專利名稱：一種4～8GHz寬帶壓控振蕩器單片集成電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種在微波電子通信系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用壓控振蕩器電路，采用單 片集成技術(shù)，尤其涉及一種4 8GHz寬帶壓控振蕩器單片集成電路，屬于砷化鎵微波單 片集成電路的技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景隨著無線通信突飛猛進的發(fā)展，對信號傳輸數(shù)據(jù)量的要求越來越大，而且出現(xiàn) 多頻帶和多模式的通信方式，這就促使無線信號的發(fā)射和接收過程中所需的信號源具有 更低的噪聲和更寬的頻帶，所以低相噪超寬帶的壓控振蕩器的應(yīng)用也將越來越廣泛。壓 控振蕩器的輸出幅度由電路內(nèi)部放大器決定，而電路揩振腔決定著輸出信號的頻率。在 實際的時鐘產(chǎn)生或時鐘恢復(fù)電路中，通常將壓控蕩器電路置于一個鎖相環(huán)當(dāng)中，從外部 晶振或數(shù)據(jù)當(dāng)中產(chǎn)生相應(yīng)的時鐘信號。壓控振蕩器的性能對鎖相環(huán)起決定性的作用，而 鎖相環(huán)又是通信網(wǎng)絡(luò)中一個最基本的單元。一個高性能的壓控振蕩器通常需要具備低相 位噪聲、低功耗和大的動態(tài)頻率范圍的特點。采用電感、電容構(gòu)成諧振腔的壓控振蕩器，相位噪聲和功耗通常由諧振腔的按 時平均Q因子和調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)的非線性來決定；輸出信號的頻率可調(diào)范圍則由諧振腔中變?nèi)?二極管的容值調(diào)制率和諧振腔的寄效應(yīng)決定。隨著通信系統(tǒng)向高頻化飛速發(fā)展，無線通信對頻率的需求越來越高，同時由于 受到有源器件特征頻率和變?nèi)荻O管可調(diào)范圍的限制，設(shè)計一個較大輸出功率、低相位 噪聲、大帶寬、低成本且具有良好溫度穩(wěn)定性的壓控振蕩器也變得越來越困難。近年來，隨著集成電路制造及設(shè)計的不斷進步，壓控振蕩器也朝著單片集成的 方向發(fā)展。由于InGaP/GaAs HBT工藝具有極低Ι/f噪聲、極高的截止頻率和較高的功 率密度等優(yōu)良特點，可以將諧振腔電路、負(fù)阻補償電路和輸出放大電路集成到同一芯片 上，一直是高性能壓控振蕩器電路首選工藝。但目前用此工藝設(shè)計或制造的壓控振蕩器 頻率范圍都不大，通常絕對帶寬最大只有IGHz左右，主要原因是片上變?nèi)荻O管的可調(diào) 范圍有限，嚴(yán)重影響了諧振腔的諧振頻率范圍。

實用新型內(nèi)容本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種具有較大的輸出功率、低相位噪 聲、低功耗、低成本且具有良好溫度穩(wěn)定性的4 8GHz寬帶壓控振蕩器單片集成電路。為解決上述技術(shù)問題，本實用新型所采取的技術(shù)方案是一種4 8GHz寬帶壓 控振蕩器單片集成電路，包括集成有負(fù)阻補償電路7、諧振腔電路8的電感部分和輸出放 大電路9的壓控振蕩器主芯片，其改進在于它還包括外置變?nèi)荻O管5和設(shè)置在壓控振蕩 器主芯片上的陰極接觸焊盤1和陽極接觸焊盤2 ；采用燒結(jié)工藝將所述變?nèi)荻O管的陰極 6與所述陰極接觸焊盤1焊接，所述變?nèi)荻O管的陰極6和所述陰極接觸焊盤1表面都有 鍍金；采用鍵合工藝通過鍵合金絲3將所述變?nèi)荻O管的陽極4與所述陽極接觸焊盤2相連接。