CN102104362A - 一种毫米波倍频器及级联倍频器 - Google Patents

一种毫米波倍频器及级联倍频器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种毫米波倍频器及级联倍频器，属于射频/毫米波集成电路技术领域。本发明的倍频器包括：伪差分房大器、LC并联谐振腔、LC串联谐振腔；所述LC并联谐振腔连接在所述伪差分放大器的输出端与电源VDD之间，所述LC串联谐振腔连接在所述伪差分放大器的输出端与地线之间，所述伪差分放大器的两输入端分别与输入基频信号f0的正端、负端连接；其中，LC并联谐振腔的谐振频率为2f0，LC串联谐振腔的谐振频率为4f0。本发明的级联倍频器包括多个上述倍频器，多个所述倍频器依次通过单转双的无源变压器相连。本发明具有功耗低、倍频输出信号频谱纯、谐波抑制好，输出信号强、频率高，易于在硅基工艺上单芯片集成的特点。

Description

一种毫米波倍频器及级联倍频器
技术领域
本发明属于射频/毫米波集成电路技术领域，尤其是提供一种毫米波倍频器及级联倍频器。
背景技术
毫米波是波长为1-10毫米(频率30-300GHz)的无线电波，毫米波技术可以广泛运用于卫星通信、导航、遥感遥测、天文观测等领域。近些年，随着集成电路技术的飞速发展，在半导体集成电路、乃至硅基CMOS集成电路上实现毫米波关键电路及系统成为了可能，从而极大地拓展了毫米波技术在人们日常生活中的应用领域，如60GHz局域点对点超高速无线通信、77GHz汽车导航与防碰撞雷达、94GHz微波成像与超高速无线通信等。
在毫米波集成电路中，毫米波信号源是关键技术之一。传统方案采用VCO直接输出毫米波信号，然而这种方法由于直接使VCO工作在高频(几十到几百GHz)，一方面对于集成电路尤其是硅基BiCMOS或CMOS工艺而言设计难度很大，另一方面功耗水平很高。因此，人们发展出了利用倍频器的方案：先通过一个工作在低频的VCO产生较低频率的信号，然后通过倍频器输出高频信号，这种思路极大的简化了VCO的设计难度和功耗。如图1所示的经典倍频器原理图：偏置Class-B状态下的放大器产生二阶非线性项，通过电感L1和电容C1在二阶频率处谐振从而加强二阶输出，然后通过由电感、电容实现的带通滤波器将其他频率分量滤除，最终实现倍频功能；基于这种基本原理发展出来的倍频器有很多，如文献Jung-HanChen，and Huei Wang，“A High Gain，High Power K-Band Frequency Doubler in 0.18um CMOSProcess”，IEEE Microwave and Wireless Components Letters，Vol.20，No.9，pp.522-524，Sept.2010阐述了上述原理实现的CMOS K-Band倍频器。除此之外，人们还发展出了其它倍频器技术。如文献Katsuji Kimura，“A Bipolar Four-Quadrant Analog Quarter-Square MultiplierConsisting of Unbalanced Emitter-Coupled Pairs and Expansions of Its Input Ranges”，IEEEJournal of Solid-State Circuits，Vol.29，No.1，pp.46-55，Jan.1994报道了如图2所示的基于非平衡差分对技术的倍频器，文献Eunyoung Seok，Changhua Cao，Dongha Shim，Daniel J.Arenas，David B.Tanner，Chin-Ming Hung，Kenneth K.O，“A 410GHz CMOS Push-Push Oscillator withan On-Chip Patch Antenna”，IEEE ISSCC，pp.472-473，Feb.2008阐述了如图3所示的基于利用VCO二阶非线性实现的倍频器。还有两种方法可以实现倍频功能，一是通过混频器实现，二是谐波注入锁定VCO实现。
