基于差分結(jié)構(gòu)的GaAs邏輯單元及其串并轉(zhuǎn)換電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及GaAs邏輯電路，尤其涉及一種基于差分結(jié)構(gòu)的GaAs邏輯單元及其串并轉(zhuǎn)換電路。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)今電子產(chǎn)品發(fā)展的目標(biāo)之一就是把盡可能多的功能通過一個(gè)芯片來實(shí)現(xiàn)。得益于半導(dǎo)體制造工藝的不斷進(jìn)步，現(xiàn)在已經(jīng)可以在一個(gè)芯片上集成多種復(fù)雜的功能，這種芯片被稱之為多功能芯片。多功能芯片可以集成模擬電路、數(shù)字電路以及射頻電路。在微波與毫米波系統(tǒng)領(lǐng)域，目前已經(jīng)涌現(xiàn)出大量的采用砷化鎵(GaAs)技術(shù)的多功能芯片，它們通常會(huì)集成數(shù)控移相電路、數(shù)控衰減電路、放大電路、開關(guān)電路以及負(fù)責(zé)控制串并轉(zhuǎn)換的數(shù)字電路。其中串并轉(zhuǎn)換電路用于完成串聯(lián)輸入的數(shù)字信號至并聯(lián)輸出的數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，從而可以通過一位串聯(lián)數(shù)字信號來實(shí)現(xiàn)幾十位甚至上百位的內(nèi)部并聯(lián)數(shù)字信號的控制。
[0003]GaAs是一種化合物半導(dǎo)體，主要應(yīng)用于微波與毫米波集成電路，具有低噪聲、大功率、高頻率、抗輻照等優(yōu)點(diǎn)。在基于GaAs技術(shù)的多功能芯片中，串并轉(zhuǎn)換電路是非常重要的一個(gè)組成部分:一方面，它占據(jù)較大的芯片面積(約為整個(gè)芯片面積的1/4至1/3)，從而影響整個(gè)芯片的成本；另一方面，由于受到GaAs工藝的限制，它的功耗和工作速度無法與CMOS工藝下同等功能電路相媲美，通常串并轉(zhuǎn)換電路功耗約為50 mA、工作速度約為10MHz，較低的串并轉(zhuǎn)換電路工作速度導(dǎo)致開關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號工作速度較慢，從而影響整個(gè)多功能芯片的功耗、信號轉(zhuǎn)換時(shí)間等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。
[0004]目前國內(nèi)外基于GaAs技術(shù)的串并轉(zhuǎn)換電路及相關(guān)研宄非常少見。傳統(tǒng)的基于GaAs技術(shù)的串并轉(zhuǎn)換電路，根據(jù)負(fù)載電路的不同可以有如下兩種典型的實(shí)現(xiàn)方法:如圖1為以耗盡型場效應(yīng)管為負(fù)載的邏輯單元而構(gòu)建串并轉(zhuǎn)換電路；如圖2為以電阻為負(fù)載的邏輯單元而構(gòu)建串并轉(zhuǎn)換電路。
[0005]圖1為以耗盡型場效應(yīng)管為負(fù)載的邏輯單元，包含一個(gè)單端輸入邏輯門102和一個(gè)耗盡型場效應(yīng)管101。其中，單端輸入邏輯門102依據(jù)不同的邏輯功能而有不同的實(shí)現(xiàn)方法，比如邏輯“與非”、邏輯“或非”、邏輯“非”等；耗盡型場效應(yīng)管101作為負(fù)載，連接單端輸入邏輯門102和“地”(GND)，在正常工作時(shí)，耗盡型場效應(yīng)管101有穩(wěn)定的電流流過其源端和漏端。由于耗盡型場效應(yīng)管101的柵端電壓和源端電壓相等，場效應(yīng)管以二極管連接方式在工作，這使得源端看進(jìn)去的輸出阻抗理論上為1/&(&為其跨導(dǎo))，遠(yuǎn)小于該場效應(yīng)管工作在飽和區(qū)時(shí)呈現(xiàn)的輸出阻抗理論值rds。較小的輸出阻抗會(huì)導(dǎo)致在同等工作速度、同等輸出幅度的前提之下，該電路將消耗更多的功耗，以及產(chǎn)生較小的噪聲裕量和輸出擺動(dòng)幅度，進(jìn)而導(dǎo)致基于這種邏輯單元的串并轉(zhuǎn)換電路工作速度低、功耗大、噪聲裕量小。但是，它的結(jié)構(gòu)簡單，僅包含兩個(gè)晶體管，使得芯片面積小。
