型层叠共栅级开关电路之间通过变压器T1进行耦合；
所述改进型层叠共栅级开关电路为在传统型层叠共栅级开关电路中加入串联电感LS2、下层开关晶体管M4、上层开关晶体管M5；其中，下、上层开关晶体管M4和M5的漏极分别与传统型层叠共栅级开关电路的下、上层共栅级晶体管的源极连接，栅极与传统型层叠共栅级开关电路的第一级反相器I1的输出端、第二级反相器I2的输入端连接，源极接地；串联电感LS2连接在传统型层叠共栅级开关电路的下层共栅级晶体管的漏极和上层共栅级晶体管的源极之间。
2.根据权利要求1所述的兼具高隔离度和稳定输入匹配的毫米波开关键控调制器，其特征在于：
当控制信号为高电平时，下层共栅级晶体管M2和上层共栅级晶体管M3处于饱和区，下层开关晶体管M4和上层开关晶体管M5处于截止区，改进型层叠共栅级开关电路处于导通状态；
通过调控串联电感LS2的感值使串联电感LS2抵消部分晶体管的寄生电容对电路增益的影响，同时保持改进型层叠共栅级开关电路导通状态下的输入阻抗ZX_ON在工作频带内的频率非相关性。
3.根据权利要求1所述的兼具高隔离度和稳定输入匹配的毫米波开关键控调制器，其特征在于：
当控制信号为低电平时，上层共栅级晶体管M3处于截止区，下层共栅级晶体管M2、下层开关晶体管M4和上层开关晶体管M5处于深线性区，改进型层叠共栅级开关电路处于关断状态；处于深线性区的晶体管可以等效为阻值可控的线性电阻，其阻值Ron可以表示为：
其中，L和W分别为晶体管的栅长和栅宽，VGS为晶体管栅极和源极之间的电压，μnCox为工艺常数，VTH为阈值电压；
通过调整下层开关晶体管M4和上层开关晶体管M5的栅宽优化阻值，使改进型层叠共栅级开关电路在关断状态下的输入阻抗(ZX_OFF)接近ZX_ON，以减小改进型层叠共栅级开关电路在开/关状态下的输入阻抗变化。
4.根据权利要求1-3任一所述的兼具高隔离度和稳定输入匹配的毫米波开关键控调制器，其特征在于：共源级电路始终处于导通状态。
5.根据权利要求1-4任一所述的兼具高隔离度和稳定输入匹配的毫米波开关键控调制器，其特征在于：所述共源级电路包括共源级晶体管M1、负反馈电感LS1、输入匹配及偏置网络，所述变压器T1包括初级线圈、次级线圈，所述改进型层叠共栅级开关电路包括下层共栅级晶体管M2、上层共栅级晶体管M3、串联电感LS2、下层开关晶体管M4、上层开关晶体管M5、第一反相器I1、第二反相器I2、旁路电容Cb、输出匹配及偏置网络；
共源级晶体管M1的栅极与输入匹配及偏置网络连接，源极与负反馈电感LS1的一端连接，漏极与变压器T1的初级线圈的一端连接；变压器T1的初级线圈的另一端与电源电压连接，负反馈电感LS1的另一端接地；变压器T1的次级线圈的一端接地，另一端与下层共栅级晶体管M2的源极、下层开关晶体管M4的漏极连接；串联电感LS2的一端与下层共栅级晶体管M2的漏极连接，另一端与上层共栅级晶体管M3的源极、上层开关晶体管M5的漏极连接；上层开关晶体管M5的栅极与下层开关晶体管M4的栅极、第一反相器I1的输出端、第二反相器I2的输入端连接，上层开关晶体管M5的源极与下层开关晶体管M4的源极接地；上层共栅级晶体管M3的漏极与输出匹配及偏置网络连接，栅极与第二反相器I2的输出端、旁路电容Cb的一端连接，旁路电容Cb的另一端接地。

说明书全文

兼具高隔离度和稳定输入匹配的毫米波开关键控调制器

技术领域

[0001] 本发明属于微波毫米波技术领域，涉及一种毫米波开关键控调制器，尤其涉及一种兼具高隔离度和稳定输入匹配的毫米波开关键控调制器。

背景技术

[0002] 近年来，随着第五代移动通信(5G)和物联网(IoT)技术的发展，高速率、低成本、低功耗的毫米波开关键控(OOK)无线通信系统获得了人们的广泛关注。其中，OOK调制器是OOK收发系统中的关键器件，其主要性能指标包括调制速率、增益、开/关隔离度和输入匹配稳定性等。

