CN103236827B - Cmos太赫兹正交谐波振荡信号的产生方法及电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于太赫兹波（Terahertz-wave）通信技术领域，为实现正交的谐波振荡信号输出，有效的提高输出信号的频率和功率，为此，本发明采取的技术方案是，CMOS太赫兹正交谐波振荡信号的产生电路，由一词相连的多项振荡器，整流器，叠加器和滤波器组成，多项振荡器用于产生特定的间隔相同相位的振荡信号；整流器，用于将振荡器所产生的等相位间隔振荡信号滤去下半波，只留下上半波；叠加电路用于将通过整流之后相位差为180°的两路振荡信号叠加在一起；滤波器，用于滤除其他谐波成分。本发明主要应用于太赫兹波（Terahertz-wave）通信。

Description

CMOS太赫兹正交谐波振荡信号的产生方法及电路

技术领域

本发明属于太赫兹波（Terahertz-wave）通信技术领域，具体讲，涉及CMOS太赫兹正交谐波振荡信号的产生方法及电路。

背景技术

随着科技的进步，电磁频谱的各个波段都逐渐被利用了起来。近年来，太赫兹波段由于其显著的优点，成为科学研究和工业生产的热门研究对象。太赫兹波的频率范围为300GHz-3THz，波长为0.1mm-1mm。太赫兹波介于微波毫米波和红外之间，处于宏观理论向微观量子理论的过渡区，电子学和光子学的交叉区域，特殊的位置决定了其具有同其他波段不同的特殊性质。太赫兹波的频带宽度是微波的1000倍，是很好的宽带信息载体，特别适合宽带无线移动通信，太赫兹波在星际空间，由于频带宽，方向性好，散射小，高频数据流可以提供10GB/s的无线传输速率，可以提高星间信息交换速度。太赫兹具有可用频谱范围较宽、通信容量大、安全保密好、传输质量高和全天候通信等优点，因此，人们对太赫兹领域进行不断的探索，希望将其应用到医疗、远程探测、航空航天、军事防御等各个领域。

由于技术问题，太赫兹频段相较于其他频段，被人们探索研究的比较少。传统的CMOS器件受截止频率的限制，太赫兹器件大多是采用非硅材料来制作，但是采用非硅材料制作的太赫兹波器件存在显著的缺点，比如都是分立元件；集成度低；造价与硅材料相比较高；体积庞大。这些缺点都限制了太赫兹元件的广泛应用。

CMOS工艺的不断进步，尺寸不断缩小，大大提高了有源器件的截止频率，这使得高集成度、低成本的太赫兹波集成电路成为可能。用CMOS工艺实现太赫兹电路依然会面临很多的挑战:首先是器件频率的限制。工艺线宽所限制的截止频率是阻碍电路频率提高的很大因素。所以只能寻求新的电路结构来提高频率。

CMOS器件受截止频率的限制其工作频率达不到太赫兹频段，目前，用CMOS产生太赫兹振荡信号的方法都是使用谐波技术,用谐波技术产生2次谐波4次谐波和6次谐波的频率源已有研究[1,2]，但是还没有用CMOS电路产生正交的谐波振荡信号的报道。正交振荡信号是正交频分技术复用的基础信号，正交频分技术的优点是使用一种带宽的信道可以传输自身带宽两倍的信号，可以增大信道容量，是一种非常有用的通信技术，广泛应用于通信领域，如移动通信，卫星通信和光纤通信中。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，实现正交的谐波振荡信号输出，有效的提高输出信号的频率和功率，为此，本发明采取的技术方案是，CMOS太赫兹正交谐波振荡信号的产生电路，由一词相连的多项振荡器，整流器，叠加器和滤波器组成，多项振荡器用于产生特定的间隔相同相位的振荡信号；整流器，用于将振荡器所产生的等相位间隔振荡信号滤去下半波，只留下上半波；叠加电路用于将通过整流之后相位差为180°的两路振荡信号叠加在一起；滤波器，用于滤除其他谐波成分。

