專利名稱：超寬帶脈沖信號(hào)發(fā)生器集成電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種產(chǎn)生超寬帶脈沖信號(hào)的集成電路芯片技術(shù)，特別是利用微分電路法實(shí)現(xiàn) 脈沖發(fā)射的一種新型方法。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)同時(shí)可實(shí)現(xiàn)超寬帶脈沖信號(hào)的幅度和極性調(diào)制。
背景技術(shù)：
超寬帶(ultraiide band, UWB)通信技術(shù)通過調(diào)制和傳送寬度極窄的脈沖信號(hào)序列實(shí) 現(xiàn)通信，這種脈沖的脈寬通常在l納秒以下，其帶寬可以達(dá)到或超過千兆赫茲(GHz)。
產(chǎn)生納秒級(jí)或亞納秒級(jí)寬度的窄脈沖信號(hào)是UWB通信技術(shù)的前提條件。目前,產(chǎn)生UWB 脈沖信號(hào)的方法主要有以下幾種
1. 雪崩三極管方法。該方法的基本原理是對(duì)晶體三極管PN結(jié)加反向電壓，利用在雪崩 擊穿獲得陡峭的上升沿，整形后即得到脈寬極窄的脈沖。詳細(xì)請(qǐng)參照樊孝明，鄭繼禹， 林基明，"基于RF-BJT的超寬帶極窄脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)",電視技術(shù)2005年第5期(參 考文獻(xiàn)[l])。
2. 階躍二極管方法。該方法利用在管芯設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)工藝上經(jīng)特殊處理的階躍恢復(fù)二極管 產(chǎn)生電流階躍，可以用來產(chǎn)生極窄的脈沖。詳細(xì)請(qǐng)參照陳振威，鄭繼禹，"基于SRD 的超寬帶脈沖產(chǎn)生與設(shè)計(jì)，"桂林電子工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，第25巻，第5期(參考文獻(xiàn)[2])。
3. 交錯(cuò)方波信號(hào)產(chǎn)生法。詳細(xì)請(qǐng)參照Smaini， L. Tinella， C. Helal， D. Stoecklii^ C. Chab賊L. Dcvaucellc， C. Ca加noz, R. Rinaldi, N. Bclot, D: Adv, Syst. Technol" STMicroelectronics， Genevaj Switzerland "Single-chip CMOS pulse generator for UWB systems" IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 41， NO. 7, JULY 2006 (參考文獻(xiàn)[3])。
4. 微分電路產(chǎn)生法。該方法通過對(duì)信號(hào)的多次求導(dǎo)獲得脈沖寬度極窄的脈沖。詳細(xì)請(qǐng)參 照Yuanjing Zheng, Han Dong and Yong Ping Xu， "A Novel CMOS BiCMOS UWB Pulse Generator and Modulator" IEEE Microwave Symposium Di辟st， 2004 IEEE MTT國S International, Volume: 2, On page(s): 1269- 1272 Vol.2 (參考文獻(xiàn)[4])。
在高速UWB通信當(dāng)中，要求寬度極窄的脈沖信號(hào)，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的集成度，功耗等方面都 有很高的要求。然而傳統(tǒng)的雪崩三極管和階越二極管方法所產(chǎn)生的脈沖(參考文獻(xiàn)[l] ， [2])， 其一般脈沖寬度都在Ins左右，很難實(shí)現(xiàn)低于納秒級(jí)的脈沖信號(hào)。對(duì)于3.1-10. 6 GHz頻段的 UWB系統(tǒng)，其對(duì)應(yīng)的脈沖需要在0.2納秒的量級(jí)，以上的技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)。另外，上述方法同 傳統(tǒng)硅CM0S的可集成性比較差，很難實(shí)現(xiàn)射頻系統(tǒng)的單芯片方案，從而成本上將無法同可集 成的脈沖發(fā)生器技術(shù)相競爭。
