CN114710119A - 一种毫米波注入锁定三倍频器 - Google Patents

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张有明
余旭涛
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Abstract

本发明公开了一种毫米波注入锁定三倍频器，包括谐波发生器和注入锁定振荡器两个部分。谐波发生器用于产生谐波信号，注入锁定振荡器用于锁定谐波发生器产生的谐波，谐波发生器与注入锁定振荡器通过变压器耦合相连；输入的基波信号通过谐波发生器产生谐波分量，然后通过变压器耦合到注入锁定振荡器，实现倍频。相比于传统倍频器结构，本发明在输入功率较小时仍具有较宽的锁定范围，并具备超宽带宽、低输入灵敏度、低功耗、高集成度等优点。

Description

一种毫米波注入锁定三倍频器
技术领域
本发明属于射频集成技术领域，尤其涉及一种应用于频率综合器的毫米波注入锁定三倍频器。
背景技术
倍频器在锁相环(phase locked loop，PLL)中，扮演着极为重要的角色，且在无线通讯系统中亦是关键电路。目前毫米波锁相环大部分都采用低频的锁相环级联一个倍频器。这样可以使本振的相噪和功耗有一个很好的折中，同时用倍频器还能避免振荡器谐振腔的注入牵引现象。传统倍频器锁定范围比较窄，一般在8％左右，致使其应用范围很有限。实现宽锁定范围的方法主要有减小LC谐振腔的Q值和增加三次谐波的注入效率，但减小LC谐振腔的Q值，会降低谐振腔的并联电阻值，从而需要增加负阻管尺寸，增加功耗。而增加三次谐波的注入效率需要单独优化注入级电路，使得电路结构变得复杂。因此，拓展注入锁定三倍频器的分频范围是设计出优质高频倍频器的重要条件之一。
文献“M.C.Chen and C.Y.Wu.Design and analysis of CMOS subharmonicinjection-locked frequency triplers.IEEE Transactions on Microwave Theory andTechniques[J],2008,56(8):1869–1878.”采用MOS直接注入的结构，由MOS管直接注入到谐振腔，其漏极产生高次谐波牵引并锁定谐振腔频率。这种使用MOS管直接注入的方式虽然结构简单，但需要极大的功耗，并且无法优化注入管，使得注入信号无法增大，从而无法增大锁定范围。
文献“Z.Chen and P.Heydari.An 85–95.2GHz transformer-based injection-locked frequency tripler in 65-nm CMOS[C].In:2010 IEEE MTT-S InternationalMicrowave Symposium.776–779.”采用变压器耦合结构实现注入锁定三倍频器。交叉耦合对和注入MOS管的直流路径在交叉耦合对的源节点处由变压器分离，因此注入MOS管可以被偏置以最大化三次谐波。变压器还降低了交叉耦合对的源节点所看到的阻抗，但交叉耦合管源级的变压器会造成源级退化，从而收窄锁定范围。
发明内容
发明目的：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种毫米波注入锁定三倍频器，以解决注入锁定三倍频器结构的锁定范围较小的问题。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明的一种毫米波注入锁定三倍频器，包括谐波发生器和注入锁定振荡器两个部分，谐波发生器与注入锁定振荡器通过变压器耦合相连；注入基波信号通过谐波发生器和注入锁定振荡器的正极输入端和负极输入端注入，注入基波信号通过谐波发生器产生谐波分量，然后通过变压器耦合到注入锁定振荡器，注入锁定振荡器锁定谐波发生器产生的谐波信号，产生倍频输出信号；所述变压器由谐波发生器包含的第一耦合电感与注入锁定振荡器包含的第二耦合电感构成，通过调整第一耦合电感和第二耦合电感之间的耦合系数来拓宽倍频器带宽。
其中，
所述谐波发生器包括第一MOS管和第二MOS管、第一耦合电感以及第一电容；具体连接结构为：第一MOS管的栅极接正极输入端，第二MOS管的栅极接负极输入端，第一MOS管的源极接电源，第二MOS管的源极接地，第一MOS管的漏极接第一耦合电感的一端和第一电容的一端，第二MOS管的漏极接第一耦合电感的另一端和第一电容的另一端。
