一種應用于太赫茲皮膚成像領域的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生物成像技術領域，具體為應用于太赫茲皮膚成像領域的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構實現(xiàn)寬鎖定范圍和高轉換增益倍頻。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，柵極偏置電壓設置可調，通過調節(jié)雙推注入對管的偏置可以獲得最大的轉換增益和鎖定范圍。驅動電容負載時，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】
一種應用于太赫茲皮膚成像領域的CMOS集成電路太赫茲源
技術領域
[0001 ]本發(fā)明屬于太赫茲皮膚成像技術領域，具體涉及CMOS集成電路太赫茲源?！颈尘凹夹g】
[0002]隨著太赫茲技術的發(fā)展，太赫茲-檢測醫(yī)學(太赫茲-LabMed)當前受到極大重視， 太赫茲波成像技術具有更獨特、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(NTU)Hao Yu教授團隊攻克了核心技術難點，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，在此基礎上，Hao Yu教授團隊在65nm工藝下設計出了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鍵模塊，太赫茲檢測器仍然是太赫茲成像芯片設計的難點和瓶頸。先要研究CMOS晶體管的設計，CMOS 工藝設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)器件結構中更為明顯；第二， 在高頻時由于CMOS的襯底損耗特性，導致無源器件品質因子很低，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)結構、夾形柵(folded-gate)環(huán)形多柵連接結構、最小化柵電阻等，提出更為有效可靠的版圖優(yōu)化和更準確的寄生參數(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計思路是采用片上耦合壓控振蕩器，通過測試電路設計、流片來驗證模塊電路的有效性。
【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提出一種應用于太赫茲皮膚成像領域的高功率的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，該太赫茲源電路結構如圖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之間通過零相移網絡相連，模塊102中，Q1、Q2、Q3和Q4之間通過零相移網絡相連，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成，所選取的無源電感Q值曲線在鎖定頻段范圍內緩而平，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構，實現(xiàn)寬鎖定范圍和高轉換增益倍頻。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，柵極偏置電壓設置可調，通過調節(jié)雙推注入對管的偏置可以獲得最大的轉換增益和鎖定范圍。驅動電容負載時，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，所述零相移網絡由電感L1、L2、L3和電容C1、C2、C3構成，如圖4所示，該零相移網絡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]任何本領域普通技術人員應可了解的是，可根據本發(fā)明所揭示的觀念及特定實施例修改或設計出實現(xiàn)本發(fā)明相同目的的架構，此類同等架構并不超出本發(fā)明后附的權利要求所定義的精神和范圍?！靖綀D說明】
[0011]圖1為應用于太赫茲皮膚成像領域的CMOS集成電路太赫茲源結構示意圖。
[0012]圖2為交叉耦合振蕩器結構示意圖。[〇〇13]圖3為模塊101中14和模塊102中Q綱絡正交耦合方式示意圖。[〇〇14]圖4為零相移網絡結構示意圖。【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖對本發(fā)明應用于太赫茲皮膚成像領域的CMOS集成電路太赫茲源進行詳細說明。
[0016]本發(fā)明的電路結構如附圖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絡連接;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絡連接；14與Q4通過正交親合連接。[〇〇17] 其中11、12、13和Q1、Q2、Q3內部結構完全相同，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的拓撲結構相同，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] 零相移網絡結構如圖4所示，該網絡由電感L1、L2、L3和電容C1、C2、C3構成，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拓撲結構相同，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置可調，輸出 Voutl和Vout2通過零相移網絡和其他交叉耦合振蕩器連接每個振蕩器會產生兩個輸出，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構實現(xiàn)寬鎖定范圍和高轉換增益倍頻。雙推注入對管的正交輸入采用電容交流方式耦合，通過調節(jié)雙推注入對管的偏置可以獲得最大的轉換增益和鎖定范圍。驅動電容負載時，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，使得能夠應用于高性能太赫茲源中。
[0021]本發(fā)明的內容及優(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， 任何本領域普通技術人員皆可根據本發(fā)明所揭示的內容做出許多變形和修改，這些也應視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權項】
1.一種應用于太赫茲皮膚成像領域的CMOS集成電路太赫茲源，其特征在于，該太赫茲 源電路結構包括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之間通過零相移網絡相連，第五、第六、第七、第八4個交叉耦合振蕩 器Q1、Q2、Q3和Q4之間通過零相移網絡相連，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.根據權利要求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.根據權利要求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內部結構完全相同，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成，所 選取的無源電感Q值曲線在鎖定頻段范圍內緩而平;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的拓撲結構相同；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.根據權利要求1所述的CMOS集成電路太赫茲源，其特征在于，零相移網絡由電感L1、 L2、L3和電容C1、C2、C3構成，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】復旦大學