交錯(cuò)方波信號(hào)產(chǎn)生法一般采用數(shù)字電路的方式來實(shí)現(xiàn)(參考文獻(xiàn)[3]),具有脈沖寬度窄、 系統(tǒng)集成度髙等優(yōu)點(diǎn)。但是，其實(shí)現(xiàn)的電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)難度大，而且其芯片面積大， 從而成本將比較髙。
微分電路產(chǎn)生法采用的是模擬電路的路線，這種方法也是一種集成度較高的脈沖信號(hào)發(fā) 生器(參考文獻(xiàn)[4])。它通過對(duì)信號(hào)的多次求導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)窄脈沖，但目前發(fā)表的技術(shù)顯示，傳 統(tǒng)微分電路產(chǎn)生的信號(hào)由于通過多次求導(dǎo)，信號(hào)的幅度有了不少衰減， 一般輸出只有幾十毫 伏(參考文獻(xiàn)[4])。對(duì)于遠(yuǎn)距離的UWB系統(tǒng)應(yīng)用來說，這樣的輸出幅度是不能滿足系統(tǒng)要 求的。
通過以上對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的分析，我們發(fā)現(xiàn)，如何設(shè)計(jì)一款脈沖信號(hào)發(fā)生器，不但能使其產(chǎn)生的脈沖寬度足夠窄，從而能滿足高速UWB通信的要求，又能在電路復(fù)雜度、集成度上滿足易實(shí)現(xiàn)和低成本的要求，同吋能夠達(dá)到較高的輸出幅度，是一個(gè)迄今尚未很好解決的問題。
本發(fā)明將采用微分電路產(chǎn)生法來實(shí)現(xiàn)寬度極窄的脈沖發(fā)射。同目前報(bào)道的結(jié)構(gòu)(參考文獻(xiàn)[4p相比，我們?cè)谕患呻娐沸酒霞闪穗p端輸入、雙端輸出的差分放大電路單元，從而可以提高脈沖的輸出幅度，達(dá)到了 100mV以上的量級(jí)。另外，在本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)中增加了電路單元，可以同時(shí)對(duì)脈沖進(jìn)行極性調(diào)制。相比其它的設(shè)計(jì)技術(shù)，綜合考慮脈沖寬度，脈沖輸出幅度，以及芯片面積和復(fù)雜度等肉素，本設(shè)計(jì)都有較大的改進(jìn)。
為論證本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想，我們采用SMIC公司提供的0.18微米的互補(bǔ)型金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(CMOS)工藝，設(shè)計(jì)了超寬帶脈沖信號(hào)發(fā)生器的集成電路芯片。電路設(shè)計(jì)結(jié)果驗(yàn)證了本發(fā)明的可行性。

發(fā)明內(nèi)容
本設(shè)計(jì)采用的微分電路產(chǎn)生法，可以實(shí)現(xiàn)用于髙速UWB通信的極窄脈沖寬度的脈沖信號(hào)。與己經(jīng)發(fā)表的技術(shù)相比，本發(fā)明是利用集成的脈沖調(diào)制電路，提髙脈沖幅度，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖的極性調(diào)制。相比其它的脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)技術(shù)，綜合考慮脈沖寬度、輸出幅度及實(shí)現(xiàn)的難易程度和芯片面積、成本等因素，本設(shè)計(jì)具有較大的改進(jìn)。
本發(fā)明在電路設(shè)計(jì)中采用了兩階微分電路和雙相移相鍵控(BPSK)調(diào)制電路，分別用來產(chǎn)生窄脈沖和對(duì)脈沖進(jìn)行極性調(diào)制。
兩階微分電路采用RLC網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。
BPSK調(diào)制電路采用傳輸門電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，通過控制電壓的不同電平控制傳輸門的導(dǎo)通和關(guān)閉，輸出不同極性的脈沖。以下解釋本發(fā)明的基本原理
UWB脈沖信號(hào)發(fā)生器有兩部分功能電路組成CMOS脈沖信號(hào)發(fā)生器，以及脈沖幅度調(diào)制、極性調(diào)制器。CMOS脈沖信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生滿足脈沖寬度要求的窄脈沖；脈沖幅度調(diào)制、極性調(diào)制器增加前端電路產(chǎn)生的脈沖信號(hào)幅度，并通過控制電壓的控制完成極性調(diào)制。
