用于高频应用的直接耦合偏置电路制造技术

本发明专利技术消除了对“电容器耦合”或“变压器耦合”以及设计高频（约60GHz）电路时与这些耦合技术相关联的不希望的寄生电容和电感的需要。在这一频率处，需要将两个相邻级之间的距离最小化。使用一个与电源或多条接地线串联的谐振电路来将一个偏置信号从一个高频信号隔离。该谐振电路的引入允许使用一个金属迹线将一个第一级“直接耦合”到一个下一级。该“直接耦合”技术将高频信号和偏置电压都传递到该下一级。由于电容器和变压器都不被要求在两级之间转接这些高频信号，当与或者“AC耦合”或者“变压器耦合”方法比较时，该“直接耦合”方法克服了大管芯面积使用。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于高频应用的直接耦合偏置电路
技术介绍
联邦通信委员会(FCC)已经在60GHz频率范围内(57GHz至64GHz)分配了一个带宽频谱。在半导体管芯中形成的集成电路在该毫米波波长频率范围内提供高频操作。这些集成电路中的某些在这些设计中利用互补金属氧化物半导体(CMOS)或硅-锗(SiGe)技术来形成该管芯。在60GHz处，短的片上金属迹线转换成影响这些高频电路的设计的电感值。在一个集成电路中的该金属迹线在这一频率处的近似寄生电感是大约每微米迹线长度(2um-4um迹线宽度和0.85um-3um厚度)IpH0在60GHz处，一个典型电感器具有一个近似于大约50pH至120pH量级的电感,并且在一种示例情况下,在一侧上占据一个大约IOOum的管芯面积。在这些高频处(约60GHz )，基本上有两种在两级之间转接信号的方法。这两种方法都使用电抗性设备。这些方法被称为“AC耦合”和“变压器耦合”。在这两种方法中使用的这些电抗性设备往往比在这些级本身内的有源设备耗尽更多的管芯面积。在该“ACf禹合”方法中，(例如参见 Chinh H.Doan>Sohrab Emami>Ali M.Niknejad和 Robert W.Brodersen 的“用于 60GHz 应用的 CMOS 设计”(Design of CMOS for60GHzApplications)，第24.4次会议，2004年2月18 H , IEEE国际固态电路会议，旧金山，加州)通过在第一级和下一级之间耦合的一个串联电容器来转接两级之间的信号。该电容器阻塞该第一级的DC工作电压以防止影响下一级的DC工作条件。该技术允许将被DC偏置的每一级之间相互独立；然而，通过电容器在两级之间转接该信号的AC分量。在一个集成电路上形成这一电容器同样将一个不希望的并且不可避免的寄生电容引入到地线、电源和管芯(衬底)。这降低了效率并且增加了 “AC耦合”方法的功率耗散。在60GHz处的一个典型的耦合电容器可以在从200fF至500fF的范围内，并且在一种示例情况下将具有一个40um乘40um的尺寸。第二种方法在两级之间使用“变压器耦合”(例如参见Wei L.Chan、John R.Long、Marco Spirito 和 John J.Pekarik 的“在 65nm CMOS 中具有 11%PAE 的 60GHz_ 频带1V11.5dBm功率放大器(A60GHz_Band I VI1.5dBm Power Amplifier withll % PAE in65nmCMOS)”，24.4期，2009年2月11日，IEEE国际固态电路会议，旧金山，加州)以便在第一级和下一级之间转接信号。变压器在一个管芯上具有大尺寸并且典型地在一个平衡信号配置中被使用。变压器典型地具有一个大的寄生电容。这些有源设备和平衡网络与该变压器的寄生电容共振。然而，变压器遭受趋肤损耗、耦合损耗和管芯(或衬底)损耗。该平衡配置要求产生两个相互之间180度异相的信号。