CN111404487A - 一种谐波电流复用的毫米波压控振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于毫米波通信技术领域，涉及毫米波压控振荡器，具体提供一种谐波电流复用的毫米波压控振荡器；用以克服现有毫米波压控振荡器结构复杂、芯片占用面积大、功耗大等问题。本发明将低频振荡器和带通选频网络采用层叠串联的方式，直接将交叉耦合对管中的谐波电流进行复用，注入中心频率为三次谐波的谐振腔直接得到三倍频信号输出；相比传统结构，大大简化了电路结构，使用更少的晶体管和偏置电路，显著降低功耗；并且，减少了电感的使用数目，有效减小了芯片占用面积，显著降低成本。

Description

一种谐波电流复用的毫米波压控振荡器
技术领域
本发明属于毫米波通信技术领域，涉及毫米波压控振荡器，具体为一种谐波电流复用的毫米波压控振荡器。
背景技术
近几年来，无线通信技术得到了空前的发展，越来越多的通信场景被提出，例如毫米波汽车雷达、毫米波传感器、5G通信等等；而毫米波压控振荡器作为毫米波技术中关键模块，其性能要求变得越来越严苛，毫米波压控振荡器的性能很大程度决定了系统正常工作与否；然而随着频率的升高，无源器件的Q值会显著降低，导致高频压控振荡器的设计越发变得更具有挑战性。针对于毫米波压控振荡器的相位噪声、面积、功耗等各方面性能挑战，设计者不得不对各种性能折中考虑；许多学术界和工业界的研究者做出了许多的努力，尝试了许多新结构。
目前，低频VCO+倍频器架构应用最为广泛，如图1所示；进一步的，典型的低频VCO+三倍频器原理框图如图2所示，该结构由四部分组成：(1)低频VCO部分，这一部分会产生差分输出的基波电压f0+和f0-以及二次谐波电流I_2f0；(2)2f0电压产生部分，在这一部分中低频VCO产生的二次谐波电流信号I_2f0转变成二次谐波电压信号2f0；(3)自混频式三倍频部分，在这一部分中低频VCO产生的基波电压f0+和f0-与二次谐波电压2f0进行混频得到许多混频输出电流，主要包含基次电流I_f0+和I_f0-及三次谐波电流I_3f0+和I_3f0-；(4)带通滤波器部分，在这一部分中带通滤波器的中心频率为3f0，因此会将I_f0+和I_f0-滤出，将I_3f0+和I_3f0-转换成电压3f0+和3f0-输出。更进一步的，实际电路原理图如图3所示：晶体管M1、M2与电感L1、变容管Cvar构成低频VCO，振荡频率为f0，产生基波电压f0+和f0-；尾电感L2与M1、M2共源结点的寄生电容C2形成并联谐振腔，该谐振腔将低频VCO中的产生的二次谐波电流I_2f0转化成为二次谐波电2f0；C1、C3、C4为隔直电容，R1、R2、R3为偏置电阻，提供直流偏置电压，并对交流信号形成高阻用来防止射频信号泄露；晶体管M3、M4、M5构成有源混频器结构，混频之后在M4、M5的漏极会得到基波电流I_f0+、I_f0-和三次谐波电流I_3f0+、I_3f0-；L3和C5构成另一个LC并联谐振腔，谐振频率为三次谐波3f0，混频得到的各次电流注入到谐振腔之后，由于该谐振腔是一个带通滤波器具有选频作用，因此在C5的两端最终会得到三次谐波电压3f0+和3f0-输出；晶体管M6、M7构成另一组交叉耦合对，其等效形成的负阻抵消L3和C5构成的LC并联谐振腔的损耗电阻，增大信号的输出摆幅。传统的低频VCO+三倍频结构通过将低频震荡输出信号以混频形式得到最终三倍频信号输出，可以改善高频相噪性能恶化问题；但结构复杂，需要用到许多晶体管；除此之外，产生二次电压电感L2占用面积，整体结构功耗比较大；具体如下：
(1)自混频压控振荡器结构比较复杂，需4个部分构成，在实际设计的时候需要每个部分进行优化，电路的复杂度变大，增加了设计的难度；
(2)由于需要一个额外的电感到地构成并联谐振腔，因此会使电路变得更加复杂，在实际版图中也占用了额外的面积；
(3)二次谐波电压的产生是先通过基波压控振荡器的二次电流注入到并联谐振腔得到，二次电压再通过有源混频器中的跨导级M3管转成二次电流进行混频，整个过程比较分析复杂；除此之外，有源混频器为了保证正常工作也需要额外的直流偏置会导致直流电流加大，因此最终会导致整个电路功耗增大。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的诸多问题，提供一种谐波电流复用的毫米波压控振荡器，采用谐波电流复用，直接利用低频VCO中的谐波电流进行选频输出，电路结构简单，大大减少面积的同时进一步降低了功耗。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种谐波电流复用的毫米波压控振荡器，由低频压控振荡器和带通选频滤波器组成，其特征在于，所述带通选频滤波器连接于低频压控振荡器的源极输出端口，所述低频压控振荡器的基波频率为f0，所述带通选频滤波器为电感与电容并联构成、其谐振中心频率为3f0。
