CN106330097A - 基于耦合传输线的InP HBT压控振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于耦合传输线的InP HBT压控振荡器，包括偏置单元、振荡单元、稳流电阻R1。在振荡单元中引入两条耦合传输线作为压控振荡器的谐振元件，同时实现压控振荡和变压调谐。本发明提出的压控振荡器以耦合传输线取代了直流阻塞电容，解决了交叉耦合结构压控振荡器中由于直流阻塞电容的寄生效应所引起频率退化的问题，提高了振荡频率。本发明在不使用变容管的情况下就能够实现压控振荡调频，且可以得到较宽的调频范围，本发明无变容管的应用，克服了现有技术中因为变容管工艺限制造成的调频范围窄，和版图面积增大的问题。
Description
技术领域
本发明属于电子物理技术领域，更进一步涉及微电子技术领域中一种基于耦合传输线的磷化铟异质结双极型晶体管InP HBT压控整荡器。本发明可应用于射频收发系统、毫米波锁相环系统，为系统提供所需的频率源。
背景技术
压控振荡器是一种用电压输入来控制振荡频率的电子振荡电路，是频率产生源的重要组成部件。它广泛地应用于射频收发系统、卫星通讯终端、数字无线通信以及基站、雷达、医疗等领域。在工程实际中，压控振荡器的性能对整个系统的性能起到了决定性的影响，尤其是在噪声、调谐范围等方面。InP HBT具有超高的频率特性，击穿电压高且在高频频段具有良好的固有属性，尤其是它的闪烁噪声远远小于CMOS和HEMT晶体管，因而成为制作低相位噪声毫米波压控振荡器的理想器件。
差分交叉耦合结构压控振荡器由于在提供差分输出、准确控制功耗、快速起振的同时能够有效抑制压控振荡器的共模噪声和闪烁噪声，是射频电路中最常用的振荡器拓扑结构。但是随着系统对超高频率的要求，传统的差分交叉耦合压控振荡器由于寄生效应而形成频率瓶颈及其他性能的恶化。传统的交叉耦合压控振荡器中直流阻塞电容，通常采用工艺库中的MIM电容，该电容随着频率的提高，寄生效应显著，在超高频环境下所产生的寄生电感值甚至会大于反馈回路的负载电感值。这些寄生电感会引起压控振荡器的频率特性退化。因而提高传统交叉耦合压控振荡器的振荡频率必须有效的抑制由于直流阻塞电容所产生的寄生效应。
北京大学在其申请的专利文献“一种低相位噪声LC-VCO”(申请号201410256146.2，公开号104052472A，公开日2014.09.17)中公开了一种低相位噪声LC-VCO的电路结构。该压控振荡器通过固定电容Cc1、Cc2将震荡电压波形耦合到并联的尾电流源的PMOS管的栅极上，采用尾电流源动态切换技术，减小了交叉耦合负阻MOS管的电流波形占空比，而且减少了尾电流源MOS管陷阱的产生，从而降低LC-VCO的相位噪声；另外，该压控振荡器将交叉耦合负阻PMOS的衬底接到地，从而降低了交叉耦合PMOS的阈值电压，使得负阻提供的电流增大，LC-VCO的相位噪声降低。但是，该压控振荡器仍然存在的不足之处是，由于该压控振荡器采用的是CMOS工艺，虽然该电路结构降低了相位噪声，但是由于COMS器件的闪烁噪声较差和特性频率低，使该压控振荡器在射频毫米波领域的应用受限。
