CN115483888A - 一种高转换增益的四倍频器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高转换增益的四倍频器，包括依次连接的输入匹配模块、第一级二倍频模块、级间巴伦模块、第二级二倍频模块和输出匹配模块；本发明提供的一种高转换增益的四倍频器采用了两级push‑push差分对级联，能够很好地抑制输出端的基次谐波，如基次谐波、二次谐波等。保持高性能的工作状态，相较于提及的第一种结构，降低了功耗，保证了转换增益。本发明提供的一种高转换增益的四倍频器采用无源变压器式巴伦，保证了差分信号的平衡性，降低其输出差分信号的幅度不平衡性和相位不平衡性。
Description
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种高转换增益的四倍频器。
背景技术
随着网络技术和通讯技术的快速发展，自动驾驶、虚拟现实(VR)等应用逐渐兴起，而这就需要高精准、高稳定性的雷达系统。毫米波雷达具有稳定性强，精度高，抗恶劣天气等优点，因此逐渐引起了研究人员的注意。而对于高性能雷达来说，其至关重要的一部分就是高精度本振信号的产生。为了实现高性能本振信号的产生，采用锁相环系统(PLL)加倍频器这一结构是一种非常实用的方法。对于实现60-77GHz的本振信号来说，可采用对15-20GHz的PLL源信号四倍频来实现。因此倍频器(frequencymultiplier)的性能直接影响到信号发射和接收的准确性，所以倍频器面临着极大的需求和挑战。然而随着倍频次数的升高，倍频器器件的转换增益(Conversion Gain)会降低，从而导致倍频器的输出频率带宽变窄，同时对于谐波的抑制度会变差。
现有的四倍频器通过传统的两级级联倍频器实现，其电路原理图如图1所示，第一级结构为单管式倍频器，第二级为push-push结构倍频器，两级通过一种有源巴伦结构进行级联和实现单端信号转为差分信号的功能。其中晶体管M1为第一级单管倍频器，产生单端二次谐波信号后，经过AB(有源巴伦)后转换为差分信号接入第二级push-push倍频器(由晶体管M2、M3构成)，然后经L2、C2匹配网络输出四次谐波信号。但是由于有源巴伦的平衡性较差，会造成第二级转换增益的降低。当M1管处于导通状态时，控制M2管的通断，实现在半个周期内两次电流峰值，从而在整个周期实现四次倍频的效果。该结构的缺点是：当频率升高时，由于晶体管M2源极与地之间的寄生电容CS-GND影响逐渐升高，当M2截止时，从该电容向M1提供电流，使得M1不能完全关闭，影响转换效率。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种高转换增益的四倍频器解决了现有的四倍频器的转换增益较低的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种高转换增益的四倍频器，包括依次连接的输入匹配模块、第一级二倍频模块、级间巴伦模块、第二级二倍频模块和输出匹配模块；
其中，所述输入匹配模块的输入端作为高转换增益的四倍频器的输入端，所述输入匹配模块的第一输出端与所述第一级二倍频模块的第一输入端连接，所述输入匹配模块的第二输出端与所述第一级二倍频模块的第二输入端连接；
所述第一级二倍频模块的输出端与所述级间巴伦模块的输入端连接，所述级间巴伦模块的第一输出端与所述第二级二倍频模块的第一输入端连接，所述级间巴伦模块的第二输出端与所述第二级二倍频模块的第二输入端连接；所述第二级二倍频模块的输出端与所述输出匹配模块的输入端连接，所述输出匹配模块的输出端作为高转换增益的四倍频器的输出端；
所述输入匹配模块用于匹配输入信号，所述第一级二倍频模块用于根据输入信号产生二次谐波信号，所述级间巴伦模块用于根据二次谐波信号产生差分二次谐波信号，所述第二级二倍频模块用于根据差分二次谐波信号产生四次谐波信号，所述输出匹配模块用于根据四次谐波信号产生输出信号。