采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于本實用新型采用外置變?nèi)荻O管，采用半導(dǎo)體后道工藝，將變?nèi)荻O管和壓控振蕩器主芯片燒結(jié)在一起，并通過金絲鍵合 接入電路，在不影響芯片尺寸的前提下，能使壓控振蕩器的可調(diào)帶寬達(dá)到4GHz左右。采 用本實用新型實現(xiàn)的壓控振蕩器頻率可調(diào)范圍在4 8GHz，并且還具有低相位噪聲、較 大輸出功率、低功耗、低成本和高穩(wěn)定性等特點。為了增大振蕩器的頻率可調(diào)范圍，采用片外變?nèi)荻O管，通過燒結(jié)和鍵合等半 導(dǎo)體后道工藝將變?nèi)荻O管和壓控振蕩器主芯片合二為一，并且不影響芯片的外形尺 寸。整體電路采用單電源5V電壓供電，功耗僅為280mW，典型輸出功率5dBm，調(diào) 制電壓在0 13V范圍變化時的輸出頻率為4 8GHz，具有100%的相對帶寬，在頻偏 IOOkHz時的典型相位噪聲為_95dBc/Hz。

圖1是本實用新型的壓控振蕩器主芯片版圖；圖2是變?nèi)荻O管和壓控振蕩器主芯片裝配示意圖；圖3是本實用新型實施例的電路原理圖；圖4是ESD保護電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是變?nèi)荻O管容值隨控制電壓變化的曲線；圖6是本實用新型實施例的輸出頻率隨調(diào)諧電壓變化測試曲線；圖7是本實用新型實施例的輸出功率隨調(diào)諧電壓變化測試曲線；圖8是是本實用新型實施例的相位噪聲測試曲線；圖1-4中，1是陰極接觸焊盤；2是陽極接觸焊盤；3是鍵合金絲；4是變?nèi)荻?極管的陽極；5是變?nèi)荻O管；6是變?nèi)荻O管的陰極；7是負(fù)阻補償電路；8是諧振腔 電路；9是輸出放大電路。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型的實施作進一步詳細(xì)說明。一種4 8GHz寬帶壓控振蕩器單片集成電路，包括集成有負(fù)阻補償電路7、諧 振腔電路8的電感部分和輸出放大電路9的壓控振蕩器主芯片，其改進在于它還包括外置 變?nèi)荻O管5和設(shè)置在壓控振蕩器主芯片上的陰極接觸焊盤1和陽極接觸焊盤2 ；采用燒 結(jié)工藝將所述變?nèi)荻O管的陰極6與所述陰極接觸焊盤1焊接，所述變?nèi)荻O管的陰極6 和所述陰極接觸焊盤1表面都有鍍金；采用鍵合工藝通過鍵合金絲3將所述變?nèi)荻O管的 陽極4與所述陽極接觸焊盤2相連接。所述壓控振蕩器主芯片上還集成了 ESD保護電路。所述諧振腔電路有兩個變?nèi)荻O管PI、P2,所述變?nèi)荻O管采用基于砷化鎵工 藝的突變結(jié)二極管；所述諧振腔電路的電感采用片上微帶線。所述負(fù)阻補償電路7、諧振腔電路8的電感部分和輸出放大電路9采用砷化鎵基 InGaP/GaAs HBT半導(dǎo)體工藝集成到壓控振蕩器主芯片上。[0025]圖1是本實 用新型的壓控振蕩器主芯片版圖，在3.74mm2面積內(nèi)集成了揩振腔 電路的電感部分、負(fù)阻補償電路、輸出放大電路和ESD保護電路。版圖的整體布局為左 側(cè)為調(diào)諧電壓焊盤，右側(cè)為信號輸出焊盤，右下側(cè)為電源電壓焊盤。由于采用片外變?nèi)?二極管，故在該壓控振蕩器主芯片上留有變?nèi)荻O管的接入焊盤。圖1中Pl框內(nèi)對應(yīng)為 變?nèi)荻O管Pl的焊盤，P2框內(nèi)對應(yīng)為變?nèi)荻O管P2的焊盤，AMP代表輸出放大電路， ESD為靜電保護電路。