CN106067812B - 基于mems宽频带相位检测器和温度补偿电阻的锁相环 - Google Patents

基于mems宽频带相位检测器和温度补偿电阻的锁相环 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于MEMS宽频带相位检测器和温度补偿电阻的锁相环，包括MEMS宽频带相位检测器、温度补偿电阻R、直流自动增益控制AGC放大器、第一压控振荡器VCO1、第二压控振荡器VCO2、第一可变电阻R1和第二可变电阻R2。本发明的有益效果为：锁相环具有宽频带特性，可以实现对不同频率的参考信号的锁定；通过可变电阻对压控振荡器电压的控制和对直流自动增益控制AGC放大器增益的控制，实现对参考信号和反馈信号的同步调节，即便在电路存在波动的情况下也能实现锁定；具有温度补偿特性，在温度发生变化时，能够消除温度变化对锁相环状态的影响，具有温度稳定性；结构简单新颖，操作方便，与GaAs单片微波集成电路兼容。

Description

基于MEMS宽频带相位检测器和温度补偿电阻的锁相环
技术领域
本发明涉及微电子机械系统领域，尤其是一种基于MEMS宽频带相位检测器和温度补偿电阻的锁相环。
背景技术
锁相环是一种利用反馈控制原理实现频率及相位同步的技术，通过反馈系统来调节输出频率，达到输出信号与参考信号两者同频、相位差恒定的锁定状态。锁相环技术在众多领域，如无线通信、雷达、数字电视中有着广泛的应用。
现有技术中，锁相环大多是针对单个频点的锁定，无法满足宽带通讯系统的需求。此外，温度稳定性也是对锁相环的基本要求之一。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种结构合理的基于MEMS宽频带相位检测器和温度补偿电阻的锁相环，实现宽频带范围内不同频率信号的锁定，并避免温度变化对锁相环的影响。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于MEMS宽频带相位检测器和温度补偿电阻的锁相环，包括MEMS宽频带相位检测器、温度补偿电阻R、直流自动增益控制AGC放大器、第一压控振荡器VCO1、第二压控振荡器VCO2、第一可变电阻R1和第二可变电阻R2；温度补偿电阻R与直流自动增益控制AGC放大器的基极偏置电阻Rb并联；电源VE通过第一可变电阻R1加载到第一压控振荡器VCO1上，同时通过第二可变电阻R2加载到直流自动增益控制AGC放大器上；第一压控振荡器VCO1产生参考信号，通过调节第一可变电阻R1的大小改变第一压控振荡器VCO1的频率；参考信号和反馈信号分别加载到MEMS宽频带相位检测器的地线2和CPW信号线3组成的两个对称的输入端口，得到与相位差有关的直流电压V，直流电压V输入直流自动增益控制AGC放大器，放大后的信号为第二压控振荡器VCO2的控制电压VC2，第二压控振荡器VCO2的输出信号为锁相环的反馈信号；调节第二可变电阻R2的大小控制直流自动增益控制AGC放大器的增益，调节第二压控振荡器VCO2的控制电压，控制反馈信号的频率；同步调节第一可变电阻R1和第二可变电阻R2，使第一压控振荡器VCO1和第二压控振荡器VCO2的输出频率相同，完成对不同频率的参考信号的锁定。
优选的，当环境温度升高时，MEMS宽频带相位检测器输出的直流电压V变大，温度补偿电阻R及其与Rb的并联电阻也会增大，导致直流自动增益控制AGC放大器的基极电位降低，增益减小，补偿直流电压V变大带来的影响，同时调节第二可变电阻R2，使直流自动增益控制AGC放大器的输出电压VC2保持稳定，不受温度变化的影响；温度降低时，温度补偿电阻R及其与Rb的并联电阻减小，基极电位升高，直流自动增益控制AGC放大器的增益变大，补偿直流电压V变小带来的影响，同时调节第二可变电阻R2，使直流AGC放大器的输出电压VC2保持稳定，锁相环具有温度稳定性。