目前，现有的文献和专利所述的倍频器方案和技术，很多都没有解决功耗太高的问题，这就极大地限制了这些技术的应用，如以电池供电的个人移动终端对低功耗的要求很高；而有些虽然具备了低功耗的特征，但输出频谱不干净、其他谐波成本太高，无法满足系统要求；输出倍频信号太弱，仍然需要高功耗的高频放大器放大倍频信号，这就丧失了低功耗的优势。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型的毫米波倍频器及级联倍频器，尤其适用于集成电路。具有可在硅基BiCMOS/CMOS工艺上单芯片集成、功耗低、输出信号强、输出频谱纯、谐波抑制好的特点。
本发明的技术方案为：
一种毫米波倍频器，其特征在于包括：伪差分房大器、LC并联谐振腔、LC串联谐振腔；所述LC并联谐振腔连接在所述伪差分放大器的输出端与电源VDD之间，所述LC串联谐振腔连接在所述伪差分放大器的输出端与地线之间，所述伪差分放大器的两输入端分别与输入基频信号f0的正端、负端连接；其中，LC并联谐振腔的谐振频率为2f0，LC串联谐振腔的谐振频率为4f0。
进一步的，所述伪差分放大器的偏置状态为Class-B状态；所述输入基频信号f0为差分信号。
进一步的，所述伪差分放大器为伪差分共射放大器，其包括三极管Q0、三极管Q1；所述三极管Q0、三极管Q1的集电极相连作为所述伪差分放大器的输出端；所述三极管Q0、三极管Q1的发射极与地线连接；所述三极管Q0、三极管Q1的基极分别与输入基频信号f0的正端、负端连接。
进一步的，所述三极管Q0的集电极与一三极管Q4的发射极连接，所述三极管Q1的集电极与一三极管Q5的发射极连接，所述三极管Q4的集电极与所述三极管Q5的集电极连接，组成所述伪差分共射放大器；其中，所述三极管Q4基极、三极管Q5基极与一参考电平输入端VB连接。
进一步的，所述伪差分放大器为伪差分共源放大器，其包括MOS管Q0、MOS管Q1；所述MOS管Q0、MOS管Q1的漏端相连作为所述伪差分放大器的输出端；所述MOS管Q0、MOS管Q1的源端与地线连接；所述MOS管Q0、MOS管Q1的栅端分别与输入基频信号f0的正端、负端连接。
进一步的，所述MOS管Q0的漏端与一MOS管Q4的源端连接，所述MOS管Q1的漏端与一MOS管Q5的源端连接，所述MOS管Q4的漏端与所述MOS管Q5的源端连接，组成所述伪差分共源放大器，其中所述MOS管Q4栅端、MOS管Q5栅端与一参考电平输入端VB连接。
一种毫米波级联倍频器，其特征在于包括多个倍频器，多个所述倍频器依次通过单转双的无源变压器相连；其中，所述倍频器包括伪差分放大器、LC并联谐振腔、LC串联谐振腔，所述LC并联谐振腔连接在所述伪差分放大器的输出端与电源VDD之间，所述LC串联谐振腔连接在所述伪差分放大器的输出端与地线之间，所述伪差分放大器的两输入端分别与输入基频信号f0的正端、负端连接；所述LC并联谐振腔的谐振频率为2f0，所述LC串联谐振腔的谐振频率为4f0。
进一步的，所述伪差分放大器的偏置状态为Class-B状态；所述输入基频信号f0为差分信号。
进一步的，所述伪差分放大器为伪差分共射放大器，其包括三极管Q0、三极管Q1；所述三极管Q0、三极管Q1的集电极相连作为所述伪差分放大器的输出端；所述三极管Q0、三极管Q1的发射极与地线连接；所述三极管Q0、三极管Q1的基极分别与输入基频信号f0的正端、负端连接。