由于壓控振蕩器的主體芯片和變?nèi)荻O管是分離制作，要組合成一個完整的振 蕩器電路，就要將兩者通過半導(dǎo)體后道工藝聯(lián)接到一起，圖2是變?nèi)荻O管和壓控振蕩 器主芯片裝配示意圖，壓控振蕩器主芯片在設(shè)計時預(yù)留了變?nèi)荻O管PI、P2裝配時所需 的焊盤，在圖1中Pl和P2的框中位置，在裝配時將變?nèi)荻O管的陰極(整個背面)采用 燒結(jié)工藝用熔焊材料和陰極接觸焊盤1焊接在一起，由于變?nèi)荻O管的陰極和主芯片的 陰極接觸焊盤1表面都有鍍金，其電性能接觸良好。變?nèi)荻O管的陽極則用鍵合工藝， 通過金線和主芯片的陽極接觸焊盤2進行相連，這樣變?nèi)荻O和振蕩器主芯片就共同組 成一個完整的壓控振蕩器芯片。該實用新型的電路原理圖參見圖3和圖4，整個電路由負(fù)阻補償電路、諧振腔電 路、輸出放大電路和ESD保護電路組成。所述負(fù)阻補償電路包括三極管Tl、電阻R1-R2、電感L3、電容C1-C3;三極管 Tl、電容Cl、C2組成一個正反饋負(fù)阻電路形式。其中電阻Rl為發(fā)射極負(fù)反饋電阻，主 要決定和穩(wěn)定三極管Tl工作電流，電感L3為發(fā)射極阻止交流信號到地的電感。Vbl通 過電阻R2提供三極管Tl正常工作時的直流偏置。Vcc為三極管Tl集電極電壓。所述諧振腔電路包括變?nèi)荻O管P1-P2、電感L1-L2、電阻R3-R5 ；所述諧振腔
電路決定著壓控振蕩器的振蕩頻率及頻率范圍，頻率的計算公式為 式中f為諧振頻率，L為諧振腔電路總電感，C為總電容。電感L1-L2和變?nèi)?二極管P1-P2及電容C3串聯(lián)后的等效電感即為諧振腔電路總電感L的大??；變?nèi)荻O管 Pl和P2采用片外芯片，諧振腔總電容C為變?nèi)荻O管P1-P2、電容C1-C3串聯(lián)后的等效 電容。電阻R3為調(diào)諧電壓Vtune端的穩(wěn)壓電阻，電阻R4、R5為變?nèi)荻O管PI、P2的 反偏電壓直流通路到地端的限流電阻。由負(fù)阻補償電路和諧振腔電路即可實現(xiàn)振蕩器功能，并且改變調(diào)諧電壓Vtune端 電壓大小即可實現(xiàn)頻率可調(diào)，但要達(dá)到穩(wěn)定的功率輸出和輸出端50歐姆匹配，就要在電 路中加入輸出放大電路。所述輸出放大電路包括三極管T2-T3、電容C4-C6、電感L4、 電阻R6-R10;電容C4、C5和電阻R6組成匹配網(wǎng)絡(luò)，完成振蕩電路和放大電路之間功率 的正常傳輸。放大器主體是由三極管T2、T3構(gòu)成的共射共基放大電路，Vb2通過電阻 R9為三極管T3提供基極偏置電壓，Vb3通過電阻R7為三極管T2提供基極偏置電壓， 使放大電路工作在較理想的線性區(qū)域內(nèi)。電阻RlO為放大器發(fā)射極負(fù)反饋電阻，起穩(wěn)定 性作用，電阻R8為放大器集電極電阻，決定放大器的整體增益。電感L4為放大器集電 極交流隔離電感，電容C6為放大器的輸出隔直和匹配電容，Vout為輸出端電壓。為增加電路的安全性和穩(wěn)定性，該實用新型還增加了 ESD保護電路，參見圖4，所述ESD保護電路包括由一串二極管組成的二極管序列D1、二極管D2-D4、達(dá)林頓 管Q1-Q2、電阻Rll;應(yīng)用一串二極管形成一個低電流通路，來產(chǎn)生一個觸發(fā)電平，將 高電流通路打開，來完成ESD保護功能。達(dá)林頓對管相對于單個晶體管而言既能允許小 尺寸二極管時較低電容，又可以減小溫度和工藝的影響。其工作原理如下在焊盤上的 正向ESD電流會使二極管序列Dl導(dǎo)通，降在二極管D3和電阻Rl上的電壓將達(dá)林頓對 管Ql、Q2打開，泄放掉ESD電流。如果在焊盤上有反方向ESD電流，二極管D2就會 導(dǎo)通，將ESD電流泄放掉。