CN113746428B - 一种基于负阻增强的太赫兹振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于负阻增强的太赫兹振荡器，包括多组用于输出振荡信号的单核振荡器电路，多组单核振荡器电路连接在同一公共端点A上，公共端点A分别通过电容C连接输出端口和通过传输线TL1连接电源电压；多组单核振荡器电路呈环形分布，每组单核振荡器电路之间通过传输线TL2连接，用于功率合成，实现振荡器相位噪声和输出功率的提升。本发明所述的一种基于负阻增强的太赫兹振荡器采用晶体管代替源极退化电容，减小了寄生电容，使该振荡器可以产生太赫兹频段的信号，同时起到了增强负阻的作用，确保振荡器可以正常启动。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹振荡器技术领域，尤其是涉及一种基于负阻增强的太赫兹振荡器。
背景技术
太赫兹波在基础研究、天体物理学、材料、生物医学及现代通信技术等领域都有巨大的应用潜力，特别是在太赫兹通信领域，由于太赫兹波穿透性强、能量效率高、传输信息量大以及方向性好等特征，使得其在无线通信领域具备明显的技术优势。在整个通信系统中，频率源部分电路用于产生太赫兹的载波，是太赫兹通信系统中最重要的电路模块之一，也是雷达、通信、电子对抗等太赫兹系统的关键部件。
产生太赫兹频段的信号主要有以下三种方式：一种方法是基于低频源-乘法器链，输入来自稳定的低频源，通过高谐波频率的混合效应产生输出信号，该方法具有直流功率大、倍频链路损耗大、芯片面积大的缺点，此外，输出的相位噪声是输入信号相位噪声的函数，因此需要一个稳定的输入频率源；为解决倍频链路的方案输出功率较低的问题，第二种方法是用基波来实现太赫兹振荡器，使振荡器的工作频率直接工作在太赫兹频段，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)，为了解决这一问题，选择采用性能表现更好的SiGe或者Ⅲ-Ⅴ族工艺，该方案带来的问题是工艺成本的增加；第三种方法是采用N-Push结构，这种方法可以有效解决振荡频率接近晶体管的特征频率，增益较低的问题，但由于谐波是由于晶体管的非线性引起的，因此用N-Push结构得到的太赫兹信号输出功率较低，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；综上所述，如何解决频率接近晶体管截止频率带来的器件增益下降、无源器件Q值低的问题，获得高输出功率、低相位噪声的太赫兹振荡器已经成为太赫兹波段源的关键问题；因此，亟需一种基于负阻增强的太赫兹振荡器。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种基于负阻增强的太赫兹振荡器，以解决频率接近晶体管截止频率带来的器件增益下降、无源器件Q值低的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于负阻增强的太赫兹振荡器，包括多组用于输出振荡信号的单核振荡器电路，多组单核振荡器电路连接在同一公共端点A上，公共端点A分别通过电容C连接输出端口和通过传输线TL1连接电源电压；
多组单核振荡器电路呈环形分布，每组单核振荡器电路之间通过传输线TL2连接，用于功率合成，实现振荡器相位噪声和输出功率的提升。
进一步的，每组单核振荡器电路结构相同，包括MOS管M1、MOS管M2、MOS管M3和MOS管M4，MOS管M1的栅极端依次通过电感Lg1和电感Lg2连接MOS管M2的栅极端，MOS管M1的漏极端依次通过电感Ld1和电感Ld2连接MOS管M2的漏极端，MOS管M1的源极端连接MOS管M3的漏极端，MOS管M2的源极端连接MOS管M4的漏极端；
MOS管M3的栅极端通过电感Ls1连接MOS管M1的源极端，MOS管M3的源极端接地；
MOS管M4的栅极端通过电感Ls2连接MOS管M2的源极端，MOS管M4的源极端接地。
进一步的，电感Ld1与电感Ld2之间的线路上连接有传输线TLd，传输线TLd的另一端连接公共端点A。
进一步的，电感Lg1与电感Lg2之间的线路上连接有传输线TLg，传输线TLg另一端连接偏置电压。
进一步的，其中一组单核振荡器电路的MOS管M3的栅极端通过传输线TL2连接相邻单核振荡器电路的MOS管M3的栅极端；
其中一组单核振荡器电路的MOS管M4的栅极端通过传输线TL2连接相邻单核振荡器电路的MOS管M4的栅极端。