[0006]圖2為以電阻為負(fù)載的邏輯單元，包含一個(gè)單端輸入邏輯門202和一個(gè)電阻201。其中，單端輸入邏輯門202與單端輸入邏輯門102相同，依據(jù)不同的邏輯功能而有不同的實(shí)現(xiàn)方法，比如邏輯“與非”、邏輯“或非”、邏輯“非”等；電阻201作為負(fù)載，連接單端輸入邏輯門202和“地”，在正常工作時(shí)，電阻201有穩(wěn)定的電流流過其兩端，它的輸出阻抗就是電阻的阻抗R。在GaAs工藝中，電阻的阻值越大，電阻的尺寸也就越長，這就使得在同等工作速度、同等輸出幅度的前提之下，該電路將需要較大的負(fù)載電阻并消耗較大的電流，從而導(dǎo)致它的功耗大、面積大，進(jìn)而導(dǎo)致基于這種結(jié)構(gòu)的串并轉(zhuǎn)換電路功耗大、面積大。但是，它的電路最簡單，加工工藝不復(fù)雜，工作速度快。
[0007]基于GaAs技術(shù)，采用上述兩種傳統(tǒng)的邏輯單元而構(gòu)建的串并轉(zhuǎn)換電路，均無法在功耗和速度方面取得明顯的突破，從而影響了集成串并轉(zhuǎn)換電路的多功能芯片的大規(guī)模應(yīng)用，并已成為業(yè)界亟待解決的技術(shù)難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于克服上述技術(shù)的不足，而提供一種基于差分結(jié)構(gòu)的GaAs邏輯單元及其串并轉(zhuǎn)換電路，該電路結(jié)構(gòu)簡單、速度快、功耗低、面積小，并且不同溫度和電源電壓的變化對其影響較小。
[0009]本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用以下技術(shù)方案:
本發(fā)明提出一種基于差分結(jié)構(gòu)的GaAs邏輯單元，其特征在于:所述的邏輯單元包括差分輸入邏輯門以及由耗盡型場效應(yīng)管D1、耗盡型場效應(yīng)管D2、電阻R1、電阻R2組成的負(fù)載；其中，耗盡型場效應(yīng)管Dl和D2的漏極分別接地，耗盡型場效應(yīng)管Dl和D2的源極分別與所述電阻Rl和電阻R2的一端連接，所述電阻Rl另一端分別接所述差分輸入邏輯門和耗盡型場效應(yīng)管Dl的柵極，所述電阻R2另一端分別接所述差分輸入邏輯門和耗盡型場效應(yīng)管D2的柵極。
[0010]一種基于差分結(jié)構(gòu)的GaAs串并轉(zhuǎn)換電路，其特征在于:包括第I級單端轉(zhuǎn)差分電路S2D、第2級單端轉(zhuǎn)差分電路S2D、第I級至第N級觸發(fā)器電路DFF第I級至第N級鎖存器電路LAT、第I級至第N級輸出緩沖器電路BUF ;其中，N為1、2、3...，以下所指N均相同；
所述第I級單端轉(zhuǎn)差分電路S2D、第2級單端轉(zhuǎn)差分電路S2D、第I級至第N級觸發(fā)器電路DFF、第I級至第N級鎖存器電路LAT、第I級至第N級輸出緩沖器電路BUF均采用上述的基于差分結(jié)構(gòu)的GaAs邏輯單元而構(gòu)建；
其中，第I級單端轉(zhuǎn)差分電路S2D，接收時(shí)鐘信號CLK，以產(chǎn)生差分的時(shí)鐘信號，去觸發(fā)第I級至第N級觸發(fā)器電路DFF ;第2級單端轉(zhuǎn)差分電路S2D，接收N位串行碼格式的數(shù)據(jù)信號(DATA ^nDn-1-D2D1),以產(chǎn)生差分的數(shù)據(jù)信號，并驅(qū)動(dòng)第I級觸發(fā)器電路DFF ;在差分時(shí)鐘信號高電平觸發(fā)下，第I級觸發(fā)器電路DFF接收所述的差分?jǐn)?shù)據(jù)信號以產(chǎn)生經(jīng)過I個(gè)時(shí)鐘周期延時(shí)的差分?jǐn)?shù)據(jù)信號去驅(qū)動(dòng)第2級觸發(fā)器電路DFF和第I級鎖存器電路LAT，第2級觸發(fā)器電路DFF接收所述的經(jīng)過I個(gè)時(shí)鐘周期延時(shí)的差分?jǐn)?shù)據(jù)信號以產(chǎn)生經(jīng)過2個(gè)時(shí)鐘周期延時(shí)的差分?jǐn)?shù)據(jù)信號去驅(qū)動(dòng)第3級觸發(fā)器電路DFF和第2級鎖存器電路LAT，以此類推，第N級觸發(fā)器電路DFF接收所述的經(jīng)過(N-1)個(gè)時(shí)鐘周期延時(shí)的差分?jǐn)?shù)據(jù)信號以產(chǎn)生經(jīng)過N個(gè)時(shí)鐘周期延時(shí)的差分?jǐn)?shù)據(jù)信號去驅(qū)動(dòng)第N級鎖存器電路LAT ;
