一種采用CMOS工藝實現的太赫茲振蕩器的制作方法

本發明涉及一種太赫茲振蕩器。特別是涉及一種采用CMOS工藝實現的太赫茲振蕩器。

背景技術：

近年來，高速無線通信系統正不斷朝著更高頻率、帶寬、更高集成度以及更低成本等方向發展。太赫茲頻段(300GHz-3THz)介于微波和紅外線之間，是電磁波譜中唯一沒有獲得較全面研究并很好加以利用的最后一個波譜區間，在通信頻帶日益緊缺的今天，對太赫茲波通信技術的研究具有重要意義。太赫茲波通信技術廣泛應用于生活的各個方面，由于其自身所具有的獨特性質以及在光譜中的位置使太赫茲波在通信、電子對抗、雷達、電磁武器、天文學、醫學成像、無損檢測、環境監測及安全檢查等領域存在著廣泛的應用前景。

近年來，隨著特征尺寸的不斷減小，深亞微米CMOS工藝及其MOSFET的特征頻率已經達到200GHz以上，使得利用CMOS工藝實現GHz頻段的高頻模擬電路成為可能。在硅CMOS、BiCMOS、雙極工藝、GaAs MESFET、異質結雙極晶體管(HBT)、GeSi器件等眾多工藝中，雖然硅CMOS的高頻性能和噪聲性能不是最好，但由于它的工藝最為成熟、成本最低、功耗最小、應用也最為廣泛，因此CMOS射頻集成電路是近年來發展的趨勢。隨著射頻識別技術的發展，世界各國的研究人員在CMOS射頻集成電路的設計和制作方面進行了大量研究，使CMOS射頻集成電路的性能不斷提高。隨著硅基工藝的進步，硅基工藝已能支持實現太赫茲通信集成電路，但高達幾百GHz的工作頻段使太赫茲通信集成電路的實現面臨一系列挑戰。

傳統的數字CMOS工藝技術之所以沒有在超高頻電路(頻率超過100GHz)應用方面被充分考慮，是因為CMOS振蕩器電路受到器件的截止頻率(f_T)和最大振蕩頻率(f_max)的限制。然而，工藝技術的發展使得器件尺寸不斷縮小，器件的工作頻率不斷增加，使在CMOS工藝下能夠使得場效應晶體管截止頻率接近甚至達到太赫茲的頻率范圍，使得采用CMOS工藝實現在太赫茲波頻段下工作的電路成為可能。

采用CMOS工藝實現的太赫茲波電路已有研究，但是因為CMOS工藝器件在截止頻率附近工作性能較差，在太赫茲波段實現的功率放大器方案還鮮有報道。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是，提供一種集成度高、成本低、易于大規模生產的采用CMOS工藝實現的太赫茲振蕩器。

本發明所采用的技術方案是：一種采用CMOS工藝實現的太赫茲振蕩器，包括有由第一MOS管M1、第二MOS管M2和第一電感L1構成的交叉耦合震蕩電路，以及由第三MOS管M3、第四MOS管M4和第二電感L2構成的頻率選擇負阻結構，其中，所述的第二電感L2的一端連接第三MOS管M3的柵極，另一端連接第四MOS管M4的柵極，第三MOS管M3和第四MOS管M4的漏極均連接供電電源Vdd，第三MOS管M3的源極分別連接第一電感L1的一端、第一MOS管M1的漏極以及第二MOS管M2的柵極，所述第四MOS管M4的源極分別連接第一電感L1的另一端、第二MOS管M2的漏極以及第一MOS管M1的柵極，所述第一MOS管M1和第二MOS管M2的源極接地。

所述的第一MOS管(M1)和第二MOS管(M2)的柵寬w₁的限制條件：

所述的第三MOS管(M3)和第四MOS管(M4)的柵寬w₃需要滿足的限制條件：

式中w₁表示交叉對管結構中的第一MOS管M1和第二MOS管M2的柵寬，w₂表示交叉對管結構中的第三MOS管M3和第四MOS管M4的柵寬，l表示MOS管的特征尺寸，即溝道長度，C_ox表示單位柵氧化層電容，μ_n表示器件電子遷移率，I表示偏置電流，ω表示振蕩器的工作頻率，R_eq表示電路的寄生電阻。

本發明的一種采用CMOS工藝實現的太赫茲振蕩器，采用標準的CMOS工藝實現，有集成度高、成本低、易于大規模生產等優點。同時還克服了CMOS工藝截止頻率附近工作性能差的限制，實現了太赫茲振蕩源的設計。本發明具有如下優點：