l.CMOS脈沖信號(hào)發(fā)生器
作為參考，我們引用己發(fā)表的結(jié)果作為討論的基礎(chǔ)。
按照參考文獻(xiàn)[4]提出的結(jié)構(gòu)，采用片上CMOS微分電路的方法，其基本原理如下在脈沖的發(fā)射部分，通過圖l所示的框圖來實(shí)現(xiàn)一個(gè)窄的二階高斯脈沖。高斯脈沖的函數(shù)形式是<formula>formula see original document page 4</formula> (1)根據(jù)二階高斯函數(shù)脈沖要求。首先，基帶芯片發(fā)射出的數(shù)字信號(hào)通過

圖1第一個(gè)功能模
塊產(chǎn)生平方特性，可以通過將MOS管偏置在飽和區(qū)，電流與電壓是一個(gè)平方的關(guān)系來實(shí)現(xiàn)
<formula>formula see original document page 4</formula> (2)
第二個(gè)模塊需要指數(shù)率特性，當(dāng)MOS管工作在弱反型區(qū)時(shí)，電流和電壓的關(guān)系呈現(xiàn)指數(shù)特性(P. R. day, P. 1. Hmt, S. H. Lewis, and R. G Meyer, "Analysis and Design of AnalogIntegrated Circuits", Fourth edition, Job Wiley & Sons, Inc., 2001.,參i文獻(xiàn)[5])。
第三個(gè)模塊采取RLC諧振網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)，RLC諧振網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)正好可以實(shí)現(xiàn)二階求導(dǎo)的功能(Thomas H. Lee "CMOS射頻集成電路設(shè)計(jì)(第二版)"，電子工業(yè)出版社，參考文獻(xiàn)[6p。經(jīng)過第一級(jí)電路的上還三個(gè)模塊，輸出信號(hào)為脈寬小于1納秒的二階高斯脈沖，其帶寬可以達(dá)到或超過GHz。
2.脈沖幅度調(diào)制、極性調(diào)制器
由前端脈沖信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的窄脈沖信號(hào)可以達(dá)到適合高速UWB應(yīng)用的脈沖寬度,但脈沖幅度往往只有十幾毫伏(參考文獻(xiàn)[4]),對(duì)于相對(duì)距離較遠(yuǎn)的UWB通信來說，信道的衰減和噪聲會(huì)使得信號(hào)到達(dá)輸出端已經(jīng)很難被檢測(cè)的到了 。
為克服幅度小的脈沖信號(hào)不易被檢測(cè)的缺點(diǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)的調(diào)制，我們將脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)接入后續(xù)的脈沖幅度調(diào)制以及極性調(diào)制單元。
脈沖幅度調(diào)制電路由雙端輸入、雙端輸出的差分放大電路組成，將前級(jí)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)幅度放大后輸出。
極性調(diào)制電路由傳輸門電路組成，通過控制電壓的控制，完成對(duì)脈沖信號(hào)的BPSK調(diào)制。案例分析
為驗(yàn)證本電路發(fā)明的可行性，我們釆用SMIC公司0.18拜CMOS工藝和HSpice進(jìn)行仿真，得到仿真結(jié)果如圖3。
圖3中第一行為時(shí)鐘信號(hào)輸入，第二行為脈沖極性調(diào)制控制信號(hào)。第三行和第四行信號(hào)為脈沖信號(hào)發(fā)生器未經(jīng)調(diào)制輸出的信號(hào)，最后一行為整個(gè)電路的輸出信號(hào)。可以看出，該脈沖幅度為250mV，脈沖寬度為0.17ns(半峰寬)。還可以看出，在控制信號(hào)為O的時(shí)候輸出正脈沖，控制信號(hào)為l輸出負(fù)脈沖。
本設(shè)計(jì)的集成電路版圖如圖4所示。
附g說明
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)-步說明。
圖1是本設(shè)計(jì)微分電路單元實(shí)現(xiàn)CMOS脈沖信號(hào)的電路原理示意圖。
圖2是本設(shè)計(jì)的集成電路芯片完整電路拓?fù)鋱D。圖中三個(gè)部分的具體功能將在具體實(shí)施方式
