本發(fā)明涉及電子技術(shù)領(lǐng)域，更進(jìn)一步涉及半導(dǎo)體集成電路技術(shù)領(lǐng)域中的一種氮化鎵基增強耗盡型電平轉(zhuǎn)換性能改進(jìn)電路。本發(fā)明可用于實現(xiàn)氮化鎵基微波射頻集成電路的開關(guān)，控制射頻信號的開啟與關(guān)斷。

背景技術(shù)：

氮化鎵材料具有高頻率、大功率、耐高溫等優(yōu)良性能，因此被廣泛應(yīng)用于微波射頻電路中。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的成熟，微波射頻領(lǐng)域趨向于將數(shù)字邏輯單元及微波射頻電路集成為單片微波集成電路，降低功耗的同時減小干擾。而氮化鎵基微波射頻電路多以工藝更成熟穩(wěn)定的常規(guī)耗盡型器件實現(xiàn)，氮化鎵基耗盡型器件基于材料特性，其閾值電壓為負(fù)值。而常見的si基集成電路多為標(biāo)準(zhǔn)ttl輸出(高電平>2.4v，低電平<0.4v)，不能直接控制氮化鎵基微波射頻電路中開關(guān)的開啟與關(guān)斷。因此，現(xiàn)有多種結(jié)構(gòu)的電平轉(zhuǎn)換電路來解決這一問題，但大部分是基于硅基的。

成都紫薇芯源科技有限公司在其申請的專利文獻(xiàn)“一種具有低功耗超寬的高速信號電平轉(zhuǎn)換電路”(申請公布號cn106230432a，申請?zhí)?01610767815.1，申請日期2016.8.30)中公開了一種具有低功耗超帶寬的高速信號電平轉(zhuǎn)換電路。該電路由七個mos管，五個電容，四個電阻，偏置電流構(gòu)成一種帶前饋電容和正向激勵電路的高速信號電平轉(zhuǎn)換器，可以實現(xiàn)高速信號電平從一個較低/較高的共模電壓電平轉(zhuǎn)換為一個較高/較低的共模電平電路。利用電容的在高頻下的低阻抗特性，可以將高速信號直接傳輸?shù)桨l(fā)送端，提供一個有效的直流共模電壓。但是，該電路仍然存在的不足之處是，由于該電路由mos管構(gòu)成，而氮化鎵半導(dǎo)體材料由于p型摻雜較難實現(xiàn)，所以無法將電平轉(zhuǎn)化電路與氮化鎵基微波射頻電路實現(xiàn)同襯底單片集成。

中國科學(xué)院微電子研究所在其申請的專利文獻(xiàn)“數(shù)?；旌隙嗦藩毩⒖刂崎_關(guān)電路”申請公布號cn101753121a，申請?zhí)?00810238937.7，申請日期2008.12.05)中公開了一種數(shù)?；旌隙嗦藩毩⒖刂崎_關(guān)電路。該電路由用電器回路模塊、電平轉(zhuǎn)換模塊、開關(guān)控制模塊和正負(fù)5v的低壓穩(wěn)壓直流產(chǎn)生模塊構(gòu)成。開關(guān)控制的輸出接到電平轉(zhuǎn)換模塊，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換將高低電壓轉(zhuǎn)換為+5v和-5v的輸出電壓，控制后接用電器回路模塊中的逆導(dǎo)晶閘管的開啟與關(guān)斷。該電路雖可以通過實現(xiàn)模塊化，與氮化鎵基微波射頻電路通過鍵合金線連接，但是，該電路仍然存在的不足之處是，鍵合金線存在信號串?dāng)_問題，影響電路實現(xiàn)正常功能。

西安電子科技大學(xué)在其申請的專利文獻(xiàn)“氮化鎵基增強耗盡型電平轉(zhuǎn)換電路”(申請公布號cn103117739a，申請?zhí)?01310055261.9，申請日期2013.01.31)中公開了一種利用氮化鎵基器件實現(xiàn)的電平轉(zhuǎn)換電路。該電路包含第一反相電路，第一輸出電路，第二反相電路，第二輸出電路。該電路可以有效地實現(xiàn)與后接氮化鎵基微波射頻電路的集成，直接與輸入ttl電平連接，實現(xiàn)電路的電平轉(zhuǎn)換功能。但是，該電路仍然存在的不足之處是：氮化鎵增強型器件目前的工藝穩(wěn)定技術(shù)不及耗盡型器件，該電路中最重要的部分是第一反相電路中的增強型高電子遷移率晶體管，由于性能不穩(wěn)定，會造成該電路存在不能嚴(yán)格關(guān)斷的情況，導(dǎo)致后接氮化鎵基微波射頻電路開關(guān)不能實現(xiàn)開啟與關(guān)斷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提出一種氮化鎵基增強耗盡型電平轉(zhuǎn)換性能改進(jìn)電路，在實現(xiàn)與后接氮化鎵基微波射頻電路集成的同時，提高電路的可靠性，降低工藝難度。