1.THz波的波長處于微波及紅外光之間，它和物質的相互作用具有獨特的物理機制，并呈現出很多新的特點。由于0.3太赫茲—10太赫茲波能夠很強的穿透像塑料、紙、木料、人體、大氣等一類物質，因此它可以廣泛應用于安保掃描、射電天文、生物遙感、生產監控等領域，具體分類可以包括郵件掃描、紙類生產、塑料焊接檢測、古畫分析、人體透視、食品質量檢測、皮膚癌分類等。

2.該振蕩器能工作在太赫茲頻率下，能夠克服由于頻率接近器件截止頻率帶來的頻率限制，使得輸出頻率提高到器件實際工作頻率之上。

3.采用具有頻率選擇功能的負阻增強電路，這一結構在特定的頻率下不但能夠呈現負阻特性，以增加整體電路的負阻特。

綜上所述，本發明提出的功率放大器結構和實施方法具有良好的應用前景。

附圖說明

圖1是本發明采用CMOS工藝實現的太赫茲振蕩器的電路原理圖；

圖2是本發明中頻率選擇負阻結構的電路原理圖；

圖3是本發明中頻率選擇負阻結構的小信號等效電路圖；

圖4是本發明中頻率選擇負阻結構的小信號等效電路圖計算的等效阻抗與電容電感。

具體實施方式

下面結合實施例和附圖對本發明的一種采用CMOS工藝實現的太赫茲振蕩器做出詳細說明。

如圖1所示，本發明的一種采用CMOS工藝實現的太赫茲振蕩器，包括有由第一MOS管M1、第二MOS管M2和第一電感L1構成的交叉耦合震蕩電路，以及由第三MOS管M3、第四MOS管M4和第二電感L2構成的頻率選擇負阻結構，其中，所述的第二電感L2的一端連接第三MOS管M3的柵極，另一端連接第四MOS管M4的柵極，第三MOS管M3和第四MOS管M4的漏極均連接供電電源Vdd，第三MOS管M3的源極分別連接第一電感L1的一端、第一MOS管M1的漏極以及第二MOS管M2的柵極，所述第四MOS管M4的源極分別連接第一電感L1的另一端、第二MOS管M2的漏極以及第一MOS管M1的柵極，所述第一MOS管M1和第二MOS管M2的源極接地。

如圖1所示，本發明的一種采用CMOS工藝實現的太赫茲振蕩器，首先，根據目標頻率設置振蕩器基頻振蕩頻率，另外，根據工藝電路仿真、后仿以及實際流片測試結果的偏差，應適當留出一定的頻率余量，余量通常可以取目標頻率的10％左右。

如圖2所示，頻率選擇負阻結構由第三MOS管M3、第四MOS管M4和第二電感L2構成。雙端頻率選擇負阻結構的小信號等效電路圖如圖3所示，其中的Lg相當于圖1、圖2中的L2，可以推導得到其輸入阻抗Z_in的表達式：

當時忽略1，j提到分子上，有

根據上式可以得到FSNR電路的小信號等效模型如圖4所示，等效為柵極電感L_g與柵源電容C_gs串聯再和一個電阻R_FSNR＝(1-ω²L_gC_gs)/g_m并聯的關系。因為R_FSNR是一個隨頻率變化而變化的電阻，這使得FSNR提供了一個獨特的頻率選擇特性：在一個設計的頻率范圍內，它可以同時提供電感和負阻。

在本發明中需要負阻特性，因此選擇振蕩器的工作頻率LC串聯通路便顯出電感的特性L_eq，降低了整體結構的電感從而導致了更高的諧振頻率，并聯電阻R_FSNR＝(1-ω²L_gC_gs)/g_m是負阻會減小交叉耦合負阻結構所需提供的負阻，進而減小NMOS管尺寸，減小寄生電容以會的更高的諧振頻率。

太赫茲振蕩器的工作頻率嚴格限制了器件設計的選擇和尺寸。所述的第一MOS管(M1)和第二MOS管(M2)的柵寬w₁的限制條件：

所述的第三MOS管(M3)和第四MOS管(M4)的柵寬w₃需要滿足的限制條件：

式中w₁表示交叉對管結構中的第一MOS管M1和第二MOS管M2的柵寬，w₂表示交叉對管結構中的第三MOS管M3和第四MOS管M4的柵寬，l表示MOS管的特征尺寸，即溝道長度，C_ox表示單位柵氧化層電容，μ_n表示器件電子遷移率，I表示偏置電流，ω表示振蕩器的工作頻率，R_eq表示電路的寄生電阻。

本發明在版圖設計中，注意版圖的對稱性，經過功率分離器分離出信號的兩個同路應保證完全的對稱布局，任何幅度和相位的失配都會降低功率合成效率。