一種低功耗注入鎖定三倍頻器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明屬于射頻頻率綜合器集成電路【技術(shù)領(lǐng)域】，具體為一種低功耗注入鎖定三倍頻器電路。該電路包括諧波產(chǎn)生器和注入鎖定振蕩器。諧波產(chǎn)生器由一對(duì)NMOS管構(gòu)成，偏置在弱反型區(qū)，輸入基頻信號(hào)f0產(chǎn)生最大效率的三次諧波信號(hào)3f0；注入鎖定振蕩器由一對(duì)交叉耦合晶體管、電感、可變電容、數(shù)字控制電容陣列和可調(diào)電流源組成，其工作頻率在3f0附近。在自由振蕩模式下，一對(duì)NMOS管柵極無(wú)輸入信號(hào)，注入鎖定振蕩器偏置電流由可調(diào)電流源提供，輸出自激振蕩頻率；在注入鎖定模式下，一對(duì)NMOS管柵極有頻率在f0附近的基頻信號(hào)，使得注入鎖定三倍頻電路鎖定在頻率3f0，此時(shí)直流功耗非常低。該電路電源電壓為0.8V，直流功耗僅為0.16mW。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種低功耗注入鎖定三倍頻器
【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)用于射頻頻率綜合器的低功耗注入鎖定三倍步頁(yè)器(Injection locked frequency tripler)。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)今社會(huì)，信息化發(fā)展日新月異。隨著無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于高速通信的需求越來(lái)越大。然而，不同于低頻情況，設(shè)計(jì)高頻接收機(jī)面臨著諸多挑戰(zhàn)，其中之一是頻率綜合器及其重要組成部分壓控振蕩器(VCO)的設(shè)計(jì)。通常毫米波壓控振蕩器應(yīng)該達(dá)到或接近低頻壓控振蕩器的類(lèi)似性能，包括較低的相位噪聲，低功耗，適當(dāng)?shù)妮敵龉β?，適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)范圍和一個(gè)相對(duì)低的VCO增益(對(duì)調(diào)諧電容敏感)，才能使得其應(yīng)用于鎖相環(huán)時(shí)對(duì)環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)限制不大。然而，隨著頻率的升高諧振腔變得對(duì)電容更加敏感，寄生電容將極易縮小壓控振蕩器的調(diào)節(jié)范圍和降低諧振腔Q值；此外，為了獲得更高的差分跨導(dǎo)必須將電流變大；為了獲得要求的相位噪聲特性，必須增大差分對(duì)的尺寸；另一方面，電流和差分對(duì)尺寸的變大會(huì)使得靜態(tài)功耗和寄生電容增大，使毫米波壓控振蕩器的這些性能都難于實(shí)現(xiàn)。同時(shí)工作在高頻的壓控振蕩器會(huì)消耗很大的功耗，而緊跟壓控振蕩器的第一級(jí)分頻器-預(yù)分頻器由于工作在高頻也會(huì)消耗很大功耗，使得系統(tǒng)功耗大大增加。為了解決這些問(wèn)題，人們普遍使用一種低頻鎖相環(huán)加一個(gè)倍頻器的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)，一方面，壓控振蕩器能工作在更低的頻率下，使得其相噪，調(diào)諧范圍和功耗等性能得到大大的提升；另一方面，工作在更低頻率下的預(yù)分頻器也能降低功耗。由此，使得整個(gè)系統(tǒng)的性能得到極大的改善。