CN102361455A - 一种用于本振产生电路的除二分频器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种新型宽频除二分频器，用于本振产生电路的除二分频，包括两个同样的二次谐波注入锁定分频器，通过适当的耦合方式，实现具有天然的正交相位的四路本振信号输出。本发明具有低功耗、高频率的特点，且有天然的正交相位本振信号输出，能够实现可变的较宽工作频率范围的特点。
Description
技术领域
本发明涉及射频微波通信领域，尤其涉及其中的本振产生电路装置。
背景技术
在系统集成度越来越高的要求下，现在几乎所有的收发器都内置本振产生电路。本振产生电路一般包括压控振荡器和锁相环电路以及本振处理电路。本振处理一般包含三个方面的内容：一是本振的频率变换，在零中频电路中一般是除二，二是正交信号的产生，三是本振信号的放大。本发明主要涉及前两个方面。
一般本振的除二分频器包括两类：一是如图1所示的宽带的基于主从D触发器，二是如图2所示的窄带的基于超谐波注入锁定。第一类的宽带特性注定了它固有的速度和功耗的不可兼得的特性，也就是说，功耗低的速度就比较慢，而速度高的功耗必然也高。在本振频率越来越高的背景下，第一类分频器的功耗问题显得越来越突出。第二类的除法电路通过注入一个振荡电路一个比较强的二倍频信号，从而牵引振荡器并使之锁定到注入信号的1/2频率。这类电路在同等条件下的功耗比较低，但是存在两个问题：一是工作频率范围比较窄，二是电路本身不能产生正交的本振信号，必须使用其它的滤波整相电路，这就会带来本振信号功率的损失。
发明内容
本发明的目的是解决现有的除二分频器的以上缺陷，提供了一种低功耗、高频率、具有天然的正交相位本振信号输出的、能够在较宽的工作频率范围内工作的除二分频器。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种用于本振产生电路的除二分频器，其特征在于：包括两个结构相同的二次谐波注入锁定分频器；
所述每个二次谐波注入锁定分频器包括两电感、两压控可变电容和四个场效应管；
其中，所述四个场效应管又以2个为一组，每组由一个起提供负阻作用的负阻场效应管MSW和一个起耦合作用的耦合场效应管MCP组成，这两个场效应管的源极之间、漏极之间分别电连接；
每组的负阻场效应管MSW的栅极与另一组场效应管的漏极电连接；
每组场效应管的漏极通过一个电感与电源端相连；
每组场效应管的漏极还各自通过一个压控可变电容与控制电压VC相连；
每一个二次谐波注入锁定分频器中的每一组场效应管中的耦合场效应管MCP的栅极分别与另一个二次谐波注入锁定分频器中的一组场效应管的漏极耦合连接，并实现具有正交相位的四路输出；
每个二次谐波注入锁定分频器中每组场效应管的互连的源极之间还直接电连接，并与差分信号输入处理电路或单端信号输入处理电路的信号输出端电连接。
进一步，当输入信号为差分信号时，所述差分信号输入处理电路包括各主要由一隔直电容和一电压电流转换场效应管MB组成的两条信号处理分路，每条信号处理分路的输入信号经隔直电容连接到电压电流转换场效应管MB的栅极，该电压电流转换场效应管MB的源极接地，其漏极作为一信号输出端与所述一个二次谐波注入锁定分频器电连接。
进一步，当输入信号为单端信号时，所述单端信号输入处理电路包括
一隔直电容和两对场效应管，输入单端信号经隔直电容后与第一对的第一场效应管MB1的源极、第二场效应管MB2的漏极、栅极电连接在一起，第二场效应管MB2的源极接地，第一场效应管MB1的漏极作为一信号输出端与所述一个二次谐波注入锁定分频器的两组场效应管的源极电连接；