本發(fā)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，還包括第三反相電路，第三輸出電路；所述的第一反相電路的輸出端與第一輸出電路的輸入端連接，第一輸出電路的輸出端與第二反相電路的輸入端連接；所述的第二反相電路的輸出端與第二輸出電路的輸入端連接；所述的第二輸出電路的輸出端與第三反相電路的輸入端連接，第三反相電路的輸出端與第三輸出電路的輸入端連接；其中，所述的第一反相電路中的晶體管t1、第一輸出電路中的晶體管t4、第二反相電路中的晶體管t5、第二反相電路中的晶體管t6、第二輸出電路中的晶體管t8、第三反相電路中的晶體管t9、第三反相電路中的晶體管t10與第三輸出電路中的晶體管t12均為氮化鎵基耗盡型高電子遷移率晶體管；所述的第一反相電路中的晶體管t2、第一輸出電路中的晶體管t3、第二輸出電路中的晶體管t7與第三輸出電路中晶體管t11均為氮化鎵基增強型高電子遷移率晶體管；所述的第一輸出電路中的二極管d1、第一輸出電路中的二極管d2、第二輸出電路中的二極管d3、第二輸出電路中的二極管d4、第三輸出電路中的二極管d5、第三輸出電路中的二極管d6均為肖特基二極管。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點：

第一，由于本發(fā)明采用三級反相電路與三級輸出電路實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換電路，通過第一反相電路的輸出端與第一輸出電路的輸入端連接，第一輸出電路的輸出端與第二反相電路的輸入端連接，第二反相電路的輸出端與第二輸出電路的輸入端連接，第二輸出電路的輸出端與第三反相電路的輸入端連接，第三反相電路的輸出端與第三輸出電路的輸入端連接，克服了現(xiàn)有技術(shù)中電路工作不穩(wěn)定的問題，通過第三級反相電路與第三極輸出電路的引入，使得本發(fā)明可以有效控制后接氮化鎵基微波射頻電路中的耗盡型開關(guān)的開啟與關(guān)斷，確保電路可以嚴(yán)格關(guān)斷，提高了電路的可靠性。

第二，由于本發(fā)明采用三級反相電路與三級輸出電路實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換電路，通過第三級反相電路與第三極輸出電路的引入，克服了現(xiàn)有技術(shù)中由于氮化鎵基增強型器件工藝不成熟而造成電路工作不穩(wěn)定的問題，通過引入第三極反相電路與第三極輸出電路，使得本發(fā)明在嚴(yán)格控制后接電路的開啟與關(guān)斷的同時，降低了工藝實現(xiàn)難度。

第三，由于本發(fā)明采用氮化鎵基增強耗盡型高電子遷移率晶體管實現(xiàn)三級反相電路與三級輸出電路，從而實現(xiàn)與氮化鎵基微波射頻電路系統(tǒng)單片集成，同時提高了電路的穩(wěn)定性，克服了現(xiàn)有技術(shù)的硅基電路耐高溫抗輻照能力不足的問題，使得本發(fā)明能夠在高溫輻照強的環(huán)境下正常工作，嚴(yán)格關(guān)斷，受外界影響較小，可靠性更高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的電路原理圖；

圖2為本發(fā)明的輸出端電壓vout相應(yīng)于輸入端電壓vin變化的仿真結(jié)果圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細(xì)的說明。

參照附圖1對本發(fā)明的具體電路結(jié)構(gòu)及實施方式進(jìn)行詳細(xì)說明。

本發(fā)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，以及第三反相電路，第三輸出電路；第一反相電路的輸出端與第一輸出電路的輸入端連接，第一輸出電路的輸出端與第二反相電路的輸入端連接，第二反相電路的輸出端與第二輸出電路的輸入端連接，第二輸出電路的輸出端與第三反相電路的輸入端連接，第三反相電路的輸出端與第三輸出電路的輸入端連接。第一反相電路中的晶體管t1、第一輸出電路中的晶體管t4、第二反相電路中的晶體管t5、第二反相電路中的晶體管t6、第二輸出電路中的晶體管t8、第三反相電路中的晶體管t9、第三反相電路中的晶體管t10與第三輸出電路中的晶體管t12均為氮化鎵基耗盡型高電子遷移率晶體管。第一反相電路中的晶體管t2、第一輸出電路中的晶體管t3、第二輸出電路中的晶體管t7與第三輸出電路中晶體管t11均為氮化鎵基增強型高電子遷移率晶體管。第一輸出電路中的二極管d1、第一輸出電路中的二極管d2、第二輸出電路中的二極管d3、第二輸出電路中的二極管d4、第三輸出電路中的二極管d5、第三輸出電路中的二極管d6均為肖特基二極管。

