CN104202044A - 一种差分推-推压控振荡器及信号产生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种差分推-推压控振荡器及信号产生装置，包括一个正交振荡器、两个谐波选择元件、两个倍频电路和一个功率合成元件。正交振荡器产生正交两路及各次谐波信号，两个谐波选择元件用于提取振荡器两路输出信号中的二次谐波，生成差分的推-推信号输出；两路倍频电路用于对该信号进行倍频，生成同相的二倍频信号；功率合成元件实现两路同相信号功率的合成，形成单端信号源输出。该信号源利用谐波抽取和倍频的方式实现了差分的推-推压控振荡器输出，提高了信号的输出频率，利用正交两路震荡信号结合功率合成的方式提高了信号的输出功率。

Description

一种差分推-推压控振荡器及信号产生装置

技术领域

本发明属于微电子学技术领域，涉及一种差分推-推压控振荡器及信号产生装置。

背景技术

太赫兹(TeraHertz, THz)波是指频率在0.1～10THz(波长0.03-3mm)范围内的电磁波，其波段介于微波与远红外光之间，是电磁波频谱中有待研究的最后一个频谱窗口。太赫兹波结合了微波和红外光波的诸多优点，具有很多特殊的性质，如瞬态性、宽带性、相干性和很好的穿透性等，因此太赫兹频段在医学成像、高速无线通信、雷达遥感探测、反恐缉毒等领域具有重大的应用前景和独特的优势。     

太赫兹源是实现太赫兹应用的瓶颈，基于光子学和真空电子学的太赫兹源具有输出波长短、辐射功率高等优点，在远距离成像和非破坏高穿透波普研究等领域得到应用；但存在所需设备的体积庞大、能耗高、输出稳定性差等缺点，应用领域受到限制。随着半导体工艺的进步和器件性能的快速提高，太赫兹固态分立电路或固态单片集成电路成为实现高稳定、可调谐、小型化太赫兹源的有效方式。但受现有工艺和器件特性的限制，固态太赫兹源中压控振荡器的输出频率受限，其频率由有源器件的截止频率f_T决定。为了在特定工艺下实现更高的输出频率，可以采用推-推结构的压控振荡器形式，该结构中输出信号为振荡器震荡信号的二次谐波，振荡器中的有源器件工作在输出信号频率的1/2处，因此输出信号的频率得以大大提高；但该结构的输出输出信号为单端信号，实际的应用如作为接收机中混频器的本振信号或锁相环中预分频器的输入信号都需要差分信号；另外，由于输出信号为震荡信号中的二次谐波，器功率较小，无法满足实际的应用要求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种差分推-推压控振荡器及信号产生装置。利用正交振荡器结合谐波抽取、倍频和功率合成技术，在现有工艺条件下实现差分形式和更高频率、更高功率输出的信号源。

本发明包括一个正交振荡器、两个谐波选择元件、两个倍频电路和一个功率合成元件，正交振荡器和谐波选择元件构成差分推-推压控振荡器，正交振荡器产生两路正交信号(0^o、180^o和90^o、270^o)及各次谐波信号，两个谐波选择元件分别连接正交振荡器的输出，用于提取振荡器输出信号中的二次谐波，生成差分输出信号，分别输出到差分推-推压控振荡器的同相输出端和反相输出端；两个倍频电路和功率合成元件构成倍频器，第一倍频电路的输入端作为倍频器的同相输入端，与差分推-推压控振荡器的同相输出端连接，作为信号源差分输出的同相输出端；第二倍频电路的输入端作为倍频器的反相输入端，与差分推-推压控振荡器的反相输出端连接,同时作为信号源差分输出的反相输出端；两路倍频电路用于对输入信号进行倍频，生成同相的二倍频信号；功率合成元件的第一信号输入端与第一倍频电路的信号输出端连接，功率合成元件的第二信号输入端与第二倍频电路的信号输出端连接；功率合成元件的信号输出端作为倍频器和信号源的单端信号输出端； 

