專利名稱：氮化鎵基增強耗盡型電平轉換電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及電子技術領域，更進一步涉及半導體集成電路技術領域中的氮化鎵基增強耗盡型電平轉換電路。本發明可用于控制氮化鎵基微波射頻領域的開關，使通過開關的射頻信號關斷和導通。
背景技術：
目前，隨著半導體技術的成熟，微波射頻單片系統越來越成熟，一般由數字邏輯單元和微波射頻電路組成。氮化鎵基微波射頻電路多采用較為成熟的耗盡型器件，而耗盡型器件由于鋁鎵氮/氮化鎵異質結天然形成的耗盡溝道，導致其開啟電壓為負值，且一般多在-2V-2.5V。而氮化鎵基射頻電路作為系統前端，與后端硅基電路配合是必不可少的。但大部分硅基集成電路接口為標準TTL輸出，其高低電平分別為> 2.4V和< 0.4V，因此需要一個專門的接口 -電平轉換電路，實現電平的轉換，來銜接氮化鎵基前端和硅基后端，進而保證氮化鎵基電路中耗盡型器件構成的開關的正常工作。一般，可以認為如果轉換后電壓小于等于-3.5V則開關關斷，大于等于-1V則開關開啟。為了解決上述問題，目前已經有很多硅基電路來實現電平的轉換。成都高新區尼瑪電子產品外觀設計工作室擁有的專利技術“雙控制型號的電平轉換電路”(申請號201120421799.3，授權公告號CN 202334487 U)公開了一種適用于控制開關的電平轉換電路。該電路包括雙通道NPN型晶體管以及同時與雙通道NPN晶體管T2連接的輸出信號電路和控制信號輸入電路。該電路具有最小的成本。但是，該專利技術仍然存在的不足是:由于氮化鎵材料P型摻雜困難，所以該電路結構中所用到的NPN晶體管，在氮化鎵上尚不能實現，因此尚不能把氮化鎵基電路和電平轉換電路同襯底單片集成化。中國科學院微電子研究所擁有的專利技術“數模混合多路獨立控制開關電路”(申請號200810238937.7，申請公布號CN 101753121A)公開了一種適用于控制開關的電平轉換電路。該電路包括PWM控制器、輸入驅動器、電平轉換電路、電流型開關電路和輸出伏在電路等。該電路可以顯著提高場效應管的開關速度。但是，該專利技術仍然存在的不足是:雖然現在技術上已經可以把該專利技術和氮化鎵基電路先通過金線連接而后封裝在一個殼體內，但金線會帶來信號串擾，可能影響電路功能的正常實現。
發明內容
本發明的目的在于克服上述現有技術存在的不足，提出一種氮化鎵基增強耗盡型電平轉換電路。本發明為了提高氮化鎵基電路的性能，設計了一種可實現的氮化鎵基增強耗盡型電平轉換電路，實現了片上系統的集成，降低了連線間串擾，并且可以與TTL電路連接使用。為實現上述目的，本發明包括第一反相電路，第一輸出電路，第二反相電路，第二輸出電路。第一反相電路的輸出端與第一輸出電路的輸入端相接，第一輸出電路的輸出端與第二反相電路的輸入端相接，第二反相電路的輸出端與第二輸出電路的輸入端相接。
第一反相電路單元中的耗盡型高電子遷移率晶體管Tl的漏極接正偏置線，Tl的源極和其柵極短接后，分別與增強型高電子遷移率晶體管T2的漏極和第一輸出電路單元中的增強型高電子遷移率晶體管T3的柵極相接；T2的柵極接輸入VIN，Τ2的源極接地線。第一輸出電路單元中的Τ3的漏極接正偏置線，Τ3的柵極接Τ2的漏極，Τ3的源極接肖特基二極管Dl的正極；D1的負極接肖特基二極管D2的正極，D2的負極接肖特基二極管D3的正極，D3的負極接肖特基二極管D4的正極；D4的負極接耗盡型高電子遷移率晶體管T4的漏極，T4的柵極和源極接負偏置線，T4的漏極接耗盡型高電子遷移率晶體管T6的柵極和第二輸出VOUTl。第二反相電路單元中的增強型高電子遷移率晶體管T5的漏極接正偏置線，T5的源極和其柵極短接后，分別與T6的漏極和第二輸出電路單元中耗盡型高電子遷移率晶體管T7的柵極相接；T6的柵極接第一輸出VOUTl，Τ6的源極接地線。