CN111313892A - 一种宽锁定范围的可切换双核注入锁定分频器 - Google Patents

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Abstract

一种宽锁定范围的可切换双核注入锁定分频器，利用了两个核在导通与关断时交叉耦合管不同的寄生电容，使得分频器的两个自谐振频率分布在不同频率。两个模式下的锁定范围相加，令整体的锁定范围大幅扩大；在两个模式下都振荡在变压器的较低谐振点上，谐振腔品质因数经过优化使分频器的相位噪声得到提升，通过优化变压器、注入管、交叉耦合管等元件参数，可在功耗、输出功率等方面达到较好的整体性能；该结构简单，便于集成化。

Description

一种宽锁定范围的可切换双核注入锁定分频器
技术领域
本发明属于微波工程领域，具体涉及一种宽锁定范围的可切换双核注入锁定分频器。
背景技术
分频器作为锁相环系统中关键的模块之一，其性能将直接影响信号源的质量与收发机系统的整体性能。在实现分频功能的同时，我们必须要综合考虑分频器的锁定范围、功耗、相位噪声、输出功率和芯片面积等性能指标。分频器可分为静态分频器、可再生分频器与注入锁定分频器。其中，注入锁定分频器因其工作频率高且功耗小而受到了持续的关注。在锁相环系统中，注入锁定分频器的锁定范围需要覆盖压控振荡器的输出频率范围。为避免工艺偏差造成的影响，保证锁相环系统的良好性能，达到宽的锁定范围成为设计注入锁定分频器的主要挑战。
目前，已有多种可以扩展锁定范围技巧被应用于注入锁定分频器的设计中。2013年，Yue Chao与Howard C. Luong提出了频率跟踪的方法，能增大注入管的注入效率，改善锁定范围[1]。2016年，Sheng Lyang Jang等人使用了三阶谐振腔来减小分频器谐振腔的品质因数，从而提高了锁定范围[2]。2017年，Alireza Imani与Hossein Hashemi提出了分布式注入的方式，利用多个节点注入的能量，使分频器在更多的谐振点完成了分频的功能，提高带宽[3]。但是现有的以上方法对锁定范围的提升效果有限，且未能在各项指标之间做到最优的折中，无法满足系统对注入锁定分频器的严格要求。
因此，如何更好地扩大锁定范围，已成为注入锁定分频器设计中的关键问题。
【参考文献】
[1] Y. Chao and H. C. Luong, “Analysis and Design of a 2.9-mW 53.4–79.4-GHz Frequency-Tracking Injection-Locked Frequency Divider in 65-nm CMOS,”IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 48, no. 10, pp. 2403–2418, Oct. 2013.
[2] S. L. Jang et al. “Triple-Resonance RLC-Tank Divide-By-2 Injection-Locked Frequency Divider”, Electronics Letters, vol. 52, no. 8, pp. 624-626,April 2016.
[3] Alireza Imani and Hossein Hashemi, “Distributed Injection-LockedFrequency Dividers”, IEEE J. Solid-State Circuits. vol. 52. no. 8. pp. 2083-2093. August 2017。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种宽锁定范围的可切换双核注入锁定分频器，可以实现较宽的锁定范围，并且在相位噪声、功耗、输出功率等指标方面都实现了较好的性能，具有较好的应用前景。
一种宽锁定范围的可切换双核注入锁定分频器，由两个核和一个变压器组成。每个核各是一个LC结构的注入锁定分频器。以核1为例，nMOS管M5与pMOS管M6的源漏极分别相连，作为一对差分注入管，将注入的二倍频信号与输出反馈信号进行混频，得到基频分量；L1-L3构成一个强耦合变压器，作为分频器电路的谐振腔，对分频后的信号进行滤波，得到最终输出信号，L1与L2两端与注入管的源漏极相连，L3两端作为差分输出端；M1的栅极与M2的漏极相连，M2的栅极与M1的漏极相连，构成一对交叉耦合管，它们的源极连接到尾电流源，为了能够通过改变尾电流的大小令核1导通或关断。核2的结构组成与连接关系同上。
当其中一个核导通时，此核则被用于完成分频功能，其交叉耦合管给电路提供负阻，补偿整体谐振腔的损耗。另一个核关断，其交叉耦合管则可看作有源电容，成为导通核的谐振腔的一部分，改善其品质因数，反之亦然。两个核交替工作，实现可切换双核注入锁定分频器的两个模式。此拓扑中的变压器有两个作用，一方面它将两个可独立工作的核耦合起来，充分利用其关断时的特性，进一步改善分频器谐振腔的品质因数，改善相位噪声；另一方面，它实现了分频器信号的耦合输出，增大输出功率。
一种宽锁定范围的可切换双核注入锁定分频器利用了两个核在导通与关断时交叉耦合管不同的寄生电容，使得分频器的两个自谐振频率分布在不同频率。两个模式下的锁定范围相加，令整体的锁定范围大幅扩大；在两个模式下都振荡在变压器的较低谐振点上，谐振腔品质因数经过优化使分频器的相位噪声得到提升，通过优化变压器、注入管、交叉耦合管等元件参数，可在功耗、输出功率等方面达到较好的整体性能；该结构简单，便于集成化。
附图说明
图1是宽锁定范围的可切换双核注入锁定分频器示意图；
图2是分频器模式一与模式二的工作频率分布示意图。
具体实施方式
为了更清楚的说明本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步说明。
LC结构的注入锁定分频器可用式（1）来表示其锁定范围与电路参数间的关系：
Figure 549968DEST_PATH_IMAGE001
其中Q为谐振腔的品质因数，fcenter为分频器自谐振频率，η为注入管的注入效率，Iinj为注入电流，Iosc为分频器电路的直流电流。
可见为了扩大分频器的锁定范围，需要增大注入效率η，并减小谐振腔品质因数Q。但为了保证分频器的增益条件，令其稳定地工作，Q值需要足够大，否则电路功耗则会大幅增大。本发明提出的拓扑能够有效提高注入管的注入效率η，并通过选取合适的谐振腔品质因数Q，达到较好的分频器整体性能。
如图1所示，核1与核2分别是两个LC结构的注入锁定分频器。其中，M1-M4是交叉耦合管，在导通时为分频器电路提供负阻，补偿谐振腔的损耗。M5-M8是注入管，起到混频器的作用，将注入的二倍频信号与基频反馈信号混频，从而得到基频输出，完成分频功能。此拓扑的注入管采用了一对nMOS与pMOS源漏极分别进行连接的形式，实现了差分注入的同时，增强了跨导，提高注入效率，减小了总体寄生电容的大小，使得分频器的锁定范围有所改善。变压器采用同轴耦合与垂直耦合相结合的方式，减小变压器的寄生电容，同时令L1、L2与L3间的耦合系数几乎相等。最后基频信号由变压器的耦合实现差分输出。
本发明提出的可切换双核结构充分利用了两个核导通与关断时不同交叉耦合管寄生电容，相较于现有的分频器拓扑进一步改进了谐振腔的品质因数。由于两个核的自谐振频率都是变压器的较低谐振点，其Q值更大，使得分频器的相位噪声得到优化。此外，当尾电流很小时，交叉耦合管不再作为提供负阻的模块，而是被看作有源电容成为谐振腔的一部分。通过选择合适的尾电流值，来设置其品质因数，令其能够在相位噪声与锁定范围间折中，得到更好的整体性能。
此拓扑两个模式间的切换是通过改变尾电流源IB1与IB2的大小而实现的。在传统切换模式中常使用损耗较大的开关结构，而本发明采用了尾电流源进行切换，这种方式减小了其对谐振腔的品质因数的影响，在锁定范围与相位噪声方面都能得到提升。如图2所示，当IB2的值很小时，核1导通，核2关断，分频器进入模式一，此拓扑可在f0至f1范围内分频。而当IB1的值很小时，核2导通，核1关断，分频器进入模式二。由于两个核中M1、M2与M3、M4的寄生电容不同，且交叉耦合管参数不同，所以可令分频器的工作频段上移，在f2至f3范围内分频。通过调节元件参数令f2≤f1，使得两个模式的锁定范围连接成为整体的宽锁定范围，即f0至f3，明显提升分频器性能。

