CN113395082B - 采用周期性开关电感负载传输线的频率可调时钟传输装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于模拟射频集成电路技术领域的一种采用周期性开关电感负载传输线的频率可调时钟传输装置。该装置包括差分缓冲级、传输线和多组开关电感负载；其中，开关电感负载等距接入传输线，差分缓冲级的输出端分别与传输线和开关电感负载相连，开关电感负载的两个电感上方各接有一个开关电阻。选通不同数目的开关电感负载，电感与等效电容的谐振频率不同，从而改变工作频率；当所有开关电感负载的开关均断开时，开关电阻成为电流模式的差分缓冲级的负载，呈现出低通特性，实现对低频频段的覆盖。本发明具备更高的谐振腔阻抗，因而具备更高的电压摆幅和能效优势；相比于传统的方案可以传输更远的距离，同时具有更低的功耗。
Description
技术领域
本发明涉及模拟射频集成电路技术领域，尤其涉及一种采用周期性开关电感负载传输线的频率可调时钟传输装置。
背景技术
近年来，通信技术快速发展，人们对无线传输数据率的需求越来越高，5G通信快速普及。5G射频收发机需要支持多个频段和很宽的带宽，这给时钟传输网络的设计带来了极大的挑战，时钟产生和传输网络占据了射频收发机的大部分功耗，导致射频收发机性能下降。
目前有多种实现时钟传输网络的实现方法。主要有两种方案。第一种方案是直接用反相器作为缓冲级推动长走线来传输时钟，该方案电路简单，版图面积小，时钟摆幅大。但是反相器的工作频率受到器件截止频率的限制，无法工作在较高频段，当频率较高时，反相器缓冲级的功耗大。反相器缓冲级对电源噪声没有抑制能力，容易恶化时钟性能，增大时钟抖动。第二种方案采用电阻做负载的电流模式缓冲级推动长走线。该方式的优点是抑制电源噪声干扰的能力较强，缺点是电流模式缓冲级的电压摆幅相比于方向器缓冲级较小。同时，其带宽也较为有限。
基于以上时钟传输网络中存在的问题，本发明提出了一种全新的采用周期性开关电感负载传输线的频率可调时钟传输装置。
发明内容
本发明的目的是提出一种采用周期性开关电感负载传输线的频率可调时钟传输装置，其特征在于，该装置包括差分缓冲级、传输线和多组开关电感负载；其中，开关电感负载等距接入传输线，差分缓冲级的输出端分别与第一传输线(T1)和第一开关电感负载(L1)相连，第一开关电感负载(L1)的两个电感上方各接有一个开关电阻。
所述开关电感负载由两个相同的电感中间通过一个电感开关串联构成；所述开关电阻为电流模式的差分缓冲级提供电源电压。
选通不同数目的开关电感负载，电感与等效电容的谐振频率不同，从而改变工作频率；当所有开关电感负载的开关均断开时，开关电阻成为电流模式的差分缓冲级的负载，呈现出低通特性，实现对低频频段的覆盖。
所述电感开关为MOS晶体管开关。
本发明的有益效果在于：
1、本发明引入周期开关电感负载传输线技术，使用多组开关电感来实现对宽时钟频率的覆盖，除全部断开之外，每一种开关状态下时钟传输网络均处于单峰值谐振的状态，具备更高的谐振腔阻抗，因而具备更高的电压摆幅和能效优势；
2、本发明单峰值谐振状态提供了频率选通功能，可以滤除频带之外的噪声，使得时钟传输网络引入的附加抖动更小；
3、本发明采用了新的电流结构，相比于传统的方案可以传输更远的距离，同时具备更低的功耗。
附图说明
图1为本发明的系统结构图；
图2a、图2b分别为电感负载传输线和系统等效电路；
图3为本发明的周期性开关电容负载传输线的频域响应示意图；
图4a、图4b分别为采用电流模式缓冲级的一个三电感实施例的电路图和示意图；
图5为传统的采用单电感扩展带宽的电流模式缓冲级时钟网络；
图6为本发明与传统方案的幅频响应曲线的仿真结果比较图；
图7为三电感实施例中不同开关状态对应的幅频响应曲线。
具体实施方式
本发明提出一种采用周期性开关电感负载传输线的频率可调时钟传输装置，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