所述差分推-推压控振荡器包括一个正交振荡器和两个谐波选择元件；第一NMOS管的栅极、第二NMOS管的漏极、第二耦合管的漏极、第二变容管的一端和第二电感的一端连接，作为第一电容电感型压控振荡器的第一输出端；第二NMOS管的栅极、第一NMOS管的漏极、第一耦合管的漏极、第一变容管的一端和第一电感的一端连接，作为第一电容电感型压控振荡器的第二输出端；第一变容管的另一端与第二变容管的另一端连接，作为外部电压控制端；第一NMOS管、第二NMOS管、第一耦合管和第二耦合管的源极接地；第一耦合管的栅极接第二电容电感型压控振荡器的第二输出端；第二耦合管的栅极接第二电容电感型压控振荡器的第一输出端；第一谐波选择元件的一端接电源VDD；第一电感的另一端、第二电感的另一端与第一谐波选择元件的另一端连接，作为差分推-推压控振荡器电路的同相输出端； 

第三NMOS管的栅极、第四NMOS管的漏极、第四耦合管的漏极、第四变容管的一端和第四电感的一端连接，作为第二电容电感型压控振荡器的第一输出端；第四NMOS管的栅极、第三NMOS管的漏极、第三耦合管的漏极、第三变容管的一端和第三电感的一端连接，作为第二电容电感型压控振荡器的第二输出端；第三变容管的另一端与第四变容管的另一端连接，作为外部电压控制端；第三NMOS管、第四NMOS管、第三耦合管和第四耦合管的源极接地；第三耦合管的栅极接第一电容电感型压控振荡器的第一输出端；第四耦合管的栅极接第一电容电感型压控振荡器的第二输出；第二谐波选择元件的一端连接电源VDD；第三电感的另一端、第四电感的另一端与第二谐波选择元件的另一端连接，作为差分推-推压控振荡器电路的反相输出端。

所述倍频电路包括两条金属条和两个变容管；第一金属条的一端口作为倍频电路的信号输入端，第一金属条的另一端口接地；第二金属条的第一端口与第五变容管的一端连接，第二金属条的第二端口与第六变容管的一端连接；第二金属条的第三端口作为倍频电路的信号输出端；第五变容管的另一端、第六变容管的另一端接地。

所述功率合成元件为一三端口金属条；该金属条第一端口、第二端口分别作为功率合成元件的第一信号输入端和第二信号输入端；该金属条第三端口作为功率合成元件的信号输出端。

该信号源采用谐波抽取作为压控振荡器的输出方式，使振荡器的输出频率远远高于有源器件的工作频率；同时，利用正交振荡器正交两路输出信号的相位关系并结合谐波选择元件，实现了差分的推-推压控振荡器输出；在差分推-推压控振荡器的基础上，利用无源倍频电路进一步提高输出信号的频率；结合倍频后两路信号同相的特点，利用功率合成技术提高输出信号的功率；最终使特定工艺下信号源输出信号的频率和功率得到提高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中差分推-推压控振荡器1的结构示意图；

图3为图1中倍频电路的结构示意图；

图4为图1中功率合成元件的结构示意图；

图5为图1中倍频器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

本发明提供一种差分推-推压控振荡器及信号产生装置，利用正交振荡器结合谐波抽取、无源倍频和功率合成技术，在现有工艺条件下实现更高频率和更高功率输出的信号源。如图1所示，本发明包括一个正交振荡器3、两个谐波选择元件4/5、两个倍频电路6/7和一个功率合成元件8。根据本发明，正交振荡器3和谐波选择元件4/5构成差分推-推压控振荡器1，正交振荡器3产生两路正交信号(0^o、180^o和90^o、270^o)及各次谐波信号，两个谐波选择元件4/5分别连接正交振荡器3的两路输出，用于提取振荡器3两路输出信号中的二次谐波，生成差分输出信号，分别输出到差分推-推压控振荡器1的同相输出端Vout+和反相输出端Vout-；倍频电路和功率合成元件构成倍频器，第一倍频电路6的输入端RFin作为倍频器2的同相输入端RFin+，与差分推-推压控振荡器1的同相输出端Vout+连接，同时作为信号源差分输出的同相输出端Vout_f；第二倍频电路7的输入端RFin+作为倍频器2的反相输入端RFin-，与差分推-推压控振荡器1的反相输出端连接Vout-,同时作为信号源差分输出的反相输出端Voutb_f；两路倍频电路用于对输入信号进行倍频，生成同相的二倍频输出信号；功率合成元件8的第一信号输入端V1与第一倍频电路6的信号输出端RFout连接，功率合成元件8的第二信号输入端V2与第二倍频电路7的信号输出端RFout连接；功率合成元件8的信号输出端V3作为倍频器和信号源的单端信号输出端Vout_2f；