第二对的第三场效应管MB3的栅极与第一对的第一场效应管MB1的栅极电连接，第四场效应管MB4的栅极与第二场效应管MB2的栅极电连接，第三场效应管MB3的源极与第四场效应管MB4的漏极电连接，第四场效应管MB4的源极接地，第三场效应管MB3的漏极作为另一信号输出端与所述另一个二次谐波注入锁定分频器的两组场效应管的源极电连接。
进一步，所述各场效应管的栅极还连接电压偏置电路。
进一步，所述各场效应管还可以更替为三极管，其中三极管的发射极、基极、集电极分别对应场效应管的漏极、栅极和源极。
进一步，所述耦合连接的耦合系数为0.5到1。
本发明的创新点在于：
1、在注入锁定分频器中使用压控可变电容，从而实现锁相环中压控振荡器和除二分频器的频率范围动态联调。
2、通过使用两个同样的二次谐波注入锁定分频器，通过适当的耦合方式，实现具有天然的正交相位的四路本振信号输出。
本发明的积极效果是：由于本发明采用了两个相同的二次谐波注入锁定分频器来分别实现I路和Q路的分频，并通过适当的耦合方式来保证I路和Q路的相位正交性，采用压控可变电容来在较宽的范围内使除二分频器的工作范围动态地跟踪本振产生电路的工作范围，因而克服了现有的谐波注入锁定分频器的缺陷，提供了一种低功耗、高频率、具有天然的正交相位本振信号输出的，能够实现可变的较宽的工作频率范围的除二分频器。
附图说明
图1是现有技术的宽带的基于主从D触发器的除二电路原理图
图2是现有技术的窄带的基于谐波注入锁定的除二电路原理图
图3是本发明的耦合方式原理图
图4是本发明采用差分输入方式的电路原理图
图5是本发明采用单端输入方式的电路原理图
图6是频率综合系统结构示意图
具体实施方式
下面结合附图和实例进一步说明本发明的具体实施方式。
本发明的除二分频器采用两个相同的二次谐波注入锁定分频器，通过适当的耦合方式，实现具有天然的正交相位的四路本振信号输出。两个二次谐波注入锁定分频器的地位对等，在电路结构上都可作为第一或第二二次谐波注入锁定分频器。
其耦合方式的原理如图3所示，一个对称的振荡器(对应本发明的一个二次谐波注入锁定分频器)一般有两个输出。两个同样的振荡器在一定的连接方式下就可以实现它们四路输出之间的正交性，也就是实现LOIP、LOIN、LOQP、LOQN的输出。这种连接方式就是将振荡器VCO_A的正端输出一定的分量注入振荡器VCO_B的正端输入，而振荡器VCO_A的负端输出有一定的分量注入振荡器VCO_B的负端输入。在VCO_B这边正好反过来，将振荡器VCO_B的正端输出一定的分量注入振荡器VCO_B的负端输入，而振荡器VCO_A的负端输出有一定的分量注入振荡器VCO_B的正端输入。这种分量的循环注入就是这两个同样的振荡器之间的耦合方式。
输出耦合器件放置的方式有多种，包括并联于振荡器的主反馈场效应管或者三极管，串联与主场效应管或者三极管，或是使用主场效应管或者三极管的衬底进行耦合。
信号输入方式可以有两种方式，一种是差分输入，另一种是单端输入。
差分输入使用的是对称的完全一样的放大电路作为信号输入处理电路处理后输送给除二分频器，这种输入一般需要隔直电容和内部的电压偏置电路。如图4所示，差分信号输入处理电路包括各主要由一隔直电容和一电压电流转换场效应管MB组成的两条信号处理分路，每条信号处理分路的输入信号经隔直电容连接到电压电流转换场效应管MB的栅极，该电压电流转换场效应管MB的源极接地，其漏极作为一信号输出端与所述一个二次谐波注入锁定分频器电连接。正端InP经一个电压电流转换场效应管MB转换为正端电流，负端InN经另一个相同的场效应管转换为负端电流。电压偏置电路连接在各电压电流转换场效应管的栅极，图中并未示出，但该电路是本领域技术人员所能知晓的。
