一種應(yīng)用于太赫茲皮膚成像領(lǐng)域的cmos集成電路太赫茲檢測器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用于太赫茲皮膚成像領(lǐng)域的CMOS集成電路太赫茲檢測器。本發(fā)明采用了一種超可再生的接收機電路，該電路結(jié)構(gòu)包括一個低噪聲放大器，一組振蕩器和一組包絡(luò)檢波電路。太赫茲波注入低噪聲放大器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)注入對管的偏置可以獲得最大的轉(zhuǎn)換增益。包絡(luò)檢波輸出一個正相關(guān)于輸入信號強度的電壓信號，該注入實現(xiàn)300GHz到400GHz接近?80dBm的靈敏度，轉(zhuǎn)換增益最高可達(dá)57dB，整體功耗不超過8 mW。本發(fā)明徹底克服了工藝誤差、溫度漂移帶來的鎖定范圍變化以及中心頻率浮動和輸出擺幅偏低等影響，使得能夠應(yīng)用于高性能太赫茲檢測器中。
【專利說明】
一種應(yīng)用于太赫茲皮膚成像領(lǐng)域的CMOS集成電路太赫茲檢測器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用于太赫茲皮膚成像領(lǐng)域的CMOS集成電路太赫茲檢測器。
【背景技術(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(xì)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。盡管如此，作為太赫茲成像芯片的關(guān)鍵模塊，太赫茲檢測器已成為太赫茲成像芯片設(shè)計的核心。對于太赫茲檢測器，噪聲和增益是設(shè)計和版圖的主要考慮因素，特別是襯底寄生分析和優(yōu)化設(shè)計的具體思路:硅襯底電阻的巨大損耗，襯底電容的噪聲耦合，影響了MOSFET高頻輸出特性，直接對低噪聲放大器(LNA)、功率放大器(PA)等二端口匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計造成影響。因此，需要研究在基本版圖結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，如何通過調(diào)整W、L和Nf，來降低襯底損耗和噪聲耦合影響。為了提高版圖調(diào)整效率，快速選擇合適的器件結(jié)構(gòu)，需要建立可縮放的元器件模型庫，允許縮放的版圖柵寬(W)，柵長(L)和柵指數(shù)目(Nf)三個維度的參數(shù)。如何在選擇采樣點(尺寸和數(shù)目)、采用目標(biāo)數(shù)據(jù)、控制頻率精度范圍、選用誤差函數(shù)等多方面之間進行折衷，并根據(jù)實際電路設(shè)計需求仔細(xì)確定。在必要的情況下，針對核心器件/結(jié)構(gòu)仍有必要單獨建立模型，以避免建立縮放模型后因縮放規(guī)律提取誤差給這些器件/結(jié)構(gòu)的模擬精度帶來影響。從而可以實現(xiàn)28nm工藝下的高靈敏度的太赫茲檢測器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明旨在提供一種應(yīng)用于太赫茲皮膚成像領(lǐng)域的CMOS集成電路太赫茲檢測器。
[0005]本發(fā)明提供的應(yīng)用于太赫茲皮膚成像領(lǐng)域的CMOS集成電路太赫茲檢測器，其電路結(jié)構(gòu)包括兩個模塊101和102，模塊101為電路的輸入結(jié)構(gòu)(采用一種超可再生的接收機電路)，其通過天線接收到的太赫茲信號通過隔直流電容交流耦合注入低噪聲放大器，該低噪聲放大器柵極偏置電壓設(shè)置可調(diào)，通過調(diào)節(jié)注入對管的偏置可以獲得最大的轉(zhuǎn)換增益，在共漏極產(chǎn)生諧波注入到模塊102中；模塊102包括交叉耦合振蕩器組和包絡(luò)檢波器組。參見圖4所示。
[0006]交叉耦合振蕩器組包括四個相同的交叉耦合振蕩器，每個交叉耦合振蕩器結(jié)構(gòu)如圖1所示，底部的電流鏡可以用來控制偏置電流的大小，控制振蕩幅度，同時由于電流鏡的輸出電阻要遠(yuǎn)高于振蕩器內(nèi)核的動態(tài)電阻，相當(dāng)于在振蕩器和電源地線間串聯(lián)了一個大電阻，這種措施可以減少振蕩器內(nèi)核受電源或地線、襯底噪聲的影響。交叉耦合振蕩器之間通過零相移網(wǎng)絡(luò)連接，如圖2所示，該零相移網(wǎng)絡(luò)保證了交叉耦合振蕩器之間相位不發(fā)生變化完全一致，交叉耦合振蕩器組的輸出信號輸入到包絡(luò)檢波器組中，包絡(luò)檢波器組包括四個相同的包絡(luò)檢波器，如圖3所示，經(jīng)過包絡(luò)檢波，輸出一個正相關(guān)于輸入信號強度的電壓信號，該注入實現(xiàn)300GHz到400GHz接近-80dBm的靈敏度，轉(zhuǎn)換增益最高可達(dá)57dB，整體功耗不超過8 mff，本發(fā)明徹底克服了工藝誤差、溫度漂移帶來的鎖定范圍變化以及中心頻率浮動和輸出擺幅偏低等影響，使得能夠應(yīng)用于高性能太赫茲檢測器中。
[0007]本發(fā)明中，所述隔直電容由片上金屬-絕緣體-金屬電容器(MIM-cap)構(gòu)成。
[0008]本發(fā)明中，所述交叉耦合振蕩器由交叉耦合的NMOS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1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 I，源極連接地。
[0009]本發(fā)明中，所述零相移網(wǎng)絡(luò)由電感、電容構(gòu)成的耦合網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)輸入和輸出的零相位改變，見圖2所示。該網(wǎng)絡(luò)由電感L1、L2、L3和電容Cl、C2、C3構(gòu)成，電容Cl跨接在電感LI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。