由于这种方法的级的数量超过“AC耦合”方法的两倍，所以这增加了这种方法的功率耗散。这些金属迹线形成了被一种氧化物分离的变压器的下部和上部线圈并且典型地将一个叠加在另一个的上方以便在该变压器中增加耦合系数(约0.9)。该下部线圈的下侧、该上部线圈的顶侧以及这些线圈的侧面具有杂散电容。这降低了效率并且增加了 “变压器耦合”方法的功率耗散。在60GHz处的一种典型互感器可以具有一个80um乘SOum的尺寸。这些变压器使用的管芯面积比这些耦合电容器大约多4倍。耦合电容器和耦合变压器方法的缺点之一是其物理尺寸非常大，该物理尺寸转换成更大的管芯面积和增加的成本。同样，由于这些电抗组件的大面积，用于通过该电抗组件将第一级互连到下一级上的迹线长度增加。由于迹线的每微米具有IpH的电感并且电抗性设备的尺寸近似为IOOum长度，寄生电感和电容可以显著地改变所希望的负载电感和电容。除了这些缺点之外，CMOS铸造厂典型地不会提供模型或者不会保证用于电路的耦合电容器和变压器建模在大于20GHz下操作。这对没有建模团队和高频测量装备的公司提出了非常重大的挑战和困难。这要求射频(RF)设计者在没有这些模型的优点或电路在60GHz处的性能的情况下，在给定的技术下仔细地研究和分析其电路的物理布局。执行这一分析所需要的附加时间增加了产生用于该给定技术(被称为“流片”)的最终掩模层次的持续时间并且开放了损耗收入的潜力。
技术实现思路
根据本专利技术的一个方面，使用一个谐振电路来将一个偏置信号从一个高频信号隔离。与电源或接地导线串联的谐振电路的引入允许使用一个金属迹线将第一级“直接耦合”到下一级。由于电容器和变压器都不被要求在两级之间转接信号，对于在高频(约60GHz)电路的设计中使用的“AC耦合”或“变压器耦合”方法，该“直接耦合”方法克服了如先前所描述的管芯面积的浪费使用。本“直接耦合”专利技术通过在连接这些点的金属迹线上将一个偏置信号直接从第一级耦合和转接到下一级来最小化这两级之间的距离。此外，也在同一金属迹线上将一个高频信号从第一级转接到下一级。在第一级中，使用在该电源导线中的谐振电路将一个偏置信号从该高频信号隔离。谐振电路将该偏置信号传递到携带该高频信号的金属迹线上但是在该金属迹线上阻塞高频(约60GHz)信号以防止影响该偏置信号。使用该偏置信号来准确地控制下一级的功率驱动特征。在另一个示意性实施例中，将参考电流源施加到在饱和状态下连接的一个晶体管上。随着该参考电流源被调节，由该电流源控制的一个电压参考电路创建一个被施加到谐振电路上的偏置电压。该偏置电压穿过第一级的谐振电路并且在金属迹线上与高频(约60GHz)信号结合到达下一级。该偏置电压信号包含用于调节下一级的参数的信息。例如，通过操纵该参考电流源的幅值来控制下一级的驱动强度。驱动强度控制对于参考晶体管(N1)的宽度乘以该参考电流源的幅值与在下一级(N3)中的有源设备的宽度成比例。因此，通过调节该参考电流源的幅值来仔细地控制下一级的输出功率。在下一级中的电流缩放成与该参考电流源成正比，由此控制下一级的功率驱动特征。因此，下一级的特征诸如:可以通过调节DC偏置来控制下一级的功率控制、电流流动和准确偏置。将该参考电流源施加到在饱和状态下连接的一个可变宽度晶体管上。调节该晶体管的宽度以改变该偏置电压。该偏置电压穿过第一级的谐振电路并且被施加到下一级上。该偏置电压信号携带关于晶体管的宽度的信息并且调节下一级的参数。所调节的参数之一是下一级(例如该级可以是用于驱动天线的功率级的“末级”)的功率控制。由该可变宽度晶体管控制的电压参考电路创建一个依赖偏置电压，该电压被施加到第一级的谐振电路的一端上。该偏置电压穿过该谐振电路并且在金属迹线上与高频(约60GHz)信号结合。使用该偏置电压中的可变宽度晶体管来控制下一级的性能。