第二輸出電路單元中的Τ7的漏極接正偏置線，Τ7的柵極接Τ6的的漏極，Τ7的源極接肖特基二極管D5的正極；D5的負極接肖特基二極管D6的正極，D6的負極接肖特基二極管D7的正極，D7的負極接肖特基二極管D8的正極；D8的負極接增強型高電子遷移率晶體管T8的漏極，T8的柵極和源極接負偏置線，T8的漏極接第二輸出V0UT2。與現有技術相比，本發明具有以下優點:第一，由于本發明設計了一種電路結構，克服了現有技術中由于氮化鎵材料P型摻雜困難，導致現有技術的結構中所用到的NPN晶體管在氮化鎵上尚不能實現的不足，解決了氮化鎵基電路系統單片在集成化過程中沒有合適電路拓撲結構的問題，本發明電路結構簡單，所用半導體器件工藝實現簡單，使得本發明能夠在氮化鎵基上，實現與標準硅基電路的輸出相匹配的單片電路集成。第二，由于本發明可以實現氮化鎵基電路系統單片集成，克服了現有技術中硅基電路和氮化鎵基電路之間使用金線可能帶來信號串擾的不足，解決了硅基電路和氮化鎵基電路片內互連引起的電路功能正常表達的問題，使得本發明具有氮化鎵基系統出錯率降低，性能更加穩定的優點。第三，由于本發明可以實現氮化鎵基射頻電路系統單片集成，克服了現有技術中硅基電路抗輻照能力較差的不足，解決了電路系統在特殊環境如在外太空中性能下降的問題，使得本發明具有了電路系統抗輻照能力更強，可靠性更高的優點。
圖1為本發明的電路原理圖；圖2為本發明的輸出端電壓VOUTl和V0UT2對輸入端電壓VIN響應的仿真圖。
具體實施方式
:下面參照附圖對本發明作進一步詳細描述。參照圖1，對本發明的電路結構描述如下:本發明包括第一輸出電路，第二反相電路，第二輸出電路。第一反相電路的輸出端與第一輸出電路的輸入端相接，第一輸出電路的輸出端與第二反相電路的輸入端相接，第二反相電路的輸出端與第二輸出電路的輸入端相接。
第一反相電路中的耗盡型高電子遷移率晶體管Tl的漏極接正偏置線VDD，Tl的源極和其柵極短接后，分別與增強型高電子遷移率晶體管T2的漏極和第一輸出電路單元中的增強型高電子遷移率晶體管T3的柵極相接；T2的柵極接輸入端VIN，T2的源極接地線GND。第一輸出電路中的T3的漏極接正偏置線VDD，T3的柵極接T2的漏極，T3的源極接肖特基二極管Dl的正極；D1的負極接肖特基二極管D2的正極，D2的負極接肖特基二極管D3的正極，D3的負極接肖特基二極管D4的正極；D4的負極接耗盡型高電子遷移率晶體管T4的漏極，T4的柵極和源極接負偏置線VSS，T4的漏極接耗盡型高電子遷移率晶體管T6的柵極和第二輸出端VOUTl。增強型高電子遷移率晶體管T2、T3、T5、T8的寬長比相同，耗盡型高電子遷移率晶體管Τ1、Τ4、Τ6、Τ7的寬長比相同，肖特基二極管01、02、03、04、05、06、07、08的物理尺寸相同。本發明中的第一反相電路和第一輸出電路工作原理是:如果輸入端VIN為低電平，則增強型高電子遷移率晶體管Τ2關斷，因而Τ2溝道電阻較大，但耗盡型高電子遷移率晶體管Tl上柵壓為0，因此溝道電阻相對Τ2的溝道電阻要小得多，所以第一反相電路的輸出在溝道的分壓中獲得接近VDD的電壓。因為增強型高電子遷移率晶體管Τ3柵壓接近VDD，所以Τ3開啟。進而Τ3的溝道電阻比Τ4的溝道電阻小。經過肖特基二極管D1、D2、D3、D4等四個肖特基二極管降壓，能夠將第一輸出電路的輸出端VOUTl調整為OV左右。本發明的實施例中，通過工藝上調節，使得T3的寬長比與耗盡型高電子遷移率晶體管T4的寬長比為5 8。如此選擇是為了使得T3相比T4有一個較大的跨導，在此范圍內既能滿足T3在開啟的情況下溝道電阻略小于T4的溝道電阻，又能滿足T3在關斷的情況下溝道電阻遠大于T4的溝道電阻。