[0003] 最简单的OOK调制器是利用OOK 信号直接控制振荡器的导通和关断，它们虽然可以获得很高的开/关隔离度，但调制速率受振荡器的起振和关断时间所限制。另一种OOK调制器是基于单刀单掷开关，它们可以获得高的调制速率，但通常面临着增益过低(存在插入损耗)和开/关隔离度不够等问题，尤其在毫米波频段，这些问题更加明显。尽管可以采用双平衡结构来提高开关的隔离度，但这进一步增加了开关的插入损耗，而且也增加了开关的面积。还有一种OOK调制器是利用OOK信号控制放大器的导通和关断，这样可以解决开关增益低的问题，但开/关隔离度不够的问题依然存在。有文献提出在基于放大器结构的OOK调制器中并联一个可控阻抗单元到“地”，该单元在调制器导通时工作在高阻状态，在调制器关断时工作在低阻状态，因此在不影响调制器增益和功耗的条件下实现了很高的开/关隔离度。然而，这些OOK调制器还存在着开/关状态下输入阻抗变化过大的问题，即输入匹配不稳定问题。在OOK调制器的工作过程中，高速率、大幅度的输入阻抗变化可能会导致调制器前级的振荡器或信号源工作不稳定。

[0004] 因此，需要发明一种新型的毫米波OOK调制器，使其在输入匹配稳定的同时具备高调制速率、高增益和高开/关隔离度。

发明内容

[0005] 本发明提供一种在开/关状态下输入匹配稳定，同时具有高开/关隔离度的新型毫米波OOK调制器。

[0006] 本发明采用如下技术方案：

[0007] 一种兼具高隔离度和稳定输入匹配的毫米波OOK调制器，包括共源级电路、变压器T1、改进型层叠共栅级开关电路；共源级电路和改进型层叠共栅级开关电路之间通过变压器T1进行耦合；

[0008] 所述改进型层叠共栅级开关电路为在传统型层叠共栅级开关电路中加入串联电感LS2、下层开关晶体管M4、上层开关晶体管M5；其中，下、上层开关晶体管M4和M5的漏极分别与传统型层叠共栅级开关电路的下、上层共栅级晶体管的源极连接，栅极与传统型层叠共栅级开关电路的第一级反相器I1的输出端、第二级反相器I2的输入端连接，源极接地；串联电感LS2连接在传统型层叠共栅级开关电路的下层共栅级晶体管的漏极和上层共栅级晶体管的源极之间。

[0009] 本发明通过控制改进型层叠共栅级开关电路中的上层共栅级晶体管M3的栅极电压来实现OOK调制。当控制信号为高电平时，下层共栅级晶体管M2和上层共栅级晶体管M3处于饱和区，下层开关晶体管M4和上层开关晶体管M5处于截止区，改进型层叠共栅级开关电路处于导通状态。对于传统型层叠共栅级开关电路而言，其在导通状态下的输入阻抗(ZX_ON)可以表示为ZX_ON＝1/gm2，其中gm2为下层共栅级晶体管M2的跨导。对于改进型层叠共栅级开关电路而言，串联电感LS2的引入一方面可以抵消部分晶体管的寄生电容对电路增益的影响，另一方面会使ZX_ON呈现出一定的频率相关性，不利于宽带匹配，因此在选择串联电感值时需要在增益和输入阻抗的频率相关性之间折中考虑。当控制信号为低电平时，上层共栅级晶体管M3处于截止区，下层共栅级晶体管M2、下层开关晶体管M4和上层开关晶体管M5处于深线性区，改进型层叠共栅级开关电路处于关断状态。处于深线性区的晶体管可以等效为阻值可控的线性电阻，其阻值Ron可以表示为：

[0010]