如图5所示，当输入信号为单端信号时，单端信号输入处理电路包括一隔直电容和两对场效应管，输入单端信号经隔直电容后与第一对的第一场效应管MB1的源极、第二场效应管MB2的漏极、栅极电连接在一起，第二场效应管MB2的源极接地，第一场效应管MB1的漏极作为一信号输出端与所述一个二次谐波注入锁定分频器的两组场效应管的源极电连接；
第二对的第三场效应管MB3的栅极与第一对的第一场效应管MB1的栅极电连接，第四场效应管MB4的栅极与第二场效应管MB2的栅极电连接，第三场效应管MB3的源极与第四场效应管MB4的漏极电连接，第四场效应管MB4的源极接地，第三场效应管MB3的漏极作为另一信号输出端与所述另一个二次谐波注入锁定分频器的两组场效应管的源极电连接。
单端输入使用AB级放大器的输入方式，一端经第一场效应管MB1转换成同相位电流而另一端经第二场效应管MB2的镜像作用转换成反相位电流。通过对偏置电流和器件尺寸的调节，可以实现50欧姆阻抗匹配输入。同样，电压偏置电路连接在各场效应管的栅极。
下面着重说明本发明除二分频器的核心电路部分。在示图中有源器件均用场效应管表示，实际情况中本发明的场效应管也可以更换为三极管。
如图4和图5所示，本发明用于本振产生电路的除二分频器，包括两个结构相同的二次谐波注入锁定分频器；每个二次谐波注入锁定分频器包括两个电感、两个压控可变电容和四个场效应管；
其中，所述四个场效应管又以2个为一组，每组由一个起提供负阻作用的负阻场效应管MSW和一个起耦合作用的耦合场效应管MCP组成，这两个场效应管的源极之间、漏极之间分别电连接；每组的负阻场效应管MSW的栅极与另一组场效应管的漏极电连接；每组场效应管的漏极通过一个电感与电源端相连；每组场效应管的漏极还各自通过一个压控可变电容与控制电压VC相连；每一个二次谐波注入锁定分频器中的每一组场效应管中的耦合场效应管MCP的栅极分别与另一个二次谐波注入锁定分频器中的其中一组场效应管的漏极耦合连接，即有一定分量注入另一个二次谐波注入锁定分频器，从而实现两个二次谐波注入锁定分频器的相互耦合。每个二次谐波注入锁定分频器中每组场效应管的漏极作为该除二分频器的一个输出端，从而实现具有正交相位的四路输出(Q+、Q-、I+、I-)。
每个二次谐波注入锁定分频器中每组场效应管的互连的源极之间还直接电连接，并与差分信号输入处理电路或单端信号输入处理电路的信号输出端电连接。
这对负阻场效应管MSW有源器件的作用是提供一对负阻，用于补充振荡过程中因为电感和电容的实阻部分而损失的能量，以保证振荡器能持续振荡下去，它们的尺寸决定振荡器能否起振以及振荡质量如何，如幅度和相位噪声。而耦合场效应管MCP这对有源器件的作用是为这对对称的二次谐波注入锁定分频器提供一个耦合的通道。其耦合如图4和图5中所示，由正向耦合和负向耦合两部分构成。如果耦合系数定义为MCP跨导与MSW跨导之比，那么可以推导出产生I路和Q路的正交相位误差与耦合系数在两个谐波注入锁定分频器的参数误差比较小的情况下成反比关系。简而言之就是MCP在沟道长度一定的情况下，沟道宽度越大，产生的本振信号IQ的正交性越好。但是MCP沟道宽度太大会带来功耗的增加，所以要在比较好的正交性和比较低的功耗之间做出选择，一般是取耦合系数为0.5到1。
一般情况下二次谐波注入锁定分频器的工作频率范围都比较有限，通常是中心频率的10％左右。如果输入频率高于或者低于这个范围，分频器就会失锁，输出信号的频率与输入信号的频率不在遵循1/2的规律。在一些特定的应用中，比如说FM和模拟数字电视信号，频道的覆盖范围远远超过了中心频率的10％，这种情况下就要运用本发明的第二个重要方面，那就是在注入锁定分频器中使用压控可变电容，从而实现锁相环中压控振荡器和除二分频器的频率范围动态联调。如图4和图5所示，如果在注入锁定分频器中电容部分使用压控可变电容。压控可变电容的一端接在场效应管的漏极，一端接到一个控制电压上。这样控制电压就可以调节压控可变电容正负极之间的电压，从而调节压控可变电容的电容值。而压控可变电容的电容值直接决定了二次谐波注入锁定分频器的中心频率。