张吕在其发表的论文“W波段InP HBT VCO设计”(2015年国际微波毫米波会议2015.5.30)中提出了一种W波段的InP HBT VCO。该压控振荡器采用1um InP HBT工艺设计了一款压控振荡器。该压控振荡器采用的晶体管的特征频率大于160GHz，压控振荡器由差分形式的负阻LC振荡回路和输出缓冲结构组成。这种电路结构的优势在于具有宽频调谐范围，较高的输出功率。但是，该压控振荡器仍然存在的不足之处是，该电路回路品质因数较低，相位噪声性能较差。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种基于耦合传输线的InPHBT压控振荡器，解决了传统交叉耦合压控振荡器由于直流阻塞电容所产生的寄生效应所引起的频率退化，旨在提高压控振荡器的频率特性。本发明提出的压控振荡器不仅有效提高了振荡频率，而且改善了相位噪声性能，并在不使用变容管的情况下就能够实现压控振荡调频，且可以得到较宽的调频范围。
为实现上述目的，本发明提出的一种基于耦合传输线的InP HBT压控振荡器，包括偏置单元、振荡单元、稳流电阻R1。所述的偏置单元由两个直流电压源和一个偏置电阻构成，用于提供压控振荡器的偏置电压和调谐电压；偏置单元的第一个输出端与振荡单元的第一个输入端连接，偏置单元的第二个输出端与振荡单元的第二个输入端连接；所述的振荡单元由两个采用InP HBT器件工艺的晶体管和两条耦合传输线构成，用于实现信号放大、回路振荡和信号输出；振荡单元的第一个输入端与偏置单元的第一个输出端连接，振荡单元的第二个输入端与偏置单元的第二个输出端连接，振荡单元的第一个输出端与稳流电阻R1的一端相连；所述的稳流电阻R1的另一端与振荡单元的第一个输出端连接。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
第一，由于本发明引入两条耦合传输线，克服了现有技术中因为直流阻塞电容所产生的寄生效应和频率退化的问题，使得本发明提出的基于耦合传输线的InP HBT压控振荡器，具有提高振荡频率的优点。
第二，由于本发明的压控整荡器不采用变容管，克服了现有技术中因为变容管工艺限制造成的调频范围窄，和版图面积增大的问题；使得本发明提出的基于耦合传输线的InP HBT压控振荡器具有拓宽调频范围和减小版图面积的优点。
第三，由于本发明采用InP HBT器件工艺，克服了现有技术中CMOS器件噪声特性和频率特性差的问题；使得本发明提出的基于耦合传输线的InP HBT压控振荡器具有高品质因数和低相位噪声的优点。
附图说明
图1是本发明的电原理图；
图2是本发明耦合传输线的示意图：
图3是本发明的仿真图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的详细的说明。
参照图1对本发明作做进一步的详细描述。
本发明包括偏置单元、振荡单元、稳流电阻R1。偏置单元由两个直流电压源和一个偏置电阻构成，用于提供压控振荡器的偏置电压和调谐电压。偏置单元的第一个输出端与振荡单元的第一个输入端连接，偏置单元的第二个输出端与振荡单元的第二个输入端连接。振荡单元由两个采用InP HBT器件工艺的晶体管和两条耦合传输线构成，用于实现信号放大、回路振荡和信号输出。振荡单元的第一个输入端与偏置单元的第一个输出端连接，振荡单元的第二个输入端与偏置单元的第二个输出端连接，振荡单元的第一个输出端与稳流电阻R1的一端相连。稳流电阻R1的另一端与振荡单元的第一个输出端连接。
偏置单元中的一个直流电压源Vcc的负极接地，直流电压源Vcc的正极与振荡单元的第一条耦合线CTL1的第一根传输线TL1的输入端连接。偏置单元的另一个直流电压源Vtune的负极接地，直流电压源Vtune的正极与偏置电阻R2的一端连接，偏置电阻R2另一端与振荡单元的第一条耦合线CTL1的第二根传输线TL2的输入端连接。