在高頻的情況下傳統(tǒng)倍頻器的大功耗及電路的復(fù)雜性嚴(yán)重地限制了其在頻率綜合器中的廣泛應(yīng)用。因此在高頻情況下消耗較低功耗的注入鎖定倍頻器成為了研究熱點(diǎn)。相較于二倍頻器，三倍頻器能使其頻率源頻率更低，具有更好的相噪性能，而由于器件四次諧波很小導(dǎo)致四倍頻器鎖定范圍有限、應(yīng)用有限，所以三倍頻器得到了更多的關(guān)注和研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種消耗低功耗的注入鎖定三倍頻器電路。
[0004]本發(fā)明提供的三倍頻器，是一種基于注入鎖定技術(shù)的三倍頻電路，它由諧波產(chǎn)生器和注入鎖定振蕩器組成；其中，所述諧波產(chǎn)生器包括一對(duì)匪OS管Ml和M2，其原理是由MOS器件的非線(xiàn)性產(chǎn)生輸入信號(hào)&的三次諧波;所述注入鎖定振蕩器，包括一對(duì)交叉耦合晶體管M3和M4、電感L1、可變電容Cl、數(shù)字控制電容陣列(DCCA)和可調(diào)電流源(Ibias),其工作頻率在附近。其中，一對(duì)交叉耦合晶體管M3和M4組成負(fù)阻產(chǎn)生器，電感LI和2個(gè)可變電容Cl組成一個(gè)片上電感電容(LC)諧振腔；負(fù)阻產(chǎn)生器、電容陣列(DCCA)、諧振腔并聯(lián)；諧波產(chǎn)生器偏置在注入鎖定振蕩器的弱反型區(qū)，即諧波產(chǎn)生器的一對(duì)NMOS管Ml和M2的漏端連接到交叉耦合晶體管M3和M4的源端，將一對(duì)NMOS管Ml和M2產(chǎn)生的三次諧波信號(hào)通過(guò)一對(duì)晶體管M3和M4注入到諧振腔中。其電路原理圖如圖3所示，其中，右側(cè)子圖為數(shù)字控制電容陣列(DCCA)結(jié)構(gòu)圖示。[0005]本發(fā)明的三倍頻電路，在自由振蕩模式下，NMOS管Ml和M2柵極無(wú)輸入信號(hào)，注入鎖定振蕩器偏置電流由可調(diào)電流源(Ibias)提供，輸出自激振蕩頻率。在注入鎖定模式下，將可調(diào)電流源(Ibias)關(guān)閉，若此時(shí)NMOS管Ml和M2的柵極無(wú)信號(hào)輸入，NMOS管Ml和M2均被偏置在弱反型區(qū)的特性使得其通過(guò)的直流電流非常小，整個(gè)電路無(wú)信號(hào)輸出，處在“待機(jī)”狀態(tài)，此時(shí)電路直流功耗幾乎可以忽略；當(dāng)有頻率在&附近的基頻信號(hào)輸入時(shí)，注入的諧波電流使得諧振腔“開(kāi)啟”，輸出頻率為的信號(hào)，電路鎖定輸入信號(hào)成功倍頻，此時(shí)由于注入信號(hào)的影響，使得總的功耗增加，然而直流功耗僅為0.16mW，保持在很低的水平；該電路電源電壓為0.8V。
[0006]由上可見(jiàn)，本發(fā)明的注入鎖定三倍頻器電路，包括:
(1)一個(gè)片上電感電容(LC)諧振腔；
(2)用來(lái)對(duì)振蕩頻率進(jìn)行調(diào)諧的片上可變電容；
(3)用來(lái)增大輸出頻率范圍的數(shù)字控制電容陣列(DCCA)；
(4)用2個(gè)NMOS管交叉耦合連接成的負(fù)阻產(chǎn)生器；
(5)偏置在弱反型區(qū)的諧波產(chǎn)生器。
[0007]本發(fā)明的注入鎖定三倍頻電路可以通過(guò)調(diào)節(jié)可變電容和數(shù)字控制電容陣列的值來(lái)增大輸出鎖定頻率的范圍。