增強型高電子遷移率晶體管t2、增強型高電子遷移率晶體管t3、增強型高電子遷移率晶體管t7、增強型高電子遷移率晶體管t11的寬長比相同，耗盡型高電子遷移率晶體管t1、耗盡型高電子遷移率晶體管t4、耗盡型高電子遷移率晶體管t5、耗盡型高電子遷移率晶體管t8、耗盡型高電子遷移率晶體管t9、耗盡型高電子遷移率晶體管t12的寬長比相同，耗盡型高電子遷移率晶體管t6、耗盡型高電子遷移率晶體管t10的寬長比相同。肖特基二極管d1、肖特基二極管d2、肖特基二極管d3、肖特基二極管d4、肖特基二極管d5與肖特基二極管d6的物理尺寸相同。

第一反相電路中的晶體管t1的漏極接高偏置電平vdd，第一反相電路中的晶體管t1柵極與源極短接后，與第一反相電路中的晶體管t2的漏極和第一輸出電路中的晶體管t3的柵極連接，第一反相電路中的晶體管t2的柵極接輸入電壓vin，第一反相電路中的晶體管t2的源極接地gnd；所述的第一輸出電路中的晶體管t3的漏極接高偏置電平vdd，源極接第一輸出電路中的二極管d1的正極，第一輸出電路中的二極管d1的負(fù)極接第一輸出電路中的二極管d2的正極，第一輸出電路中的二極管d2的負(fù)極與第一輸出電路中的晶體管t4的漏極和第二反相電路中的晶體管t6的柵極連接，第一輸出電路中的晶體管t4的源極與柵極接負(fù)偏置電平vss。

本發(fā)明中第一反相電路與第一輸出電路的工作原理如下：當(dāng)輸入電平vin為低電平時，增強型高電子遷移率晶體管t2關(guān)斷，耗盡型高電子遷移率晶體管t1的柵源短接，晶體管t1開啟，此時晶體管t1的溝道電阻遠(yuǎn)小于晶體管t2的，因此輸出電平為高，接近于正偏置電平vdd。此時增強型高電子遷移率晶體管t3開啟，耗盡型高電子遷移率晶體管t4的柵源短接，溝道開啟，晶體管t3的溝道電阻小于晶體管t4的溝道電阻，經(jīng)過二極管d1與二極管d2降壓，第一輸出電路輸出電壓為0v。

實施例中，工藝上調(diào)節(jié)晶體管t3的柵極的寬長比為晶體管t4的柵極的寬長比的5～8倍，如果小于5倍，晶體管t3在開啟時分壓過大，使第一輸出電路輸出電平小于0v，如果大于8倍，晶體管t3在關(guān)斷時分壓過小，使第一輸出電路輸出電平大于-4v，兩種情況都不能嚴(yán)格有效的控制后面的電路。

當(dāng)輸入電平vin為高電平時，晶體管t2開啟，工藝上調(diào)節(jié)晶體管t2的柵極的寬長比為晶體管t1的柵極的寬長比的5～8倍，則晶體管t1的溝道電阻是晶體管t2的溝道電阻的若干倍，則第一反相電路輸出電壓接近0v，晶體管t3關(guān)斷，晶體管t3的溝道電阻遠(yuǎn)大于晶體管t4的溝道電阻，則第一輸出電路輸出電壓接近vss。

第二反相電路中的晶體管t5的漏極接正偏置電平vdd，第二反相電路中的晶體管t5的柵極與源極短接后，與第二反相電路中的晶體管t6的漏極和第二輸出電路中的晶體管t7的柵極連接，第二反相電路中的晶體管t6的源極接地gnd；第二輸出電路中的晶體管t7的漏極接高偏置電平vdd，源極接第二輸出電路中的二極管d3的正極，第二輸出電路中的二極管d3的負(fù)極接第二輸出電路中的二極管d4的正極，第二輸出電路中的二極管d4的負(fù)極與第二輸出電路中的晶體管t8的漏極和第三反相電路中的晶體管t10的柵極連接，第二輸出電路中的晶體管t8的源極與柵極接負(fù)偏置電平vss。