當該寬長比小于5時，T3的跨導太小，在開啟的情況下分壓太小，使得輸出VOUTl的高電平遠小于OV而功能不能正常實現；當該寬長比大于8時，T3跨導太大，在關斷的情況下分壓太大，使得輸出VOUTl的低電平遠高于-4V而功能不能正常實現。如果輸入端VIN為低電壓，則T2開啟，而由于T2與Tl的寬長比為5 8，所以Tl的溝道電阻要若干倍于T2的溝道電阻，因而第一反相電路的輸出為接近0V，使得T3關斷，因而T3的溝道電阻要遠大于T4的溝道電阻，因而第一輸出電路的輸出端VOUTl接近VSS。第二反相電路單元中的增強型高電子遷移率晶體管T5的漏極接正偏置線，T5的源極和其柵極短接后，分別與T6的漏極和第二輸出電路單元中耗盡型高電子遷移率晶體管T7的柵極相接；T6的柵極接第一輸出端VOUTl，Τ6的源極接地線。第二輸出電路單元中的Τ7的漏極接正偏置線，Τ7的柵極接Τ6的的漏極，Τ7的源極接肖特基二極管D5的正極；D5的負極接肖特基二極管D6的正極，D6的負極接肖特基二極管D7的正極，D7的負極接肖特基二極管D8的正極；D8的負極接增強型高電子遷移率晶體管T8的漏極，T8的柵極和源極接負偏置線，T8的漏極接第二輸出端V0UT2。本發明中的第二反相電路和第二輸出電路工作原理是:該模塊的輸入為第一輸出電路的輸出V0UT1,結合上述原理,得知對第一輸出電路的輸出VOUTl來說，VIN為低電平，則VOUTl為高電平且接近0V，VIN為高電平，則VOUTl為低電平且接近VSS。如果輸入端VIN為高電平，則VOUTl為低電平，耗盡型高電子遷移率晶體管T6關斷，因而T6溝道電阻較大，但增強型高電子遷移率晶體管T5上柵壓為0V，因此T6的溝道電阻相對T5的溝道電阻要大得多，因此第一反相電路的輸出在溝道的分壓中獲得接近VSS。因為耗盡型高電子遷移率晶體管T7柵壓接近VSS，所以T7開啟，進而T7的溝道電阻比T8的溝道電阻小。通過工藝上調節，使得T7的寬長比與耗盡型高電子遷移率晶體管T8的寬長比為5 8，并經過肖特基二極管D1、D2、D3、D4四個二極管降壓，能夠將第二輸出電路的輸出端V0UT2調整為VDD左右且為高電平。如果輸入端VIN為低電壓，則VOUTl端為高電平，T6開啟，而由于T6與T5的寬長比為5 8，所以T5的溝道電阻要若干倍于T6的溝道電阻，因而第一反相電路的輸出為接近0V，使得T7關斷，因而T7有較大的溝道電阻。而T8由于為增強器件且柵壓為0，所以也有較大的溝道電阻，但由于T8的寬長比為T7的5 8倍，所以T8的溝道電阻小于T7的溝道電阻。經過肖特基二極管D5、D6、D7、D8的降壓，使得第二輸出電路的輸出端V0UT2為低電平。下面結合圖2仿真圖對本發明的效果做進一步的描述。參照圖2，對本發明第二反相電路的輸出和第二輸出電路的輸出V0UT2分別隨輸入電壓VIN響應的仿真圖描述如下:本發明仿真的輸入端VIN輸入范圍為0-5V為直流掃描，且認為當VIN < 0.4V時VIN為輸入低電平，VIN > 2.4V時VIN為輸入高電平；VDD = 5V，VSS = -5V ;認為當輸出> -2V時為輸出高電平，輸出< -3V時為輸出低電平。對本發明在如上仿真條件進行仿真，得到仿真結果如圖2所示。圖2中橫軸表示輸入端電壓VIN，縱軸表示輸出端電壓，圖2中的虛線表示輸出VOUTl，實線表示輸出V0UT2。當輸入端電壓VIN為低電平時，第二反相電路的輸出為低電平，且為OV左右，輸出V0UT2為低電平，且為-4V左右；當輸入端電壓VIN為高電平時，第二反相電路的輸出為高電平，且為OV左右，輸出V0UT2為高電平，且為OV左右。因此，當VIN在低電平和高電平之間變換時，VOUTl和V0UT2都能夠將電平在高電平和低電平之間變換。因此本發明能夠實現電平轉換的功能。
權利要求