所述第一电容为第一耦合电感的寄生电容、谐波发生器输出端的寄生电容、第一MOS管和第二MOS管的寄生电容、以及可调电容的一种或几种的组合。
所述谐波发生器中第一MOS管的栅极与第二MOS管的栅极通过正极输入端和负极输入端注入基波信号，使得第一MOS管与第二MOS管偏置在弱反型区时，第一MOS管与第二MOS管的漏极输出基波信号的三次谐波分量。
所述注入锁定振荡器包括第二耦合电感、第二电容、电流源、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第六MOS管、第一电阻、第二电阻、第三电容、第四电容、电压源；具体连接结构为：第二耦合电感的中心抽头接电流源的一端，电流源的另一端接电源，第二耦合电感的一端接第三MOS管的漏极、第四MOS管的栅极、第二电容的一端和正极输出端，第二耦合电感的另一端接第四MOS管的漏极、第三MOS管的栅极、第二电容的另一端和负极输出端；第三MOS管的源极接第五MOS管的漏极，第四MOS管的源极接第六MOS管的漏极，第五MOS管的栅极接第一电阻的一端和第三电容的一端，第一电阻的另一端接电压源，第三电容的另一端接正极输入端；第六MOS管的栅极接第二电阻的一端和第四电容的一端，第二电阻的另一端接电压源，第四电容的另一端接负极输入端，第五MOS管的漏极和第六MOS管的源极接地。
所述第二电容为第二耦合电感的寄生电容、第三MOS管和第四MOS管的寄生电容、以及可调电容的一种或几种的组合。
所述注入锁定振荡器中第五MOS管的栅极与第六MOS管的栅极，分别通过第三电容和第四电容注入基波信号，使得第五MOS管与第六MOS管提供额外相位补偿，提高所述毫米波注入锁定三倍频器的锁定范围。
所述输出信号的频率为注入基波信号频率的3倍。
有益效果：本发明与现有技术相比，其有益效果是：
1、解决了传统的注入锁定倍频器在输入功率较小时锁定范围较窄的问题，提供一种低输入灵敏度的毫米波注入锁定倍频器，使得在输入功率较小时，倍频器仍具有较宽的锁定范围；
2、本发明利用MOS管提供额外相位补偿，在给定的频率偏移量下，注入锁定三倍频器会在远离锁定边缘的地方工作，从而扩大锁定范围。
附图说明
图1是本发明的注入锁定三倍频的电路原理图；
图2是本发明的注入锁定三倍频的简化模型。
图中有：第一耦合电感L1，第一MOS管M1，第二MOS管M2，第一电容C1；第二耦合电感L2，第二电容C2，第三MOS管M3，第四MOS管M4，电流源Ibias，第五MOS管M5，第六MOS管M6，第一电阻R1，第二电阻R2，第三电容C3，第四电容C4，电压源Vbias；正极输入端INP，负极输入端INN，正极输出端OUTP，负极输出端OUTN，电源电压VDD。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本发明技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明的一种毫米波注入锁定三倍频器，其电路结构包括：一个谐波发生器1和一个注入锁定振荡器2。谐波发生器1和注入锁定振荡器2通过变压器耦合相连。注入基波信号通过谐波发生器1和注入锁定振荡器2的正极输入端INP和负极输入端INN注入，注入基波信号通过谐波发生器1产生谐波分量，然后通过变压器耦合到注入锁定振荡器2，注入锁定振荡器2锁定谐波发生器产生的谐波信号，产生倍频输出信号。变压器由谐波发生器1包含的第一耦合电感L1与注入锁定振荡器2包含的第二耦合电感L2构成，通过调整第一耦合电感L1和第二耦合电感L2之间的耦合系数来拓宽倍频器带宽。
谐波发生器1包括第一MOS管M1和第二MOS管M2、第一耦合电感L1以及第一电容C1；第一MOS管M1的栅极接正极输入端INP，第二MOS管M2的栅极接负极输入端INN，第一MOS管M1的源极接电源，第二MOS管M2的源极接地，第一MOS管M1的漏极接第一耦合电感L1的一端和第一电容C1的一端，第二MOS管M2的漏极接第一耦合电感L1的另一端和第一电容C1的另一端。
其中，第一电容C1为第一耦合电感L1的寄生电容、谐波发生器输出端的寄生电容、第一MOS管M1和第二MOS管M2的寄生电容、以及可调电容的一种或几种的组合。
第一MOS管M1的栅极与第二MOS管M2的栅极注入预设频率的基波信号，使得第一MOS管M1与第二MOS管M2偏置在弱反型区时，第一MOS管M1与第二MOS管M2的漏极输出预设频率的三次谐波分量。