Claims (1)

1.一种宽锁定范围的可切换双核注入锁定分频器，其特征在于：由两个核和一个变压器组成，每个核各是一个LC结构的注入锁定分频器；核1中，nMOS管M5与pMOS管M6的源漏极分别相连，作为一对差分注入管，将注入的二倍频信号与输出反馈信号进行混频，得到基频分量；L1-L3构成一个强耦合变压器，作为分频器电路的谐振腔，对分频后的信号进行滤波，得到最终输出信号，L1与L2两端与注入管的源漏极相连，L3两端作为差分输出端；M1的栅极与M2的漏极相连，M2的栅极与M1的漏极相连，构成一对交叉耦合管，它们的源极连接到尾电流源，为了能够通过改变尾电流的大小令核1导通或关断；核2的结构组成与连接关系与核1相同；当其中一个核导通时，此核则被用于完成分频功能，其交叉耦合管给电路提供负阻，补偿整体谐振腔的损耗；另一个核关断，其交叉耦合管则可看作有源电容，成为导通核的谐振腔的一部分，改善其品质因数，反之亦然；两个核交替工作，实现可切换双核注入锁定分频器的两个模式；变压器一方面将两个可独立工作的核耦合起来，充分利用其关断时的特性，进一步改善分频器谐振腔的品质因数，改善相位噪声；另一方面，它实现了分频器信号的耦合输出，增大输出功率。
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