CN114421892A - 一种谐波生成倍频器的基波电流消除方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种谐波生成倍频器的基波电流消除方法，属于集成电路技术领域。本发明采用谐波生成倍频器架构，差分信号输入驱动器件，工作在不同导通角偏置下，谐波生成倍频器的晶体管在差分信号的驱动下，产生的基波电流反相，调整晶体管的尺寸比例，使其输出的基波分量幅值相等，当工作在不同偏置下的晶体管的输出端相连时，基波电流抵消，实现谐波生成倍频器的基波电流消除。本发明避免了限制倍频器工作带宽的高Q值滤波器，因而具有优异的宽带性能。

Description

一种谐波生成倍频器的基波电流消除方法

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，涉及宽带倍频器技术，具体涉及一种谐波生成倍频器的基波电流消除方法。

背景技术

倍频器(frequency multiplier)是使得输出信号频率等于输入信号频率整数倍的电路。输入频率为Fin，则输出频率为Fout＝n*Fin，系数n称倍频次数，可以为任意正整数。倍频器用途广泛，如发射机采用倍频器后可使主振器振荡在较低频率，以提高频率稳定度；调频设备用倍频器来增大频率偏移；在相位键控通信机中，倍频器是载波恢复电路的一个重要组成单元。对于工作在更高频段的系统，尤其是毫米波系统，直接产生对应频率的本振信号面临器件截止频率、无源器件Q值高频下降低的问题，所以通常采用低频段的锁相环级联倍频器的架构，从而获得更稳定的本振信号源，同时这样获得的本振信号具有更低的相位噪声。

对于低频段的输入信号，可以直接利用逻辑门等方法实现倍频，但是这种方法受限于逻辑门自身的工作频率，因而这种基于逻辑门的倍频器很难工作在G赫兹频段。

参考图1，常见的高频段的倍频器，即工作在G赫兹频段以上的倍频器，有两种架构，一种架构是利用器件的非线性产生高阶次谐波后再利用带通滤波器进行滤波，称为谐波生成倍频器；另一种架构利用低频段的信号注入毫米波振荡器中，实现注入锁定，称为注入锁定倍频器。两种架构各有其优势，也有其存在的固有问题。谐波生成的倍频器具有结构简单，容易设计的优势，只需要降低选频网络的Q值即可获得宽带的性能，但是谐波生成倍频器其频率转换效率低，谐波性能不好，尤其是对应的基波信号，往往会给后级电路带来极大的干扰。注入锁定倍频器具有转换效率高，DC功耗小的优势，并且因为注入锁定倍频器本身是一个振荡器，因而谐波性能较好，但是同样因为注入锁定倍频器是振荡器，所以带宽受限，设计也更复杂。

宽带的频率源有着广泛的应用场景，例如宽带的频率源对于雷达扫频精度是有益的，更大的带宽可以得到更精细距离分辨率，而上述两种架构的倍频器都由于其自身的工作原理限制了其工作带宽。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种谐波生成倍频器的基波电流消除方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种谐波生成倍频器的基波电流消除方法，其特征在于，差分信号输入驱动器件，工作在不同导通角偏置下，谐波生成倍频器的晶体管在差分信号的驱动下，产生的基波电流反相，调整晶体管的尺寸比例，使其输出的基波分量幅值相等，当工作在不同偏置下的晶体管的输出端相连时，基波电流抵消，实现谐波生成倍频器的基波电流消除。

进一步地，因为晶体管的尺寸不同，其寄生电容不同，会使得高频输入信号产生不同的延迟。在较小尺寸的晶体管的输入输出并接一个电容，可以使晶体管输出的基波电流相位呈180°的相差。

进一步地，用于产生谐波的谐波生成倍频器的输出后，级联晶体管或者电容电感作为负载，因为基波分量和偶次谐波分量被抑制，而更高阶次的谐波相比于三次谐波分量很小，因而可以不用做额外的抑制，所以其电感电容负载的Q值不需要很高，即滤波器的选频特性不需要很好。