[0011] 其中，L和W分别为晶体管的栅长和栅宽，VGS为晶体管栅极和源极之间的电压，μnCox为工艺常数，VTH为由工艺确定的阈值电压。对于处于深线性区的开关晶体管M4和M5而言，因为它们的源极接地(源极电压为0)，因此VGS即为它们栅极的电压，由第一反相器I1的电源电压决定，本发明中确定为1V。此外，在毫米波应用中，晶体管通常选用工艺所能制作的最小栅长以获得最佳的射频特性，因此公式(1)中只剩下W为变量。可以通过调整下层开关晶体管M4和上层开关晶体管M5的栅宽来优化它们的阻值，使改进型层叠共栅级开关电路在关断状态下的输入阻抗(ZX_OFF)尽可能地接近ZX_ON，即让两者差值的绝对值(|ZX_OFF-ZX_ON|)最小，以减小改进型层叠共栅级开关电路在开/关状态下的输入阻抗变化。此外，由于在关断状态下的信号通路中并联了两个线性电阻到地，可以将泄露的射频信号引导到地，从而提升了电路的隔离度。特别是，串联电感LS2的存在还使得在最小化|ZX_OFF-ZX_ON|的过程中可以选用更大栅宽的开关晶体管(线性电阻更小)，有利于开/关隔离度的进一步提升。

[0012] 更进一步的，本发明中共源级电路和改进型层叠共栅级开关电路之间通过变压器T1进行耦合，若将变压器T1用其T形电感模型来代替，整个OOK调制器电路可以等效为三层共源共栅结构，因此在导通状态下具有很高的增益。使用变压器进行级间耦合一方面能够有效减小芯片的尺寸，另一方面还能将共源级电路和改进型层叠共栅级开关电路的供电分离，缓解了三层共源共栅电路需要更高的供电电压的压力。

[0013] 更进一步的，本发明中共源级电路始终处于导通状态，其反向隔离有助于进一步减小改进型层叠共栅级开关电路在开/关状态下的输入阻抗变化对整个电路的输入匹配的影响，实现更加稳定的输入匹配。

[0014] 本发明具有如下优点：

[0015] 1)本发明在传统型层叠共栅级开关电路中引入了串联电感和上、下两层开关晶体管，通过优化串联电感的大小和开关晶体管的栅宽不仅能在不影响电路增益的情况下提升电路的开/关隔离度，还能显著减小电路在开/关状态下的输入阻抗变化；

[0016] 2)共源级电路和改进型层叠共栅级开关电路之间通过变压器进行耦合，整个电路可以等效为三层共源共栅结构，在导通状态下具有很高的增益；而且，使用变压器进行级间耦合一方面能够有效减小芯片的尺寸，另一方面还能将前后两级电路的供电分离，缓解了三层共源共栅电路需要更高的供电电压的压力，适用于低电压应用场景；

[0017] 3)共源级电路始终处于导通状态，其反向隔离有助于进一步减小改进型层叠共栅级开关电路在开/关状态下的输入阻抗变化对整体电路的输入匹配的影响，实现更加稳定的输入匹配。附图说明

[0018] 图1是本发明的电路原理图；

[0019] 图2(a)和(b)是传统型和改进型层叠共栅级开关电路的输入阻抗(ZX)的实部和虚部的仿真结果；

[0020] 图3是传统型和改进型层叠共栅级开关电路的最大可实现增益和开/关隔离度的仿真结果；

[0021] 图4是本发明在开/关状态下的增益的测试结果；

[0022] 图5是本发明在开/关状态下的输入输出回波损耗的测试结果；

[0023] 图6是本发明在脉冲激励下的时域响应波形的测试结果。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

[0025] 如图1所示，本发明提供的一种兼具高隔离度和稳定输入匹配的毫米波OOK调制器，包括共源级电路1、变压器T1、改进型层叠共栅级开关电路2，所述共源级电路1包括共源级晶体管M1、负反馈电感LS1、输入匹配及偏置网络3，所述变压器T1包括初级线圈4、次级线圈5，所述改进型层叠共栅级开关电路2包括下层共栅级晶体管M2、上层共栅级晶体管M3、串联电感LS2、下层开关晶体管M4、上层开关晶体管M5、第一反相器I1、第二反相器I2、旁路电容Cb、输出匹配及偏置网络6。

[0026] 电路的具体连接关系如下：共源级晶体管M1的栅极与输入匹配及偏置网络3连接，源极与负反馈电感LS1的一端连接，漏极与变压器T1的初级线圈4的一端连接；变压器T1的初级线圈4的另一端与电源电压连接，负反馈电感LS1的另一端接地；变压器T1的次级线圈5的一端接地，另一端与下层共栅级晶体管M2的源极、下层开关晶体管M4的漏极连接；串联电感LS2的一端与下层共栅级晶体管M2的漏极连接，另一端与上层共栅级晶体管M3的源极、上层开关晶体管M5的漏极连接；上层开关晶体管M5的栅极与下层开关晶体管M4的栅极、第一反相器I1的输出端、第二反相器I2的输入端连接，上层开关晶体管M5的源极与下层开关晶体管M4的源极接地；上层共栅级晶体管M3的漏极与输出匹配及偏置网络6连接，栅极与第二反相器I2的输出端、旁路电容Cb的一端连接，旁路电容Cb的另一端接地。