图1为本发明的系统结构图，具体设计了一个采用电流模式缓冲级的周期性开关电感负载传输线时钟传输网络。包括差分缓冲级、分段传输线、和多组开关电感负载。其中，差分缓冲器的输出接到差分传输线，差分传输线周期性的接入开关电感负载。差分信号输入到电流模式缓冲级的输入端，其尾电流源可根据需求进行调节，起到节省功耗的作用。电流模式缓冲级的输出接给周期性开关电感负载传输线，其中，第一对电感开关上方接有开关电阻，通过开关电阻为电流模式缓冲级提供电源电压。当所有电感开关均断开时，开关电阻成为电流模式缓冲级的负载，呈现出低通特性，实现对低频频段的覆盖。
图2a、图2b分别为电感负载传输线和系统等效电路，周期性电感负载传输线的原理可解释如下：
一小段传输线可以采用电容-电感-电容的pi型网络及性能等效。当周期性地加入电感负载，如果在工作频率处，电感感值恰好与传输线的集总电容谐振，那么在工作频率处，等效的电容为0。而传输线的等效波长λ和特征阻抗Zc可以由下式所示：
因此在工作频率处，传输线的等效波长为无穷长，整个传输线上的电压幅度和相位相同，其窄带等效特征阻抗也为无穷大，整个传输线处于谐振状态，可取得很大的电压幅度。图3为本发明的周期性开关电容负载传输线的频域响应示意图。
为了覆盖宽的频率范围，使用了开关电感作为负载。当选通不同数目的电感时，电感与等效电容的谐振频率不同，从而改变了工作频率。对于极低的频率，所有电感均开路，该网络结构退化成传统的时钟传输网络，具备低通特性。从而实现了宽频带覆盖。
图4a、图4b分别为采用电流模式缓冲级的一个三电感实施例的电路图和示意图；以三开关电感作为负载的传输线为例，该电路中一共有三个可配置的PMOS晶体管开关SW1、SW2和SW3。当三个开关的栅端电压都为低电平时，开关导通，时钟传输网络配置成了最高频模式；当三个开关的栅端电压都为高电平时，开关断开，时钟传输网络配置成了低频模式。不同开关状态对应的幅频响应曲线如图7所示。
其中，差分输入端连接到电流模放大器的输入差分对晶体管的栅端。电流模放大器的输入差分对晶体管的漏端连接到一条差分传输线。在差分传输线上等间距的连接三组电感L1，L2和L3。每组电感由两个差分电感构成，在电感另一端使用PMOS晶体管作为开关进行连接。在第一组电感上通过负载电阻连接到电源。
图5为传统的采用单电感扩展带宽的电流模式缓冲级时钟网络，图6为本发明与传统方案的幅频响应曲线的仿真结果比较图。仿真结果表明：与传统的电流模缓冲级相比，在消耗相同的功耗和驱动相同长度的传输线走线的情况下，所发明的时钟传输网络通过选择不同的电感开关值，在0～3.9GHz以及大于8.0GHz的频率范围内均能取得更高的增益。在18GHz处增益提高了6.0dB。所发明的时钟传输网络在DC至22.3GHz均能提供正的增益，从相比于传统方案提高了6.4GHz。
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (1)
1.一种采用周期性开关电感负载传输线的频率可调时钟传输装置，其特征在于，该装置包括差分缓冲级、传输线和多组开关电感负载；其中，开关电感负载等距接入传输线，差分缓冲级的输出端分别与第一传输线(T1)和第一开关电感负载(L1)相连，第一开关电感负载(L1)的两个电感上方各接有一个开关电阻；
所述开关电感负载由两个相同的电感中间通过一个电感开关串联构成；所述开关电阻为电流模式的差分缓冲级提供电源电压；所述电感开关为MOS晶体管开关；
选通不同数目的开关电感负载，电感与等效电容的谐振频率不同，从而改变工作频率；当所有开关电感负载的开关均断开时，开关电阻成为电流模式的差分缓冲级的负载，呈现出低通特性，实现对低频频段的覆盖。
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