中闡述。其中電壓信號(hào)Vck為固定的時(shí)鐘脈沖；Vctrl為控制電壓，對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行BPSK調(diào)制Vout為調(diào)制后的輸出脈沖信號(hào)。
圖3是我們采用SMIC公司0.18nmCMOS工藝和HSpice進(jìn)行仿真得到的結(jié)果。第一行為時(shí)鐘信號(hào)輸入，第二行為脈沖極性調(diào)制控制信號(hào)。第三行和第四行信號(hào)為脈沖信號(hào)發(fā)生器未經(jīng)調(diào)制輸出的信號(hào)，最后一行為整個(gè)電路的輸出信號(hào)。
圖4是本設(shè)計(jì)的集成電路版圖。
圖2中，
10~電容Cs
11- 電容C/
12- 電容G
13- 電容C,/14_電容C"15-電容Cc,16~電容Cc220~電阻i /
21- 電阻i 2
22- 電阻/ 5
23- 電阻2f電阻i 725-電阻i 。w/
530~電感丄i
31-電感丄2
40"N-型場效應(yīng)晶體管(NMOS)
41-P-型場效應(yīng)晶體管(PMOS) Affl2
42-NMOS晶體管Mi
43-PMOS晶休管Jl/244~NMOS晶體管
45-NMOS晶體管A4S2
46-NMOS晶體管MS3
47-NMOS晶體管M3a
48-NMOS晶體管A/3b49~NMOS晶體管A/4a50"NMOS晶體管MA
51-NMOS晶體管M;m
52-NMOS晶體管Afo
53-PMOS晶體管Ma54~PMOS晶體管MM55-PMOS晶體管A/2556"PMOS晶體管Mm
57-PMOS晶體管Af27
58-NMOS晶體管M28
59-NMOS晶體管M2960"NMOS晶體管Af30
61—NMOS晶體管Af3i
62—NMOS晶體管
63—NMOS晶體管A/C264~NMOS晶體管MC370"輸入電壓Vck端口
71- 地GND
72-輸出電壓Vout
73- 地GND
74_^制電壓Vctrl端口。
具體實(shí)施例方式
圖2為電路的完整拓?fù)鋱D。整個(gè)電路的拓?fù)鋱D可以分為三個(gè)部分。其中A部分主耍包括電阻i /， i ,/, i w,2; MOS晶體管A^， Af2, M a， M3b， M《，Jl^b, 電感A,丄2,以及電容G， C2。 B部分主要包括MOS晶體管A/21， M22, M29， Mb， A^。其余的電路為C部分，包括MOS晶體管Afd， MC2, AfC3，電阻/ c。
A部分為脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路；B部分是脈沖信號(hào)的幅度調(diào)制電路，該電路通過采用雙端輸入、雙端輸出差分形式將脈沖信號(hào)放大C部分是脈沖信號(hào)極性調(diào)制電路，控制電壓Vctrl控制傳輸門開啟、閉合決定輸出脈沖的極性。
1.脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路。MOS晶體管Jl^工作在飽和區(qū)，提供三極管漏電流和柵源電壓的平方率關(guān)系。電阻i ;是反饋電阻，將電流轉(zhuǎn)換為MOS管M2的輸入電壓。MOS晶體管械為源極跟隨器，實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。差分對(duì)MOS晶體管M3a， Jl/3b工作在亞閾區(qū)，實(shí)現(xiàn)圖l中的指數(shù)關(guān)系。電感丄i,丄2、電容C;， C2和電阻i 加,，i 加2組成RLC諧振網(wǎng)絡(luò)，得到對(duì)差分
6對(duì)電流二階導(dǎo)數(shù)的輸出電壓。
2. 幅度調(diào)制電路。晶體管M;n和M22等組成雙端輸入、雙端輸出差分放大電路，對(duì)第一
級(jí)輸出的小幅脈沖信號(hào)放大，得到的脈沖幅度可達(dá)到幾百毫伏。同參考文獻(xiàn)[4]的結(jié)果相比，
我們的脈沖幅度提高1個(gè)數(shù)量級(jí)。
3. 極性調(diào)制電路?？刂齐妷篤ctrl加在晶體管MC,和MC2的柵極上，使兩個(gè)晶體管交替導(dǎo)通，輸出電壓極性變化。
案例分析
為驗(yàn)證本電路發(fā)明的可行性，我們采用SMIC公司0.18nmCMOS工藝和HSpice進(jìn)行仿真，得到仿真結(jié)果如圖3。
圖3中第一行為時(shí)鐘信號(hào)輸入，第二行為脈沖極性調(diào)制控制信號(hào)。第三行和第四行信號(hào)為脈沖信號(hào)發(fā)生器未經(jīng)調(diào)制輸出的信號(hào)，最后一行為整個(gè)電路的輸出信號(hào)?？梢钥闯?，在控制信號(hào)為0的時(shí)候輸出正脈沖，控制信號(hào)為1輸出負(fù)脈沖。該脈沖幅度為250mV，脈沖寬度為0.17ns (半峰寬)。還可以看出，在控制信號(hào)為0的時(shí)候輸出正脈沖，控制信號(hào)為l輸出負(fù)脈沖。設(shè)計(jì)的版圖如圖4所示。