多项振荡器为八相位振荡器，是由四个完全相同的负阻振荡单元交叉耦合而成，每个负阻振荡单元由7个MOSFET构成，本电路中所有PMOS的衬底接电源，所有NMOS的衬底接地。第1个PMOS的源极接电源，第1个PMOS的栅极接偏置电压，第1个PMOS的漏极接第2个、第3个PMOS的源极；第2个PMOS的栅极接第3个PMOS的漏极，第3个PMOS的栅极接第2个PMOS的漏极，第2个和第3个PMOS的漏极之间设置一个电感；第4个NMOS的漏极接第2个PMOS的漏极，第5个NMOS的漏极接第3个PMOS的漏极，第4个NMOS的栅极接第5个NMOS的源极，第5个NMOS的栅极接第4个NMOS的源极；第4个NMOS的源极接第6个NMOS的漏极，第5个NMOS的源极接第7个NMOS的漏极，第6个、第7个NMOS的源极共同接地。

CMOS太赫兹正交谐波振荡信号的产生方法，包括下列步骤：

采用多相振荡器产生八个相位彼此相差π/4,即：

a＝sinωtb＝sin(ωt+π/4)c＝sin(ωt+π/2)d＝sin(ωt+3π/4)

e＝sin(ωt+π)f＝sin(ωt+5π/4)g＝sin(ωt+3π/2)h＝sin(ωt+7π/4)

整流叠加之后，A＝a+e,B＝b+f,C＝c+g,D＝d+h；

$A=\left|\sin \mathrm{\ωt}\right|=\frac{4}{\mathrm{\π}}(\frac{1}{2}-\frac{1}{3}\cos 2\mathrm{\ωt}-\frac{1}{15}\cos 4\mathrm{\ωt}-\frac{1}{35}\cos 6\mathrm{\ωt}+...)$

提取亚谐波项 $A=\left|\sin \mathrm{\ωt}\right|=\frac{4}{\mathrm{\π}}(-\frac{1}{3}\cos 2\mathrm{\ωt})$

$B=|\sin \mathrm{\ωt}+\frac{\mathrm{\π}}{4}|=\frac{4}{\mathrm{\π}}(\frac{1}{2}+\frac{1}{3}\sin 2\mathrm{\ωt}+\frac{1}{15}\cos 4\mathrm{\ωt}-\frac{1}{35}\sin 6\mathrm{\ωt}+...)$

提取亚谐波项 $B=|\sin \mathrm{\ωt}+\frac{\mathrm{\π}}{4}|=\frac{4}{\mathrm{\π}}\left(\frac{1}{3}\sin 2\mathrm{\ωt}\right)$

$C=\left|\cos \mathrm{\ωt}\right|=\frac{4}{\mathrm{\π}}\left\{\frac{1}{2}+\frac{1}{3}\cos 2\mathrm{\ωt}-\frac{1}{15}\cos 4\mathrm{\ωt}+\frac{1}{35}\cos 6\mathrm{\ωt}+...\right\}$

提取亚谐波项 $C=\left|\cos \mathrm{\ωt}\right|=\frac{4}{\mathrm{\π}}\left(\frac{1}{3}\cos 2\mathrm{\ωt}\right)$

$D=|\cos \mathrm{\ωt}+\frac{\mathrm{\π}}{4}|=\frac{4}{\mathrm{\π}}(\frac{1}{2}-\frac{1}{3}\sin 2\mathrm{\ωt}+\frac{1}{15}\cos 4\mathrm{\ωt}+\frac{1}{35}\sin 6\mathrm{\ωt}+...)$

提取亚谐波项 $D=|\cos \mathrm{\ωt}+\frac{\mathrm{\π}}{4}|=\frac{4}{\mathrm{\π}}(-\frac{1}{3}\sin 2\mathrm{\ωt})$

ABCD四路振荡信号均为相等幅度的二次谐波，它们之间的相位关系为：A和C互为差分，B和D互为差分，A和D是正交关系，B和C是正交关系，从而产生了二次谐波差分正交振荡信号。