进一步地，针对不同的应用场景，用于产生谐波的谐波生成倍频器的输出后，可以不采用电感电容滤波，可以直接级联晶体管作为负载，以减小电路的面积，节约成本。

如图2所示，本发明基波电流消除方法，采用谐波生成倍频器架构，晶体管工作在不同导通角偏置状态下，在差分信号的驱动下，产生的基波电流反相，而三阶电流同相，因此当工作在不同偏置下的晶体管的输出端相连时，基波分量抵消，而三阶分量叠加，从而在不需要滤波器的情况下，获得了高基波抑制，实现对基波分量以及各阶次偶次分量的消除，从而避免了限制倍频器工作带宽的高Q值滤波器，因为不需要滤波器，因而倍频器有优异的宽带性能。从而实现了高谐波抑制性能的同时，实现了更大的带宽，并且结构简单，降低了设计难度。与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1)具备强的谐波抑制能力：本发明可以采用全差分的倍频器架构，其偶次谐波对称消除，因而天然具有非常好的偶次谐波的抑制能力，就可以消除偶次谐波对后级的电路干扰，尤其是由于器件的非线性产生的二阶谐波分量。采用基波电流消除技术，可以抑制基波分量带来的干扰，而基波抑制的能力由器件的尺寸比例和器件工作偏置的导通角决定，当器件尺寸版图确定后，由于工艺的波动性带来基波抑制能力下降的问题时，仍然可以微调电路的偏置电压以使其实现最佳的基波抑制效果。

2)高带宽：由于解决了谐波生成倍频器架构的谐波干扰问题，传统为了抑制谐波而设计的高Q值滤波器就可以移除。传统架构中高Q值的滤波器会降低倍频器的工作带宽。从谐波生成倍频器的工作原理来看，其带宽仅受限于输出的选频网络，当滤波器被移除或者当滤波器选择低Q值的选频网络的时候，其可以实现很大的输出带宽。

3)结构简单，设计灵活：本发明采用谐波生成倍频器架构，不需要像注入锁定倍频器架构，设计高频段振荡器，因而具有结构简单的优势。而基波电流消除技术仅仅需要差分输出信号，而一般的锁相环的输出都是差分信号，因而不需要对输入信号做额外的处理，减小了系统的设计难度。

4)成本低廉：本发明可以采用低Q值的滤波器甚至可以移除滤波器，而对于CMOS工艺，电感占据很大的芯片面积，因而移除滤波器，可以大大减少芯片的设计面积，从而降低成本。

附图说明

图1为传统的高频段倍频器的两种架构；

图2为本发明谐波生成倍频器和传统架构的对比图；

图3为本发明基波电流消除方法的原理示意图；

图4为本发明谐波生成倍频器电路图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案更加清楚，下面结合附图详细描述。

如图3所示在TSMC 40nm标准CMOS工艺下实现谐波生成倍频器。差分输入信号作用在晶体管M1和晶体管M2的栅端，如图3右侧所示，晶体管的谐波电流和晶体管偏置的导通角有关，一阶电流分量随导通角增大，呈现增大的趋势，而三阶电流分量，随导通角改变有相位和幅度的变化。晶体管M1和晶体管M2分别工作在对应的导通角下，因而差分信号作用下，其产生的基波电流反向，而三阶电流叠加，因此可以实现基波电流消除的目的。而晶体管M2工作在基波电流转换增益更大的导通角状态下，为了使输出的基波电流可以较好的消除，需要晶体管M1和晶体管M2输出的基波分量幅值相等，相位反相，因而晶体管M2的尺寸小于晶体管M1的尺寸。而晶体管M2的尺寸减小意味着其寄生电容更小，因而晶体管M1的输出基波分量会产生更大的相移，为了使晶体管M1和晶体管M2的相位相反呈180°，因此需要在晶体管M2的输入和输出端跨接一个电容Cgd。