所述差分推-推压控振荡器1包括一个正交压控振荡器和两个谐波选择元件，如图2所示；第一NMOS管MN1的栅极、第二NMOS管MN2的漏极、第二耦合管MNC2的漏极、第二变容管Cvar2的一端和第二电感L2的一端连接，作为第一电容电感型压控振荡器的第一输出端I+；第二NMOS管MN2的栅极、第一NMOS管MN1的漏极、第一耦合管MNC1的漏极、第一变容管Cvar1的一端和第一电感L1的一端连接，作为第一电容电感型压控振荡器的第二输出端I-；第一变容管Cvar1的另一端与第二变容管Cvar2的另一端连接，作为外部电压控制端Vtune；第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第一耦合管MNC1和第二耦合管MNC2的源极接地；第一耦合管MNC1的栅极接第二电容电感型压控振荡器的第二输出端Q-；第二耦合管MNC2的栅极接第二电容电感型压控振荡器的第一输出端Q+；第一谐波选择元件T1的一端连接电源VDD；第一电感L1的另一端、第二电感L2的另一端与第一谐波选择元件T1的另一端连接，作为差分推-推压控振荡器电路1的同相输出端Vout+。 

第三NMOS管MN3的栅极、第四NMOS管MN4的漏极、第四耦合管MNC4的漏极、第四变容管Cvar4的一端和第四电感L4的一端连接，作为第二电容电感型压控振荡器的第一输出端Q+；第四NMOS管MN4的栅极、第三NMOS管MN3的漏极、第三耦合管MNC3的漏极、第三变容管Cvar3的一端和第三电感L3的一端连接，作为第二电容电感型压控振荡器的第二输出端Q-；第三变容管Cvar3的另一端与第四变容管Cvar4的另一端连接，作为外部电压控制端Vtune；第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4、第三耦合管MNC3和第四耦合管MNC4的源极接地；第三耦合管MNC3的栅极接第一电容电感型压控振荡器的第一输出端I+；第四耦合管MNC4的栅极接一电容电感型压控振荡器的第二输出端I-；第二谐波选择元件T1的一端连接电源VDD；第三电感L3的另一端、第四电感L4的另一端与第二谐波选择元件T2的另一端连接，作为差分推-推压控振荡器电路1的反相输出端Vout-。

所述倍频电路6/7包括两条金属条T3/T4和两个变容管Cvar5/Cvar6，如图3所示；第一金属条T3的一端口作为倍频电路的信号输入端RFin，第一金属条T3的另一端口接地；第二金属条T4的第一端口与第五变容管Cvar5的一端连接，第二金属条T4的第二端口与第六变容管Cvar6的一端连接；第二金属条T4的第三端口作为倍频电路的信号输出端RFout；第五变容管Cvar5的另一端、第六变容管Cvar6的另一端接地。

所述功率合成元件8为一三端口金属条T5，如图4所示；该金属条第一端口V1、第二端口V2作为功率合成元件的信号输入端；该金属条第三端口V3作为功率合成元件的信号输出端。

上述倍频电路6/7和功率合成元件8构成倍频器2，如图5所示。

上述差分推-推压控振荡器电路1中，由于正交压控振荡器3两路的基频信号相位为0^o、180^o和90^o、270^o，相应的二次谐波相位为0^o和180^o，形成差分推-推输出；谐波选择元件T1和T2采用传输线实现，其长度依据信号源输出信号Vout的频率来选取，假设信号源输出信号Vout的频率为f，则正交压控振荡器3的震荡频率为f/4，二次谐波的频率为f/2；相应的谐波选择元件T1和T2的长度为f/2频率处信号波长的1/4，使二次谐波在谐波选择元件T1和T2的一端看到到地的阻抗为无穷大，实现二次谐波的有效输出。

