一種應(yīng)用于太赫茲皮膚成像領(lǐng)域的cmos集成電路太赫茲源的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于太赫茲CMOS生物成像技術(shù)領(lǐng)域，具體為應(yīng)用于太赫茲皮膚成像領(lǐng)域的CMOS集成電路太赫茲源。本發(fā)明采用一種新型的四倍頻注入鎖定結(jié)構(gòu)實現(xiàn)寬鎖定范圍和高轉(zhuǎn)換增益倍頻。該電路包括8個交叉耦合振蕩器和4個倍頻器；雙推注入對管的正交輸入采用電容交流方式耦合，柵極偏置電壓設(shè)置可調(diào)，通過調(diào)節(jié)雙推注入對管的偏置可以獲得最大的轉(zhuǎn)換增益和鎖定范圍。驅(qū)動電容負(fù)載時，該注入鎖定倍頻器可以實現(xiàn)300GHz到400GHz接近60%的鎖定范圍，轉(zhuǎn)換增益最高可達7dB，整體功耗不超過18 mW，徹底克服工藝誤差、溫度漂移帶來的鎖定范圍變化，中心頻率浮動和輸出擺幅偏低等影響。
【專利說明】
一種應(yīng)用于太赫茲皮膚成像領(lǐng)域的CMOS集成電路太赫茲源
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于太赫茲皮膚成像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及CMOS集成電路太赫茲源?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]隨著太赫茲技術(shù)的發(fā)展，太赫茲-檢測醫(yī)學(xué)(太赫茲-LabMed)當(dāng)前受到極大重視， 太赫茲波成像技術(shù)具有更獨特、更適用的物理特征，并且光子能量低，不會對生物大分子、 生物細胞和組織產(chǎn)生有害電離，輻射劑量幾乎為零，對人體傷害非常小，特別適合于對生物組織進行活體檢查，為人體皮膚成像研究提供了一種新型可靠的技術(shù)方法。
[0003]得益于器件尺寸的降低和工藝的進一步發(fā)展，CMOS集成電路也已進入毫米波乃至太赫茲頻段，使得基于CMOS的太赫茲波成像芯片設(shè)計成為可能。CMOS太赫茲成像芯片具有低成本、便于射頻/基帶集成的特點。國際上，新加坡南洋理工大學(xué)(NTU)Hao Yu教授團隊攻克了核心技術(shù)難點，針對單個CMOS晶體管低增益、低靈敏度、低輸出功率和高損耗的特點， 設(shè)計出了同相耦合振蕩器、同相功率合成器、同相傳輸天線陣列和同相探測器，提高了 CMOS 發(fā)射源的發(fā)射功率和CMOS探測器的靈敏度，在此基礎(chǔ)上，Hao Yu教授團隊在65nm工藝下設(shè)計出了280GHz CMOS集成反射式成像系統(tǒng)，盡管如此，作為太赫茲成像芯片的關(guān)鍵模塊，太赫茲檢測器仍然是太赫茲成像芯片設(shè)計的難點和瓶頸。先要研究CMOS晶體管的設(shè)計，CMOS 工藝設(shè)計太赫茲電路時存在固有缺陷:第一，使用條狀多晶硅柵引起高的柵電阻，尤其在晶體管寬度較小的單指(single finger)/多指(multi finger)器件結(jié)構(gòu)中更為明顯；第二， 在高頻時由于CMOS的襯底損耗特性，導(dǎo)致無源器件品質(zhì)因子很低，通常都低于10;第三，由摻雜散射引起的表面迀移率很低，從而需要采用針對性的物理版圖優(yōu)化研究方案。如采用多柵指(mult1-gate finger)結(jié)構(gòu)、夾形柵(folded-gate)環(huán)形多柵連接結(jié)構(gòu)、最小化柵電阻等，提出更為有效可靠的版圖優(yōu)化和更準(zhǔn)確的寄生參數(shù)分析方法，優(yōu)化電路性。從而建立一套有效的有源器件的模型，然后通過流片來驗證模型的有效性，完善太赫茲CMOS源，而驗證太赫茲源的設(shè)計思路是采用片上耦合壓控振蕩器，通過測試電路設(shè)計、流片來驗證模塊電路的有效性。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提出一種應(yīng)用于太赫茲皮膚成像領(lǐng)域的高功率的CMOS集成電路太赫茲源。