进一步的，电感Ld1与电感Ls1形成耦合结构，用于MOS管M1的源极端信号与漏极端信号耦合，提高MOS管M1漏极端的输出电压摆幅；
电感Ld2与电感Ls2形成耦合结构用于MOS管M2的源极端信号与漏极端信号耦合，提高MOS管M2漏极端的输出电压摆幅。
相对于现有技术，本发明所述的一种基于负阻增强的太赫兹振荡器具有以下有益效果：
(1)本发明所述的一种基于负阻增强的太赫兹振荡器采用晶体管代替源极退化电容，减小了寄生电容，使该振荡器可以产生太赫兹频段的信号，同时起到了增强负阻的作用，确保振荡器可以正常启动；
(2)本发明所述的一种基于负阻增强的太赫兹振荡器采用晶体管的源极电感和漏极电感进行耦合，与无耦合的振荡器相比，能得到更大的输出电压摆幅，从而得到更大的输出功率；
(3)本发明所述的一种基于负阻增强的太赫兹振荡器采用传输线进行功率合成，可以实现相位噪声和输出功率性能10logN的提升，同时用CMOS工艺进行设计，面积紧凑，便于集成，可有效降低成本。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的一种基于负阻增强的太赫兹振荡器电路原理图；
图2为本发明实施例所述的一种基于负阻增强的太赫兹振荡器谐波仿真结果图；
图3为本发明实施例所述的一种基于负阻增强的太赫兹振荡器相位噪声仿真结果图；
图4为本发明实施例所述的一种基于负阻增强的太赫兹振荡器瞬态仿真结果图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
请参阅图1所示，一种基于负阻增强的太赫兹振荡器，包括多组用于输出振荡信号的单核振荡器电路，多组单核振荡器电路连接在同一公共端点A上，公共端点A分别通过电容C连接输出端口和通过传输线TL1连接电源电压；
多组单核振荡器电路呈环形分布，每组单核振荡器电路之间通过传输线TL2连接，用于功率合成，实现振荡器相位噪声和输出功率的提升；本专利以三组单核振荡器电路为例，利用三个单核振荡器电路进行功率合成，实现输出功率和相位噪声10logN的提升。
每组单核振荡器电路结构相同，包括MOS管M1、MOS管M2、MOS管M3和MOS管M4，MOS管M1的栅极端依次通过电感Lg1和电感Lg2连接MOS管M2的栅极端，MOS管M1的漏极端依次通过电感Ld1和电感Ld2连接MOS管M2的漏极端，MOS管M1的源极端连接MOS管M3的漏极端，MOS管M2的源极端连接MOS管M4的漏极端；本专利申请采用的MOS管的特征频率(ft)均为220G，当振荡频率接近特征频率时，MOS管性能迅速衰退，为了实现0.3T的太赫兹频率，采用了Push-Push结构，使MOS管的基波工作在150GHz，远离ft，保证增益性能；同时为减小MOS管的寄生电容，利用MOS管实现源极退化电容，与寄生电容串联以达到减小寄生的目的，从而有效提高MOS管的ft，使MOS管能振荡在太赫兹的频段；并且在源极额外引入的MOS管起到了负阻增强，增强启动的目的。
MOS管M3的栅极端通过电感Ls1连接MOS管M1的源极端，MOS管M3的源极端接地；MOS管M4的栅极端通过电感Ls2连接MOS管M2的源极端，MOS管M4的源极端接地。
由MOS管M3构成的源极退化电容与MOS管M1的栅极寄生电容Cgs和漏源寄生电容Cgd串联，减小了MOS管M1的寄生电容，从而增大了MOS管M1所能达到的特征频率ft，MOS管M1漏源之间的耦合电感用来增大漏极端的电压摆幅，从而获得高功率输出的太赫兹信号，传输线TL2构成的功率合成网络为单核振荡器之间提供零相移网络，并通过传输线TLd将最终的输出信号匹配到最大的功率输出。
电感Ld1与电感Ld2之间的线路上连接有传输线TLd，传输线TLd的另一端连接公共端点A。
电感Lg1与电感Lg2之间的线路上连接有传输线TLg，传输线TLg另一端连接偏置电压。
其中一组单核振荡器电路的MOS管M3的栅极端通过传输线TL2连接相邻单核振荡器电路的MOS管M3的栅极端；
其中一组单核振荡器电路的MOS管M4的栅极端通过传输线TL2连接相邻单核振荡器电路的MOS管M4的栅极端。
电感Ld1与电感Ls1形成耦合结构，用于MOS管M1的源极端信号与漏极端信号耦合，提高MOS管M1漏极端的输出电压摆幅；
电感Ld2与电感Ls2形成耦合结构用于MOS管M2的源极端信号与漏极端信号耦合，提高MOS管M2漏极端的输出电压摆幅。