[0010]本發(fā)明中，所述包絡(luò)檢波器由NMOS管對、電容和電阻構(gòu)成，見圖3所示。雙端輸入連接電容C4和C5，C4和C5另一端分別連接PMOS管對M4、M5的柵極，M4、M5的源極與電源相連接，漏極與電阻R 3相連接，電阻R 3另一端連接地，電阻RI —端連接M 5柵極，另一端連接Bias2，電阻R2—端連接M4柵極，另一端連接Bias2。
[0011]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。
【附圖說明】
[0012]圖1為交叉耦合振蕩器結(jié)構(gòu)電路示意圖。
[0013]圖2為零相移網(wǎng)絡(luò)電路不意圖。
[0014]圖3為包絡(luò)檢波器電路示意圖。
[0015]圖4為太赫茲檢測器整體模塊圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖對所發(fā)明的應(yīng)用于太赫茲皮膚成像領(lǐng)域的CMOS集成電路太赫茲檢測器做進一步說明。
[0017]本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)如附圖4所示，分為兩個模塊1I和12，其中模塊1I是接收太赫茲信號電路，NMOS管源極接地，柵極與天線相連接，漏極與電感一端相連接，電感另一端連接電源VDD，其通過天線接收到的太赫茲信號通過隔直流電容交流耦合注入低噪聲放大器，該低噪聲放大器柵極偏置電壓設(shè)置可調(diào)，通過調(diào)節(jié)注入對管的偏置可以獲得最大的轉(zhuǎn)換增益，在共漏極產(chǎn)生諧波注入到模塊102中。
[0018]在模塊102中，包括4個交叉耦合振蕩器、4個零相移網(wǎng)絡(luò)和4個包絡(luò)檢波器。其中交叉耦合振蕩器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，Vin連接的是模塊101中低噪聲放大器匪OS管的漏端，輸出Voutl和Vout2連接零相移網(wǎng)絡(luò)的同一端，零相移網(wǎng)絡(luò)的另一端連接下一個交叉耦合振蕩器的輸出，按照此方式，4個交叉耦合振蕩器構(gòu)成一個交叉耦合振蕩器組;交叉耦合振蕩器由交叉耦合NMOS管對Ml、M2，NM0S管M3，電感組成，如圖1所示，交叉耦合NMOS管對Ml、M2的基本作用是補償諧振回路中的能量損失，通過Bias I電路控制匪OS管M3的電流，在一定的直流電流偏置下使得交叉耦合NMOS管對外呈現(xiàn)負(fù)電阻特性。零相移網(wǎng)絡(luò)由電感L1、L2、L3和電容Cl、C2、C3構(gòu)成，如圖2所示;從L1、L2端輸入的信號在Cl兩端處相位變化90°，在L3兩端又回到原相位，以此保證4個交叉耦合振蕩器相位一致。包絡(luò)檢波器由電容C4、C5，PMOS對M4、M5，電阻Rl、R2、R3構(gòu)成，如圖3所示;交叉耦合振蕩器將輸出信號接入到包絡(luò)檢波器中的電容C4、C5端，經(jīng)過由偏置Bias2控制的PMOS對M4、M5檢波，輸出一個正相關(guān)于輸入信號強度的電壓信號，該注入實現(xiàn)300GHz到400GHz接近-80dBm的靈敏度，轉(zhuǎn)換增益最高可達(dá)57dB，整體功耗不超過8 mW，本發(fā)明徹底克服了工藝誤差、溫度漂移帶來的鎖定范圍變化以及中心頻率浮動和輸出擺幅偏低等影響，使得能夠應(yīng)用于高性能太赫茲檢測器中。
[0019]本發(fā)明的內(nèi)容及優(yōu)點已詳細(xì)揭示如上。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集成電路太赫茲檢測器，其特征在于該電路結(jié)構(gòu)包括兩個模塊(101和102 )，第一模塊(1I)為電路的輸入結(jié)構(gòu)，其通過天線接收到的太赫茲信號通過隔直流電容交流耦合注入低噪聲放大器，該低噪聲放大器柵極偏置電壓設(shè)置可調(diào)，通過調(diào)節(jié)注入對管的偏置可以獲得最大的轉(zhuǎn)換增益，在共漏極產(chǎn)生諧波注入到第二模塊(102)中；第二模塊(102)包括交叉耦合振蕩器組和包絡(luò)檢波器組;其中: 交叉耦合振蕩器組包括四個相同的交叉耦合振蕩器，交叉耦合振蕩器之間通過零相移網(wǎng)絡(luò)連接，交叉耦合振蕩器組的輸出信號輸入到包絡(luò)檢波器組中；包絡(luò)檢波器組包括四個相同的包絡(luò)檢波器，經(jīng)過包絡(luò)檢波，輸出一個正相關(guān)于輸入信號強度的電壓信號。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS集成電路太赫茲檢測器，其特征在于所述隔直電容由片上金屬-絕緣體-金屬電容器構(gòu)成。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS集成電路太赫茲檢測器，其特征在于所述交叉耦合振蕩器由交叉耦合的NMOS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。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS集成電路太赫茲檢測器，其特征在于所述零相移網(wǎng)絡(luò)由電感、電容構(gòu)成的耦合網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)輸入和輸出的零相位改變。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS集成電路太赫茲檢測器，其特征在于所述包絡(luò)檢波器由NMOS管對、電容和電阻構(gòu)成。
【文檔編號】H03B5/12GK106026920SQ201610309966
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月11日
【發(fā)明人】任俊彥, 魏東, 馬順利, 陳汧
【申請人】復(fù)旦大學(xué)