进一步的，所述三极管Q0的集电极与一三极管Q4的发射极连接，所述三极管Q1的集电极与一三极管Q5的发射极连接，所述三极管Q4的集电极与所述三极管Q5的集电极连接，组成所述伪差分共射放大器，其中所述三极管Q4基极、三极管Q5基极与一参考电平输入端VB连接。
进一步的，所述伪差分放大器为伪差分共源放大器，其包括MOS管Q0、MOS管Q1；所述MOS管Q0、MOS管Q1的漏端相连作为所述伪差分放大器的输出端；所述MOS管Q0、MOS管Q1的源端与地线连接；所述MOS管Q0、MOS管Q1的栅端分别与输入基频信号f0的正端、负端连接。
进一步的，所述MOS管Q0的漏端与一MOS管Q4的源端连接，所述MOS管Q1的漏端与一MOS管Q5的源端连接，所述MOS管Q4的漏端与所述MOS管Q5的漏端连接，组成所述伪差分共源放大器，其中所述MOS管Q4、MOS管Q5的栅端与一参考电平输入端VB连接。
本发明的毫米波倍频器，其结构如图4或图5所示：
(1)三极管Q0/Q1(或MOS管)形成偏置在Class-B状态下的伪差分共射放大器(对于BJT工艺而言)或共源放大器(对于CMOS工艺而言)；
(2)基频信号f0的正端输入到三极管Q0基极(或MOS管的栅端)，对应的信号频率为f0，信号相位为0度；
(3)基频信号f0的负端输入到三极管Q1基极(或MOS管的栅端)，对应的信号频率为f0，信号相位为180度；
(4)三极管Q0/Q1的发射极(或MOS管的源端)连接到地GND，三极管Q0/Q1的集电极(或MOS管的漏端)相连到输出端；
(5)电感L1和电容C1组成的LC并联谐振腔连接在倍频器(或放大器)输出端和电源VDD之间，其谐振频率为2f0；
(6)电感L2和电容C2组成的LC串联谐振腔连接在倍频器(或放大器)输出端和地GND之间，其谐振频率为4f0；
(7)倍频器输出端输出倍频信号，频率为2f0。
本发明的原理是：
(a)放大器偏置在Class-B状态下，具有强烈的非线性，因此对于相位为
Figure BDA0000048439550000041
的基频输入信号f0而言，输出信号频谱中会有很强烈的二阶非线性项，即频率为2f0的倍频信号，且相位为
Figure BDA0000048439550000042
(b)放大器的输出端有一个LC并联谐振腔，谐振在2f0处，因此输出的倍频信号2f0可以被谐振放大。
(c)放大器的输出端有一个LC串联谐振腔，谐振在4f0处，因此输出的高阶信号4f0、8f0...可以被消除。
(d)由于放大器为伪差分结构，且基频输入信号f0也为差分信号，对应的频率为f0，对应的相位分别为0度和180度。对于基频信号f0输入正端(相位0度)而言，其在输出端的倍频信号频率为2f0，相位为0度；对于基频信号f0输入负端(相位180度)而言，其在输出端的倍频信号频率为2f0，相位为360度；上述两个倍频输出信号的相位分别为0/360度，即相互加强的，因此输出端可以输出相互加强的倍频信号。
(e)对于基频信号f0输入正端(相位0度)而言，其在输出端会存在基频泄露信号，频率为f0，相位为0度；对于基频信号f0输入负端(相位0度)而言，其在输出端会存在基频泄露信号，频率为f0，相位为180度；上述两个基频泄露信号相位分别为0/180度，即正好大小相等、符号相反，从而相互抵消；因此输出端的基频信号f0、以及奇数阶信号3f0、5f0...可以被消除。
(f)从而最终获得了倍频信号2f0的加强输出，且基频泄露信号f0和其它各阶谐波信号被消除，倍频输出信号强、频谱纯、谐波抑制好。
与现有技术相比，本发明的优点是：
(1)功耗低：由于工作在Class-B状态，因此偏置电流低，电路的整体功耗很小，非常适用于对低功耗要求高的系统，如移动终端系统等；
