CN106033956A - 具有毫瓦级输出的自旋微波振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及自旋微波振荡器。一种自旋微波振荡器包括：磁性多层膜结构，其配置为在直流偏置下生成振荡信号；以及三级放大器，其配置为接收并且放大所述振荡信号，其中，所述三级放大器的每个级包括：NPN型晶体管，其基极用于接收输入信号，其集电极用于提供经放大的输出信号；负载电阻器，其连接到所述晶体管的集电极；以及偏置电阻器，其连接在所述晶体管的集电极与基极之间。本发明的自旋微波振荡器能提供毫瓦级别的功率输出，因此能实际应用于各种电子设备中。
Description
技术领域
本发明总体上涉及振荡器，更特别地，涉及一种具有毫瓦级输出的自旋微波振荡器。
背景技术
目前常用的微波振荡器包括LC振荡器和晶体振荡器等。LC振荡器的输出频率较低，一般低于吉赫兹(GHz)，而且调频范围较窄。此外，LC振荡器所包括的电感器和电容器等无源元件的进一步小型化存在困难，因此难以适用于下一代电子设备。晶体振荡器的输出频率一般在200MHz以下，个别能达到GHz的水平，因此通常也还需要进一步的频率处理电路。而且，晶体振荡器的输出频率范围较窄，存在调频困难。最重要的是，晶体振荡器的尺寸一般在毫米量级以上，给半导体集成造成很大的困难，而且功耗也较大。
2003年，Kiselev等人发现当自旋极化的DC电流通过纳米尺寸的巨磁电阻(GMR)多层膜时，会产生自旋转移力矩(spin transfer torque，STT)，在合适的条件下会使自由层磁化发生磁阻振荡，输出高频信号(参见KiselevS I,Sankey J C,Kirvorotov I N,et al.Microwave oscillations of a nanomagnetdriven by a spin-polarized current.Nature,2003,425:380)。这种自旋纳米振荡器(spin transfer nano-oscillator，STNO)(也称为自旋微波振荡器)具有很多优点，例如结构简单，尺寸小(是现有的晶体振荡器的尺寸的五十分之一)、频率调制范围宽(0.1-100GHz)、易集成、工作电压低(<0.5V)等。自旋微波振荡器的出现良好地解决了传统的LC振荡器和晶体振荡器的诸多问题，被认为是下一代振荡器的候选者，因此得到了广泛的研究。
然而，自旋微波振荡器有其本身的缺陷，即输出功率较低，一般在纳瓦(nW)量级，而实用级别的输出功率要求在毫瓦(mW)量级。2013年，曾中明等人采用新型的磁性隧道结结构实现了最高63nW的功率输出(参见Zeng Z M,Finocchio G,Zhang B,et al.Ultralow-current-density andbias-field-free spin-transfer nano-oscillator.Sci Rep,2013,3:1426)，这仍与实用级别的功率输出相去甚远。
发明内容
本发明的一个方面在于提供一种自旋微波振荡器，其能够提供毫瓦级别的功率输出，因此能够投入实际应用中。
根据本发明一实施例，一种自旋微波振荡器可包括：磁性多层膜结构，其配置为在直流偏置下生成振荡信号；以及三级放大器，其配置为接收并且放大所述振荡信号，其中，所述三级放大器的每个级包括：NPN型晶体管，其基极用于接收输入信号，其集电极用于提供经放大的输出信号；负载电阻器，其连接到所述晶体管的集电极；以及偏置电阻器，其连接在所述晶体管的集电极与基极之间。
在一示例中，所述自旋微波振荡器还包括第一电容器，其连接在所述磁性多层膜结构与所述三级放大器之间以滤除直流信号而使所述振荡信号通过。
在一示例中，所述三级放大器的每个级还包括第二电容器，其连接到所述晶体管的集电极以滤除直流信号而使经放大了的振荡信号通过。
在一示例中，所述三级放大器的每个级还包括第一电感器，其连接在所述负载电阻器的与所述晶体管相反的一端。
