CN104333329B - 一种注入增强型低功耗宽锁定范围的注入锁定三倍频器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于射频集成电路领域，具体为一种注入增强型低功耗宽锁定范围的注入锁定三倍频器电路。该电路由谐波发生器、旁路电流源和注入锁定振荡器组成。谐波发生器由一对NMOS管构成，利用MOS管的非线性特性，输入频率为的基频信号，产生三次谐波信号3注入振荡器；旁路电流源由一对PMOS管构成，其栅端偏置于合适的直流电压，作为直流电流源，对振荡器进行合适的分流，提高了谐波注入效率；注入锁定振荡器由一对交叉耦合晶体管、电感、电容、数字控制电容阵列组成，其中心频率在 3附近。本发明提高了谐波注入效率，在基本不增加功耗的情况下，相较于传统的注入锁定三倍频器，极大地扩展了锁定范围。
Description
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种应用于射频频率综合器的注入增强型低功耗宽锁定范围的注入锁定三倍频器（Injection Locked Frequency Tripler,ILFT）。
背景技术
在毫米波通信中，有两种产生本振信号的方式：第一种，用直接工作在所需频率的锁相环提供本振信号；第二种，用一个低频锁相环后接一个倍频器来提供本振信号。锁相环中最重要的部分是压控振荡器（VCO）的设计，如果采用第一种产生本振信号的方式，由于在高频下MOS管以及电感、电容性能的恶化，很难设计一个满足通信系统要求的高性能压控振荡器（VCO）；另一方面，高频的压控振荡器会消耗很大的功耗，而紧跟压控振荡器的第一级分频器由于工作在高频也会消耗很大的功耗，使得系统功耗大大增加。采用第二种提供本振信号的方式，一方面压控振荡器工作在较低的频率下，使得其相噪、功耗和调谐范围等性能有较好表现；另一方面，第一级分频器工作在较低频率下也能降低功耗。因此，低频锁相环后接一个倍频器的结构在毫米波通信系统中广泛使用，常用的倍频器有二倍频器、三倍频器和四倍频器三种，三倍频器相较于二倍频器的频率源频率更低，因而性能更好，而由于器件的四次谐波的比率很小导致四倍频器的锁定范围很窄，应用受限，所以三倍频器应用更加广泛。
注入锁定三倍频器的锁定范围可以表示为 （表示注入锁定三倍频器的自振频率，表示锁定频率），由此可见，三次谐波的注入比率（，其中表示三次谐波信号的大小，表示振荡器的偏置电流大小）决定了三倍频器的锁定范围，三次谐波的注入比率越大锁定范围就越宽。传统的注入锁定三倍频器如图1所示，基频信号输入注入管NMOS管（M1和M2），利用NMOS管（M1和M2）的非线性特性产生三次谐波，MOS管的非线性特性决定了这样产生的三次谐波的注入比率是很小的，所以很难实现较宽的锁定范围。为了提高注入效率，需要增加注入管的尺寸，同时这也意味着需要消耗更大的功耗。所以传统结构的注入锁定三倍频器很难同时满足宽锁定范围和低功耗。
发明内容
本发明的目的是设计一种低功耗、宽锁定范围的注入锁定三倍频器。
本发明设计的三倍频器，是一种基于注入锁定技术的三倍频电路，如图2所示。电路由谐波发生器、旁路电流源和注入锁定振荡器三部分组成；其中，所述的谐波发生器由一对NMOS管（M1和M2）组成，利用一对NMOS管（M1和M2）的非线性特性，输入频率为的基频信号产生频率为3的三次谐波信号；所述的旁路电流源，由一对PMOS管（M3和M4）组成，其栅端输入可以有两种方式：第一种，栅端偏置于合适的直流电压，旁路电流源（M3和M4）作为直流电流源，对振荡器进行分流；第二种，在栅端加上一个合适的直流电压的同时，输入频率为的基频信号，利用一对PMOS管（M3和M4）的非线性，产生频率为的三次谐波信号在漏端口注入到注入锁定振荡器；所述的注入锁定振荡器包括：一对交叉耦合晶体管（M5和M6）、电感（L1）、两个电容（C1、C2）和数字控制电容阵列（DCCA），其中，一对交叉耦合晶体管（M5和M6）组成负阻，抵消谐振腔中的阻抗部分，电感（L1）和两个电容（C1、C2）组成一个片上电感电容谐振腔。
这三部分的连接方式是：一对交叉耦合管（M5和M6）、数字控制电容阵列（DCCA）、谐振腔并联连接；谐波发生器的一对NMOS管（M1和M2）、旁路电流源的一对PMOS管（M3和M4）的漏端连接到一对交叉耦合管（M5和M6）的源端，谐波发生器的一对NMOS管（M1和M2）的源端连接到地电位，旁路电流源的一对PMOS管（M3和M4）的源端连接到电源电压。
由上可见，本发明的注入锁定三倍频器电路，包括：
两个NMOS管（M1和M2）组成的谐波产生器；
两个PMOS管（M3和M4）组成的旁路电流源；
两个NMOS管（M5和M6）交叉耦合连接成的负阻；
一个片上电感电容（L1、C1和C2）谐振腔；
用来改变谐振腔谐振频率的数字控制电容阵列（DCCA）；
本发明的主要特征和工作原理：
本发明的主要特征在于，修改了注入锁定三倍频器的经典电路结构，在注入锁定振荡器旁并联旁路电流源（M3和M4）。
该旁路电流源的栅端输入可以有两种方式：
