CN110708017A - 一种新型Triple-push交叉耦合振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种新型Triple‑push交叉耦合振荡器，包括：三个结构相同的并联的子模块，每个子模块均包括一个子电路，两端分别连接传输线TL1，传输线TL2，三个子模块的两端分别连接电容C1，电容C2，并连接到巴伦电路，实现输出；所述子电路结构相同，包括MOS管M1，MOS管M2，电感L1，电感L2。本发明可以实现宽调频范围和低相位噪声之间的折衷；可以解决太赫兹波段有源器件增益低导致振荡器输出功率低的问题；采用CMOS工艺，有利用集成和降低成本。

Description

一种新型Triple-push交叉耦合振荡器
技术领域
本发明涉及交叉耦合振荡器技术领域，特别是涉及一种新型Triple-push交叉耦合振荡器。
背景技术
太赫兹振荡器的一般实现方法。一是采用基波来实现太赫兹振荡器。这样存在的主要问题是无源器件的Q值较低，同时晶体管能提供的增益较小(太赫兹波段的频率已经接近晶体管的特征频率，此时晶体管几乎无增益)。为解决此问题，选择采用性能表现更好的SiGe或者Ⅲ-Ⅴ族工艺，带来的问题是工艺成本增加，同时无源器件Q值低的问题并没得到解决，相位噪声仍然较高。二是采用基波+倍频器方案。但无源倍频器的损耗较大，使得本就输出功率低的基波信号源，经过倍频之后的输出功率进一步降低。而太赫兹频段的有源倍频器的难度和功耗是极大的，同时增加了额外的版图面积。三是采用N-Push结构。此方法可有效解决调频范围和相位噪声之间的折衷问题，因为在基波处无源器件Q值高和有源器件跨导增益大、寄生电容小。但传统的谐波提取电路结构导致振荡器的输出功率低，同时相位噪声相比基波来说会有20lgN的下降，这对降低相位噪声来说是不利的。
因此，如何解决频率升高带来的有源器件增益下降、无源器件Q值低的问题，获得高功率、低相位噪声的太赫兹振荡器，成为太赫兹技术应用的关键问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种新型Triple-push交叉耦合振荡器，以解决现有太赫兹频段有源器件寄生大、增益低和无源器件Q值低的问题，在不使用倍频器方案节省版图面积的同时获得高输出功率和低相位噪声的太赫兹振荡器，具有十分广阔的应用前景。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种新型Triple-push交叉耦合振荡器，包括：
三个结构相同的并联的子模块，每个子模块均包括一个子电路，两端分别连接传输线TL1，传输线TL2，三个子模块的两端分别连接电容C1，电容C2，并连接到巴伦电路，实现输出；
所述子电路结构相同，包括MOS管M1，MOS管M2，电感L1，电感L2，MOS管M1，MOS管M2的源接相接后接地，MOS管M1，MOS管M2的漏极分别接电感L1，电感L2的一端，电感L1，电感L2另一端连接后接VDD，MOS管M1的栅极接MOS管M2的漏极，MOS管M2的栅极接MOS管M1的漏极。
其中，所述传输线TL1对应接在电感L1与MOS管M1的连接线之间，传输线TL2对应接在电感L2与MOS管M2的连接线之间。
其中，所述巴伦电路的输出端接电阻R1后接地。
本发明可以实现宽调频范围和低相位噪声之间的折衷；可以解决太赫兹波段有源器件增益低导致振荡器输出功率低的问题；采用CMOS工艺，有利用集成和降低成本。
附图说明
图1所示为Triple-push交叉耦合振荡器设计流程图。
图2为本发明的Triple-push交叉耦合振荡器的电路原理图；
图3为本发明的Triple-push交叉耦合振荡器的电路拓扑结构图；
图4为图1的电路的一半等效电路图；
图5为三种工作模式下电流向量示意图；
图6为偶模状态等效电路图；
图7为奇模状态等效电路图；
图8为电长度可变传输线；
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的3-推(Triple-push交)交叉耦合振荡器电路由完全相同的3个子电路构成，每个子电路都振荡在基波，通过设计时选择合适尺寸的传输线可提取出三次谐波。首先通过基波频率来确定谐振腔电感L1、电容C的值。在太赫兹波段一般利用晶体管的寄生电容来代替谐振腔的所需电容，就是图2中晶体管M1，2的寄生电容。通过选择传输线TL1,2的尺寸可以提取出三次谐波的信号，并且三次谐波的摆幅和传输线TL1,2的尺寸也有关系。交叉耦合结构输出差分形式的三次谐波信号，差分信号通过巴伦转成单端输出，巴伦的尺寸会影响单端信号的幅值，需要对巴伦的尺寸进行优化，从而最终实现，其具体的设计流程参见图1所示。