图4所示本发明谐波生成倍频器的具体实现电路图，倍频器电路为全差分电路，因而可以实现偶次谐波的抑制。晶体管M1的漏端和M2的漏端相连，晶体管M3的漏端和M4的漏端相连，晶体管M1、晶体管M2、晶体管M3和晶体管M4的源端接地，电容Cgd1的两端分别和M2的栅端和漏端相连，电容Cgd2的两端分别和M4的栅端和漏端相连。晶体管M1和晶体管M4的栅端接同相信号，晶体管M2和晶体管M3接同相信号，而晶体管M1和晶体管M4的栅端所接信号和晶体管M2和晶体管M3的栅端所接信号反相。晶体管M1和晶体管M2工作在相同的导通角偏置下，而晶体管M2和晶体管M4工作在相同的导通角偏置下，晶体管M1和晶体管M3的尺寸相同，晶体管M2和晶体管M4的尺寸相同，且晶体管M2和晶体管M4的尺寸小于晶体管M1和晶体管M3的尺寸。电容Cgd用来补偿晶体管M2、晶体管M4和晶体管M1、晶体管M3的尺寸不同导致基波电流的相差。本例中，谐波生成倍频器的输出端接了一个缓冲器，用于驱动后级的发射机，本发明谐波生成倍频器和缓冲器通过变压器耦合级联，变压器耦合可以实现更高的带宽。后级级联缓冲器的好处是，可以降低对倍频器输出驱动能力的要求，降低倍频器的功耗，从而提高整体电路的效率。

实施例2

与实施例1大致相同，区别在于：本发明谐波生成倍频器的输出和后级缓冲器级联变压器时，为了工作在合适的频段，还并联了两个电容。

实施例3

与实施例1大致相同，区别在于：谐波生成倍频器输出后级不级联缓冲器，直接级联功率放大器。

以上通过详细实施案例描述了本发明的新型的基于基波电流消除技术的宽带倍频器，本领域的研究人员和技术人员可以根据上述的步骤作出形式或内容方面的非实质性的改变而不偏离本发明实质保护的范围。因此，本发明不局限于以上实施例中所公开的内容，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims (9)

1.一种谐波生成倍频器的基波电流消除方法，其特征在于，差分信号输入驱动器件，工作在不同导通角偏置下，谐波生成倍频器的晶体管在差分信号的驱动下，产生的基波电流反相，调整不同晶体管的尺寸比例，使其输出的基波分量幅值相等，当工作在不同偏置下的晶体管的输出端相连时，基波电流抵消，实现谐波生成倍频器的基波电流消除。

2.如权利要求1所述的谐波生成倍频器的基波电流消除方法，其特征在于，所述谐波生成倍频器的尺寸小晶体管的输入输出并接一个电容，使该晶体管输出的基波电流相位呈180°的相差。

3.如权利要求1所述的谐波生成倍频器的基波电流消除方法，其特征在于，所述谐波生成倍频器的输出级联电容电感作为负载。

4.如权利要求1所述的谐波生成倍频器的基波电流消除方法，其特征在于，所述谐波生成倍频器的输出直接级联晶体管作为负载。

5.如权利要求1所述的谐波生成倍频器的基波电流消除方法，其特征在于，所述谐波生成倍频器为全差分结构，包括晶体管M1-晶体管M4，晶体管M1的漏端和晶体管M2的漏端相连，晶体管M3的漏端和晶体管M4的漏端相连，晶体管M1、晶体管M2、晶体管M3和晶体管M4的源端接地，晶体管M1和晶体管M4的栅端接同相信号，晶体管M2和晶体管M3接同相信号，晶体管M1和晶体管M3的尺寸相同，晶体管M2和晶体管M4的尺寸相同，晶体管M2和晶体管M4的尺寸小于晶体管M1和晶体管M3的尺寸。

6.如权利要求5所述的谐波生成倍频器的基波电流消除方法，其特征在于，增加电容Cgd1和Cgd2用来补偿晶体管M2、晶体管M4和晶体管M1、晶体管M3的尺寸不同导致基波电流的相差，所述电容Cgd1的两端分别和晶体管M2的栅端和漏端相连，电容Cgd2的两端分别和晶体管M4的栅端和漏端相连。

7.如权利要求1所述的谐波生成倍频器的基波电流消除方法，其特征在于，所述谐波生成倍频器的输出端连接一缓冲器，用于驱动后级的发射机，所述谐波生成倍频器和缓冲器通过变压器耦合级联。

8.如权利要求7所述的谐波生成倍频器的基波电流消除方法，其特征在于，所述变压器并联两个电容。

9.如权利要求1所述的谐波生成倍频器的基波电流消除方法，其特征在于，所述谐波生成倍频器输出端直接级联功率放大器。

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