權(quán)利要求
1.一種超寬帶脈沖信號(hào)發(fā)生器集成電路芯片的實(shí)現(xiàn)方法，本方法采用模擬電路結(jié)構(gòu)，在一個(gè)芯片上集成了兩階微分電路，差分放大電路，以及雙相移相鍵控(BPSK)調(diào)制電路三個(gè)單元，在實(shí)現(xiàn)超寬帶脈沖信號(hào)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)脈沖的增幅和極性調(diào)制。
2. 按照權(quán)利要求1所述，超寬帶脈沖信號(hào)發(fā)生器集成電路的微分電路部分由如下元件組成， 包括三個(gè)電阻(i !， i 。utl， i 加B)， 7個(gè)晶體管(MOS) (M， M2， AGa, M b， M《，M4b, JWS。， 2個(gè)電感(A, ￡2),以及2個(gè)電容(C,， C2)，產(chǎn)生脈寬小于Ins的二階高斯脈沖信 號(hào)。
3. 按照權(quán)利要求1所述，超寬帶脈沖信號(hào)發(fā)生器集成電路的差分放大電路部分主要由5個(gè)晶 體管(MOS) M21, M22， M29， M23， M24組成，實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)的幅度調(diào)制和放大。
4. 按照權(quán)利要求1所述，超寬帶脈沖信號(hào)發(fā)生器集成電路的雙相移相鍵控(BPSK)調(diào)制電路 部分由3個(gè)晶體管(M0S) Md， MC2， MC3;以及電阻i c組成，通過控制電壓(Vctrl)控 制傳輸門Md和MC2的開啟和閉合，實(shí)現(xiàn)輸出電壓極性調(diào)制。
5. 按照權(quán)利要求2所述，微分電路部分的晶體管(MOS) A^工作在飽和區(qū)，提供晶體管漏 電流和柵源電壓的平方率關(guān)系，電阻A是反饋電阻，將電流轉(zhuǎn)換為MOS管械的輸入電壓， 晶體管(MOS) M2為源極跟隨器，實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。
6. 按照權(quán)利要求2所述，微分電路部分的差分對(duì)晶體管(MOS) MJa， M b工作在亞閾區(qū)， 實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的指數(shù)關(guān)系，電感丄,，丄2，電容C!， C2和電阻i 。必，i 。必組成RLC諧振 網(wǎng)絡(luò)，得到對(duì)電流二階微分導(dǎo)數(shù)的輸出電壓。
7. 按照權(quán)利要求3所述，差分放大電路部分的晶體管(MOS) il/;^和il/22組成雙端輸入、雙 端輸出差分放大電路，對(duì)第一級(jí)輸出的小幅脈沖信號(hào)放大，得到1百毫伏以上的脈沖幅度。
8. 按照權(quán)利要求4所述，雙相移相鍵控(BPSK)調(diào)制電路部分的控制電壓Vctri加在晶體管 Md和AfC2的柵極上，使兩個(gè)晶體管交替導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)輸出電壓極性變化。
全文摘要
設(shè)計(jì)了一種超寬帶脈沖信號(hào)發(fā)生器集成電路芯片。本發(fā)明采用微分電路來實(shí)現(xiàn)寬度極窄的脈沖發(fā)射，電路中采用了雙端輸入、雙端輸出的差分放大電路結(jié)構(gòu)，從而可以提高脈沖的輸出幅度。另外，在本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)中集成了調(diào)制電路，可以同時(shí)對(duì)脈沖進(jìn)行極性調(diào)制。同目前報(bào)道的其他結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單，芯片面積小，脈沖輸出幅度高，脈沖窄等特點(diǎn)。我們利用0.18微米的混合信號(hào)CMOS工藝，驗(yàn)證了本發(fā)明的集成電路結(jié)構(gòu)的可行性。
文檔編號(hào)H04B1/69GK101656551SQ20081004196
公開日2010年2月24日 申請(qǐng)日期2008年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月21日
發(fā)明者伍蓮洪, 欣 唐, 楠 姜, 勇 王, 黃風(fēng)義 申請(qǐng)人:愛斯泰克(上海)高頻通訊技術(shù)有限公司