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收稿日期!"##"$#%$""&定稿日期!"##"$#'$#(
文章编号!)##%$**'+,"##*-#"$#)'*$#*
一种./0123低功耗锁相倍频集成电路的研制
沈锋)4于宗光"4田津"4樊子宇"4赵天鹏)4蔡浒)
,)5中国科技大学物理系4安徽合肥"*##"'&"5中国电子科技集团公司第五十八研究所4江苏无锡")%#*+-
摘要!为适应星载测控系统小型化6集成化和低功耗的需要4根据国内集成电路工艺条件4设计
并制作了一种特高频锁相倍频集成电路7其最高工作频率大于+*#89:4功耗小于'#;% "文献标识码!@
ABCD123EFGHIFGJKILMNJEFOPJQRKJSTJUOV1TWXYZWYJK[\
]9^>_'ab)4cdefab$bghab"4=i@>jka"4_@>ek$lg"4e9@m=kha$n'ab)4o@i9g)
,)5pqrstuvrwxyz{|rtq|t}q~!t|"qy#y$xyz%"rq}4&tztr4'q"(r"*##"'4)5*5%"rq}&
"5!"t+(w"+qvwrw(wt4%"rq},#t|wuyqr|v!t|"qy#y$x-uy(.%yu.yu}wryq4/(0r41r}q$v(")%#*+4)5*5%"rq}-
A2NXKMOX!@d9_n3h4'5f67'85ffn9:';g'a6l;g5h4'8fa<3'' k4<kabion:f6'446fa$
8k<kfa4kao3kah@@;h k;g;fn':hf='+*#89:ha8hnfA':8k44knh<kfa5'44<3ha'#;''ah63k'='89f:<3'6k:6gk<5=3'n:ka6kn5'f9<3'6k:6gk<4<3'5hlfg<ha8n:f6'44'8ka<3'
nhn':5
BJVGFKQN!d9_&CfAnfA':8k44knh<kfa&D3h4'5f67'8&_:';g'a6l;g5<kn5k':&io
EEA\\!)"'+
)引言
对于星载测控系统和转发系统4通常都是将信
号调制在几十89:的载频上4经初级倍频到+##
89:左右的载频4再经微波倍频到数F9:的载频
上4向地面发送7传统的初级倍频方法是晶体管非线
性倍频器7它结构并不复杂4但由于其频谱纯度低6
稳定性较差4难以满足星载测控系统和转发系统对
倍频器的要求7锁相倍频器的频谱纯度高6稳定性
好4但目前特高频的锁相倍频集成电路主要应用
^oC分频锁相技术4功耗较大4难以满足星载系统
的要求7本文根据我国集成电路工艺条件4应用单平
衡模拟乘法器作为分频器和倍频器4设计并制作了
一种特高频锁相倍频集成电路GH(+@4其最高工作
频率大于+*#89:4功耗小于'#;-和压控振荡器,Kom-等部分组成7其工作原
理是4输入信号z
rq经倍频器变为L
zrq
4输入到鉴相
器DH4Kom的输出信号z
M%N由外部耦合到分频器4
其分频信号z
s|y
JO输入到鉴相器DH4鉴相器比较
两输入信号的相位4产生的鉴相电压经环路滤波C_
和直流放大@放大后4由外部控制压控振荡器
Kom的变容二极管4使环路锁定7
图)GH(+@电路框图
当环路稳定时4
Lz
rq
Pz
s|y
JO4即LQOQz
rq
Pz
M%N
式中4L可分别为)6"6*6%4O可分别为"6*6
%4等7图"为GH(+@内部线路图7图中4晶体管O
)
R
O
))构成单平衡模拟乘法器倍频电路7其中4*
)
6O
)
6
"##*年%月STUVWXYXUZVW[TU\@n:
^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
5"##*
!
"构成了!
#的偏置电路$!
#的静态工作电流为%
&'$(
)
*!
+
*!
)
*!
,构成了!
-和!
.的偏置电路$
!
/
*!
%0为两级跟随器12%-3*2%,3为信号输入端$
2%)3外接45槽路$决定倍频器输出频率$输出信号
与鉴相器内部直接耦合1
图"67#,'内部线路图
!
%"
8!
%.构成双平衡模拟乘法器鉴相电路1其
中$(
#
*(
/为!
%-
*!