八个相位彼此相差π/4的振荡信号产生

借用八相位振荡器实现，八相位振荡器是由四个完全相同的负阻振荡单元交叉耦合而成，四个固定振荡频率的振荡器，其输出端信号耦合到输入端，m_n是耦合系数，G_n是振荡器的开环增益，振荡器的振荡频率是ω₀，X、Y、Z、W是相位形式的振荡器输出，得到下面的式子：

X＝(m₄W+X)G₁(jω₀)

Y＝(m₁X+Y)G₂(jω₀)

Z＝(m₂Y+Z)G₃(jω₀)

W＝(-m₃Z+W)G₄(jω₀)

j是复数虚部的单位，因为四个振荡器是完全相同的，所以G₁=G₂=G₃=G₄=G、m₁=m₂=m₃=m₄=m，由此可以进一步得到式子：

$X=e^{\±\frac{\mathrm{\π}}{4}}\·Y$

$Y=e^{\±\frac{\mathrm{\π}}{2}}\·W$

$Z=e^{\±\frac{\mathrm{\π}}{2}}\·X$

$W=e^{\±\frac{\mathrm{\π}}{4}}\·Z$

通过最终得到的式子可以看出，X、Y、Z、W之间存在π4的相位差。

本发明的技术特点及效果：

本发明通过整流叠加滤波结构，不仅可以得到正交信号，更加可以获取二次谐波，提高输出信号的频率；

本发明通过新的电路结构，采用标准的CMOS工艺实现，有集成度高、成本低、易于大规模生产等优点。同时还克服了CMOS工艺截止频率的限制的缺点，实现远高于工艺截止频率的差分正交信号的输出。

附图说明

图1正交谐波振荡信号产生原理图。

图2相位关系图。

图3八相位振荡器耦合行为模型。

图4八相位振荡器电路图。

图5差分正交信号。

具体实施方式

本发明属于太赫兹波（Terahertz-wave）通信技术领域，涉及一种用CMOS（互补金属氧化物半导体）电路可以实现太赫兹波的差分正交谐波振荡信号的方法和电路。主要的原理是将多相位振荡器所产生的多路振荡信号通过整流、叠加之后，实现正交的谐波振荡信号输出。

本发明通过新的电路结构，采用标准的CMOS工艺实现，有集成度高、成本低、易于大规模生产等优点。同时还克服了CMOS工艺截止频率的限制的缺点，实现远高于工艺截止频率的差分正交信号的输出。

本发明是一种CMOS太赫兹正交谐波振荡器，图1是本发明的原理图。将多相位振荡器所产生的多路振荡信号通过整流、叠加之后，实现正交的谐波振荡信号输出。同时利用滤波叠加技术，有效的提高输出信号的频率和功率。

八相位振荡器，由四个完全相同的LC负阻振荡单元通过一定的反馈结构连接而成，如图2中清楚的标明了四个LC负阻振荡单元之间的耦合关系和相位关系，可以看出，每个振荡单元的两路输出之间都有180°的相位差，这也是一般的LC振荡电路具有的性能，但是通过四个振荡器间特殊的反馈连接，将每一路的输出以反馈的形式，加到下一个振荡单元的输入，通过这个方法，连成一个如图2的反馈环路，就可以得到等相位间隔的多路振荡信号。

整流电路的功能，是将振荡器所产生的八路等相位间隔振荡信号滤去下半波，只留下上半波。然后将相位差为180°的两路振荡信号通过整流之后叠加在一起，得到四路叠加后的信号。这四路信号再通过滤波电路，就得到了差分正交信号。最终的四路信号频率是先前八路振荡器频率的二倍，所以，通过整流叠加滤波这个结构，不仅可以得到正交信号，更加可以获取二次谐波，提高输出信号的频率。

实施方法

1、正交谐波频率产生原理。如图1所示，整个电路由多项振荡器，整流器，叠加器和滤波器组成，能够产生差分正交的谐波振荡信号。图中的振荡电路主要由多相位振荡器，产生特定的间隔相同相位的振荡信号；整流器，产生特定半周信号；叠加电路用于产生正交的谐波信号；滤波器，用于滤除其他谐波成分。以正交的二次谐波正交信号产生为例，说明工作原理。图1中多相振荡器产生八个相位彼此相差π/4,即：

a＝sinωtb＝sin(ωt+π/4)c＝sin(ωt+π/2)d＝sin(ωt+3π/4)

e＝sin(ωt+π)f＝sin(ωt+5π/4)g＝sin(ωt+3π/2)h＝sin(ωt+7π/4)