(2)倍频输出信号频谱纯、谐波抑制好：与传统倍频器技术相比，基频泄露信号被消除、各阶谐波信号也被抑制，因此输出信号质量高、频谱纯，可以作为优质的信号源提供给系统使用，如作为本振信号提供给接收机/发射机中的混频器使用等；
(3)倍频输出信号强：从而省去了后级的高频放大器，可以直接作为本振信号驱动后面的混频器，因此进一步降低了系统的功耗水平；
(4)输出频率高：输出信号可以高于器件的本振频率，从而可以产生上百GHz的输出信号；
(5)可以在硅基工艺上单芯片集成，如硅基CMOS工艺、BiCMOS工艺、HBT工艺等；可以作为一个模块与其它电路和系统集成在单一芯片上，极大地提高了系统的集成度；
(6)可以将该倍频器多级级联，从而产生很高的多倍频信号。
附图说明
图1现有的利用Class-B放大器实现的经典倍频器原理图；
图2现有的基于非平衡差分对技术的倍频器原理图；
图3现有的利用VCO二阶非线性实现的倍频器原理图；
图4是本发明所述的一种新型的倍频器电路图；
图5是本发明所述的基于MOS管实现的倍频器电路图；
图6是本发明的一个级联倍频器具体实施方式示意图。
具体实施方式
为了对本发明进行详细说明，现举一个如下具体实施例：
本发明所述的新型倍频器，可以通过Balun相级联，形成多倍频器。如图6所示的通过本发明实现的一个四倍频器案例，可以实现基频信号到四倍频信号4f0的转变，其包括“倍频器1”和“倍频器2”。
所述的“倍频器1”包括三极管Q0/Q1和Q4/Q5、“LC并联谐振腔1”、“LC串联谐振腔1”和“Balun 1”；所述的“倍频器2”包括三极管Q2/Q3和Q6/Q7、“LC并联谐振腔2”、“LC串联谐振腔2”和“Balun 2”。
所述的“倍频器1”，输入信号为差分的基频信号f0，其正端连接Q0，负端连接Q1，输出信号为倍频信号2f0；所述的“倍频器1”与发明原理图(图4或5)有所不同的是，在Q0/Q1之上多了共基管Q4/Q5(或共栅管)，这可以进一步增强倍频器的反向隔离度，进一步降低基频信号到输出端的泄露；所述的“倍频器1”与发明原理图(图4或5)有所不同的是，在输出端之后增加了一个单转双的无源变压器Balun 1，可以将单端的倍频信号转变为差分的倍频信号。
所述的“倍频器2”，输入信号为“倍频器1”的输出信号，即差分的倍频信号2f0，其正端连接Q2，负端连接Q3，输出信号为四倍频信号4f0；所述的“倍频器2”与发明原理图(图4或5)有所不同的是，在Q2/Q3之上多了共基管Q6/Q7(或共栅管)，这可以进一步增强倍频器的反向隔离度，进一步降低基频信号到输出端的泄露；所述的“倍频器2”与发明原理图(图4或5)有所不同的是，在输出端之后增加了一个单转双的无源变压器Balun 2，可以将单端的四倍频信号转变为差分的四倍频信号。
上述实施案例提供了一种基于三极管实现的四倍频器技术及电路，与之对应的，也可以采用MOS管实现四倍频器技术及电路。
上述实施案例提供了基于本发明实现的一种四倍频器技术及集成电路，也可以通过级联多个倍频器实现更高倍数的多倍频器技术及电路。
以上通过详细实施案例描述了本发明所提供的一种毫米波倍频器技术及集成电路，本领域的研究人员和技术人员可以根据上述的步骤作出形式或内容方面的非实质性的改变而不偏离本发明实质保护的范围，因此，本发明不局限于实施例中所公开的内容。

Claims (12)

1.一种毫米波倍频器，其特征在于包括：伪差分房大器、LC并联谐振腔、LC串联谐振腔；所述LC并联谐振腔连接在所述伪差分放大器的输出端与电源VDD之间，所述LC串联谐振腔连接在所述伪差分放大器的输出端与地线之间，所述伪差分放大器的两输入端分别与输入基频信号f0的正端、负端连接；其中，LC并联谐振腔的谐振频率为2f0，LC串联谐振腔的谐振频率为4f0。