在一示例中，所述三级放大器的每个级还包括第二电感器，其连接到所述晶体管的发射极。
在一示例中，所述偏置电阻器配置为将所述晶体管的静态工作点偏置在放大区，并且同时还配置为提供负反馈。
在一示例中，所述磁性多层膜结构包括：磁性参考层，其具有固定磁化方向；磁性自由层，其设置在所述磁性参考层上方且其磁化方向在所述直流偏置下发生进动；以及非磁间隔层，其设置在所述磁性参考层和所述磁性自由层之间。
在一示例中，所述非磁间隔层是非磁导电金属层或非磁绝缘氧化物层。
在一示例中，所述磁性参考层和所述磁性自由层中的每个均具有面内磁化或垂直磁化。
在一示例中，所述磁性多层膜结构和所述三级放大器二者被集成在同一半导体衬底上。
附图说明
图1示出根据本发明一实施例的自旋微波振荡器的电路框图。
图2示出根据本发明一实施例的磁性多层膜结构产生的振荡信号的频域特性。
图3示出根据本发明一实施例的三级放大器的电路图。
图4A和4B示出根据本发明一实施例的三级放大器的S参量仿真的结果。
图5A和5B示出根据本发明一实施例的三级放大器的瞬态仿真的结果。
具体实施方式
一种方法是使用放大器来放大自旋微波振荡器的输出信号以提高其输出功率。然而，由于自旋微波振荡器输出信号本身的特性，诸如高频率、宽频带可调、功率低等，传统的放大器难以适应其需求，即，难以在GHz以上的高频区域并且在大的动态范围内提供高的放大增益。例如，Patrick等人提出了一种三级差分放大电路，其在1GHz频率时的最大增益为22.3dB，在4GHz时的增益下降到大约20dB(参见Patrick Villard,et al.A GHzSpintronic-Bsed RF Oscillator,IEEE Journal of Solid-State Circuits,Vol.45,No.1,January 2010)。
本发明人在研究了自旋微波振荡器的输出特性之后，提出一种新颖的、尤其适合自旋微波振荡器的放大器结构。下面将参照附图描述本发明的示范性实施例。
图1示出根据本发明一实施例的自旋微波振荡器100的电路框图。如图1所示，自旋微波振荡器100包括磁性多层膜结构110，直流偏置结构120以及放大器结构130。
磁性多层膜结构110可以是用于产生振荡信号的任意磁性多层膜结构，例如但不限于巨磁电阻(GMR)多层膜结构、隧道磁电阻(TMR)多层膜结构等。优选地，磁性多层膜结构110可以是TMR多层膜结构，因为其可以提供较高的磁电阻，进而产生较大的功率输出，例如在纳瓦至微瓦量级。作为常用配置，磁性多层膜结构110可以包括磁性参考层112、非磁间隔层114和磁性自由层116。磁性参考层112的磁化被钉扎，例如可以被反铁磁层(未示出)或硬磁偏置结构钉扎，或者被自钉扎，从而一般不会随外磁场而变化，因此也称为固定层。应理解，磁性参考层112可以是单层结构，也可以是诸如人工合成反铁磁(ASF)结构之类的多层结构。磁性自由层116一般由软磁材料形成，其磁化方向可随外磁场而变化。磁性参考层112和磁性自由层116每个均可以具有面内磁化或者垂直磁化。作为示例，图1示出了磁性参考层112的磁化方向在平面内，而自由层116的磁化方向垂直于平面。本领域技术人员将理解，也可以使用磁化方向的其他配置。非磁间隔层114位于磁性参考层112和非磁自由层116之间。对于GMR多层膜结构，非磁间隔层114可以是非磁导电材料例如Cu、Ru等。对于TMR多层膜结构，非磁间隔层114可以是非磁绝缘体，诸如Al2O3、MgO等。
直流偏置结构120可包括直流电源122，其将直流电流IDC施加到磁性多层膜结构110。直流偏置结构120还可以包括电感器124，其可以连接在直流电源122和磁性多层膜结构110之间，以起到阻抗匹配的作用。为了实现自由层116的磁化方向的等幅进动，磁性多层膜结构110的尺寸应足够小，一般平面尺寸在100nm以下，并且通过磁性多层膜结构110的电流的密度应足够大，一般在107A/cm2以上。可以理解的是，可以根据磁性多层膜结构110的尺寸来选择电流IDC的大小。