振荡单元中的第一条耦合传输线CTL1，由两根临近且具有相互耦合作用的传输线TL1和TL2构成，第二条耦合传输线CTL2，由两根临近且具有相互耦合作用的传输线TL3和TL4构成。第一根传输线TL1的输出端与振荡单元中第一个晶体管Q1的集电极连接，第一根传输线TL1的输入端与第四根传输线TL4的输入端连接。第二根传输线TL2的输出端与振荡单元中的第二个晶体管Q2的基极连接，第二根传输线TL2的输入端与第三根传输线TL3的输入端连接。第三根传输线TL3的输出端与第一个晶体管Q1的基极连接，第三根传输线TL3的输入端与偏置单元的偏置电阻R2连接。第四根传输线TL4的输出端与第二个晶体管Q2的集电极连接，第四根传输线TL4的输入端与偏置单元的一个直流电压源Vcc的负极相连。
振荡单元中第一个晶体管Q1的基极与第三根传输线TL3的输出连接，第一个晶体管Q1的集电极与第一根传输线TL1的输出端连接，第一个晶体管Q1的发射极与稳流电阻R1的输入端连接；所述的振荡单元中的第二个晶体管Q2的基极与第二根传输线TL2的输出端连接，第二个晶体管Q2的集电极与第四根传输线TL4的输出端连接，第二个晶体管Q2的发射极与稳流电阻R1的输入端连接。
稳流电阻R1的一端与振荡单元的第一个晶体管Q1的发射极连接，稳流电阻R1的另一端接地。
下面结合图2，对本发明的耦合传输线的工作原理进行详细的描述。
耦合传输线CTL1的两根传输线TL1、TL2的线间距S很小，值为7μm，在传输信号的过程中会产生耦合作用。当传输线TL1上的电流发生变化时，通过耦合作用会在传输线TL2上产生一个电压，该电压会使传输线TL2的电感值和电容值发生变化。当传输线TL1上的电压变化时候，通过耦合作用会在传输线TL2会产生一个电流，该电流也会使传输线TL2的电感值和电容值发生变化。同理，当传输线TL2上的电压或者电流发生变化时，通过耦合作用使传输线TL1的电感值和电容值发生变化。当传输线TL1和TL2上电流或者电压稳定时，电容值和电感值为一个稳定值。因而耦合传输线可以作为调谐元件。
基于上述耦合传输线的工作原理，充分利用耦合传输线这一特性，将其作为压控振荡器的调谐元件，在提高振荡同时也实现了宽频带调谐。
下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步地说明。
1.仿真条件：
本发明采用OMMIC 1.5μm InP DHBT器件工艺库，在ADS软件中对本发明的压控振荡器的特性进行仿真。
2.仿真内容：
本发明的压控振荡器的特性包括压控振荡器的振荡频率，相位噪声特性和调谐范围。
3.仿真结果分析：
下面结合图3对本发明的仿真结果做进一步的描述。
图3(a)是本发明压控振荡器的振荡频谱图。图3(a)中的横坐标表示本发明压控振荡器的振荡频率值，图3(a)中的纵坐标表示本发明压控振荡器在振荡频率处的最大输出功率。从图3(a)中本发明压控振荡器的振荡频谱图中的峰值点m1可看出，此峰值点m1对应的基波振荡频率为61.45GHz，且在基波处对应的最大输出功率为11.92dBm。从图3(a)中的峰值点m2可看出，此峰值点m2对应的二次谐波频率为122.90GHz，且在二次谐波处对应的最大输出功率为-0.19dBm。本发明的压控振荡器在二次谐波处的最大输出功率小于在基波处的最大输出功率，可见本发明的压控振荡器有为基波振荡，振荡频率为61.45GHz，并很好的抑制了二次谐波。
图3(b)为本发明压控振荡器的相位噪声特性图。图3(b)中的横坐标表示本发明压控振荡器的相位噪声频率值，图3(b)中的纵坐标表示本发明压控振荡器在偏离载波处的相位噪声功率。从图3(b)的本发明压控振荡器的相位噪声特性图中点m可以看出，本发明的压控振荡器在1MHZ处偏离载波的相位噪声功率为-103.8dBc。本发明的压控振荡器在1MHZ处偏离载波的相位噪声功率值较小，可见本发明的压控振荡器的具有良好相位噪声性能。