优选的，电源VE通过第一可变电阻R1和第二可变电阻R2分别加载到第一压控振荡器VCO1和直流自动增益控制AGC放大器上，第一压控振荡器VCO1在由第一可变电阻R1调节的控制电压VC1的控制下，输出参考信号，通过调节第一可变电阻R1，控制参考信号的频率；参考信号和反馈信号通过输入端口输入MEMS宽频带相位检测器后，首先通过功合器进行矢量合成，合成信号通过热电式功率传感器转化为与相位差有关的直流电压V，经直流输出电极11输出，此直流电压V可以表示为：其中K为与输入信号幅度有关的系数，ωref为参考信号角频率，ωback为反馈信号角频率，为固有相位差；MEMS宽频带相位检测器输出的直流电压V通过第一端口14输入至直流自动增益控制AGC放大器进行放大，放大后的直流电压VC2可以表示为：其中A为直流自动增益控制AGC放大器的增益系数，放大后的直流电压VC2为第二压控振荡器VCO2的控制电压，通过第二端口15控制第二压控振荡器VCO2的输出频率，压控振荡器输出频率ωo可以通过下式表达：通过调节第二可变电阻R2，改变直流自动增益控制AGC放大器的直流偏置电源VC实现对增益系数A的调节，从而改变第二压控振荡器VCO2的控制电压及其相应的输出信号的频率；第二压控振荡器VCO2的输出信号为锁相环的反馈信号，通过第三端口16输入MEMS宽频带相位检测器；通过同步控制第一可变电阻R1和第二可变电阻R2，可使第一压控振荡器VCO1和第二压控振荡器VCO2的输出频率相等，反馈信号和参考信号的频率一致，相位差恒定，完成锁定，得到在宽频带范围内工作的锁相环。
优选的，MEMS宽频带相位检测器在不同频率下的输出直流电压V存在波动的情况下，依然可以通过调节第一可变电阻R1和第二可变电阻R2来实现环路的锁定，使得ωback＝ωo＝ωref，锁定后的信号通过第四端口17输出。
优选的，MEMS宽频带相位检测器以GaAs1为衬底，包括功合器和热电式功率传感器，功合器包括地线2、CPW信号线3、第一ACPS传输线4、第二ACPS传输线5、第三ACPS传输线6和隔离电阻7，热电式功率传感器包括终端电阻8、热电堆半导体臂9、热电堆金属臂10、直流输出电极11；MEMS宽频带相位检测器以GaAs为衬底，地线2与CPW信号线3构成功合器的输入和输出端口，第一ACPS传输线4、第二ACPS传输线5和第三ACPS传输线6相级联，隔离电阻7分别设置在第一ACPS传输线4、第二ACPS传输线5和第三ACPS传输线6的末端，终端电阻8设置在CPW信号线3的输出端口处，热电堆半导体臂9与热电堆金属臂10依次连接，构成热电堆，直流输出电极11连接在热电堆两端。
优选的，第一ACPS传输线4的特征阻抗为Z1，第二ACPS传输线5的特征阻抗为Z2，第三ACPS传输线6的特征阻抗为Z3。
本发明的有益效果为：锁相环具有宽频带特性，可以实现对不同频率的参考信号的锁定；通过可变电阻对压控振荡器电压的控制和对直流自动增益控制AGC放大器增益的控制，实现对参考信号和反馈信号的同步调节，即便在电路存在波动的情况下也能实现锁定；具有温度补偿特性，在温度发生变化时，能够消除温度变化对锁相环状态的影响，具有温度稳定性；结构简单新颖，操作方便，与GaAs单片微波集成电路兼容。
附图说明
图1是本发明的锁相环俯视图。
图2是本发明的锁相环的A-A’向剖面图。
图3是本发明的锁相环的B-B’向剖面图。
图4是本发明的锁相环的C-C’向剖面图。
具体实施方式
如图1、2、3和4所示，一种基于MEMS宽频带相位检测器和温度补偿电阻的锁相环，包括MEMS宽频带相位检测器、温度补偿电阻R、直流自动增益控制AGC放大器、第一压控振荡器VCO1、第二压控振荡器VCO2、第一可变电阻R1和第二可变电阻R2；温度补偿电阻R与直流自动增益控制AGC放大器的基极偏置电阻Rb并联；电源VE通过第一可变电阻R1加载到第一压控振荡器VCO1上，同时通过第二可变电阻R2加载到直流自动增益控制AGC放大器上；第一压控振荡器VCO1产生参考信号，通过调节第一可变电阻R1的大小改变第一压控振荡器VCO1的频率；参考信号和反馈信号分别加载到MEMS宽频带相位检测器的地线2和CPW信号线3组成的两个对称的输入端口，得到与相位差有关的直流电压V，直流电压V输入直流自动增益控制AGC放大器，放大后的信号为第二压控振荡器VCO2的控制电压VC2，第二压控振荡器VCO2的输出信号为锁相环的反馈信号；调节第二可变电阻R2的大小控制直流自动增益控制AGC放大器的增益，调节第二压控振荡器VCO2的控制电压，控制反馈信号的频率；同步调节第一可变电阻R1和第二可变电阻R2，使第一压控振荡器VCO1和第二压控振荡器VCO2的输出频率相同，完成对不同频率的参考信号的锁定。