圖5是變?nèi)荻O 管容值隨控制電壓變化的曲線，由圖可知，在反偏電壓為0.1V 時的容值約為7pF，而當(dāng)反偏電壓達(dá)到20V時的容值僅有0.43pF。由圖還可以看出反 向偏置在1 15V變化范圍內(nèi)，此變?nèi)荻O管具有良好的調(diào)諧線性度。整個芯片電路在5V單電源供電情況下工作，典型電流為56mA。參見圖6，當(dāng) 調(diào)諧電壓在從OV到13V變化時，輸出頻率從4GHz變化到8GHz，相對帶寬達(dá)到100%。 從圖7中還可以看出，當(dāng)環(huán)境溫度在大范圍內(nèi)變化的情況下輸出頻率基本保持穩(wěn)定，證 明該實用新型具有良好的溫度穩(wěn)定特性。參見圖7，在溫度變化時輸出功率發(fā)生變化，這 是HBT工藝放大器固有特性，但變化范圍不大，典型輸出功率在5dBm。參見圖8，頻 偏在IOOkHz時的相位噪聲約為-95dBc/Hz。從測試結(jié)果可以看出，該實用新型具有很寬 的輸出頻率帶寬、穩(wěn)定的輸出功率和非常理想的相位噪聲，并且單電源供電方便應(yīng)用， 還具有低功耗和低成本特點。
權(quán)利要求1.一種4 8GHz寬帶壓控振蕩器單片集成電路，包括集成有負(fù)阻補償電路(7)、諧 振腔電路(8)的電感部分和輸出放大電路(9)的壓控振蕩器主芯片，其特征在于它還包括 外置變?nèi)荻O管(5)和設(shè)置在壓控振蕩器主芯片上的陰極接觸焊盤(1)和陽極接觸焊盤(2)；采用燒結(jié)工藝將所述變?nèi)荻O管的陰極(6)與所述陰極接觸焊盤(1)焊接，所述變 容二極管的陰極(6)和所述陰極接觸焊盤(1)表面都有鍍金；采用鍵合工藝通過鍵合金絲(3)將所述變?nèi)荻O管的陽極(4)與所述陽極接觸焊盤(2)相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種4 8GHz寬帶壓控振蕩器單片集成電路，其特征在 于所述壓控振蕩器主芯片上還集成了 ESD保護電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種4 8GHz寬帶壓控振蕩器單片集成電路，其特征在 于所述諧振腔電路有兩個變?nèi)荻O管(PI、P2),所述變?nèi)荻O管采用基于砷化鎵工藝 的突變結(jié)二極管；所述諧振腔電路的電感采用片上微帶線。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種4 8GHz寬帶壓控振蕩器單片集成電路，其特征在 于所述負(fù)阻補償電路(7)、諧振腔電路⑶的電感部分和輸出放大電路(9)采用砷化鎵 基InGaP/GaAs HBT半導(dǎo)體工藝集成到壓控振蕩器主芯片上。
專利摘要本實用新型公開了一種4～8GHz寬帶壓控振蕩器單片集成電路，包括集成有負(fù)阻補償電路、諧振腔電路的電感部分和輸出放大電路的壓控振蕩器主芯片，其改進在于它還包括外置變?nèi)荻O管和設(shè)置在壓控振蕩器主芯片上的陰極接觸焊盤和陽極接觸焊盤；采用燒結(jié)工藝將所述變?nèi)荻O管的陰極與所述陰極接觸焊盤焊接，所述變?nèi)荻O管的陰極和所述陰極接觸焊盤表面都有鍍金；采用鍵合工藝通過鍵合金絲將所述變?nèi)荻O管的陽極與所述陽極接觸焊盤相連接。本實用新型的有益效果是具有較大的輸出功率、低相位噪聲、低功耗、低成本且具有良好溫度穩(wěn)定性的4～8GHz寬帶壓控振蕩器單片集成電路。
文檔編號H03L7/099GK201797508SQ20102027915
公開日2011年4月13日 申請日期2010年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月3日
發(fā)明者吳永輝 申請人:石家莊開發(fā)區(qū)華北集成電路設(shè)計有限公司