如图2-3所示，本发明新型Triple-push交叉耦合振荡器，包括：
三个结构相同的并联的子模块，每个子模块均包括一个子电路，两端分别通过端口连接传输线TL1，TL2，三个子模块的两端分别连接一个电容(C1，C2)，并连接到巴伦电路，实现输出。
其中，所述的子电路结构相同，包括MOS管M1，MOS管M2，电感L1，电感L2，MOS管M1，MOS管M2的源接相接后接地，MOS管M1，MOS管M2的漏极分别接电感L1，电感L2的一端，电感L1，电感L2另一端连接后接VDD，MOS管M1的栅极接MOS管M2的漏极，MOS管M2的栅极接MOS管M1的漏极。
其中，传输线TL1对应接在电感L1与MOS管M1的连接线之间，传输线TL2对应接在电感L2与MOS管M2的连接线之间。
下面对本发明提出的交叉耦合振荡器进行分析。
将图2的差分结构拆分成图4单端电路形式进行分析，因为是完全对称结构因此单端分析结果和差分对称分析结果类似。对于对称的三端口网络，可以基尔霍夫电压定律和Z-参数矩阵来描述其具体的网络工作状态：
Figure BDA0002215140320000041
其中V1,2,3、I1,2,3代表的是端口1,2,3的电压和电流。Z11代表的是端口1的阻抗，Z12代表的是1端口和2端口之间的阻抗，因为三个子电路完全相同，且电路拓扑结构相似，因此Z11＝Z22＝Z33，Z12＝Z13＝Z21＝Z23＝Z31＝Z32。
求解矩阵相关特征值和及其特征向量
Figure BDA0002215140320000042
λo＝Z11-Z12(双重根)
I1+I2+I3＝0差模形式， (3)
下面通过图形来阐释差模(odd mode)和偶模(even mode)这两种工作状态,参见图5所示，可以看出电路工作在偶模时，三次谐波很难和基波、二次谐波区分，需要加额外的提取电路或者传输线来提取三次谐波，这会增加电路的复杂度，造成额外的版图面积消耗和功耗。当电路工作在差模形式时，基波和二次谐波存在120°相位差，进行矢量叠加结果为0，进而剩余三次谐波和更高次的3N次谐波，这样不需要额外的三次谐波提取电路。因此我们只要抑制掉电路的偶模形式，这样电路就可以正常工作在三次谐波下，得到想要的结果。这里的抑制主要采用的传输线TL1的电长度和偏置点。同时每一级子电路采用交叉耦合结构来消除版图寄生和工艺、偏置电压、温度等变化带来的非平衡效应，获得低噪声，同时电路输出端接巴伦，差分信号，获得高功率、低噪声的输出信号。
下面说明如何对电路的工作模式进行选择，以便提取出三次谐波。图6-7表示的是偶模和奇模状态下的等效电路。假定负载电阻RL＝50Ω，在偶模形式下负载阻抗是3RL；奇模状态下，三路信号存在120°相移，负载点等效为虚地点，负载阻抗为0。
可以将上述的不同模式的等效负载阻抗条件，替换为下面的条件。
Re[Z1e+Z2e]>0 偶模状态 4(a)
Re[Z1o+Z2o]<0
Im[Z1o+Z2o]＝0 奇模状态 4(b)
其中，Z1e表示端口1望进去的奇模输出阻抗，Z2e表示端口1望出去的奇模负载阻抗。Z1o表示端口1望进去的偶模输出阻抗，Z2o表示端口1望出去的偶模负载阻抗
由此在特定频率下选择合理的传输线电长度满足式4(b)，可以获得奇模工作模式，抑制偶模工作模式。同时进行进一步的思考，假如传输线的电长度是可变的，这样可以得到奇偶模两种模式。可变传输线的结构如图6所示。当开关关闭时，对外表现为TL1；当开关打开时，对外表现为TL1和TL2的并联。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种新型Triple-push交叉耦合振荡器，其特征在于，包括：
三个结构相同的并联的子模块，每个子模块均包括一个子电路，两端分别连接传输线TL1，传输线TL2，三个子模块的两端分别连接电容C1，电容C2，并连接到巴伦电路，实现输出；
所述子电路结构相同，包括MOS管M1，MOS管M2，电感L1，电感L2，MOS管M1，MOS管M2的源接相接后接地，MOS管M1，MOS管M2的漏极分别接电感L1，电感L2的一端，电感L1，电感L2另一端连接后接VDD，MOS管M1的栅极接MOS管M2的漏极，MOS管M2的栅极接MOS管M1的漏极。
2.根据权利要求1所述新型Triple-push交叉耦合振荡器，其特征在于，所述传输线TL1对应接在电感L1与MOS管M1的连接线之间，传输线TL2对应接在电感L2与MOS管M2的连接线之间。
3.根据权利要求1所述新型Triple-push交叉耦合振荡器，其特征在于，所述巴伦电路的输出端接电阻R1后接地。
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