2.如权利要求1所述的倍频器，其特征在于所述伪差分放大器的偏置状态为Class-B状态；所述输入基频信号f0为差分信号。
3.如权利要求1或2所述的倍频器，其特征在于所述伪差分放大器为伪差分共射放大器，其包括三极管Q0、三极管Q1；所述三极管Q0、三极管Q1的集电极相连作为所述伪差分放大器的输出端；所述三极管Q0、三极管Q1的发射极与地线连接；所述三极管Q0、三极管Q1的基极分别与输入基频信号f0的正端、负端连接。
4.如权利要求3所述的倍频器，其特征在于所述三极管Q0的集电极与一三极管Q4的发射极连接，所述三极管Q1的集电极与一三极管Q5的发射极连接，所述三极管Q4的集电极与所述三极管Q5的集电极连接，组成所述伪差分共射放大器；其中，所述三极管Q4基极、三极管Q5基极与一参考电平输入端VB连接。
5.如权利要求1或2所述的倍频器，其特征在于所述伪差分放大器为伪差分共源放大器，其包括MOS管Q0、MOS管Q1；所述MOS管Q0、MOS管Q1的漏端相连作为所述伪差分放大器的输出端；所述MOS管Q0、MOS管Q1的源端与地线连接；所述MOS管Q0、MOS管Q1的栅端分别与输入基频信号f0的正端、负端连接。
6.如权利要求5所述的倍频器，其特征在于所述MOS管Q0的漏端与一MOS管Q4的源端连接，所述MOS管Q1的漏端与一MOS管Q5的源端连接，所述MOS管Q4的漏端与所述MOS管Q5的源端连接，组成所述伪差分共源放大器，其中所述MOS管Q4栅端、MOS管Q5栅端与一参考电平输入端VB连接。
7.一种毫米波级联倍频器，其特征在于包括多个倍频器，多个所述倍频器依次通过单转双的无源变压器相连；其中，所述倍频器包括伪差分放大器、LC并联谐振腔、LC串联谐振腔，所述LC并联谐振腔连接在所述伪差分放大器的输出端与电源VDD之间，所述LC串联谐振腔连接在所述伪差分放大器的输出端与地线之间，所述伪差分放大器的两输入端分别与输入基频信号f0的正端、负端连接；所述LC并联谐振腔的谐振频率为2f0，所述LC串联谐振腔的谐振频率为4f0。
8.如权利要求7所述的级联倍频器，其特征在于所述伪差分放大器的偏置状态为Class-B状态；所述输入基频信号f0为差分信号。
9.如权利要求7或8所述的级联倍频器，其特征在于所述伪差分放大器为伪差分共射放大器，其包括三极管Q0、三极管Q1；所述三极管Q0、三极管Q1的集电极相连作为所述伪差分放大器的输出端；所述三极管Q0、三极管Q1的发射极与地线连接；所述三极管Q0、三极管Q1的基极分别与输入基频信号f0的正端、负端连接。
10.如权利要求9所述的级联倍频器，其特征在于所述三极管Q0的集电极与一三极管Q4的发射极连接，所述三极管Q1的集电极与一三极管Q5的发射极连接，所述三极管Q4的集电极与所述三极管Q5的集电极连接，组成所述伪差分共射放大器，其中所述三极管Q4基极、三极管Q5基极与一参考电平输入端VB连接。
11.如权利要求7或8所述的级联倍频器，其特征在于所述伪差分放大器为伪差分共源放大器，其包括MOS管Q0、MOS管Q1；所述MOS管Q0、MOS管Q1的漏端相连作为所述伪差分放大器的输出端；所述MOS管Q0、MOS管Q1的源端与地线连接；所述MOS管Q0、MOS管Q1的栅端分别与输入基频信号f0的正端、负端连接。
12.如权利要求11所述的级联倍频器，其特征在于所述MOS管Q0的漏端与一MOS管Q4的源端连接，所述MOS管Q1的漏端与一MOS管Q5的源端连接，所述MOS管Q4的漏端与所述MOS管Q5的漏端连接，组成所述伪差分共源放大器，其中所述MOS管Q4、MOS管Q5的栅端与一参考电平输入端VB连接。
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