由于自由层116的磁化方向的进动，导致磁性多层膜结构110的电阻值相应地振荡，从而产生振荡信号。如前所述，磁性多层膜结构110产生的振荡信号的频率可以很高，例如达到数十甚至上百GHz，但是其输出功率较低。图2示出根据本发明一实施例的磁性多层膜结构110产生的振荡信号的频域特性。如图2所示，该振荡信号的中心频率为大约1.1GHz，但是其半高宽较大，也就是说，其信噪比可能不如传统的晶体振荡器那么好，这也给放大器的设计带来了挑战。
磁性多层膜结构110产生的振荡信号可以被馈送到放大器130以进行放大。电容器132可连接在磁性多层膜结构110和放大器130之间以滤除直流信号，而仅交变信号(即，振荡信号)被馈送到放大器130。
图3示出根据本发明一实施例的三级放大器130的电路图。如图3所示，三级放大器130的第一级134、第二级136和第三级138结构相同，因此此处仅详细描述第一级放大器134的结构。
参照图3，第一级放大器134包括NPN晶体管Q1。晶体管Q1的集电极经负载电阻器R2连接到电压源Vcc，晶体管Q1的集电极还经偏置电阻器R1连接到晶体管Q1的基极。晶体管Q1的发射极可以例如接地。
电压信号Vcc经负载电阻R2被提供给晶体管Q1的集电极，并且又经偏置电阻R1被提供给晶体管Q1的基极。通过该配置，可以将晶体管Q1的静态工作点偏置在放大区域。经电容器132滤波之后的振荡信号被提供给工作在放大区域的晶体管Q1的基极，经反相放大之后，在晶体管Q1的集电极处得到反相的、放大了的振荡信号，其经输出电容器C1滤波之后被提供给下一级放大器以继续进行放大。
应注意的是，本发明的偏置电阻器R1不是连接在电压信号Vcc与晶体管Q1的基极之间，而是连接在晶体管Q1的集电极和基极之间。因此，偏置电阻器R1不仅用于偏置晶体管Q1的静态工作点，而且还起到反馈的作用。如图所示，偏置电阻器R1将晶体管Q1产生的反相放大信号反馈到晶体管Q1的基极。这种负反馈有助于提高放大器的动态范围，减少增益损失。传统的放大器动态范围较窄，在高频端增益损失很大。因此，本发明的放大器仅用简单的结构，就实现了良好的放大效果和宽的动态范围，尤其适合于自旋微波振荡器的振荡信号。
可选地，第一级放大器134还可以包括设置在负载电阻器R2与电压Vcc之间的电感L1和连接到晶体管Q1的发射极的第二电感L4。电感L1和L4可以起到阻抗匹配的作用，以确保放大器工作在良好的状态下。
第二级放大器136和第三级放大器138具有与第一级放大器134相同的结构，并且用类似的附图标记表示，因此这里不再对其进行详细描述。第一级放大器134的输出被提供给第二级放大器136的输入，第二级放大器136的输出被提供给第三级放大器138的输入。经三级放大之后，在第三级放大器138的输出端提供振荡信号输出。
本发明人通过实验后发现，本发明的放大器130的三级结构是最佳结构。如果级数更低，例如为一级或二级，则放大倍数可能不能达到自旋微波振荡器的要求，不能实现毫瓦量级的功率输出。另一方面，如果级数更高，则不能抑制噪声信号的放大，信噪比将会劣化，因此不能实现宽带放大。本发明的三级放大器具有许多优异的性能，下面将参照附图来进一步说明。
图4A和图4B示出三级放大器130的S参量仿真结果，其中图4A示出0.9GHz至1.3GHz的频率范围，图4B示出1GHz至4GHz的频率范围。S参量包括正向增益S21、反向增益S12和回波损耗S22。如图4A所示，在0.9GHz至1.3GHz的频率范围，放大器130的正向增益S21为53.28dB到51.40dB，其远高于Patrick的放大器的22.3dB的最大值，这表明本发明的放大器130具有良好的功率放大效果。放大器130的回波损耗S22保持为大约-10dB，反向增益一直保持为较大值，为-78.26dB到-69.89dB，这表明放大器130具有良好的噪声抑制效果。