%.提供直流偏置$鉴相器的静态
工作电流9
:
;0
2>
@"-&A3大得多
时$鉴相灵敏度B
C
;"9
D
(
=
EF@%
T
;,A$2%3
为接地端$静态工作电流9
D
@%0&'1
+UVUW5X模拟与电路模拟测试
应用UVUW5X对67#,'内部电路图进行模
拟1结果表明$67#,'的倍频次数可分别为Y;%*
"*+*)*,*-$等R分频器的分频次数可分别为!;"*
+*)*,$等R锁相倍频电路的最高工作频率约-00
Z[\1用国产晶体管+7]#%52S
;"][\3对67#,'
进行了实验模拟1结果表明$锁相倍频器的最高工作
频率达-#0Z[\$锁相倍频比可分别为"*+*)*-*#*
%"*%-$等$静态功耗,,&^$锁相环同步带_,
Z[\$快捕带_"Z[\1
)工艺设计
67#,'采用"N&"][\多晶硅发射极双极
W5工艺$主要光刻版次为埋层*沟*磷穿透*基区*浓
基区*多晶硅发射区*低浓度多晶硅电阻*高浓度多
晶硅电阻*引线孔*金属布线和钝化等1主要工艺参
数如下'外延层厚度"N&$基区深0<,N&$多晶硅发
射区$基区宽度0<"N&1Va:
"隔离墙工艺$低浓度多
晶硅方块电阻为%KLEb$高浓度多晶硅方块电阻
%-)沈锋等'一种,+0Z[\低功耗锁相倍频集成电路的研制"00+年
为!""#$%&'('晶体管截止频率)*+ ,-./0
123456 !"70124856 97012835约为:70隔离电压
124;56!"7&
:超高频晶体管的设计
版图设计
'('晶体管各部分的尺寸如下 隔离沟宽度@
AB0隔离岛大小,9ABC DEAB0埋层离沟距离为F
AB0基区面积!GABC!GABH其中浓基区9ABC!G
ABI0基极引线孔面积,ABC !,AB0发射区面积G
ABC !,AB0磷穿透面积H即集电极引线孔面积ID
ABC!@AB0多晶硅发射极面积H即发射极引线孔面
积I,ABC9AB&
<=J晶体管)*
)*的值直接与晶体管的寄生电容和电阻有关&
利用下面的公式0计算晶体管中寄生电容的大小
K*8+@
,LMM"N3
2O PQ
!
,
RS80
K*4+
,LMM"N4
H2QO PT2I
!
,
RS30
K4;+
,LMM"N;
H2QO PT2I
!
,
RS402Q+
U*
L
VW
NSNQ
X,
Y
式中0基区掺杂浓度N3+:C!"!FZBT D0集电区
掺杂浓度N4+ !"!GZBT D0衬底掺杂浓度N;+ :C
!"!@ZBT D0NS和NQ是结对应的(型和'型的掺
杂浓度0本征载流子浓度XY为!=:C !"!"ZBT D0反偏
电压2+,7&由此计算出0K*8+ G=G@C !"T !D[0K*4
+@=@,C!"T !@[0K4;+@=DGC!"T !@[&
)*的四个主要时间常数分别为
!I\8&工作电流!B]时0^8为,G#0由\8+
^8K*80得\8+!F=,GC!"T !,_&
,I\3&\3+',$:QX0其中0基区宽度为"=,AB0
QX为!"=@ZB,$_0由此计算得\3+F=GEC!"T !,_&
DI\a&\a+bc4$,2;4&
硅中电子2;4+!"FZB$_0在反偏,7情况下0由
bc4+
,MM"H2QT2I
LNd e4
!
,
0得bc4为"=G"@AB0于是0\a
+D=",C!"T !,_&
@I\4&\4+^4;HK*4fK4;I&
假定集电区通过电流区域截面积即为发射区面
积S80集电区宽度'4+ !=:AB0在NK为!"!GZBT D
时0由'型硅的掺杂浓度与电阻率关系曲线0查得
g4为"=G#RZB0集电极串联电阻^4;+g4R'4$S8+
!,:#H由于集电极采用磷穿透技术0这部分的串联
电阻仅为"=@D#0可忽略I&所以0\4+ !"=E,C !"T !,
_&最后0由)*+!$d,hC!=@H\3f\8f\4f\aIe0得)*
+,=E,-./&
Gij9:]的应用
图D为ij9:]应用线路图&其中0K!kK,为输入
信号耦合电容0l!kKD为倍频器mn槽路0K@kK:为鉴
相器输入信号旁路电容0o!kKG和o,kKF为环路滤波
器外接元件0oD为压控电压中心电平调节0K9为)2Kp
到分频器耦合电容0KE为分频器反馈电容0l,kK!"为
分频器mn槽路0变容管Q!和lDkK!!构成7nq压
控mn槽路0K!,kK!D为7nq外接电容&
图Dij9:]应用线路图
F结论基于,AB,-./多晶硅发射极双极集成电路
工艺0用模拟乘法器作分频器k倍频器k鉴相器和mn
高频压控振荡器0自行设计并制作了一种特高频锁
相倍频专用集成电路&其最高工作频率大于:D"
r./0功耗小于G"Bs0频谱纯度明显优于mn谐
波倍频器&该集成电路可广泛应用于星载测控系统
和通讯系统&
参考文献
d!emttu0ivB w=] VxyzWxv_t{|_}zVxZ~!"|_tzVxZ~t#
Vxx!yv}"|#|!}v$t%|W#yv#}"ZxW}&xVdue='(((u
)xV)}|nv&Z0,"""*D:H9I !!,9z!!DG=
d,en"tW sz+0s,uz-=],7!=9-./wu- !"|_tz
VxZ~t#Vxx!due='(((u)xV)}|nv&Z0!EEE*D@HGI
F9@zF9E=
dDe赵天鹏0谢家纯=!""r./单片模拟锁相环'n的研制
due=电子学报0!E9F*!:HGI 9G=
作者简介 沈锋H!EF9.I0男H汉
族I0上海市人0中国科技大学物理
系微电子专业硕士研究生0主要从
事集成电路研究&
第,期沈锋等 一种:D"r./低功耗锁相倍频集成电路的研制!G:
文章编号!)##%$**'+,"##*-#"$#)'*$#*
一种./0123低功耗锁相倍频集成电路的研制
沈锋)4于宗光"4田津"4樊子宇"4赵天鹏)4蔡浒)
,)5中国科技大学物理系4安徽合肥"*##"'&"5中国电子科技集团公司第五十八研究所4江苏无锡")%#*+-