图3(c)是本发明压控振荡器调谐特性图。图3(c)中的横坐标表示本发明压控振荡器的调谐电压值，图3(c)中的纵坐标表示本发明压控振荡器的振荡频率值。从图3(c)的本发明压控振荡器调谐特性图中点m1可以看出，在调谐电压为2.2V时，本发明的压控振荡器的振荡频率为65.08GHz。从图3(c)的本发明压控振荡器调谐特性图中点m2可以看出，在调谐电压为3.5V时，本发明的压控振荡器的振荡频率为53.53GHz。本发明的压控振荡器可工作在调谐电压为2.2V～3.5V之间，调谐范围为53.53GHz～65.08GHz。可见本发明的压控振荡器的实现了宽频带调谐。
Claims (5)
1.一种基于耦合传输线的InP HBT压控振荡器，包括偏置单元、振荡单元、稳流电阻R1，其特征在于：所述的偏置单元由两个直流电压源和一个偏置电阻构成，用于提供压控振荡器的偏置电压和调谐电压；偏置单元的第一个输出端与振荡单元的第一个输入端连接，偏置单元的第二个输出端与振荡单元的第二个输入端连接；所述的振荡单元由两个采用InPHBT器件工艺的晶体管和两条耦合传输线构成，用于实现信号放大、回路振荡和信号输出；振荡单元的第一个输入端与偏置单元的第一个输出端连接，振荡单元的第二个输入端与偏置单元的第二个输出端连接，振荡单元的第一个输出端与稳流电阻R1的一端相连；所述的稳流电阻R1的另一端与振荡单元的第一个输出端连接。
2.根据权利要求1所述的基于耦合传输线的InP HBT压控振荡器，其特征在于，所述的偏置单元中的一个直流电压源Vcc的负极接地，直流电压源Vcc的正极与振荡单元的第一条耦合线CTL1的第一根传输线TL1的输入端连接；所述的偏置单元的另一个直流电压源Vtune的负极接地，直流电压源Vtune的正极与偏置电阻R2的一端连接，偏置电阻R2另一端与振荡单元的第一条耦合线CTL1的第二根传输线TL2的输入端连接。
3.根据权利要求1所述的基于耦合传输线的InP HBT压控振荡器，其特征在于，所述的振荡单元中的第一条耦合传输线CTL1，由两根临近且具有相互耦合作用的传输线TL1和TL2构成，第二条耦合传输线CTL2，由两根临近且具有相互耦合作用的传输线TL3和TL4构成；第一根传输线TL1的输出端与振荡单元中第一个晶体管Q1的集电极连接，第一根传输线TL1的输入端与第四根传输线TL4的输入端连接；第二根传输线TL2的输出端与振荡单元中的第二个晶体管Q2的基极连接，第二根传输线TL2的输入端与第三根传输线TL3的输入端连接；第三根传输线TL3的输出端与第一个晶体管Q1的基极连接，第三根传输线TL3的输入端与偏置单元的偏置电阻R2连接；第四根传输线TL4的输出端与第二个晶体管Q2的集电极连接，第四根传输线TL4的输入端与偏置单元的一个直流电压源Vcc的负极相连。
4.根据权利要求3所述的基于耦合传输线的InP HBT压控振荡器，其特征在于，所述的振荡单元中第一个晶体管Q1的基极与第三根传输线TL3的输出连接，第一个晶体管Q1的集电极与第一根传输线TL1的输出端连接，第一个晶体管Q1的发射极与稳流电阻R1的输入端连接；所述的振荡单元中的第二个晶体管Q2的基极与第二根传输线TL2的输出端连接，第二个晶体管Q2的集电极与第四根传输线TL4的输出端连接，第二个晶体管Q2的发射极与稳流电阻R1的输入端连接。
5.根据权利要求1所述的基于耦合传输线的InP HBT压控振荡器，其特征在于，所述的稳流电阻R1的一端与振荡单元的第一个晶体管Q1的发射极连接，稳流电阻R1的另一端接地。
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