[0027] 图2(a)和(b)是传统型和改进型层叠共栅级开关电路的输入阻抗(ZX)的实部和虚部的仿真结果。具体仿真结果如下：(1)对于传统型层叠共栅级开关电路，其在导通状态下的ZX具有很强的频率非相关性，在工作频段(20～30GHz)内，ZX的实部在15.1～15.4Ω之间，虚部在0.04～0.13Ω之间；在电路关断状态下，ZX表现出了很强的容性，在工作频段内，ZX的实部在16.6～17.6Ω之间，虚部在-37.3～-26.6Ω之间；在电路开/关状态下，ZX的实部的变化在1.2～2.5Ω之间，虚部的变化在26.6～37.4Ω之间，虽然ZX的实部变化很小，但其虚部变化很大。(2)对于改进型层叠共栅级开关电路，由于串联电感LS2的引入，其在导通状态下的ZX表现出了一定的感性，因此串联电感LS2的取值不宜过大，在本实例中串联电感LS2的取值为200pH，此时虽然ZX在30GHz以上出现了较强的感性，但在工作频段内ZX的频率相关性不明显，其实部在15～15.8Ω之间，虚部在2.8～5.3Ω之间；在电路关断状态下，下层开关晶体管M4和上层开关晶体管M5处于深线性区，可以等效为阻值可控的线性电阻，当晶体管栅极电压和最小栅长确定时，可以通过调整它们的栅宽来优化它们的阻值，当下层开关晶体管M4的栅宽为16μm、上层开关晶体管M5的栅宽为60μm时，ZX的实部在14.4～15.6Ω之间，虚部在-0.8～1.6Ω之间；在电路开/关状态下，ZX的实部的变化小于0.6Ω，虚部的变化小于6Ω。相比于传统型层叠共栅级开关电路，改进型层叠共栅级开关电路2在开/关状态下的输入阻抗变化显著减小。

[0028] 需要说明的是，假如移除串联电感LS2，当下层开关晶体管M4的栅宽调整为8μm、上层开关晶体管M5的栅宽调整为16μm时，同样可以减小电路在开/关状态下的输入阻抗变化。但是，由于下层开关晶体管M4和上层开关晶体管M5的栅宽变小，它们对应的电阻值也相应变大，这会降低电路在关断状态下的隔离度。而且，移除串联电感LS2还会使电路在导通状态下的增益降低，进一步降低电路的开/关隔离度。

[0029] 图3是传统型和改进型层叠共栅级开关电路的最大可实现增益和开/关隔离度的仿真结果。与传统型层叠共栅级开关电路相比，由于串联电感LS2的使用，改进型层叠共栅级开关电路2的最大可实现增益有所提高；而且，由于串联电感LS2、下层开关晶体管M4和上层开关晶体管M5的联合使用，使得改进型层叠共栅级开关电路的开/关隔离度提升了24.6dB。

[0030] 图4是本发明在开/关状态下的增益的测试结果。由图可见，该电路的工作频带为20～30GHz，其在导通状态下的增益为18.4dB，在关断状态下的隔离度为-27.3dB，电路的开/关隔离度达到了45.7dB。

[0031] 图5是本发明在开/关状态下的输入输出回波损耗的测试结果。由图可见，电路在开/关状态下的输入回波损耗(|S11|)的变化很小，实现了良好、稳定的输入匹配，有利于保证OOK系统中信号源的稳定性。

[0032] 图6是本发明在脉冲激励下的时域响应波形的测试结果。图中输出信号上升沿和下降沿的总时长小于300ps,表明OOK调制速率可以达到3.3Gbps以上。需要说明的是，在电路关断状态下，输出信号波形中含有一定的噪声，这是由测试设备本身引入的噪声，而不是由于电路开/关隔离度不够引起的载波泄露，因为图中脉冲控制信号也出现了类似的噪声。

[0033] 本发明采用硅基互补金属氧化物半导体集成电路工艺实现。

[0034] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

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