[0005]本發(fā)明提供的CMOS集成電路太赫茲源，用于太赫茲CMOS生物成像領(lǐng)域，其特點是通過CMOS集成電路實現(xiàn)太赫茲波的發(fā)射，該太赫茲源電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，該電路包括8個交叉耦合振蕩器和4個倍頻器，模塊101中，4個交叉耦合振蕩器11、12、13和14之間通過零相移網(wǎng)絡(luò)相連，模塊102中，Q1、Q2、Q3和Q4之間通過零相移網(wǎng)絡(luò)相連，并且交叉耦合振蕩器14 和交叉耦合振蕩器Q4正交耦合，模塊103中，4個倍頻器D1、D2、D3和D4并聯(lián)，并且輸出Vout相連接。
[0006]本發(fā)明中，所述交叉耦合振蕩器由交叉耦合的NM0S管對、片上無源電感和器件寄生電容構(gòu)成，所選取的無源電感Q值曲線在鎖定頻段范圍內(nèi)緩而平，見圖2所示。NMOS管對 Ml、M2的漏端分別連接差分電感的兩端，該差分電感的中間抽頭與電源VDD相連接，并且Ml 的漏與M2的柵極相連接，M2的漏與Ml的柵極相連接，NMOS管對Ml、M2的源端與NMOS管M3的漏斷相連接，M3的柵極連接Bias 1，源極連接地。
[0007]本發(fā)明中，所述倍頻器是由4個匪0S管、片上無源電感構(gòu)成。如圖1中的103模塊中所示，D1、D2、D3和D4是4個相同的倍頻器，每個倍頻器中，4個匪0S管源極相連并且接地，漏極連接到電感一端，電感另一端與電源VDD相連。
[0008]本發(fā)明中，4倍頻器采用一種新的四倍頻注入鎖定結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)寬鎖定范圍和高轉(zhuǎn)換增益倍頻。雙推注入對管(M11、M12、M13、M14;M21、M22、M23、M224;M31、M32、M33、M34;M41、 M42、M43、M44)的正交輸入采用電容交流方式耦合，柵極偏置電壓設(shè)置可調(diào)，通過調(diào)節(jié)雙推注入對管的偏置可以獲得最大的轉(zhuǎn)換增益和鎖定范圍。驅(qū)動電容負(fù)載時，該注入鎖定倍頻器可以實現(xiàn)300GHz到400GHz接近60%的鎖定范圍，轉(zhuǎn)換增益最高可達7dB，整體功耗不超過 18 mW，徹底克服工藝誤差、溫度漂移帶來的鎖定范圍變化，中心頻率浮動和輸出擺幅偏低等影響。
[0009]本發(fā)明中，所述零相移網(wǎng)絡(luò)由電感L1、L2、L3和電容C1、C2、C3構(gòu)成，如圖4所示，該零相移網(wǎng)絡(luò)雙端輸入雙端輸出并且相位不發(fā)生改變，以此保證4個交叉耦合振蕩器輸出相位一致。
[0010]任何本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)可了解的是，可根據(jù)本發(fā)明所揭示的觀念及特定實施例修改或設(shè)計出實現(xiàn)本發(fā)明相同目的的架構(gòu)，此類同等架構(gòu)并不超出本發(fā)明后附的權(quán)利要求所定義的精神和范圍?！靖綀D說明】
[0011]圖1為應(yīng)用于太赫茲皮膚成像領(lǐng)域的CMOS集成電路太赫茲源結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖2為交叉耦合振蕩器結(jié)構(gòu)示意圖。[〇〇13]圖3為模塊101中14和模塊102中Q綱絡(luò)正交耦合方式示意圖。[〇〇14]圖4為零相移網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖?！揪唧w實施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明應(yīng)用于太赫茲皮膚成像領(lǐng)域的CMOS集成電路太赫茲源進行詳細說明。