继续参照图4B，在1GHz至4GHz的常用频率范围，放大器130的正向增益S21为52.92dB到31.26dB，其远高于Patrick的放大器的22.3dB到约20dB的范围，因此本发明的放大器130具有良好的动态范围。放大器130的输出端口回波损耗S22虽然在1.5-3.0GHz的范围超出了-10dB，但是在3.0GHz后又变小，朝零靠拢。放大器130的输入端口回波损耗S11在1.7GHz附近达到最大值约-31dB，然后随着频率增大而逐渐变小，在4.0GHz达到约-1dB。因此，本发明的放大器130具有良好的噪声抑制效果。
图5A和5B示出放大器130的瞬态仿真结果，信号取稳定后的波形，即50ns至60ns之间。如图5A所示，输入信号Vin的幅值设为0.1mV，频率为1GHz，则输出信号Vout的幅值为40mV。从瞬态仿真结果可以看出，放大器130的电压放大倍数可达到400倍。
如上所述，本发明的三级放大电路具有简单的结构，且主要由晶体管构成，因此尤其适合于集成到传统的CMOS工艺中。由于磁性多层膜结构也兼容传统的半导体工艺，所以本发明的自旋微波振荡器所包括的磁性多层膜结构和三级放大器可以通过半导体工艺一体集成在单个半导体衬底上，这有利于设计和制造，并且便于器件的进一步小型化。此外，本发明的三级放大器电路尤其适合于自旋微波振荡器的频率特性，实现了大的增益和宽的动态范围，能提供毫瓦级别的功率输出，因此使得自旋微波振荡器的实际应用成为可能。因此，本发明的自旋微波振荡器尤其适合作为下一代振荡器应用于未来的电子设备中。
虽然上面参照示范性实施例描述了本发明，但是本发明不限于此。本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的范围和思想的情况下，可以进行形式和细节上的各种变化和修改。本发明的范围仅由所附权利要求及其等价物定义。
Claims (10)
1.一种自旋微波振荡器，包括：
磁性多层膜结构，其配置为在直流偏置下生成振荡信号；以及
三级放大器，其配置为接收并且放大所述振荡信号，
其中，所述三级放大器的每个级包括：
NPN型晶体管，其基极用于接收输入信号，其集电极用于提供经放大的输出信号；
负载电阻器，其连接到所述晶体管的集电极；以及
偏置电阻器，其连接在所述晶体管的集电极与基极之间。
2.如权利要求1所述的自旋微波振荡器，还包括第一电容器，其连接在所述磁性多层膜结构与所述三级放大器之间以滤除直流信号而使所述振荡信号通过。
3.如权利要求1所述的自旋微波振荡器，其中，所述三级放大器的每个级还包括第二电容器，其连接到所述晶体管的集电极以滤除直流信号而使经放大了的振荡信号通过。
4.如权利要求1所述的自旋微波振荡器，其中，所述三级放大器的每个级还包括第一电感器，其连接在所述负载电阻器的与所述晶体管相反的一端。
5.如权利要求1所述的自旋微波振荡器，其中，所述三级放大器的每个级还包括第二电感器，其连接到所述晶体管的发射极。
6.如权利要求1所述的自旋微波振荡器，其中，所述偏置电阻器配置为将所述晶体管的静态工作点偏置在放大区，并且同时还配置为提供负反馈。
7.如权利要求1所述的自旋微波振荡器，其中，所述磁性多层膜结构包括：
磁性参考层，其具有固定磁化方向；
磁性自由层，其设置在所述磁性参考层上方且其磁化方向在所述直流偏置下发生进动；以及
非磁间隔层，其设置在所述磁性参考层和所述磁性自由层之间。
8.如权利要求7所述的自旋微波振荡器，其中，所述非磁间隔层是非磁导电金属层或非磁绝缘氧化物层。
9.如权利要求7所述的自旋微波振荡器，其中，所述磁性参考层和所述磁性自由层中的每个均具有垂直磁化或面内磁化。
10.如权利要求1所述的自旋微波振荡器，其中，所述磁性多层膜结构和所述三级放大器二者被集成在同一半导体衬底上。
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