当环境温度升高时，MEMS宽频带相位检测器输出的直流电压V变大，温度补偿电阻R及其与Rb的并联电阻也会增大，导致直流自动增益控制AGC放大器的基极电位降低，增益减小，补偿直流电压V变大带来的影响，同时调节第二可变电阻R2，使直流自动增益控制AGC放大器的输出电压VC2保持稳定，不受温度变化的影响；温度降低时，温度补偿电阻R及其与Rb的并联电阻减小，基极电位升高，直流自动增益控制AGC放大器的增益变大，补偿直流电压V变小带来的影响，同时调节第二可变电阻R2，使直流AGC放大器的输出电压VC2保持稳定，锁相环具有温度稳定性。
电源VE通过可变电阻第一可变电阻R1和第二可变电阻R2分别加载到第一压控振荡器VCO1和直流自动增益控制AGC放大器上，第一压控振荡器VCO1在由第一可变电阻R1调节的控制电压VC1的控制下，输出参考信号，通过调节第一可变电阻R1，控制参考信号的频率；参考信号和反馈信号通过输入端口输入MEMS宽频带相位检测器后，首先通过功合器进行矢量合成，合成信号通过热电式功率传感器转化为与相位差有关的直流电压V，经直流输出电极11输出，此直流电压V可以表示为：其中K为与输入信号幅度有关的系数，ωref为参考信号角频率，ωback为反馈信号角频率，为固有相位差；MEMS宽频带相位检测器输出的直流电压V通过第一端口14输入至直流自动增益控制AGC放大器进行放大，放大后的直流电压VC2可以表示为：其中A为直流自动增益控制AGC放大器的增益系数，放大后的直流电压VC2为第二压控振荡器VCO2的控制电压，通过第二端口15控制第二压控振荡器VCO2的输出频率，压控振荡器输出频率ωo可以通过下式表达：通过调节第二可变电阻R2，改变直流自动增益控制AGC放大器的直流偏置电源VC实现对增益系数A的调节，从而改变第二压控振荡器VCO2的控制电压及其相应的输出信号的频率；第二压控振荡器VCO2的输出信号为锁相环的反馈信号，通过第三端口16输入MEMS宽频带相位检测器；通过同步控制第一可变电阻R1和第二可变电阻R2，可使第一压控振荡器VCO1和第二压控振荡器VCO2的输出频率相等，反馈信号和参考信号的频率一致，相位差恒定，完成锁定，得到在宽频带范围内工作的锁相环。
MEMS宽频带相位检测器在不同频率下的输出直流电压V存在波动的情况下，依然可以通过调节第一可变电阻R1和第二可变电阻R2来实现环路的锁定，使得ωback＝ωo＝ωref，锁定后的信号通过第四端口17输出。
MEMS宽频带相位检测器以GaAs1为衬底，包括功合器和热电式功率传感器，功合器包括地线2、CPW信号线3、第一ACPS传输线4、第二ACPS传输线5、第三ACPS传输线6和隔离电阻7，热电式功率传感器包括终端电阻8、热电堆半导体臂9、热电堆金属臂10、直流输出电极11；MEMS宽频带相位检测器以GaAs为衬底，地线2与CPW信号线3构成功合器的输入和输出端口，第一ACPS传输线4、第二ACPS传输线5和第三ACPS传输线6相级联，隔离电阻7分别设置在第一ACPS传输线4、第二ACPS传输线5和第三ACPS传输线6的末端，终端电阻8设置在CPW信号线3的输出端口处，热电堆半导体臂9与热电堆金属臂10依次连接，构成热电堆，直流输出电极11连接在热电堆两端。
第一ACPS传输线4的特征阻抗为Z1，第二ACPS传输线5的特征阻抗为Z2，第三ACPS传输线6的特征阻抗为Z3。
本发明的基于MEMS宽频带相位检测器和温度补偿电阻的锁相环的制备方法如下：
1)准备GaAs衬底：选用外延的半绝缘GaAs衬底，其中外延N+GaAs的
掺杂浓度为1018cm-3，其方块电阻值为100～130Ω/□；
2)光刻并隔离外延的N+GaAs，形成热电堆的半导体热偶臂和温度补偿电阻的图形以及欧姆接触区；