进一步地：所述输入匹配模块包括变压器巴伦TF1、电容Cp、电感Lp1和Lp2；
其中，所述变压器巴伦TF1原边的一端作为所述输入匹配模块的输入端，所述变压器巴伦TF1原边的另一端接地，所述变压器巴伦副边的一端分别与所述电感Lp1的一端和电容Cp的一端连接，所述变压器巴伦副边的另一端分别与所述电感Lp2的一端和电容Cp的另一端连接，所述电感Lp1的另一端作为所述输入匹配模块的第一输出端，所述电感Lp2的另一端作为所述输入匹配模块的第二输出端。
上述进一步方案的有益效果为：本发明采用单圈变压器巴伦，降低了级间转换的损耗的同时，提高了输出差分信号的平衡性，提高了转换增益，增强了谐波抑制的能力。同时降低了芯片的功耗。
进一步地：所述第一级二倍频模块包括晶体管M1n和晶体管M1p；
其中，所述晶体管M1n的栅极作为第一级二倍频模块的第一输入端，所述晶体管M1n的源极与所述晶体管M1p的源极连接并接地，所述晶体管M1p的栅极作为第一级二倍频模块的第二输入端，所述晶体管M1p的漏极与所述晶体管M1n的漏极连接，并作为所述第一级二倍频模块的输出端。
上述进一步方案的有益效果为：本发明提出了一种基于push-push差分对结构的第一级二倍频模块和第二级二倍频模块，两级级联的四倍频器，可以很好地抑制奇次谐波，提高基次谐波的抑制度。
进一步地：所述级间巴伦模块包括变压器巴伦TF2、电感Lp3和电感Lp4；
其中，所述变压器巴伦TF2原边的一端作为所述级间巴伦模块的输入端，所述变压器巴伦TF2原边的另一端与VCC电源连接，所述变压器巴伦TF2副边的一端与所述电感Lp3的一端连接，所述电感Lp3的另一端作为所述级间巴伦模块的第一输出端，所述变压器巴伦TF2副边的另一端与所述电感Lp4的一端连接，所述电感Lp4的另一端作为所述级间巴伦模块的第二输出端。
上述进一步方案的有益效果为：级间巴伦模块采用无源变压器巴伦的结构，保证其输出差分信号较小的相位误差和幅度误差，提高了总体的转换增益，同时也减小了整体功耗，提高了工作带宽。
进一步地：所述第二级二倍频模块包括晶体管M2n、晶体管M2p、电感L1和电容C1；
其中，所述晶体管M2n的栅极作为所述第二级二倍频模块的第一输入端，所述晶体管M2n的源极与所述晶体管M2p的源极连接并接地，所述晶体管M2p的栅极作为所述第二级二倍频模块的第二输入端，所述晶体管M2p的漏极分别与所述晶体管M2n的漏极、电感L1的一端和电容C1的一端连接，所述电感L1的另一端与VCC电源连接，所述电容C1的另一端作为第二级二倍频模块的输出端。
进一步地：所述输出匹配模块包括晶体管M31、晶体管M32、晶体管M33、电感L2、电感L3、电感L4、电感L5、电感L6、电感L7、电容C2、电容C4和电容C5；
其中，所述晶体管M31的栅极与所述电感L2的一端连接，并作为所述输出匹配模块的输入端，所述电感L2的另一端与VB1电源连接；所述晶体管M31的源极接地，所述晶体管M31的漏极分别与所述电感L3的一端和电容C2的一端连接，所述电感L3的另一端与VCC电源连接，所述电容C2的另一端分别与所述电感L4的一端和晶体管M32的栅极连接，所述电感L4的另一端与VB1电源连接，所述晶体管M32的源极接地，所述晶体管M32的漏极分别与所述电感L5的一端和电容C4的一端连接，所述电感L5的另一端与VCC电源连接，所述电容C4的另一端分别与所述电感L6的一端和晶体管M33的栅极连接，所述电感L6的另一端与VB1电源连接，所述晶体管M33的源极接地，所述晶体管M33的漏极分别与所述电感L7的一端和电容C5的一端连接，所述电感L7的另一端与VCC电源连接，所述电容C5的另一端作为所述输出匹配模块的输出端。
本发明的有益效果为：
(1)本发明提供的一种高转换增益的四倍频器采用了两级push-push差分对级联，能够很好地抑制输出端的基次谐波，如基次谐波、二次谐波等。保持高性能的工作状态，相较于提及的第一种结构，降低了功耗，保证了转换增益。
(2)本发明提供的一种高转换增益的四倍频器采用无源变压器式巴伦，保证了差分信号的平衡性，降低其输出差分信号的幅度不平衡性和相位不平衡性。