1.一種氮化鎵基增強耗盡型電平轉換電路，包括第一反相電路，第一輸出電路，第二反相電路，第二輸出電路；所述的第一反相電路的輸出端與第一輸出電路的輸入端相接，第一輸出電路的輸出端與第二反相電路的輸入端相接，第二反相電路的輸出端與第二輸出電路的輸入端相接；其中: 所述的第一反相電路單元中的耗盡型高電子遷移率晶體管Tl的漏極接正偏置線，Tl的源極和其柵極短接后，分別與增強型高電子遷移率晶體管T2的漏極和第一輸出電路單元中的增強型高電子遷移率晶體管T3的柵極相連；T2的柵極接輸入VIN，Τ2的源極接地線.-^4 ， 所述的第一輸出電路單元中的Τ3的漏極接正偏置線，Τ3的柵極接Τ2的漏極，Τ3的源極接肖特基二極管Dl的正極；D1的負極接肖特基二極管D2的正極，D2的負極接肖特基二極管D3的正極，D3的負極接肖特基二極管D4的正極；D4的負極接耗盡型高電子遷移率晶體管T4的漏極，T4的柵極和源極接負偏置線，T4的漏極接耗盡型高電子遷移率晶體管T6的柵極和第二輸出VOUTl ； 所述的第二反相電路單元中的增強型高電子遷移率晶體管T5的漏極接正偏置線，T5的源極和其柵極短接后，分別與T6的漏極和第二輸出電路單元中耗盡型高電子遷移率晶體管T7的柵極相接；T6的柵極接第一輸出VOUTl，Τ6的源極接地線； 所述的第二輸出電路單元中的Τ7的漏極接正偏置線，Τ7的柵極接Τ6的的漏極，Τ7的源極接肖特基二極管D5的正極；D5的負極接肖特基二極管D6的正極，D6的負極接肖特基二極管D7的正極，D7的負極接肖特基二極管D8的正極；D8的負極接增強型高電子遷移率晶體管T8的漏極，T8的柵極和源極接負偏置線，T8的漏極接第二輸出V0UT2。
2.根據權利要求1所述的氮化鎵基增強耗盡型電平轉換電路，其特征在于，所述增強型高電子遷移率晶體管T2、T3、T5、T8的寬長比相同。
3.根據權利要求1所述的氮化鎵基增強耗盡型電平轉換電路，其特征在于，所述增強型高電子遷移率晶體管T2、T3、T5、T8閾值電壓大于零。
4.根據權利要求1所述的氮化鎵基增強耗盡型電平轉換電路，其特征在于，所述耗盡型高電子遷移率晶體管T1、T4、T6、T7的寬長比相同。
5.根據權利要求1所述的氮化鎵基增強耗盡型電平轉換電路，其特征在于，所述耗盡型高電子遷移率晶體管Tl、Τ4、Τ6、Τ7的閾值電壓小于零。
6.根據權利要求1所述的氮化鎵基增強耗盡型電平轉換電路，其特征在于，所述肖特基二極管Dl、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8的物理尺寸相同。
7.根據權利要求1所述的氮化鎵基增強耗盡型電平轉換電路，其特征在于，所述增強型高電子遷移率晶體管寬長比為耗盡型高電子遷移率晶體管寬長比的5 8倍。
8.根據權利要求1所述的氮化鎵基增強耗盡型電平轉換電路，其特征在于，所述的正偏置線電壓與負偏置線電壓數值相等，符號相反。
全文摘要
本發明公開了一種氮化鎵基增強耗盡型電平轉換電路，主要解決現有技術尚不能將電平轉換電路和氮化鎵基電路集成到一個襯底上的缺點。本發明包括第一反相電路，第一輸出電路，第二反相電路，第二輸出電路等四個部分。第一反相電路將輸入電平反相，第一輸出電路將第一反相電路反相后的電平下拉，第二反相電路將第一輸出電路的輸出反相，第二輸出電路將第二反相電路反相后的電平下拉。本發明電路結構簡單，所用半導體器件工藝實現簡單，能夠將電平轉換電路與氮化鎵基電路集成到一個襯底上，提高了可靠性，降低了串擾。
文檔編號H03K19/0175GK103117739SQ20131005526
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月31日 優先權日2013年1月31日
發明者郝躍, 張譯, 史江一, 馬配軍, 楊小峰, 邸志雄 申請人:西安電子科技大學