3)反刻N+GaAs，形成其掺杂浓度为1017cm-3的热电堆的半导体热偶臂和温度补偿电阻；
4)光刻：去除将要保留金锗镍/金地方的光刻胶；
5)溅射金锗镍/金，其厚度共为
6)剥离，形成热电堆的金属热偶臂；
7)光刻：去除将要保留氮化钽地方的光刻胶；
8)溅射氮化钽，其厚度为1μm；
9)剥离；
10)光刻：去除将要保留第一层金的地方的光刻胶；
11)蒸发第一层金，其厚度为0.3μm；
12)剥离，形成CPW信号线、ACPS信号线、地线、直流输出电极和金属连接线；
13)反刻氮化钽，形成终端电阻，其方块电阻为25Ω/□；
14)蒸发钛/金/钛，其厚度为蒸发用于电镀的底金；
15)光刻：去除要电镀地方的光刻胶；
16)电镀第二层金，其厚度为2μm；
17)反刻钛/金/钛，腐蚀底金，形成CPW信号线、ACPS信号线、地线、直流输出电极和金属连接线；
18)将该GaAs衬底背面减薄至100μm；
19)将制备的MEMS宽频带相位检测器与其它电路元件相连，构成锁相环。
区分是否为该结构的标准如下：
本发明的基于MEMS宽频带相位检测器和温度补偿电阻的锁相环包含MEMS宽频带相位检测器，温度补偿电阻R，直流自动增益控制AGC放大器，第一压控振荡器VCO1和第二压控振荡器VCO2，第一可变电阻R1和第二可变电阻R2。MEMS宽频带相位检测器通过三节传输线级联结构实现宽带特性。直流电源VE通过第一可变电阻R1和第二可变电阻R2分别连接到第一压控振荡器VCO1和直流自动增益控制AGC放大器上，参考信号由第一压控振荡器VCO1产生，通过调节第一可变电阻R1的大小来控制参考信号的频率。参考信号和反馈信号通过MEMS宽频带相位检测器后输出包含相位差信息的直流电压V，经直流自动增益控制AGC放大器进行放大，产生第二压控振荡器VCO2的控制电压VC2，直流自动增益控制AGC放大器的增益由第二可变电阻R2控制，通过调节第二可变电阻R2的大小便可控制反馈信号的频率，同步调节第一可变电阻R1和第二可变电阻R2使第一压控振荡器VCO1和第二压控振荡器VCO2的输出频率一致，完成锁定，实现在宽频带范围内工作的锁相环。温度补偿电阻R的材料与热电堆半导体臂的材料同为N+GaAs，该材料电阻随温度升高而增大，随温度降低而减小。R与直流自动增益控制AGC放大器中基极偏置电阻Rb并联。温度升高时，MEMS宽频带相位检测器输出的直流电压V增大，但是R及其与Rb的并联电阻阻值增大，使直流自动增益控制AGC放大器的基极电位降低，增益减小，补偿了直流电压V增大带来的影响，同时调节第二可变电阻R2，使直流自动增益控制AGC放大器的输出电压VC2保持稳定，不受温度变化的影响。同理，当温度降低时，依然可以保持VC2不变，锁相环具有温度稳定性。
尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。

Claims (6)

1.一种基于MEMS宽频带相位检测器和温度补偿电阻的锁相环，其特征在于，包括：MEMS宽频带相位检测器、温度补偿电阻R、直流自动增益控制AGC放大器、第一压控振荡器VCO1、第二压控振荡器VCO2、第一可变电阻R1和第二可变电阻R2；温度补偿电阻R与直流自动增益控制AGC放大器的基极偏置电阻Rb并联；电源VE通过第一可变电阻R1加载到第一压控振荡器VCO1上，同时通过第二可变电阻R2加载到直流自动增益控制AGC放大器上；第一压控振荡器VCO1产生参考信号，通过调节第一可变电阻R1的大小改变第一压控振荡器VCO1的频率；参考信号和反馈信号分别加载到MEMS宽频带相位检测器的地线(2)和CPW信号线(3)组成的两个对称的输入端口，得到与相位差有关的直流电压V，直流电压V输入直流自动增益控制AGC放大器，放大后的信号为第二压控振荡器VCO2的控制电压VC2，第二压控振荡器VCO2的输出信号为锁相环的反馈信号；调节第二可变电阻R2的大小控制直流自动增益控制AGC放大器的增益，调节第二压控振荡器VCO2的控制电压，控制反馈信号的频率；同步调节第一可变电阻R1和第二可变电阻R2，使第一压控振荡器VCO1和第二压控振荡器VCO2的输出频率相同，完成对不同频率的参考信号的锁定。