整流叠加之后，A＝a+e,B＝b+f,C＝c+g,D＝d+h。

$A=\left|\sin \mathrm{\ωt}\right|=\frac{4}{\mathrm{\π}}(\frac{1}{2}-\frac{1}{3}\cos 2\mathrm{\ωt}-\frac{1}{15}\cos 4\mathrm{\ωt}-\frac{1}{35}\cos 6\mathrm{\ωt}+...)$

提取亚谐波项 $A=\left|\sin \mathrm{\ωt}\right|=\frac{4}{\mathrm{\π}}(-\frac{1}{3}\cos 2\mathrm{\ωt})$

$B=|\sin \mathrm{\ωt}+\frac{\mathrm{\π}}{4}|=\frac{4}{\mathrm{\π}}(\frac{1}{2}+\frac{1}{3}\sin 2\mathrm{\ωt}+\frac{1}{15}\cos 4\mathrm{\ωt}-\frac{1}{35}\sin 6\mathrm{\ωt}+...)$

提取亚谐波项 $B=|\sin \mathrm{\ωt}+\frac{\mathrm{\π}}{4}|=\frac{4}{\mathrm{\π}}\left(\frac{1}{3}\sin 2\mathrm{\ωt}\right)$

$C=\left|\cos \mathrm{\ωt}\right|=\frac{4}{\mathrm{\π}}\left\{\frac{1}{2}+\frac{1}{3}\cos 2\mathrm{\ωt}-\frac{1}{15}\cos 4\mathrm{\ωt}+\frac{1}{35}\cos 6\mathrm{\ωt}+...\right\}$

提取亚谐波项 $C=\left|\cos \mathrm{\ωt}\right|=\frac{4}{\mathrm{\π}}\left(\frac{1}{3}\cos 2\mathrm{\ωt}\right)$

$D=|\cos \mathrm{\ωt}+\frac{\mathrm{\π}}{4}|=\frac{4}{\mathrm{\π}}(\frac{1}{2}-\frac{1}{3}\sin 2\mathrm{\ωt}+\frac{1}{15}\cos 4\mathrm{\ωt}+\frac{1}{35}\sin 6\mathrm{\ωt}+...)$

提取亚谐波项 $D=|\cos \mathrm{\ωt}+\frac{\mathrm{\π}}{4}|=\frac{4}{\mathrm{\π}}(-\frac{1}{3}\sin 2\mathrm{\ωt})$

可以看出，ABCD四路振荡信号均为相等幅度的二次谐波，它们之间的相位关系为：A和C互为差分，B和D互为差分，A和D是正交关系，B和C是正交关系，产生了二次谐波差分正交振荡信号。

2、八个相位彼此相差π/4的振荡信号产生

八相位振荡器是由四个完全相同的负阻振荡单元交叉耦合而成。图3所示的是耦合行为模型。可以通过分析耦合行为模型，推导输出π/4度相位差的原理。图中四个固定振荡频率的振荡器，其输出端信号耦合到输入端，m_n是耦合系数，G_n是振荡器的开环增益，振荡器的振荡频率是ω₀，X、Y、Z、W是相位形式的振荡器输出。可以得到下面的式子：

X＝(m₄W+X)G₁(jω₀)

Y＝(m₁X+Y)G₂(jω₀)

Z＝(m₂Y+Z)G₃(jω₀)