注入锁定振荡器2，包括第二耦合电感L2、第二电容C2、第三MOS管M3、第四MOS管M4、电流源Ibias、第五MOS管M5、第六MOS管M6、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电容C3、第四电容C4、电压源Vbias；第二耦合电感L2的中心抽头接电流源的一端，电流源Ibias的另一端接电源，第二耦合电感L2的一端接第三MOS管M3的漏极、第四MOS管M4的栅极、第二电容C2的一端和正极输出端OUTP，第二耦合电感L2的另一端接第四MOS管M4的漏极、第三MOS管M3的栅极、第二电容C2的另一端和负极输出端OUTN，第三MOS管M3的源极接第五MOS管M5的漏极，第四MOS管M4的源极接第六MOS管M6的漏极，第五MOS管M5的栅极接第一电阻R1的一端和第三电容C3的一端，第一电阻R1的另一端接电压源Vbias，第三电容C3的另一端接正极输入端INP，第六MOS管M6的栅极接第二电阻R2的一端和第四电容C4的一端，第二电阻R2的另一端接电压源Vbias，第四电容C4的另一端接负极输入端INN，第五MOS管M5的漏极和第六MOS管M6的源极接地；
其中，第二电容C2为第二耦合电感L2的寄生电容、第三MOS管M3和第四MOS管M4的寄生电容、以及可调电容的一种或几种的组合。
第五MOS管M5的栅极与第六MOS管M6的栅极注入预设频率的基波信号，使得第五MOS管M5与第六MOS管M6提供额外相位补偿，提高毫米波注入锁定三倍频器的锁定范围。
本实施例的谐波发生器1将输入的基频信号利用第一MOS管M1和第二MOS管M2的非线性在第一MOS管M1、第二MOS管M2的漏极产生三次谐波信号，经过变压器将产生的三次谐波信号注入到注入锁定振荡器2中。第一MOS管M1的漏极电流Id(t)可用傅里叶级数可将表示成如下形式
Id(t)＝I0+I1cos(ωINJt)+I2cos(2ωINJt)+…+Incos(nωINJt) (1)
其中，ωINJ为注入信号的频率；
当n≥1时，各项系数In可以表示成
Figure BDA0003603104960000041
其中，Imax为晶体管漏极输出的最大峰峰值电流，T为注入信号的周期，t0为第一MOS管M1在注入信号一个周期内的导通时间。
当n＝3，t0/T＝0.2左右时，In/Imax有最大值，即当第一MOS管M1导通角θ＝72°时，三次谐波产生效率最高。因此，本发明可以单独优化谐波产生电路，增大注入的谐波信号，从而加宽锁定范围。
本实施例的注入锁定振荡器2的简化模型如图2所示，为了模拟所提出的注入锁定三倍频器，i'INJ为谐波发生器通过变压器注入到谐振腔的信号。图1中的第六MOS管M6等效为图2中由注入信号Vinj负相位控制的理想开关。假设谐振腔的Q足够高，足以过滤不需要的谐波，则第四MOS管M4栅极上的信号为-VT＝Aosccos(3ωINJt+Ф)，其中，Aosc为-VT的幅值，Ф是-VT相位和i'INJ相位之间的任意相移，第四MOS管M4漏极电流iOSC可以表示为
iOSC＝[2Idc+gmAosccos(3ωINJt+φ)]·SW(t) (3)
式中，Idc是第四MOS管M4的直流电流，gm是其跨导，SW(t)是与-Vinj同相、占空比为50％的方波，SW(t)表达式为
Figure BDA0003603104960000051
将式(4)带入式(3)，替换gm＝2Id/Vov＝4Idc/Vov，其中Id是开关关闭时第四MOS管M4的漏极电流，Vov为其有效过驱动电压，则式(3)可改写为
Figure BDA0003603104960000052
其中θ＝2/(3π)cos(3ωINJt)。
本发明所提出的注入锁定三倍频器中，iOSC不再与-VT相位相同，并且尾部开关切换产生相位校正θ，该相位校正θ减小iOSC和i'INJ之间的相移。因此，注入锁定三倍频器锁定范围得到了进一步扩展。
本实施例通过改变原本的注入锁定振荡器结构，将原本的单个电感的振荡器结构改为两个耦合连接的谐振腔，并加入一个稳定电流源。本实施例中的谐振腔由于耦合电感的加入，使得振荡器的输出阻抗变得平缓，因此拓宽了频率锁定范围。且本实施例中的振荡器由于在负阻管源极加了起开关作用的MOS管，利用MOS管提供额外相位补偿，在给定的频率偏移量下，注入锁定三倍频器会在远离锁定边缘的地方工作，从而扩大锁定范围。且相较于传统分频器加入了一个电流源，向注入锁定振荡器提供了稳定而有持续的电流，以维持注入锁定三倍频器的正常工作。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。