[0008]本發(fā)明的突出改進(jìn)主要在于將傳統(tǒng)注入鎖定倍頻器中由諧波產(chǎn)生器晶體管提供自激振蕩直流偏置電流和輸入信號(hào)通過(guò)其注入諧振腔的兩種功能分開(kāi)，由單獨(dú)的可調(diào)直流電流源(Ibias)來(lái)提供自激振蕩所需偏置電流，此時(shí)諧波產(chǎn)生器晶體管可以偏置在弱反型區(qū)以獲得最大的三次諧波分量，增大輸出頻率鎖定范圍。同時(shí)，在注入鎖定模式下，將可調(diào)直流電流源(Ibias)關(guān)閉，由諧波產(chǎn)生器晶體管的低直流電流和輸入信號(hào)的注入電流所疊加產(chǎn)生的總電流使得諧振腔正常起振，輸出信號(hào)鎖定在輸入信號(hào)的三倍處，此時(shí)電路的直流功耗僅為偏置在弱反型區(qū)的諧波產(chǎn)生器晶體管的直流電流，直流功耗非常低。綜上所述，基于以上技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一種低功耗的注入鎖定三倍器電路。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的注入鎖定三倍頻電路原理圖。
[0010]圖2輸出三次諧波電流隨注入管導(dǎo)通角變化曲線(xiàn)圖。
[0011]圖3本發(fā)明提出的注入鎖定三倍頻電路原理圖。
[0012]圖4測(cè)試得到的輸出頻譜和相位噪聲曲線(xiàn)圖，其中，(a)自激振蕩輸出頻率19.86GHz頻譜圖，(b)鎖定頻率19.86GHz頻譜圖，(c)自激振蕩頻率為19.86GHz、鎖定后輸出19.86GHz和注入6.62GHz信號(hào)的相位噪聲對(duì)比圖。
[0013]圖5本發(fā)明注入鎖定三倍頻器電路的輸入靈敏度曲線(xiàn)。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖進(jìn)行說(shuō)明:
如圖1所示，傳統(tǒng)的注入鎖定三倍器電路由LI和Cl組成諧振腔，交叉耦合管M3和M4提供負(fù)阻維持震蕩。信號(hào)通過(guò)片外巴倫單轉(zhuǎn)雙后輸入到注入管Ml和M2的柵極，晶體管Ml和M2產(chǎn)生的三次諧波通過(guò)M3和M4的源極注入到諧振腔中。同時(shí)，晶體管Ml和M2還為電路提供直流偏置，使得整個(gè)電路能正常起振。圖2為晶體管Ml和M2產(chǎn)生三次諧波電流的效率與導(dǎo)通角的關(guān)系，顯然，為了獲得更大的三次諧波電流使得鎖定范圍更大，晶體管Ml和M2應(yīng)該被偏置在弱反型區(qū)(導(dǎo)通角50-100度)。然而，在傳統(tǒng)的注入鎖定三倍頻器電路(圖1)中，Ml和M2不得不為諧振腔提供偏置電流使其正常起振，所以其柵電壓偏置不得不大于晶體管閾值電壓Vth，換句話(huà)說(shuō)其不得不偏置在導(dǎo)通角為250-300度的范圍，而不是50-100度。
[0015]如圖3所示，本發(fā)明的低電壓低功耗注入鎖定三倍頻器電路，由諧波產(chǎn)生器和注入鎖定振蕩器組成。其中諧波產(chǎn)生器包括一對(duì)NMOS管Ml和M2，其原理是MOS器件的非線(xiàn)性產(chǎn)生輸入信號(hào)fo的三次諧波;注入鎖定振蕩器，包括交叉耦合晶體管M3和M4，電感LI，可變電容Cl，數(shù)字控制電容陣列(DCCA)和可調(diào)電流源(Ibias)。輸諧波產(chǎn)生器Ml和M2的漏端連接到交叉耦合晶體管M3和M4的源端，將Ml和M2產(chǎn)生的三次諧波信號(hào)通過(guò)M3和M4注入到諧振腔中。在自由振蕩模式下，晶體管Ml和M2柵極無(wú)輸入信號(hào)，注入鎖定振蕩器偏置電流由可調(diào)電流源提供，輸出自激振蕩頻率。