频率综合器的关键器件是压控振荡器，而压控振荡器的输出频率是由加在其控制端的电压决定的。根据压控振荡器的频率增益系数的正负和二次谐波注入锁定分频器频率增益系数的正负，压控振荡器的控制电压可以直接或者经过极性和幅度转换电路接到二次谐波注入锁定分频器的压控可变电容的控制电压上，如图6所示。这样就可以实现除二分频器的工作频率范围对压控振荡器的输入频率的动态跟随，从而实现比较大的工作范围。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (6)
1.一种用于本振产生电路的除二分频器，其特征在于：包括两个结构相同的二次谐波注入锁定分频器；
所述每个二次谐波注入锁定分频器包括两个电感、两个压控可变电容和四个场效应管；
其中，所述四个场效应管又以2个为一组，每组由一个起提供负阻作用的负阻场效应管(MSW)和一个起耦合作用的耦合场效应管(MCP)组成，这两个场效应管的源极之间、漏极之间分别电连接；
每组的负阻场效应管(MSW)的栅极与另一组场效应管的漏极电连接；
每组场效应管的漏极通过一个电感与电源端相连；
每组场效应管的漏极还各自通过一个压控可变电容与控制电压(VC)相连；
每一个二次谐波注入锁定分频器中的每一组场效应管中的耦合场效应管(MCP)的栅极分别与另一个二次谐波注入锁定分频器中的一组场效应管的漏极耦合连接，并实现具有正交相位的四路输出；
每个二次谐波注入锁定分频器中每组场效应管的互连的源极之间还直接电连接，并与差分信号输入处理电路或单端信号输入处理电路的信号输出端电连接。
2.根据权利要求1所述的用于本振产生电路的除二分频器，其特征在于：所述差分信号输入处理电路包括
各主要由一隔直电容和一电压电流转换场效应管(MB)组成的两条信号处理分路，每条信号处理分路的输入信号经隔直电容连接到电压电流转换场效应管(MB)的栅极，该电压电流转换场效应管(MB)的源极接地，其漏极作为一信号输出端与所述一个二次谐波注入锁定分频器电连接。
3.根据权利要求1所述的用于本振产生电路的除二分频器，其特征在于：所述单端信号输入处理电路包括：
一隔直电容和两对场效应管，输入单端信号经隔直电容后与第一对的第一场效应管(MB1)的源极、第二场效应管(MB2)的漏极、栅极电连接在一起，第二场效应管(MB2)的源极接地，第一场效应管(MB1)的漏极作为一信号输出端与所述一个二次谐波注入锁定分频器的两组场效应管的源极电连接；
第二对的第三场效应管(MB3)的栅极与第一对的第一场效应管(MB1)的栅极电连接，第四场效应管(MB4)的栅极与第二场效应管(MB2)的栅极电连接，第三场效应管(MB3)的源极与第四场效应管(MB4)的漏极电连接，第四场效应管(MB4)的源极接地，第三场效应管(MB3)的漏极作为另一信号输出端与所述另一个二次谐波注入锁定分频器的两组场效应管的源极电连接。
4.根据权利要求2或3所述的用于本振产生电路的除二分频器，其特征在于：所述各场效应管的栅极还连接电压偏置电路。
5.根据权利要求1、2或3任意一项所述的用于本振产生电路的除二分频器，其特征在于：所述各场效应管还可以更替为三极管，其中三极管的发射极、基极、集电极分别对应场效应管的漏极、栅极和源极。
6.根据权利要求1、2或3任意一项所述的用于本振产生电路的除二分频器，其特征在于：所述耦合连接的耦合系数为0.5到1。
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