本方案实施时，第一步确定MOS管尺寸和偏置状态。在太赫兹频段，晶体管的寄生电容对振荡频率存在较大影响，因此为得到太赫兹振荡信号，本设计选用了较小尺寸的晶体管用来提供电路振荡所需要的负阻，为确保振荡器能正常起振，使所用晶体管的直流条件工作在饱和状态，本专利申请中采用的晶体管M1、M2尺寸为W/L＝16*1um/60nm；晶体管M3、M4尺寸为W/L＝21*1um/60nm。
第二步设计单核电路结构。如图1所示，单核电路采用Push-Push结构提取二次谐波，由考毕兹电路构成差分两路的电路结构，采用晶体管M3连接在晶体管M1的源极端，作为源极退化电容，与M1的栅源寄生电容Cgs和漏源寄生电容Cds串联，减小M1的寄生电容，从而提高M1晶体管的特征频率ft；同时，晶体管M3的加入使得本发明的Vdd可以增大到2.4V，相比于单个晶体管的所能给到的最大电压1.2V，提高了电源电压，为振荡器的振荡信号提供了更多的电压裕度；晶体管M1的漏源电感Ld1和Ls1进行耦合，将源极端信号与漏极端信号耦合，可以有效提高晶体管M1漏极端的输出电压摆幅，从而有效增大振荡信号的输出功率，同时变压器用工艺中的高层厚金属设计，提高Q值，优化电路的相位噪声及输出功率；本专利申请中电感采用厚度为3.35um，材料为铜的厚金属结构设计。
第三步功率合成电路设计。功率合成要求每个单核振荡器之间输出同频等幅同相的信号，因此需要先完成单核振荡器之间的频率锁定，再进行功率合成；频率锁定网络为M1源极电感处引出的短传输线TL2，短的传输线具有近似于0的电长度，相当于在每个单核振荡器之间引入了一个零相移网络锁定三个单核振荡器之间的频率、相位和幅度；功率合成网络由M1漏极端引出的传输线TLd构成，漏极端产生的二次谐波信号进行电流合成，通过调节TLd的电长度和特征阻抗得到最大功率输出。
图2为该发明的谐波仿真结果，通过偏置电压进行调谐，在偏置电压从1.7V调到2.2V的过程中，如图2所示，该发明能产生振荡频率从284.7GHz到289.7GHz的太赫兹信号，在整个调频范围内，输出功率＞2.2dBm；如图3所示，在整个调频范围内，相位噪声从-89dBc/Hz@1MHz变化到-93dBc/Hz@1MHz；如图4瞬态仿真波形所示，长时间内，本设计能稳定振荡。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于负阻增强的太赫兹振荡器，其特征在于：包括多组用于输出振荡信号的单核振荡器电路，多组单核振荡器电路连接在同一公共端点A上，公共端点A分别通过电容C连接输出端口和通过传输线TL1连接电源电压；
多组单核振荡器电路呈环形分布，每组单核振荡器电路之间通过传输线TL2连接，用于功率合成，实现振荡器相位噪声和输出功率的提升；
每组单核振荡器电路结构相同，包括MOS管M1、MOS管M2、MOS管M3和MOS管M4，MOS管M1的栅极端依次通过电感Lg1和电感Lg2连接MOS管M2的栅极端，MOS管M1的漏极端依次通过电感Ld1和电感Ld2连接MOS管M2的漏极端，MOS管M1的源极端连接MOS管M3的漏极端，MOS管M2的源极端连接MOS管M4的漏极端；
MOS管M3的栅极端通过电感Ls1连接MOS管M1的源极端，MOS管M3的源极端接地；
MOS管M4的栅极端通过电感Ls2连接MOS管M2的源极端，MOS管M4的源极端接地。
2.根据权利要求1所述的一种基于负阻增强的太赫兹振荡器，其特征在于：电感Ld1与电感Ld2之间的线路上连接有传输线TLd，传输线TLd的另一端连接公共端点A。
3.根据权利要求1所述的一种基于负阻增强的太赫兹振荡器，其特征在于：电感Lg1与电感Lg2之间的线路上连接有传输线TLg，传输线TLg另一端连接偏置电压。
4.根据权利要求1所述的一种基于负阻增强的太赫兹振荡器，其特征在于：其中一组单核振荡器电路的MOS管M3的栅极端通过传输线TL2连接相邻单核振荡器电路的MOS管M3的栅极端；
其中一组单核振荡器电路的MOS管M4的栅极端通过传输线TL2连接相邻单核振荡器电路的MOS管M4的栅极端。
5.根据权利要求1所述的一种基于负阻增强的太赫兹振荡器，其特征在于：电感Ld1与电感Ls1形成耦合结构，用于MOS管M1的源极端信号与漏极端信号耦合，提高MOS管M1漏极端的输出电压摆幅；
电感Ld2与电感Ls2形成耦合结构用于MOS管M2的源极端信号与漏极端信号耦合，提高MOS管M2漏极端的输出电压摆幅。
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