附图说明
图1为现有的四倍频器原理图。
图2为本发明的一种高转换增益的四倍频器的原理图。
图3为本发明的变压器巴伦TF1和变压器巴伦TF2的结构示意图。
图4为本发明的变压器巴伦TF1和变压器巴伦TF2的仿真结果图。
图5为本发明的总体后仿真的转换增益和谐波抑制度结果图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图2所示，在本发明的一个实施例中，一种高转换增益的四倍频器，包括依次连接的输入匹配模块、第一级二倍频模块、级间巴伦模块、第二级二倍频模块和输出匹配模块；
其中，所述输入匹配模块的输入端作为高转换增益的四倍频器的输入端，所述输入匹配模块的第一输出端与所述第一级二倍频模块的第一输入端连接，所述输入匹配模块的第二输出端与所述第一级二倍频模块的第二输入端连接；
所述第一级二倍频模块的输出端与所述级间巴伦模块的输入端连接，所述级间巴伦模块的第一输出端与所述第二级二倍频模块的第一输入端连接，所述级间巴伦模块的第二输出端与所述第二级二倍频模块的第二输入端连接；所述第二级二倍频模块的输出端与所述输出匹配模块的输入端连接，所述输出匹配模块的输出端作为高转换增益的四倍频器的输出端；
所述输入匹配模块用于匹配输入信号，所述第一级二倍频模块用于根据输入信号产生二次谐波信号，所述级间巴伦模块用于根据二次谐波信号产生差分二次谐波信号，所述第二级二倍频模块用于根据差分二次谐波信号产生四次谐波信号，所述输出匹配模块用于根据四次谐波信号产生输出信号。
本申请提出的一种高转换增益的四倍频器，采用了两级倍频器级联的模式实现四倍频。其中的级间巴伦均采用了无源变压器巴伦的结构，保证其输出差分信号较小的相位误差和幅度误差，提高了总体的转换增益，同时也减小了整体功耗，提高了工作带宽。
所述输入匹配模块包括变压器巴伦TF1、电容Cp、电感Lp1和Lp2；
其中，所述变压器巴伦TF1原边的一端作为所述输入匹配模块的输入端，所述变压器巴伦TF1原边的另一端接地，所述变压器巴伦副边的一端分别与所述电感Lp1的一端和电容Cp的一端连接，所述变压器巴伦副边的另一端分别与所述电感Lp2的一端和电容Cp的另一端连接，所述电感Lp1的另一端作为所述输入匹配模块的第一输出端，所述电感Lp2的另一端作为所述输入匹配模块的第二输出端。
所述第一级二倍频模块包括晶体管M1n和晶体管M1p；
其中，所述晶体管M1n的栅极作为第一级二倍频模块的第一输入端，所述晶体管M1n的源极与所述晶体管M1p的源极连接并接地，所述晶体管M1p的栅极作为第一级二倍频模块的第二输入端，所述晶体管M1p的漏极与所述晶体管M1n的漏极连接，并作为所述第一级二倍频模块的输出端。
在本实施例中，第一级二倍频模块和第二级二倍频模块采用的是Pus-Push的二倍频结构，其中晶体管M1n、晶体管M1p、晶体管M2n和晶体管M2p工作在非线性区，产生二次谐波，由于其差分特性可以很好地抑制奇次谐波，提高基次谐波的抑制度。
所述级间巴伦模块包括变压器巴伦TF2、电感Lp3和电感Lp4；
其中，所述变压器巴伦TF2原边的一端作为所述级间巴伦模块的输入端，所述变压器巴伦TF2原边的另一端与VCC电源连接，所述变压器巴伦TF2副边的一端与所述电感Lp3的一端连接，所述电感Lp3的另一端作为所述级间巴伦模块的第一输出端，所述变压器巴伦TF2副边的另一端与所述电感Lp4的一端连接，所述电感Lp4的另一端作为所述级间巴伦模块的第二输出端。
在本实施例中，级间巴伦模块采用无源巴伦的变压器巴伦TF2，相较于有源巴伦，其幅度误差和相位误差均较小，可以明显提高第一级二倍频模块和第二级二倍频模块的转换增益。本发明的高转换增益的四倍频器设置变压器巴伦TF1和变压器巴伦TF2均采用了单圈变压器结构，进一步减小高转换增益的四倍频器的幅度误差和相位误差，还减小变压器内部的不平衡性寄生电容，提高了变压器巴伦的对称性。变压器巴伦TF1和变压器巴伦TF2的结构示意图如图3所示，其仿真结果如图4所示，在其工作带宽内，幅度误差小于0.7dB，相位误差小于2.2°。