2.如权利要求1所述的基于MEMS宽频带相位检测器和温度补偿电阻的锁相环，其特征在于，当环境温度升高时，MEMS宽频带相位检测器输出的直流电压V变大，温度补偿电阻R及其与Rb的并联电阻也会增大，导致直流自动增益控制AGC放大器的基极电位降低，增益减小，补偿直流电压V变大带来的影响，同时调节第二可变电阻R2，使直流自动增益控制AGC放大器的输出电压VC2保持稳定，不受温度变化的影响；温度降低时，温度补偿电阻R及其与Rb的并联电阻减小，基极电位升高，直流自动增益控制AGC放大器的增益变大，补偿直流电压V变小带来的影响，同时调节第二可变电阻R2，使直流AGC放大器的输出电压VC2保持稳定，锁相环具有温度稳定性。
3.如权利要求1所述的基于MEMS宽频带相位检测器和温度补偿电阻的锁相环，其特征在于，电源VE通过第一可变电阻R1和第二可变电阻R2分别加载到第一压控振荡器VCO1和直流自动增益控制AGC放大器上，第一压控振荡器VCO1在由第一可变电阻R1调节的控制电压VC1的控制下，输出参考信号，通过调节第一可变电阻R1，控制参考信号的频率；参考信号和反馈信号通过输入端口输入MEMS宽频带相位检测器后，首先通过功合器进行矢量合成，合成信号通过热电式功率传感器转化为与相位差有关的直流电压V，经直流输出电极(11)输出，此直流电压V表示为：其中K为与输入信号幅度有关的系数，ωref为参考信号角频率，ωback为反馈信号角频率，为固有相位差；MEMS宽频带相位检测器输出的直流电压V通过第一端口(14)输入至直流自动增益控制AGC放大器进行放大，放大后的直流电压VC2表示为：其中A为直流自动增益控制AGC放大器的增益系数，放大后的直流电压VC2为第二压控振荡器VCO2的控制电压，通过第二端口(15)控制第二压控振荡器VCO2的输出频率，压控振荡器输出频率ωo通过下式表达：通过调节第二可变电阻R2，改变直流自动增益控制AGC放大器的直流偏置电源VC实现对增益系数A的调节，从而改变第二压控振荡器VCO2的控制电压及其相应的输出信号的频率；第二压控振荡器VCO2的输出信号为锁相环的反馈信号，通过第三端口(16)输入MEMS宽频带相位检测器；通过同步控制第一可变电阻R1和第二可变电阻R2，可使第一压控振荡器VCO1和第二压控振荡器VCO2的输出频率相等，反馈信号和参考信号的频率一致，相位差恒定，完成锁定，得到在宽频带范围内工作的锁相环。
4.如权利要求3所述的基于MEMS宽频带相位检测器和温度补偿电阻的锁相环，其特征在于，MEMS宽频带相位检测器在不同频率下的输出直流电压V存在波动的情况下，依然可以通过调节第一可变电阻R1和第二可变电阻R2来实现环路的锁定，使得ωback＝ωo＝ωref，锁定后的信号通过第四端口(17)输出。
5.如权利要求1所述的基于MEMS宽频带相位检测器和温度补偿电阻的锁相环，其特征在于，MEMS宽频带相位检测器以GaAs(1)为衬底，包括功合器和热电式功率传感器，功合器包括地线(2)、CPW信号线(3)、第一ACPS传输线(4)、第二ACPS传输线(5)、第三ACPS传输线(6)和隔离电阻(7)，热电式功率传感器包括终端电阻(8)、热电堆半导体臂(9)、热电堆金属臂(10)、直流输出电极(11)；MEMS宽频带相位检测器以GaAs为衬底，地线(2)与CPW信号线(3)构成功合器的输入和输出端口，第一ACPS传输线(4)、第二ACPS传输线(5)和第三ACPS传输线(6)相级联，隔离电阻(7)分别设置在第一ACPS传输线(4)、第二ACPS传输线(5)和第三ACPS传输线(6)的末端，终端电阻(8)设置在CPW信号线(3)的输出端口处，热电堆半导体臂(9)与热电堆金属臂(10)依次连接，构成热电堆，直流输出电极(11)连接在热电堆两端。
6.如权利要求5所述的基于MEMS宽频带相位检测器和温度补偿电阻的锁相环，其特征在于，第一ACPS传输线(4)的特征阻抗为Z1，第二ACPS传输线(5)的特征阻抗为Z2，第三ACPS传输线(6)的特征阻抗为Z3。
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