在使能信號LE為高電平時(shí)，第I級鎖存器電路LAT接收第I級觸發(fā)器電路DFF產(chǎn)生信號以驅(qū)動(dòng)第I級輸出緩沖器電路BUF，第2級鎖存器電路LAT接收第2級觸發(fā)器電路DFF產(chǎn)生的輸出信號以驅(qū)動(dòng)第2級輸出緩沖器電路BUF，以此類推，第N級鎖存器電路LAT接收第N級觸發(fā)器電路DFF產(chǎn)生的輸出信號以驅(qū)動(dòng)第N級輸出緩沖器電路BUF ； 第I級輸出緩沖器電路BUF接收第I級鎖存器電路LAT產(chǎn)生信號以輸出差分信號Bi+、B1-,第2級輸出緩沖器電路BUF接收第2級鎖存器電路LAT產(chǎn)生信號以輸出差分信號B2+、B2-,以此類推，第N級輸出緩沖器電路BUF接收第N級鎖存器電路LAT產(chǎn)生信號以輸出差分信號Bn+、Bn-O
[0011]所述第I級單端轉(zhuǎn)差分電路S2D、第2級單端轉(zhuǎn)差分電路S2D分別包括電阻R5、串聯(lián)二極管、第一負(fù)載和第二負(fù)載、增強(qiáng)型場效應(yīng)管El和增強(qiáng)型場效應(yīng)管E2 ;所述電阻R5連接輸入信號端IN和所述串聯(lián)二極管的輸入端端，所述串聯(lián)二極管的輸出端連接至所述增強(qiáng)型場效應(yīng)管El的柵端以及第一負(fù)載的一端，所述第一負(fù)載的另外一端電源電壓VEE ;增強(qiáng)型場效應(yīng)管El的源端連接至電源電壓VEE，增強(qiáng)型場效應(yīng)管El的漏端連接至所述第二負(fù)載的一端和增強(qiáng)型場效應(yīng)管E2的柵端以及輸出端O-;所述增強(qiáng)型場效應(yīng)管E2的源端連接至電源電壓VEE，增強(qiáng)型場效應(yīng)管E2的漏端連接至第二負(fù)載的一端以及輸出端O+。
[0012]所述串聯(lián)二極管由6個(gè)二極管串聯(lián)構(gòu)成；所述第一負(fù)載由一個(gè)耗盡型場效應(yīng)管D5和電阻R6構(gòu)成，所述耗盡型場效應(yīng)管D5的源端連接電阻R6的一端，電阻R6的另一端則連接至耗盡型場效應(yīng)管D5的柵端和電源電壓VEE，耗盡型場效應(yīng)管D5的漏端連接至所述串聯(lián)二級管的輸出端和增強(qiáng)型場效應(yīng)管El的柵端；所述第二負(fù)載由耗盡型場效應(yīng)管D3和耗盡型場效應(yīng)管D4以及電阻R3和電阻R4構(gòu)成，耗盡型場效應(yīng)管D3的源端連接電阻R3的一端，電阻R3的另一端則連接至耗盡型場效應(yīng)管D3的柵端、增強(qiáng)型場效應(yīng)管El的漏端及輸出端0-，耗盡型場效應(yīng)管D3的漏端連接至地，耗盡型場效應(yīng)管D4的源端連接電阻R4的一端，電阻R4的另一端則連接至耗盡型場效應(yīng)管D4的柵端、增強(qiáng)型場效應(yīng)管E2的漏端及輸出端0+，耗盡型場效應(yīng)管D4的漏端連接至地。
[0013]所述第I級至第N級觸發(fā)器電路DFF分別包括第三負(fù)載、增強(qiáng)型場效應(yīng)管E3-E14 ;輸入時(shí)鐘信號CLK+驅(qū)動(dòng)增強(qiáng)型場效應(yīng)管E3和增強(qiáng)型場效應(yīng)管E6的柵端，增強(qiáng)型場效應(yīng)管E3和增強(qiáng)型場效應(yīng)管E6的漏端輸出分別驅(qū)動(dòng)增強(qiáng)型場效應(yīng)管Ell和增強(qiáng)型場效應(yīng)管E12的源端，增強(qiáng)型場效應(yīng)管Ell和增強(qiáng)型場效應(yīng)管E12的漏端輸出分別驅(qū)動(dòng)第三負(fù)載及增強(qiáng)型場效應(yīng)管E13和增強(qiáng)型場效應(yīng)管E14的柵端；輸入時(shí)鐘信號CLK-驅(qū)動(dòng)增強(qiáng)型場效應(yīng)管E7和增強(qiáng)型場效應(yīng)管ElO的柵端，增強(qiáng)型場效應(yīng)管E7和增強(qiáng)型場效應(yīng)管ElO的漏端輸出分別驅(qū)動(dòng)增強(qiáng)型場效應(yīng)管E13和增強(qiáng)型場效應(yīng)管E14的源端，增強(qiáng)型場效應(yīng)管E13和增強(qiáng)型場效應(yīng)管E14的漏端輸出分別驅(qū)動(dòng)第三負(fù)載及輸出信號Q-和Q+ ;輸入信號D-驅(qū)動(dòng)增強(qiáng)型場效應(yīng)管Ell的柵端，輸入信號D+驅(qū)動(dòng)增強(qiáng)型場效應(yīng)管E12的柵端；增強(qiáng)型場效應(yīng)管E4