上述倍频电路2中，变容管Cvar5/Cvar6/Cvar7/Cvar8采用积累型变容管(A-MOS)，由于载流子为多子，其截止频率相比少子作载流子的MOS管要高2～3倍，因此基于A-MOS变容管的无源倍频电路可以工作在更高的频率。金属条T3的长度为输入信号RFin波长的1/2，使输入端看进去的阻抗为零，实现输入信号的有效传输；输入信号RFin通过巴伦耦合生成两路差分信号注入到金属条T4中，由于结构的对称性，A点对差分信号来说为虚地点；如图3所示，选择TL3的长度为输入信号RFin波长的1/4，通过长度为输入信号频率处波长的1/4的TL3的阻抗变换，使差分信号全部注入到变容管，实现了输入信号的有效注入、输入端和输出端的有效隔离。对倍频输出信号来说，由于输入信号为差分信号，倍频输出信号为同相信号，其信号流向如图3所示。两路同相倍频信号在B端相遇后被返回，只有极少的能量通过TL0和输入线间的寄生电容耦合泄漏出去，在A点相遇的倍频信号通过输出端口输出。两路倍频电路的输出信号再通过T形传输线结构金属条T5功率合成后输出Vout，实现了输出信号的有效传输、输出端和输入端的有效隔离。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例做了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应该被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替换都将是显而易见的。

Claims (2)

1. 一种差分推-推压控振荡器及信号产生装置，包括一个正交振荡器、两个谐波选择元件、两个倍频电路和一个功率合成元件，其特征在于：     所述正交振荡器和谐波选择元件构成差分推-推压控振荡器，正交振荡器产生两路正交信号及各次谐波信号，两个谐波选择元件分别连接正交振荡器的输出，用于提取振荡器输出信号中的二次谐波，生成差分输出信号，分别输出到差分推-推压控振荡器的同相输出端和反相输出端；

所述两个倍频电路和功率合成元件构成差分输入、单端输出的倍频器，第一倍频电路的输入端作为倍频器的同相输入端，与差分推-推压控振荡器的同相输出端连接，同时作为信号源差分输出的同相输出端；第二倍频电路的输入端作为倍频器的反相输入端，与差分推-推压控振荡器的反相输出端连接，同时作为信号源差分输出的同相输出端；两路倍频电路用于对输入信号进行倍频，生成同相的二倍频信号；功率合成元件的第一信号输入端与第一倍频电路的信号输出端连接，功率合成元件的第二信号输入端与第二倍频电路的信号输出端连接；功率合成元件的信号输出端作为倍频器和信号源的单端信号输出端。

2.如权利要求1所述的一种差分推-推压控振荡器及信号产生装置，其特征在于：所述的差分推-推压控振荡器包括一个正交振荡器和两个谐波选择元件；所述的正交振荡器包括第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第一耦合管、第二耦合管、第三耦合管、第四耦合管、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第一耦合管、第二耦合管、第三耦合管、第四耦合管、第一变容管、第二变容管、第三变容管和第四变容管，所述的第一NMOS管的栅极、第二NMOS管的漏极、第二耦合管的漏极、第二变容管的一端和第二电感的一端连接，作为第一电容电感型压控振荡器的第一输出端；第二NMOS管的栅极、第一NMOS管的漏极、第一耦合管的漏极、第一变容管的一端和第一电感的一端连接，作为第一电容电感型压控振荡器的第二输出端；第一变容管的另一端与第二变容管的另一端连接，作为外部电压控制端；第一NMOS管、第二NMOS管、第一耦合管和第二耦合管的源极接地；第一耦合管的栅极接第二电容电感型压控振荡器的第二输出端；第二耦合管的栅极接第二电容电感型压控振荡器的第一输出端；第一谐波选择元件的一端接电源VDD；第一电感的另一端、第二电感的另一端与第一谐波选择元件的另一端连接，作为差分推-推压控振荡器电路的同相输出端； 

第三NMOS管的栅极、第四NMOS管的漏极、第四耦合管的漏极、第四变容管的一端和第四电感的一端连接，作为第二电容电感型压控振荡器的第一输出端；第四NMOS管的栅极、第三NMOS管的漏极、第三耦合管的漏极、第三变容管的一端和第三电感的一端连接，作为第二电容电感型压控振荡器的第二输出端；第三变容管的另一端与第四变容管的另一端连接，作为外部电压控制端；第三NMOS管、第四NMOS管、第三耦合管和第四耦合管的源极接地；第三耦合管的栅极接第一电容电感型压控振荡器的第一输出端；第四耦合管的栅极接第一电容电感型压控振荡器的第二输出；第二谐波选择元件的一端连接电源VDD；第三电感的另一端、第四电感的另一端与第二谐波选择元件的另一端连接，作为差分推-推压控振荡器电路的反相输出端。