W＝(-m₃Z+W)G₄(jω₀)

j是复数虚部的单位，因为四个振荡器是完全相同的，所以G₁=G₂=G₃=G₄=G、m₁=m₂=m₃=m₄=m，由此可以进一步得到式子：

$X=e^{\±\frac{\mathrm{\π}}{4}}\·Y$

$Y=e^{\±\frac{\mathrm{\π}}{2}}\·W$

$Z=e^{\±\frac{\mathrm{\π}}{2}}\·X$

$W=e^{\±\frac{\mathrm{\π}}{4}}\·Z$

通过最终得到的式子可以看出，X、Y、Z、W之间存在π4的相位差。

3、实施电路

图4是八相位振荡器的电路图。M5—M20实现的是四个振荡单元的负阻。M1—M4实现的是电流源，虽然电流源的使用会引起闪烁噪声进而使得相位噪声特性变差，但是电流源有固定各节点偏压的作用，同时还可以防止共振腔的Q值下降。压控振荡器对于供电电位比接地电位要敏感，所以电流源采用的是PMOS电流源，这样可以有效的减小输出振荡频率对于供电电压的敏感度。M21—M28实现的是叠加耦合。每个负阻振荡单元由7个MOSFET构成，本电路中所有PMOS的衬底接电源，所有NMOS的衬底接地。第1个PMOS的源极接电源，第1个PMOS的栅极接偏置电压，第1个PMOS的漏极接第2个、第3个PMOS的源极；第2个PMOS的栅极接第3个PMOS的漏极，第3个PMOS的栅极接第2个PMOS的漏极，第2个和第3个PMOS的漏极之间设置一个电感；第4个NMOS的漏极接第2个PMOS的漏极，第5个NMOS的漏极接第3个PMOS的漏极，第4个NMOS的栅极接第5个NMOS的源极，第5个NMOS的栅极接第4个NMOS的源极；第4个NMOS的源极接第6个NMOS的漏极，第5个NMOS的源极接第7个NMOS的漏极，第6个、第7个NMOS的源极共同接地。

图5为产生的差分二次谐波正交振荡信号示意图。

参考文献

[1]DaquanHuang;LaRocca,T.R.;Samoska,L.;Fung,A.;Chang,M.-C.F,324GHzCMOSFrequencyGeneratorUsingLinearSuperpositionTechnique.Solid-StateCircuitsConference,2008.ISSCC2008.:2008,Page(s):476–629

[2]DaquanHuang;LaRocca,T.R.;Chang,M.-C.F.;Samoska,L.;Fung,A.;Campbell,R.L.;Andrews,M.,TerahertzCMOSFrequencyGeneratorUsingLinearSuperpositionTechnique,Solid-StateCircuits,IEEEJournalofVolume:43,Issue:12,2008,Page(s):2730–2738。

Claims (4)

1.一种CMOS太赫兹正交谐波振荡信号的产生电路，其特征是，由依次相连的多项振荡器，整流器，叠加器和滤波器组成，多项振荡器用于产生特定的间隔相同相位的振荡信号，是由四个完全相同的负阻振荡单元交叉耦合而成；整流器，用于将振荡器所产生的等相位间隔振荡信号滤去下半波，只留下上半波；叠加电路用于将通过整流之后相位差为180°的两路振荡信号叠加在一起；滤波器，用于滤除其他谐波成分。

2.如权利要求1所述的CMOS太赫兹正交谐波振荡信号的产生电路，其特征是，每个负阻振荡单元由7个MOSFET构成，本电路中所有PMOS的衬底接电源，所有NMOS的衬底接地，第1个PMOS的源极接电源，第1个PMOS的栅极接偏置电压，第1个PMOS的漏极接第2个、第3个PMOS的源极；第2个PMOS的栅极接第3个PMOS的漏极，第3个PMOS的栅极接第2个PMOS的漏极，第2个和第3个PMOS的漏极之间设置一个电感；第4个NMOS的漏极接第2个PMOS的漏极，第5个NMOS的漏极接第3个PMOS的漏极，第4个NMOS的栅极接第5个NMOS的源极，第5个NMOS的栅极接第4个NMOS的源极；第4个NMOS的源极接第6个NMOS的漏极，第5个NMOS的源极接第7个NMOS的漏极，第6个、第7个NMOS的源极共同接地。

3.一种CMOS太赫兹正交谐波振荡信号的产生方法，其特征是，包括下列步骤：

采用多相振荡器产生八个相位彼此相差π/4,即：

a＝sinωtb＝sin(ωt+π/4)c＝sin(ωt+π/2)d＝sin(ωt+3π/4)

e＝sin(ωt+π)f＝sin(ωt+5π/4)g＝sin(ωt+3π/2)h＝sin(ωt+7π/4)