[0016]本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)如附圖1所示，分為三個模塊101、10 2和10 3，其中兩個模塊101 和102是8個交叉耦合振蕩器電路，模塊101由4個交叉耦合振蕩器I1、12、13和14組成，且II 與12,12與13，13與14,14與II之間分別有零相移網(wǎng)絡(luò)連接;模塊102由4個交叉耦合振蕩器 Q1、Q2、Q3和Q4組成，且Q1與Q2，Q2與Q3，Q3與Q4，Q4與Q1之間分別有零相移網(wǎng)絡(luò)連接；14與Q4通過正交親合連接。[〇〇17] 其中11、12、13和Q1、Q2、Q3內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全相同，如圖2所示，NM0S管對M1、M2的漏端分別連接差分電感的兩端，該差分電感的中間抽頭與電源VDD相連接，并且Ml的漏與M2的柵極相連接，M2的漏與Ml的柵極相連接，NM0S管對Ml、M2的源端與匪0S管M3的漏斷相連接，M3 的柵極連接Biasl，源極連接地。而I4、Q4兩個交叉耦合振蕩器則按照如圖3所示的耦合方式進行連接，14和Q4的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同，14中，匪OS對管M4和M5源極接地，M4漏極與M6源極相連接，M5漏極與M7源極連接，M6的柵極與M7的漏極相連接，M7的柵極與M6的漏極相連接，并且 M6和M7的漏極分別連接到差分電感的兩端，該差分電感中間抽頭與電源VDD相連；Q4中， 匪0S對管M8和M9源極接地，M8漏極與M10源極相連接，M9漏極與Mil源極連接，M10的柵極與 Mil的漏極相連接，Mil的柵極與M10的漏極相連接，并且M10和Mil的漏極分別連接到差分電感的兩端，該差分電感中間抽頭與電源VDD相連；14與Q4耦合連接方式是:M4漏極與M9柵極相連接，M5漏極與M8柵極相連接，M8漏極與M4柵極相連接，M9漏極與M5柵極相連接。[〇〇18] 零相移網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示，該網(wǎng)絡(luò)由電感L1、L2、L3和電容C1、C2、C3構(gòu)成，電容C1 跨接在電感L1和L2的一端，并分別于電容C2和C3的一端相連接，電感L3跨接在電容C2和C3 的另一端。以此保證4個交叉耦合振蕩器相位一致。[0〇19] 模塊103是4個倍頻器:D1、D2、D3和04』1、02、03和04拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同，01中，匪03管對組1112113和組4源極與地相連接，漏極與電感16相連接兒6的另一端與電源￥00相連； D2中，NM0S管對M21、M22、M23和M24源極與地相連接，漏極與電感L7相連接，L7的另一端與電源VDD相連;D3中，NM0S管對M31、M32、M33和M34源極與地相連接，漏極與電感L8相連接，L8的另一端與電源VDD相連;D4中，匪0S管對M41、M42、M43和M44源極與地相連接，漏極與電感L9 相連接，L9的另一端與電源VDD相連。D1、D2、D3和D4的輸出連接在一起，S卩103模塊中所有 NM0S管的漏極相連接，作為Vout輸出。
[0020]模塊101和102中的8個交叉耦合振蕩器，每個振蕩器柵極偏置電壓設(shè)置可調(diào)，輸出 Voutl和Vout2通過零相移網(wǎng)絡(luò)和其他交叉耦合振蕩器連接每個振蕩器會產(chǎn)生兩個輸出，分別為 11?、1111、12卩、12]1、13卩、1311、14卩、1411、(>)1卩、(>)111、(>)2卩、(>)211、(>)3卩、(>)311、(>)4卩、(>)411，這16個信號將作為模塊103中輸入信號，作為匪0S晶體管的偏置電壓，實現(xiàn)四倍頻器。該倍頻器采用了一種新的四倍頻注入鎖定結(jié)構(gòu)實現(xiàn)寬鎖定范圍和高轉(zhuǎn)換增益倍頻。雙推注入對管的正交輸入采用電容交流方式耦合，通過調(diào)節(jié)雙推注入對管的偏置可以獲得最大的轉(zhuǎn)換增益和鎖定范圍。驅(qū)動電容負(fù)載時，該注入鎖定倍頻器可以實現(xiàn)300GHz到400GHz接近60%的鎖定范圍，轉(zhuǎn)換增益最高可達7dB，整體功耗不超過18mW，徹底克服工藝誤差、溫度漂移帶來的鎖定范圍變化，中心頻率浮動和輸出擺幅偏低等影響，使得能夠應(yīng)用于高性能太赫茲源中。