通过操纵该参考晶体管的宽度来控制下一级的驱动强度。该控制相对于参考晶体管的宽度乘以该参考电流源的幅值与在下一级中的有源设备的宽度成比例。因此，通过调节参考晶体管宽度来仔细地控制下一级的输出功率。【附图说明】值得注意的是在本说明书所示出的附图可能不是按比例绘制的并且在这些简图中的各种元件的相对尺寸是本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种装置，包括：通过一个值缩放到一个第一晶体管的一个第二晶体管；流过该第一晶体管的一个第一电流产生一个第一偏置电压；一个控制回路监测该第一偏置电压并且产生一个第二偏置电压；以及一个第一谐振并联LC负载直接将该第二偏置电压耦合到该第二晶体管的一个输入以便控制流过该第二晶体管的一个第二电流，其中该第二电流通过该值被缩放到该第一电流。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.06.17 US 13/163,5621.一种装置，包括: 通过一个值缩放到一个第一晶体管的一个第二晶体管； 流过该第一晶体管的一个第一电流产生一个第一偏置电压； 一个控制回路监测该第一偏置电压并且产生一个第二偏置电压；以及一个第一谐振并联LC负载直接将该第二偏置电压耦合到该第二晶体管的一个输入以便控制流过该第二晶体管的一个第二电流，其中该第二电流通过该值被缩放到该第一电流。2.如权利要求1所述的装置，其中 在饱和状态下连接该第一晶体管。3.如权利要求2所述的装置，其中 该第二偏置电压基本上等于该第一偏置电压。4.如权利要求3所述的装置，进一步包括: 直接耦合到该第一谐振并联LC负载的一个第三晶体管的一个输出； 一个第二谐振并联LC负载直接将一个电源耦合到该第二晶体管的一个输出； 耦合到该第二晶体管的输入的一个输入信号，该输入信号在该第二晶体管的输出处产生一个中间信号；以及 直接耦合到该第三晶体管 的一个输入的该中间信号。5.如权利要求4所述的装置，其中 这些LC负载包括多个寄生的和非寄生的电容和电感组件以及寄生电阻。6.如权利要求4所述的装置，其中 该中间信号在该第三晶体管的输出处与该第二偏置电压结合，并且直接耦合到该第二晶体管的输入以便在该第二晶体管的输出处产生一个输出信号。7.如权利要求6所述的装置，其中 这些LC负载在一个频率处共振以便在一个所分配的频谱内选择一个频带。8.如权利要求1所述的装置，其中 该第一电流是可调的，该第一晶体管的宽度是可调的，或者这两者都是可调的。9.一种装置，包括: 一个可调偏置电压，该可调偏置电压通过一个第一级的一个第一谐振并联LC负载耦合到该第一级的一个输出； 该第一级的输出直接耦合到一个下一级的一个输入；以及 通过该可调偏置电压来控制该下一级的至少一个特征。10.如权利要求9所述的装置，进一步包括: 产生该可调偏置电压的一个第一晶体管；以及 在该下一级中的一个第二晶体管，其中 该第一晶体管是该第二晶体管的一个按比例缩放版本。11.如权利要求10所述的装置，其中 特征是流过该下一级的一个电流或者该下一级的一个功率输出。12.如权利要求9所述的装置，进一步包括: 一个第二谐振并联LC负载直接将一个电源耦合到该下一级的一个输出；以及耦合到一个第一级的一个输入的一个输入信号在该第一级的输出处产生一个中间信号，其中 该中间信号直接耦合到该下一级的输入。13.如权利要求12所述的装置，其中 这些并联LC负载包括多个寄生的和非寄生的电容和电感组件，以及寄生电阻。14.如权利要求13所述的装置，其中 这些LC负载在一个频率处共振以便在一个所分配的频谱内选择一个频带。15....

【专利技术属性】
技术研发人员：孔檬·塔姆，赞·徐，
申请(专利权)人：张量通讯公司，
类型：
国别省市：