整流叠加之后，A＝a+e,B＝b+f,C＝c+g,D＝d+h；

$A=\left|sin\mathrm{\ω}t\right|=\frac{4}{\mathrm{\π}}(\frac{1}{2}-\frac{1}{3}cos2\mathrm{\ω}t-\frac{1}{15}cos4\mathrm{\ω}t-\frac{1}{35}cos6\mathrm{\ω}t+...)$

提取亚谐波项 $A=\left|sin\mathrm{\ω}t\right|=\frac{4}{\mathrm{\π}}(-\frac{1}{3}cos2\mathrm{\ω}t)$

$B=|sin\mathrm{\ω}t+\frac{\mathrm{\π}}{4}|=\frac{4}{\mathrm{\π}}(\frac{1}{2}+\frac{1}{3}sin2\mathrm{\ω}t+\frac{1}{15}cos4\mathrm{\ω}t-\frac{1}{35}sin6\mathrm{\ω}t+...)$

提取亚谐波项 $B=|sin\mathrm{\ω}t+\frac{\mathrm{\π}}{4}|=\frac{4}{\mathrm{\π}}\left(\frac{1}{3}sin2\mathrm{\ω}t\right)$

$C=\left|cos\mathrm{\ω}t\right|=\frac{4}{\mathrm{\π}}\{\frac{1}{2}+\frac{1}{3}cos2\mathrm{\ω}t-\frac{1}{15}cos4\mathrm{\ω}t+\frac{1}{35}cos6\mathrm{\ω}t+...\}$

提取亚谐波项 $C=\left|cos\mathrm{\ω}t\right|=\frac{4}{\mathrm{\π}}\left(\frac{1}{3}cos2\mathrm{\ω}t\right)$

$D=|cos\mathrm{\ω}t+\frac{\mathrm{\π}}{4}|=\frac{4}{\mathrm{\π}}(\frac{1}{2}-\frac{1}{3}sin2\mathrm{\ω}t+\frac{1}{15}cos4\mathrm{\ω}t+\frac{1}{35}sin6\mathrm{\ω}t+...)$

提取亚谐波项 $D=|cos\mathrm{\ω}t+\frac{\mathrm{\π}}{4}|=\frac{4}{\mathrm{\π}}(-\frac{1}{3}sin2\mathrm{\ω}t)$

ABCD四路振荡信号均为相等幅度的二次谐波，它们之间的相位关系为：A和C互为差分，B和D互为差分，A和D是正交关系，B和C是正交关系，从而产生了二次谐波差分正交振荡信号。

4.如权利要求3所述的CMOS太赫兹正交谐波振荡信号的产生方法，其特征是，八个相位彼此相差π/4的振荡信号的产生是借用八相位振荡器实现，八相位振荡器是由四个完全相同的负阻振荡单元交叉耦合而成，四个固定振荡频率的振荡器，其输出端信号耦合到输入端，m_n是耦合系数，G_n是振荡器的开环增益，振荡器的振荡频率是ω₀，X、Y、Z、W是相位形式的振荡器输出，得到下面的式子

X＝(m₄W+X)G₁(jω₀)

Y＝(m₁X+Y)G₂(jω₀)

Z＝(m₂Y+Z)G₃(jω₀)

W＝(-m₃Z+W)G₄(jω₀)

j是复数虚部的单位，因为四个振荡器是完全相同的，所以G₁＝G₂＝G₃＝G₄＝G、m₁＝m₂＝m₃＝m₄＝m，由此可以进一步得到式子：

$X=e^{\±\frac{\mathrm{\π}}{4}}\·Y$

$Y=e^{\±\frac{\mathrm{\π}}{2}}\·W$

$Z=e^{\±\frac{\mathrm{\π}}{2}}\·X$

$W=e^{\±\frac{\mathrm{\π}}{4}}\·Z$

通过最终得到的式子得到：X、Y、Z、W之间存在π/4的相位差。