本發(fā)明屬于集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域,涉及一種分頻器。
背景技術(shù):
隨著科技的迅猛發(fā)展和人們對高性能便攜式電子產(chǎn)品的需求日益增長,無線通信技術(shù)幾乎存在于所有的電子產(chǎn)品中,這些技術(shù)包括移動通信、衛(wèi)星通信、無線局域網(wǎng)、射頻識別、超寬帶技術(shù)等。在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中,射頻無線收發(fā)前端起著舉足輕重的作用。隨著對信息獲取、傳輸以及處理的要求不斷提高,極其關(guān)鍵的挑戰(zhàn)就是穩(wěn)定的本振的獲取,而基于精確的相位調(diào)制的鎖相環(huán)頻率合成器則成為了很好的選擇。
鎖相環(huán)頻率合成器中最為重要的兩個(gè)模塊就是壓控振蕩器和分頻器,而隨著頻率合成器工作頻率的不斷提高,對分頻器的要求就更加嚴(yán)格。在頻率合成器中,分頻器作為直接連接在壓控振蕩器后的電路,往往是系統(tǒng)中工作在最高頻率的基本單元之一,決定了電路所能達(dá)到的最高速度,其性能好壞直接影響到通信系統(tǒng)的整體性能。尤其是預(yù)分頻器,將高頻振蕩器信號分頻降低到數(shù)字邏輯可以處理的范圍,將射頻模塊和可編程數(shù)字邏輯很好的連接。
目前,主流的高速分頻電路主要有以下三種結(jié)構(gòu):觸發(fā)器結(jié)構(gòu)分頻器和電流模邏輯分頻器、再生環(huán)路分頻器、以及注入鎖定分頻器。由于靜態(tài)觸發(fā)器結(jié)構(gòu)的分頻器具有集成度高,全頻帶工作的優(yōu)勢,大多數(shù)低速電路中都采用觸發(fā)器結(jié)構(gòu)分頻器或者電流模邏輯分頻器來完成分頻功能。但這種分頻器的功耗通常較大,而且會隨著系統(tǒng)工作頻率的提高而顯著增加,因此靜態(tài)分頻器在高頻系統(tǒng)中的應(yīng)用非常有限。而再生環(huán)路分頻器的極限工作頻率很高,然而其實(shí)現(xiàn)需要較復(fù)雜的電路模塊,且功耗較大,不適用于低功耗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
注入鎖定分頻器工作頻率高而且功耗低,同時(shí)由于自身的抑制作用其相位噪聲特性較好,能提供高質(zhì)量的輸出信號。注入鎖定分頻器的最大缺陷是其鎖定范圍比較窄,只能只能完成窄帶工作,但考慮到現(xiàn)階段大多數(shù)無線應(yīng)用均為窄帶系統(tǒng),故注入鎖定分頻器依然能夠在特定頻段內(nèi)有效完成分頻工作。另外,由于在原理上利用了諧波與基波的差頻實(shí)現(xiàn)分頻功能,因此分頻比通常不會很大,而且分頻數(shù)很有限?;谝陨显?,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)大分頻比、多模分頻、寬鎖定范圍的注入鎖定分頻器成為無線通信射頻前端電路領(lǐng)域的重要課題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的是在保持注入鎖定分頻器低功耗、高工作頻率的前提下,提供給一種新的注入鎖定分頻器,以實(shí)現(xiàn)更寬的鎖定范圍,更大的分頻比,更多的分頻模數(shù)。主要技術(shù)方案如下:
一種多模分頻的注入鎖定分頻器,包括負(fù)阻單元、調(diào)諧單元和信號注入單元和差分輸出緩沖器,其特征在于,
負(fù)阻單元采用由四個(gè)MOS管M1,M2,M3,M4構(gòu)成的互補(bǔ)的交叉耦合對管負(fù)阻單元;
調(diào)諧單元,由峰值電感L1,壓控可變電容Cvar,以及2bit開關(guān)電容陣列通過并聯(lián)的方式組成一個(gè)調(diào)諧頻率可變的諧振腔;
信號注入單元,由并聯(lián)的雙MOS管Ms1,Ms2,以及多模切換單元串聯(lián)組成,接在電路兩個(gè)輸出節(jié)點(diǎn),其中多模切換單元由切換開關(guān)和可調(diào)諧串聯(lián)LC諧振腔組成;