所述第二级二倍频模块包括晶体管M2n、晶体管M2p、电感L1和电容C1；
其中，所述晶体管M2n的栅极作为所述第二级二倍频模块的第一输入端，所述晶体管M2n的源极与所述晶体管M2p的源极连接并接地，所述晶体管M2p的栅极作为所述第二级二倍频模块的第二输入端，所述晶体管M2p的漏极分别与所述晶体管M2n的漏极、电感L1的一端和电容C1的一端连接，所述电感L1的另一端与VCC电源连接，所述电容C1的另一端作为第二级二倍频模块的输出端。
所述输出匹配模块包括晶体管M31、晶体管M32、晶体管M33、电感L2、电感L3、电感L4、电感L5、电感L6、电感L7、电容C2、电容C4和电容C5；
其中，所述晶体管M31的栅极与所述电感L2的一端连接，并作为所述输出匹配模块的输入端，所述电感L2的另一端与VB1电源连接；所述晶体管M31的源极接地，所述晶体管M31的漏极分别与所述电感L3的一端和电容C2的一端连接，所述电感L3的另一端与VCC电源连接，所述电容C2的另一端分别与所述电感L4的一端和晶体管M32的栅极连接，所述电感L4的另一端与VB1电源连接，所述晶体管M32的源极接地，所述晶体管M32的漏极分别与所述电感L5的一端和电容C4的一端连接，所述电感L5的另一端与VCC电源连接，所述电容C4的另一端分别与所述电感L6的一端和晶体管M33的栅极连接，所述电感L6的另一端与VB1电源连接，所述晶体管M33的源极接地，所述晶体管M33的漏极分别与所述电感L7的一端和电容C5的一端连接，所述电感L7的另一端与VCC电源连接，所述电容C5的另一端作为所述输出匹配模块的输出端。
本发明的一种高转换增益的四倍频器总体后仿真的转换增益和谐波抑制度如图5所示，在带内其转换增益大于3dB，最高为8dB，谐波抑制度均大于45dBc，其转换增益在该频段内较高，且其谐波抑制度性能也非常优秀。
本发明的有益效果为：本发明提供的一种高转换增益的四倍频器采用了两级push-push差分对级联，能够很好地抑制输出端的基次谐波，如基次谐波、二次谐波等。保持高性能的工作状态，相较于提及的第一种结构，降低了功耗，保证了转换增益。
本发明提供的一种高转换增益的四倍频器采用无源变压器式巴伦，保证了差分信号的平衡性，降低其输出差分信号的幅度不平衡性和相位不平衡性。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“厚度”、“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“径向”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设备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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明的技术特征的数量。因此，限定由“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。
Claims (6)
1.一种高转换增益的四倍频器，其特征在于，包括依次连接的输入匹配模块、第一级二倍频模块、级间巴伦模块、第二级二倍频模块和输出匹配模块；
其中，所述输入匹配模块的输入端作为高转换增益的四倍频器的输入端，所述输入匹配模块的第一输出端与所述第一级二倍频模块的第一输入端连接，所述输入匹配模块的第二输出端与所述第一级二倍频模块的第二输入端连接；
所述第一级二倍频模块的输出端与所述级间巴伦模块的输入端连接，所述级间巴伦模块的第一输出端与所述第二级二倍频模块的第一输入端连接，所述级间巴伦模块的第二输出端与所述第二级二倍频模块的第二输入端连接；所述第二级二倍频模块的输出端与所述输出匹配模块的输入端连接，所述输出匹配模块的输出端作为高转换增益的四倍频器的输出端；