第一种，栅端输入为直流电压，此时旁路电流源作为直流电流源，对注入锁定振荡器进行分流，减小了注入振荡器的直流电流大小(对注入到注入锁定振荡器的电流进行傅里叶分解，表示其中的直流分量大小，表示其中三次谐波分量大小)，而对注入振荡器的三次谐波信号大小基本没影响，从而提高了注入振荡器的三次谐波注入比率（）；保持谐波发生器（M1和M2）尺寸与传统注入锁定三倍频器中谐波发生器尺寸相同的情况下，相对于传统的注入锁定三倍频器，本发明中注入振荡器的直流电流更小，三次谐波的注入比率更大，所以在基本不增加功耗的前提下，本发明的注入锁定三倍频器的锁定范围更宽。
第二种，在栅端加上一个合适的直流电压的同时，输入频率为的基频信号，M3管的输入基频信号相位与M1管输入基频信号相位相同，M4管的输入基频信号相位与M2管输入基频信号相位相同，此时旁路电流源既能对从谐波发生器（M1和M2）注入振荡器的直流电流进行分流，减小了注入振荡器的直流电流大小，又能利用NMOS管（M3和M4）的非线性，产生三次谐波信号3在漏端口注入到注入振荡器，增大了注入振荡器总的三次谐波信号的大小，相对于第一种方式进一步提高了注入振荡器的三次谐波注入比率（）。
传统的注入锁定三倍频器，为了得到较宽的锁定范围，需要提高三次谐波注入比率，因此需要增加谐波发生器的尺寸，更大的谐波发生器的尺寸也就意味着更大的功耗，本发明的注入增强型注入锁定三倍频器，只需一个相对较小的谐波发生器尺寸，就能实现一个较大的三次谐波注入比率，得到较宽的锁定范围，所以本发明的注入增强型注入锁定三倍频器相较于传统的三倍频器消耗更少的功耗。此外，本发明的谐波发生器偏置在弱反型区，直流功耗非常低。
综上所述，本发明的注入锁定三倍频器有两种输入信号状态，相对于传统的注入锁定三倍频器，均有更低的功耗，实现更宽的锁定范围，而且，第二种状态有比第一种状态更宽的锁定范围。
附图说明
图1 传统结构的注入锁定三倍频电路原理图。
图2 本发明提出的注入增强型注入锁定三倍频电路原理图。
图3 仿真得到的注入锁定三倍频器的输出频谱，其中，（a）自激振荡输出频率频谱图@25.2GHz，（b）旁路电流源栅端直流偏置时，锁定频率的频谱图@25.2GHz，（c）旁路电流源栅端输入频率的正弦信号时，锁定频率的频谱图@25.2GHz。
图4 本发明注入增强型注入锁定三倍频器电路的输入灵敏度曲线。
具体实施方式
以一个低功耗、锁定频率范围为21GHz—26.1GHz的宽锁定范围的注入锁定三倍频器设计为例。
设计电路图如图2所示，采用TSMC 65nm RF CMOS 1P9M工艺，仿真工具为CadenceSpectreRF，采用1.2V电源电压，谐波发生器的直流偏置大概在0.35V左右，旁路电流源的直流偏置大概在0.7V左右。
其中MOS管全部采用是射频MOS管，电阻为高阻值多晶硅电阻，电容为MIM电容，电感为带有中间抽头的片上螺旋电感，第九层金属走线。
输入信号大小为1.9dBm（单端峰峰值为0.7mV）的差分信号，锁定范围21GHz—26.1GHz，最大直流功耗为5.28mA。
图3为仿真得到的输出频谱图，其中，（a）本发明三倍频器自激振荡输出频率为25.2GHz的频谱图，（b）旁路电流源栅端直流偏置时，锁定输出频率为25.2GHz的频谱图，（c）旁路电流源栅端输入频率8.4GHz正弦信号时，锁定输出频率为25.2GHz的频谱图。
图4为仿真得到的输入灵敏度曲线。本发明的三倍频器在外加输入信号为-5dBm时输出信号即可锁定。随着输入信号功率的增大，输出锁定范围增加。当输入信号大小为1.9dBm时，输出信号的锁定范围为21GHz—26.1GHz。
Claims (1)
1.一种注入增强型低功耗宽锁定范围的注入锁定三倍频器，其特征在于由谐波发生器、旁路电流源和注入锁定振荡器三部分组成；其中：
所述的谐波发生器由一对NMOS管（M1和M2）组成，利用一对NMOS管（M1和M2）的非线性特性，输入频率为的基频信号产生频率为3的三次谐波信号；
所述的旁路电流源，由一对PMOS管（M3和M4）组成，其栅端输入有两种方式：第一种，栅端偏置于合适的直流电压，旁路电流源作为直流电流源，对振荡器进行分流；第二种，在栅端加上一个合适的直流电压的同时，输入频率为的基频信号，利用一对PMOS管（M3和M4）的非线性，产生频率为的三次谐波信号在漏端口注入到注入锁定振荡器；
所述的注入锁定振荡器包括：一对交叉耦合晶体管（M5和M6）、一个电感（L1）、两个电容（C1、C2）和数字控制电容阵列（DCCA），其中，电感（L1）和两个电容（C1、C2）组成一个片上电感电容谐振腔，一对交叉耦合晶体管（M5和M6）组成负阻，抵消谐振腔中的阻抗部分；
一对交叉耦合晶体管（M5和M6）、数字控制电容阵列（DCCA）、片上电感电容谐振腔并联连接；谐波发生器的一对NMOS管（M1和M2）、旁路电流源的一对PMOS管（M3和M4）的漏端连接到一对交叉耦合晶体管（M5和M6）的源端，谐波发生器的一对NMOS管（M1和M2）的源端连接到地电位，旁路电流源的一对PMOS管（M3和M4）的源端连接到电源电压。
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