本發(fā)明中第二反相電路與第二輸出電路的工作原理是：該部分電路的輸入電壓是第一輸出電路的輸出電壓。當(dāng)vin為高電平時，第一輸出電路輸出低電平接近vss，晶體管t6關(guān)斷，晶體管t6的導(dǎo)通電阻遠(yuǎn)大于晶體管t5的導(dǎo)通電阻，第二反相電路輸出為高電平接近vdd，晶體管t7開啟，晶體管t7的柵極的寬長比是晶體管t8的柵極的寬長比的5～8倍，經(jīng)過二極管d3與二極管d4降壓，使得第二輸出電路輸出電壓為高電平0v。

當(dāng)vin為低電平時，第一輸出電路輸出高電平，接近0v，耗盡型高電子遷移率晶體管t6開啟，耗盡型高電子遷移率晶體管t5的柵源短接，晶體管t6的柵極的寬長比為晶體管t5的柵極的寬長比的5～8倍，則晶體管t5的溝道電阻是晶體管t6的溝道電阻的若干倍，則第二反相電路輸出低電平接近0v，增強型高電子遷移率晶體管t7關(guān)斷，晶體管t7的溝道電阻遠(yuǎn)大于耗盡型高電子遷移率晶體管t8的溝道電阻，第二輸出電路輸出電壓為低電平，接近vss。

第三反相電路中的晶體管t9的漏極接正偏置電平vdd，第三反相電路中的晶體管t9的柵極與源極短接后，與第三反相電路中的晶體管t10的漏極和第三輸出電路中的晶體管t11的柵極連接，第三反相電路中的晶體管t10的源極接地gnd；所述的第三輸出電路中的晶體管t11的漏極接高偏置電平vdd，源極接第三輸出電路中的二極管d5的正極，第三輸出電路中的二極管d5的負(fù)極接第三輸出電路中的二極管d6的正極，第三輸出電路中的二極管d6的負(fù)極與第三輸出電路中的晶體管t12的漏極，第三輸出電路中的晶體管t12的漏極接輸出vout，第三輸出電路中的晶體管t12的源極與柵極接負(fù)偏置電平vss。

本發(fā)明中第三反相電路與第三輸出電路的工作原理是：該部分電路的輸入電壓是第二輸出電路的輸出電壓。當(dāng)vin為高電平時，第二輸出電路的輸出電壓為高電平，接近0v，耗盡型高電子遷移率晶體管t10開啟，耗盡型高電子遷移率晶體管t9的柵源短接，晶體管t10的柵極的寬長比為晶體管t9的柵極的寬長比的5～8倍，則晶體管t9的溝道電阻是晶體管t10的溝道電阻的若干倍，則第三反相電路輸出低電平接近0v，增強型高電子遷移率晶體管t11關(guān)斷，晶體管t11的溝道電阻遠(yuǎn)大于耗盡型高電子遷移率晶體管t12的溝道電阻，第三輸出電路輸出電壓vout為低電平，接近vss。

當(dāng)vin為低電平時，第二輸出電路的輸出電壓為低電平，接近vss，晶體管t10關(guān)斷，晶體管t10的溝道電阻遠(yuǎn)大于晶體管t9的溝道電阻，第三反相電路輸出為高電平接近vdd，晶體管t11開啟，晶體管t11的柵極的寬長比為晶體管t12的柵極的寬長比的5～8倍，經(jīng)過二極管d5與二極管d6降壓，第三輸出電路輸出電壓vout為高電平0v。

下面結(jié)合圖2電路仿真結(jié)果圖對本發(fā)明的性能改進(jìn)做進(jìn)一步說明。

圖2中，對本發(fā)明電路輸出電壓vout隨輸入電壓vin變化的仿真結(jié)果圖描述如下。

1.仿真實驗條件：

本發(fā)明采用agilentads軟件進(jìn)行仿真，仿真輸入端vin為直流掃描0～5v，當(dāng)vin<0.4v時為低電平，當(dāng)vin>2.4v時為高電平；電路中正偏置電平vdd＝5v，負(fù)偏置電平vss＝-5v；電路輸出電壓vout>-2v時為高電平，輸出<-3v時為低電平。

2.仿真內(nèi)容和仿真結(jié)果分析：

對本發(fā)明進(jìn)行如上條件仿真，圖2為電路仿真結(jié)果圖。其中，橫坐標(biāo)輸入電壓vin的大小，縱坐標(biāo)表示本發(fā)明中電路輸出電壓vout的大小。

當(dāng)vin為低電平時，輸出電壓vout為高電平0v左右；當(dāng)vin為高電平時，輸出電壓vout為低電平-4v左右。輸出電壓vout可以隨vin變化時，實現(xiàn)高低電平之間的變換，同時電路嚴(yán)格關(guān)斷，變化過程曲線陡直，可以有效實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換的功能，嚴(yán)格控制后接微波射頻電路中開關(guān)的開啟與關(guān)斷。