所述输入匹配模块用于匹配输入信号，所述第一级二倍频模块用于根据输入信号产生二次谐波信号，所述级间巴伦模块用于根据二次谐波信号产生差分二次谐波信号，所述第二级二倍频模块用于根据差分二次谐波信号产生四次谐波信号，所述输出匹配模块用于根据四次谐波信号产生输出信号。
2.根据权利要求1所述的高转换增益的四倍频器，其特征在于，所述输入匹配模块包括变压器巴伦TF1、电容Cp、电感Lp1和Lp2；
其中，所述变压器巴伦TF1原边的一端作为所述输入匹配模块的输入端，所述变压器巴伦TF1原边的另一端接地，所述变压器巴伦副边的一端分别与所述电感Lp1的一端和电容Cp的一端连接，所述变压器巴伦副边的另一端分别与所述电感Lp2的一端和电容Cp的另一端连接，所述电感Lp1的另一端作为所述输入匹配模块的第一输出端，所述电感Lp2的另一端作为所述输入匹配模块的第二输出端。
3.根据权利要求2所述的高转换增益的四倍频器，其特征在于，所述第一级二倍频模块包括晶体管M1n和晶体管M1p；
其中，所述晶体管M1n的栅极作为第一级二倍频模块的第一输入端，所述晶体管M1n的源极与所述晶体管M1p的源极连接并接地，所述晶体管M1p的栅极作为第一级二倍频模块的第二输入端，所述晶体管M1p的漏极与所述晶体管M1n的漏极连接，并作为所述第一级二倍频模块的输出端。
4.根据权利要求3所述的高转换增益的四倍频器，其特征在于，所述级间巴伦模块包括变压器巴伦TF2、电感Lp3和电感Lp4；
其中，所述变压器巴伦TF2原边的一端作为所述级间巴伦模块的输入端，所述变压器巴伦TF2原边的另一端与VCC电源连接，所述变压器巴伦TF2副边的一端与所述电感Lp3的一端连接，所述电感Lp3的另一端作为所述级间巴伦模块的第一输出端，所述变压器巴伦TF2副边的另一端与所述电感Lp4的一端连接，所述电感Lp4的另一端作为所述级间巴伦模块的第二输出端。
5.根据权利要求4所述的高转换增益的四倍频器，其特征在于，所述第二级二倍频模块包括晶体管M2n、晶体管M2p、电感L1和电容C1；
其中，所述晶体管M2n的栅极作为所述第二级二倍频模块的第一输入端，所述晶体管M2n的源极与所述晶体管M2p的源极连接并接地，所述晶体管M2p的栅极作为所述第二级二倍频模块的第二输入端，所述晶体管M2p的漏极分别与所述晶体管M2n的漏极、电感L1的一端和电容C1的一端连接，所述电感L1的另一端与VCC电源连接，所述电容C1的另一端作为第二级二倍频模块的输出端。
6.根据权利要求5所述的高转换增益的四倍频器，其特征在于，所述输出匹配模块包括晶体管M31、晶体管M32、晶体管M33、电感L2、电感L3、电感L4、电感L5、电感L6、电感L7、电容C2、电容C4和电容C5；
其中，所述晶体管M31的栅极与所述电感L2的一端连接，并作为所述输出匹配模块的输入端，所述电感L2的另一端与VB1电源连接；所述晶体管M31的源极接地，所述晶体管M31的漏极分别与所述电感L3的一端和电容C2的一端连接，所述电感L3的另一端与VCC电源连接，所述电容C2的另一端分别与所述电感L4的一端和晶体管M32的栅极连接，所述电感L4的另一端与VB1电源连接，所述晶体管M32的源极接地，所述晶体管M32的漏极分别与所述电感L5的一端和电容C4的一端连接，所述电感L5的另一端与VCC电源连接，所述电容C4的另一端分别与所述电感L6的一端和晶体管M33的栅极连接，所述电感L6的另一端与VB1电源连接，所述晶体管M33的源极接地，所述晶体管M33的漏极分别与所述电感L7的一端和电容C5的一端连接，所述电感L7的另一端与VCC电源连接，所述电容C5的另一端作为所述输出匹配模块的输出端。
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| CN116488587B (zh) * | 2023-06-21 | 2023-08-29 | 成都通量科技有限公司 | 一种基于半波整流叠加的二四倍频器 |
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