負(fù)阻單元、調(diào)諧單元和信號注入單元并聯(lián)在一起,組成核心電路,核心電路的兩個(gè)端口作為注入鎖定分頻器的差分輸出節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)信號分別通過兩個(gè)緩沖器的緩沖和放大之后輸出到后級電路;利用并聯(lián)雙MOS管直接注入的方式為振蕩器注入分頻信號,利用壓控可變電容和開關(guān)電容陣列改變諧振腔的諧振頻率,改變分頻比,并通過串聯(lián)峰值電感L1來增強(qiáng)諧波的能量,拓寬鎖定范圍。
附圖說明
圖1 2/3/4/5分頻注入鎖定分頻器電路原理圖
圖2諧波增強(qiáng)單元等效電路
具體實(shí)施方式
本發(fā)明在互補(bǔ)MOS負(fù)阻LC振蕩器的基礎(chǔ)上,通過并聯(lián)雙MOS管直接注入的方式為振蕩器注入分頻信號,通過壓控可變電容和開關(guān)電容陣列、串聯(lián)峰值電感提高注入鎖定發(fā)范圍,通過開關(guān)切換的壓控可變電容調(diào)諧來改變分頻比,從而實(shí)現(xiàn)了低功耗、寬鎖定范圍、多模分頻的注入鎖定分頻器。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行說明。
(1)電容調(diào)諧單元提高鎖定范圍。如圖1所示,通過改變加在可變電容Cvar上的調(diào)諧電壓Vtune,來改變諧振腔的電容值,進(jìn)而改變自激振蕩頻率,實(shí)現(xiàn)了隨調(diào)諧電壓增大而升高的振蕩頻率。還有2bit的開關(guān)電容陣列,通過控制兩組陣列的開關(guān)(SW1,SW2)的開閉情況,能有4種組合模式,每種模式下接入諧振腔中的電容值不同,通過調(diào)整開關(guān)電容及可變電容的容值,來得到4條相互交疊的頻帶,進(jìn)一步展寬自激振蕩頻率范圍,鎖定范圍隨著增大。襯底偏置技術(shù)及電容調(diào)諧單元的應(yīng)用,保證了2分頻時(shí)有較寬的鎖定范圍。
(2)串聯(lián)峰值電感提高鎖定范圍。如圖2所示,在注入管一側(cè)串聯(lián)電感L2,由該電感來實(shí)現(xiàn)諧波增強(qiáng)的功能。L2和其兩端的寄生電容構(gòu)成了帶通濾波器。由上面的等效電路可以得到帶通濾波器的中心頻率:
其中,C1是注入管的源端寄生電容,C2是M1的源柵電容與M2的漏區(qū)-襯底間結(jié)電容以及可變電容的總電容。當(dāng)LC帶通濾波器振蕩在諧振腔的n次諧波處時(shí),節(jié)點(diǎn)A處的阻抗將會增大,因此n+1分頻下的鎖定范圍便會明顯增大。另外,可變電容的調(diào)諧與開關(guān)的切換保證電路可工作在多種不同分頻比的模式下。通過控制與注入管單元聯(lián)的LC帶通濾波器的電感電容值,進(jìn)而改變其中心頻率,使其分別處在二次諧波、三次諧波及四次諧波處,這樣便能實(shí)現(xiàn)3/4/5分頻。如圖1所示,具體分頻模式的切換方式為:當(dāng)開關(guān)管SW3閉合,Vtune2=0時(shí),實(shí)現(xiàn)2分頻;當(dāng)SW3開啟,Vtune2=0V時(shí),實(shí)現(xiàn)3分頻;當(dāng)SW3開啟,Vtune2=1.5V時(shí),實(shí)現(xiàn)4分頻;當(dāng)SW3開啟,Vtune2=3V時(shí),實(shí)現(xiàn)5分頻。
(3)提高注入單元的注入效率,進(jìn)而提高鎖定范圍。如圖1所示,雙端直接注入結(jié)構(gòu),由Ms1和Ms2共同構(gòu)成注入單元。因?yàn)榭紤]到電路要實(shí)現(xiàn)多模數(shù)分頻,而越高次的諧波越微弱,因此要保證很強(qiáng)的注入效率,才能實(shí)現(xiàn)各個(gè)分頻模數(shù)下ILFD都有較寬的鎖定范圍。注入管由Ms1和Ms2并聯(lián)構(gòu)成,注入管的柵極將入射電壓信號轉(zhuǎn)變成電流信號并與諧振腔內(nèi)基波頻率信號的電流進(jìn)行混頻。
(4)互補(bǔ)MOS負(fù)阻單元提供足夠大的跨導(dǎo)。提供維持振蕩器穩(wěn)定工作的負(fù)阻單元是采用互補(bǔ)交叉耦合對結(jié)構(gòu),即由四個(gè)晶體管(M1,M2,M3,M4)構(gòu)成。這種互補(bǔ)結(jié)構(gòu)能提供更大的跨導(dǎo)來保證起振,相比于單獨(dú)使用NMOS管或PMOS管的結(jié)構(gòu),電路功耗更小。此外,采用互補(bǔ)結(jié)構(gòu)的負(fù)阻單元,更利于兩端輸出信號以標(biāo)準(zhǔn)差分輸出形式。