在注入鎖定模式下，將可調(diào)電流源(Ibias)關(guān)閉，若此時(shí)晶體管Ml和M2的柵極無(wú)信號(hào)輸入，Ml和M2均被偏置在弱反型區(qū)的特性使得其通過(guò)的直流電流非常小，整個(gè)電路無(wú)信號(hào)輸出，處在“待機(jī)”狀態(tài)，此時(shí)電路直流功耗幾乎可以忽略；當(dāng)有頻率在fo附近的基頻信號(hào)輸入時(shí)，注入的諧波電流使得諧振腔“開(kāi)啟”，輸出頻率為的信號(hào)，電路鎖定輸入信號(hào)成功倍頻，此時(shí)由于注入信號(hào)的影響，使得總的功耗增加，然而直流功耗仍未改變，保持在很低的水平。本發(fā)明的注入鎖定三倍頻器電路，由單獨(dú)的可調(diào)直流電流源(Ibias)提供注入鎖定振蕩器所需直流偏置電流，由Ml和M2晶體管產(chǎn)生輸入信號(hào)的三次諧波電流并將其注入諧振腔中，使得Ml和M2能被偏置在弱反型區(qū)，并且在注入鎖定模式下，將可調(diào)電流源(Ibias)關(guān)閉，減小直流功耗。
[0016]圖4 (a)為本發(fā)明電路自激振蕩輸出頻率為19.86GHz的頻譜圖，(b)為輸入6.62GHz信號(hào)輸出頻率鎖定在19.86GHz的頻譜圖，(c)為自激振蕩頻率為19.86GHz、鎖定后輸出19.86GHz和注入6.62GHz信號(hào)的相位噪聲對(duì)比圖，可以發(fā)現(xiàn)在IMHz頻偏處，當(dāng)輸出信號(hào)鎖定后其相位噪聲比自激振蕩輸出頻率優(yōu)化30dB左右，鎖定輸出相位噪聲比輸入信號(hào)高IOdB左右(與理論值9.8dB接近)。
[0017]圖5為本發(fā)明注入鎖定三倍頻器電路的輸入靈敏度曲線(xiàn)。由于本發(fā)明電路中引入了數(shù)字控制電容陣列(DCCA)和可變電容(Cl)，其輸出頻率已覆蓋了 18.6GHz^20.6GHz，當(dāng)外加輸入信號(hào)在_4dBm上時(shí)輸出信號(hào)即可鎖定。隨著輸入信號(hào)功率的增大，輸出鎖定頻率也增大。當(dāng)輸入信號(hào)為5dBm時(shí)，輸出信號(hào)鎖定為17.9GHz^2IGHz0
【權(quán)利要求】
1.一種低功耗注入鎖定三倍頻器電路，其特征在于由諧波產(chǎn)生器和注入鎖定振蕩器組成；其中，所述諧波產(chǎn)生器包括一對(duì)NMOS管(Ml和M2)，由MOS器件的非線(xiàn)性產(chǎn)生輸入信號(hào)f0的三次諧波;所述注入鎖定振蕩器包括一對(duì)交叉耦合晶體管(M3和M4)、電感(Ll)、2個(gè)可變電容(Cl)、數(shù)字控制電容陣列(DCCA)和可調(diào)電流源(Ibias)； 一對(duì)交叉耦合晶體管(M3和M4)組成負(fù)阻產(chǎn)生器，電感(LI)和2個(gè)可變電容(Cl)組成一個(gè)片上電感電容諧振腔；負(fù)阻產(chǎn)生器、數(shù)字控制電容陣列(DCCA)、諧振腔并聯(lián)；諧波產(chǎn)生器偏置在注入鎖定振蕩器的弱反型區(qū)，即諧波產(chǎn)生器的一對(duì)NMOS管(Ml和M2)的漏端連接到一對(duì)交叉耦合的晶體管(M3和M4)的源端，將一對(duì)NMOS管(Ml和M2)產(chǎn)生的三次諧波信號(hào)通過(guò)一對(duì)交叉耦合的晶體管(M3和M4)注入到諧振腔中。
【文檔編號(hào)】H03B19/00GK103475310SQ201310428255
【公開(kāi)日】2013年12月25日 申請(qǐng)日期:2013年9月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月21日
【發(fā)明者】李巍, 周自波 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)