[0021]本發(fā)明的內(nèi)容及優(yōu)點雖然已詳細揭示如上，然而必須說明的是，本發(fā)明的范圍并不受限于說明書中所描述的方法及步驟等特定實施例，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)， 任何本領(lǐng)域普通技術(shù)人員皆可根據(jù)本發(fā)明所揭示的內(nèi)容做出許多變形和修改，這些也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種應(yīng)用于太赫茲皮膚成像領(lǐng)域的CMOS集成電路太赫茲源，其特征在于，該太赫茲 源電路結(jié)構(gòu)包括8個交叉耦合振蕩器和4個倍頻器，其中，第一、第二、第三、第四4個交叉耦 合振蕩器11、12、13和14之間通過零相移網(wǎng)絡(luò)相連，第五、第六、第七、第八4個交叉耦合振蕩 器Q1、Q2、Q3和Q4之間通過零相移網(wǎng)絡(luò)相連，并且，第四交叉耦合振蕩器14和第八交叉耦合 振蕩器Q4正交耦合，第一、第二、第三、第四4個倍頻器D1、D2、D3和D4并聯(lián)，并且輸出Vout相 連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS集成電路太赫茲源，其特征在于，所述4個倍頻器每個均 由4個匪0S管、片上無源電感構(gòu)成，4個匪0S管源極相連并且接地，漏極連接到電感一端，電 感另一端與電源VDD相連。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS集成電路太赫茲源，其特征在于，所述8個交叉耦合振蕩 器中，第一、第二、第三交叉耦合振蕩器I1、12、13和第五、第六、第七交叉耦合振蕩器Ql、Q2、 Q3內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全相同，均由交叉耦合的匪0S管對、片上無源電感和器件寄生電容構(gòu)成，所 選取的無源電感Q值曲線在鎖定頻段范圍內(nèi)緩而平;NM0S管對Ml、M2的漏端分別連接差分電 感的兩端，該差分電感的中間抽頭與電源VDD相連接，并且NM0S管Ml的漏與匪0S管M2的柵極 相連接，NM0S管M2的漏與NM0S管Ml的柵極相連接，NM0S管對M1、M2的源端與NM0S管M3的漏斷 相連接，NM0S管M3的柵極連接Bias 1，源極連接地；第四、第八交叉耦合振蕩器I4、Q4的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同；第四交叉耦合振蕩器14中，匪0S對 管M4和M5源極接地，匪0S管M4漏極與NM0S管M6源極相連接，NM0S管M5漏極與NM0S管M7源極 連接，NM0S管M6的柵極與NM0S管M7的漏極相連接，匪0S管M7的柵極與匪0S管M6的漏極相連 接，并且匪0S管M6和NM0S管M7的漏極分別連接到差分電感的兩端，該差分電感中間抽頭與 電源VDD相連;第八交叉耦合振蕩器Q4中，NM0S對管M8和M9源極接地，NM0S管M8漏極與匪0S 管M10源極相連接，匪0S管M9漏極與匪0S管Ml 1源極連接，匪0S管M10的柵極與NM0SM11的漏 極相連接，NM0S管Mil的柵極與匪0S管M10的漏極相連接，并且匪0S管M10和NM0S管Mil的漏 極分別連接到差分電感的兩端，該差分電感中間抽頭與電源VDD相連;第四交叉耦合振蕩器 14與第八交叉耦合振蕩器Q4耦合連接方式是:匪0S管M4漏極與匪0S管M9柵極相連接，匪0S 管M5漏極與NM0S管M8柵極相連接，匪0S管M8漏極與匪0S管M4柵極相連接，NM0S管M9漏極與 NM0S管M5柵極相連接。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS集成電路太赫茲源，其特征在于，零相移網(wǎng)絡(luò)由電感L1、 L2、L3和電容C1、C2、C3構(gòu)成，電容C1跨接在電感L1和L2的一端，并分別于電容C2和C3的一端 相連接，電感L3跨接在電容C2和C3的另一端。
【文檔編號】H03B19/14GK106026921SQ201610318871
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月14日
【發(fā)明人】任俊彥, 馬順利, 魏東, 陳汧
【申請人】復(fù)旦大學(xué)