Claims (8)

1.一种毫米波注入锁定三倍频器，其特征在于，包括谐波发生器(1)和注入锁定振荡器(2)两个部分，谐波发生器(1)与注入锁定振荡器(2)通过变压器耦合相连；注入基波信号通过谐波发生器(1)和注入锁定振荡器(2)的正极输入端(INP)和负极输入端(INN)注入，注入基波信号通过谐波发生器(1)产生谐波分量，然后通过变压器耦合到注入锁定振荡器(2)，注入锁定振荡器(2)锁定谐波发生器产生的谐波信号，产生倍频输出信号；所述变压器由谐波发生器(1)包含的第一耦合电感(L1)与注入锁定振荡器(2)包含的第二耦合电感(L2)构成，通过调整第一耦合电感(L1)和第二耦合电感(L2)之间的耦合系数来拓宽倍频器带宽。
2.根据权利要求1所述的一种毫米波注入锁定三倍频器，其特征在于，所述谐波发生器(1)包括第一MOS管(M1)和第二MOS管(M2)、第一耦合电感(L1)以及第一电容(C1)；具体连接结构为：第一MOS管(M1)的栅极接正极输入端(INP)，第二MOS管(M2)的栅极接负极输入端(INN)，第一MOS管(M1)的源极接电源，第二MOS管(M2)的源极接地，第一MOS管(M1)的漏极接第一耦合电感(L1)的一端和第一电容(C1)的一端，第二MOS管(M2)的漏极接第一耦合电感(L1)的另一端和第一电容(C1)的另一端。
3.根据权利要求2所述的一种毫米波注入锁定三倍频器，其特征在于，所述第一电容(C1)为第一耦合电感(L1)的寄生电容、谐波发生器(1)输出端的寄生电容、第一MOS管(M1)和第二MOS管(M2)的寄生电容、以及可调电容的一种或几种的组合。
4.根据权利要求2所述的一种毫米波注入锁定三倍频器，其特征在于，所述谐波发生器(1)中第一MOS管(M1)的栅极与第二MOS管(M2)的栅极通过正极输入端(INP)和负极输入端(INN)注入基波信号，使得第一MOS管(M1)与第二MOS管(M2)偏置在弱反型区时，第一MOS管(M1)与第二MOS管(M2)的漏极输出基波信号的三次谐波分量。
5.根据权利要求1所述的一种毫米波注入锁定三倍频器，其特征在于，所述注入锁定振荡器(2)包括第二耦合电感(L2)、第二电容(C2)、电流源(Ibias)、第三MOS管(M3)、第四MOS管(M4)、第五MOS管(M5)、第六MOS管(M6)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电容(C3)、第四电容(C4)、电压源(Vbias)；具体连接结构为：第二耦合电感(L2)的中心抽头接电流源(Ibias)的一端，电流源(Ibias)的另一端接电源，第二耦合电感(L2)的一端接第三MOS管(M3)的漏极、第四MOS管(M4)的栅极、第二电容(C2)的一端和正极输出端(OUTP)，第二耦合电感(L2)的另一端接第四MOS管(M4)的漏极、第三MOS管(M3)的栅极、第二电容(C2)的另一端和负极输出端(OUTN)；第三MOS管(M3)的源极接第五MOS管(M5)的漏极，第四MOS管(M4)的源极接第六MOS管(M6)的漏极，第五MOS管(M5)的栅极接第一电阻(R1)的一端和第三电容(C3)的一端，第一电阻(R1)的另一端接电压源(Vbias)，第三电容(C3)的另一端接正极输入端(INP)；第六MOS管(M6)的栅极接第二电阻(R2)的一端和第四电容(C4)的一端，第二电阻(R2)的另一端接电压源(Vbias)，第四电容(C4)的另一端接负极输入端(INN)，第五MOS管(M5)的漏极和第六MOS管(M6)的源极接地。
6.根据权利要求5所述的一种毫米波注入锁定三倍频器，其特征在于，所述第二电容(C2)为第二耦合电感(L2)的寄生电容、第三MOS管(M3)和第四MOS管(M4)的寄生电容、以及可调电容的一种或几种的组合。
7.根据权利要求5所述的一种毫米波注入锁定三倍频器，其特征在于，所述注入锁定振荡器(2)中第五MOS管(M5)的栅极与第六MOS管(M6)的栅极，分别通过第三电容(C3)和第四电容(C4)注入基波信号，使得第五MOS管(M5)与第六MOS管(M6)提供额外相位补偿，提高所述毫米波注入锁定三倍频器的锁定范围。
8.根据权利要求1所述的一种毫米波注入锁定三倍频器，其特征在于，所述输出信号的频率为注入基波信号频率的3倍。
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