进一步的，所述低频压控振荡器由电感L1、可变电容管Cvar、晶体管M1、晶体管M2构成，其中，晶体管M1的漏极与晶体管M2栅极相连，晶体管M2的漏极与晶体管M1栅极相连，电感L1与可变电容管Cvar并联后两端分别接至晶体管M1和晶体管M2的漏极、且电感L1的中心抽头接供电电源，晶体管M1和晶体管M2的源极端作为低频压控振荡器的源极输出端口。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种谐波电流复用的毫米波压控振荡器，低频振荡器和倍频器(即带通选频网络)采用层叠串联的方式，直接将交叉耦合对管中的谐波电流进行复用，注入中心频率为三次谐波的谐振腔直接得到三倍频信号输出；相比传统结构，大大简化了电路结构，使用更少的晶体管和偏置电路，显著降低功耗；并且，减少了电感的使用数目，有效减小了芯片占用面积，显著降低成本。
附图说明
图1为典型毫米波压控振荡器方案示意图。
图2为典型低频VCO+三倍频器框图。
图3为典型低频VCO+三倍频器电路原理图。
图4为本发明谐波电流复用的毫米波压控振荡器电路原理图。
图5为本发明中低频VCO中电压波形图。
图6为本发明中低频VCO中电压和电流波形图。
图7为本发明中通过晶体管电流的频谱。
图8为本发明中低频VCO信号f0+和三倍频3f0+电压波形图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明提供一种谐波电流复用的毫米波压控振荡器，从设计原理上讲，通过对传统结构进行剖析：如图3所示，通过低频VCO和二次谐波进行混频操作得到了各次谐波电流，通过选频滤波器将所需的三倍频信号选出；然而对于低频VCO中交叉耦合管(即晶体管M1、M2)已经工作在大信号状态下、即非线性很强，本身可以产生丰富的谐波分量；基于此，本发明直接对这些谐波进行选频，得到期待的倍频信号输出，也即对谐波电流直接进行复用。
本实施例提供一种谐波电流复用的压控振荡器，其电路原理图如图4所示，这种结构直接利用低频VCO中的谐波电流注入到一个中心频率工作3f0，得到三次谐波电压输出；具体由低频压控振荡器和带通选频滤波器两部分组成，更具体的：
(1)低频压控振荡器
本实施例中，低频VCO部分中电感L1为一差分电感，可以减小面积并且提高品质因数(Q值)，电感L1与可变电容管Cvar构成一个LC并联谐振网络且谐振在低频，其谐振频率即为整体结构的基波频率f0，通过改变调谐电压值Vt值的大小，可变电容管的等效电容值得大小将会发生改变，因此LC并联谐振网络的谐振频率也会改变，所以输出信号的频率跟随改变，从而实现了电压控制输出信号频率的目的；晶体管M1、M2接成交叉耦合的方式，其等效电路为一个电阻值为负的电阻，用来抵消LC并联谐振网络的能量损耗，维持震荡；如图5所示显示了仿真得到的电压波形，其中，实线为f0+、虚线为f0-的波形，由图可见该结构可以维持震荡。
(2)带通选频滤波器
本实施例中，电感L2和电容C1构成带通选频滤波器，其谐振中心频率为三次谐波3f0处，将三次谐波信号选出；电感L2为一差分电感可以提高Q值，并有很强的共模抑制能力。
从工作原理上讲，对于振荡器而言，输出信号是一个大信号；因此晶体管M1、M2有很强的非线性，因此通过晶体管的电流具有很多谐波分量；如图6所示显示了时域仿真得到的输出电压和通过晶体管的电流波形，由图可知输出的电压波形为近似正弦波，而电流波形则是周期性的杂波，说明其中含有许多谐波分量，如图7所示显示了频域的电流情况，可见其中也含有丰富的3次谐波分量。各次谐波电流将注入带通选频滤波器，由于滤波器具有带通的特性，3f0以外会信号将被抑制，最后得到三倍频信号输出；如图8所示显示了低频VCO信号f0+和三倍频3f0+电压波形，三次谐波信号近似为正弦波，说明其他谐波已经得到了很好的抑制。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (2)

1.一种谐波电流复用的毫米波压控振荡器，由低频压控振荡器和带通选频滤波器组成，其特征在于，所述带通选频滤波器连接于低频压控振荡器的源极输出端口，所述低频压控振荡器的基波频率为f0，所述带通选频滤波器为电感与电容并联构成、其谐振中心频率为3f0。
2.按权利要求1所述谐波电流复用的毫米波压控振荡器，其特征在于，所述低频压控振荡器由电感L1、可变电容管Cvar、晶体管M1、晶体管M2构成；其中，晶体管M1的漏极与晶体管M2栅极相连，晶体管M2的漏极与晶体管M1栅极相连，电感L1与可变电容管Cvar并联后两端分别接至晶体管M1和晶体管M2的漏极、且电感L1的中心抽头接供电电源，晶体管M1和晶体管M2的源极端作为低频压控振荡器的源极输出端口。
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