摘要!为适应星载测控系统小型化6集成化和低功耗的需要4根据国内集成电路工艺条件4设计
并制作了一种特高频锁相倍频集成电路7其最高工作频率大于+*#89:4功耗小于'#;% "文献标识码!@
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)引言
对于星载测控系统和转发系统4通常都是将信
号调制在几十89:的载频上4经初级倍频到+##
89:左右的载频4再经微波倍频到数F9:的载频
上4向地面发送7传统的初级倍频方法是晶体管非线
性倍频器7它结构并不复杂4但由于其频谱纯度低6
稳定性较差4难以满足星载测控系统和转发系统对
倍频器的要求7锁相倍频器的频谱纯度高6稳定性
好4但目前特高频的锁相倍频集成电路主要应用
^oC分频锁相技术4功耗较大4难以满足星载系统
的要求7本文根据我国集成电路工艺条件4应用单平
衡模拟乘法器作为分频器和倍频器4设计并制作了
一种特高频锁相倍频集成电路GH(+@4其最高工作
频率大于+*#89:4功耗小于'#;-和压控振荡器,Kom-等部分组成7其工作原
理是4输入信号z
rq经倍频器变为L
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器DH4Kom的输出信号z
M%N由外部耦合到分频器4
其分频信号z
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两输入信号的相位4产生的鉴相电压经环路滤波C_
和直流放大@放大后4由外部控制压控振荡器
Kom的变容二极管4使环路锁定7
图)GH(+@电路框图
当环路稳定时4
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式中4L可分别为)6"6*6%4O可分别为"6*6
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与鉴相器内部直接耦合1
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67#,'采用"N&"][\多晶硅发射极双极
W5工艺$主要光刻版次为埋层*沟*磷穿透*基区*浓
基区*多晶硅发射区*低浓度多晶硅电阻*高浓度多
晶硅电阻*引线孔*金属布线和钝化等1主要工艺参
数如下'外延层厚度"N&$基区深0<,N&$多晶硅发
射区$基区宽度0<"N&1Va:
"隔离墙工艺$低浓度多
晶硅方块电阻为%KLEb$高浓度多晶硅方块电阻
%-)沈锋等'一种,+0Z[\低功耗锁相倍频集成电路的研制"00+年
为!""#$%&'('晶体管截止频率)*+ ,-./0
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:超高频晶体管的设计
版图设计
'('晶体管各部分的尺寸如下 隔离沟宽度@
AB0隔离岛大小,9ABC DEAB0埋层离沟距离为F
AB0基区面积!GABC!GABH其中浓基区9ABC!G
ABI0基极引线孔面积,ABC !,AB0发射区面积G
ABC !,AB0磷穿透面积H即集电极引线孔面积ID
ABC!@AB0多晶硅发射极面积H即发射极引线孔面
积I,ABC9AB&
<=J晶体管)*
)*的值直接与晶体管的寄生电容和电阻有关&
利用下面的公式0计算晶体管中寄生电容的大小
K*8+@
,LMM"N3
2O PQ
!
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K*4+
,LMM"N4
H2QO PT2I
!
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X,
Y
式中0基区掺杂浓度N3+:C!"!FZBT D0集电区
掺杂浓度N4+ !"!GZBT D0衬底掺杂浓度N;+ :C
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杂浓度0本征载流子浓度XY为!=:C !"!"ZBT D0反偏
电压2+,7&由此计算出0K*8+ G=G@C !"T !D[0K*4
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信号耦合电容0l!kKD为倍频器mn槽路0K@kK:为鉴
相器输入信号旁路电容0o!kKG和o,kKF为环路滤波
器外接元件0oD为压控电压中心电平调节0K9为)2Kp
到分频器耦合电容0KE为分频器反馈电容0l,kK!"为
分频器mn槽路0变容管Q!和lDkK!!构成7nq压
控mn槽路0K!,kK!D为7nq外接电容&
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F结论基于,AB,-./多晶硅发射极双极集成电路
工艺0用模拟乘法器作分频器k倍频器k鉴相器和mn
高频压控振荡器0自行设计并制作了一种特高频锁
相倍频专用集成电路&其最高工作频率大于:D"
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波倍频器&该集成电路可广泛应用于星载测控系统
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参考文献
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作者简介 沈锋H!EF9.I0男H汉
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系微电子专业硕士研究生0主要从
事集成电路研究&
第,期沈锋等 一种:D"r./低功耗锁相倍频集成电路的研制!G:
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