TWI422143B - 一種倍頻裝置與其操作方法 - Google Patents

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Description

一種倍頻裝置與其操作方法
本案是關於被倍頻裝置，特別是關於可抑制諧波的倍頻裝置。
傳統的振盪電路可分成RC、LC諧振及晶體振盪電路，其電路的主要架構以運算放大器作為設計的主元件，但是以運算放大器所設計的振盪電路，其有增益頻寬乘積(gain bandwidth product)為定值的限制，在高頻電路的設計上有很大的缺點，例如Wien橋式振盪電路。而LC振盪電路如哈特萊振盪電路與考畢茲振盪電路，其所使用的元件容易受到溫度係數及雜散電容電阻的影響，而使振盪頻率改變，其溫度係數通常高於100ppm/℃，(相當於溫度每改變10℃，頻率變化0.03%)，故其穩定度不是很好。
陶瓷振盪器及石英振盪器屬於晶體振盪器，比較不易受到溫度係數及雜散電容電阻的影響，振盪頻率精確度達0.001%，適合用於高精確度的設備。
有別於傳統的振盪電路，要產生數十Giga赫茲的RF載波信號可利用頻率合成器直接達成，但是消耗功率過大，相位雜訊也不佳。另外一種方式是利用低頻信號經過頻率乘法器(倍頻器)將該頻率乘以數倍，以輸出高頻的振盪頻率。但是此種方法的缺點是輸出功率過小，諧波排斥率(Harmonic Rejection Ratio,HRR=需要的頻率的功率/不需要的頻率的功率)亦不佳。
請參閱第一圖，其為習知雙推式振盪器信號的示意圖。在第一圖中，一第一基頻信號S1具有一第一基本頻率f01 ，該第一基頻信號S1為一正相的正弦波。一第二基頻信號S2具有第二基本頻率f02 ，該第二基頻信號S2為一反相的正弦波，且該第一基本頻率f01 等於該第二基本頻率f02 。該第一基頻信號S1的二次諧波具有兩倍的該第一基本頻率f01 ，該第二基頻信號S2的二次諧波亦具有兩倍的該第一基本頻率f01 ，該第一基頻信號S1的二次諧波與該第二基頻信號S2的二次諧波具有相同的相位，因此兩個二次諧波的振幅相加可得到振幅增加的一兩倍頻信號S3，該兩倍頻信號S3具有一兩倍基本頻率2f01 ，該兩倍基本頻率2f01 為該第一基本頻率f01 的兩倍。而該第一基頻信號S1的奇次諧波與該第二基頻信號S2的奇次諧波具有相反相位，因此兩個奇次諧波的振幅相減會抵消。
請參閱第二圖(a)，其為習知雙推式振盪器的電路圖。該雙推式振盪器20包含一電晶體201、一電晶體202、一電感203、一電感204、一電流源205、及一導線206。該電感203包含一端點A及一端點B，該電感204包含一端點C及一端點D。
在第二圖(a)中，該電晶體201的閘極G10 與該電晶體202的汲極D20 連接，該電晶體202的閘極G20 與該電晶體201的汲極D10 連接，該電晶體201的源極S10 與該電晶體202的源極S20 連接至該電流源205，該電感203的該端點A連接到該電晶體201的汲極D10 ，該電感203的該端點B連接到該導線206，該電感204的該端點C連接到該電晶體202的汲極D20 ，該電感204的該端點D連接到該導線206。
該雙推式振盪器20在該電晶體201的汲極D10 處產生具有該第一基本頻率f01 的該第一基頻信號S1，該雙推式振盪器20在該電晶體202的汲極D20 處產生具有該第二基本頻率f02 的該第二基頻信號S2，其中該第一基本頻率f01 等於該第二基本頻率f02 。在該導線206、該電感203的端點B、及該電感204的端點D的連接處得到振幅相加的該二倍頻信號S3，該兩倍頻信號S3具有該兩倍基本頻率2f01 。
請參閱第二圖(b)，其為習知注入鎖住式倍頻器的電路圖。該注入鎖住式倍頻器21包含該雙推式振盪器20，但該導線206除外。該注入鎖住式倍頻器21還包含一電晶體211、一電晶體212、一緩衝器213、一緩衝器214、及一電流源215。該緩衝器213包含一輸入端in+及一輸出端out+，該緩衝器214包含一輸入端in-及一輸出端out-。
在第二圖(b)中，該電晶體201的汲極D10 連接該電晶體202的閘極G20 、該緩衝器213的輸入端in+、及該電感203的端點A，該電感203的該端點B連接VDD 。該電晶體202的汲極D20 連接該電晶體201的閘極G10 、該緩衝器214的輸入端in-、及該電感204的端點C，該電感204的端點D連接VDD 。該電晶體201的源極S10 及該電晶體202的源極S20 皆連接至該電流源205。該電晶體211的汲極D30 連接該電晶體201的汲極D10 ，該電晶體212的汲極D40 連接該電晶體202的汲極D20 。該電晶體211的源極S30 與該電晶體212的源極S40 接至該電流源215。
在第二圖(b)中，一差動信號SD1 具有一基本頻率f，該差動信號SD1 輸入該電晶體211的閘極G30 與該電晶體212的閘極G40 ，該差動信號SD1 具有一直流成分及一交流成分，該直流成分將該電晶體211與該電晶體212偏壓在非線性區，該交流成分經過該電晶體211的轉換後在該電晶體211的汲極D30 處產生一諧波信號SD2 ，該諧波信號SD2 具有正相三倍頻諧波分量，該正相三倍頻諧波分量具有三倍基本頻率3f1 ，該三倍基本頻率3f1 為該基本頻率f的三倍。該諧波信號SD2 在該緩衝器213的輸入端in+被輸入。該直流成分將該電晶體212偏壓在非線性區，該交流成分經過該電晶體212的轉換後在該電晶體212的汲極D40 處產生一諧波信號SD3 ，該諧波信號SD3 具有反相三倍頻諧波分量，該反相三倍頻諧波分量具有三倍基本頻率3f2 ，該三倍基本頻率3f2 為該基本頻率f的三倍。該諧波信號SD3 在該緩衝器214的輸入端in-被輸入。
該注入鎖住式倍頻器21雖然能注入鎖定該雙推式振盪器20的振盪頻率，但該注入鎖住式倍頻器21所輸出的振盪頻率容易受到其他諧波的干擾，而且將所有諧波直接灌入該雙推式振盪器20，然後只靠注入式鎖住本身的機制來抑制不想要的頻率，導致諧波排斥率(Harmonic Rejection Ratio,HRR)極差，影響振盪信號的品質。
上述的習知技術會使一倍頻與二倍頻的信號直接輸出而造成較差的諧波排斥率HRR。為了改善諧波排斥率HRR不佳的缺點，一種倍頻裝置被提出，該倍頻裝置包含一諧波產生器、一諧波抑制器、及一特定諧波應用裝置。該諧波產生器接收具有一基本頻率之輸入信號，並產生一諧波信號，該諧波信號包括一第一諧波信號分量及一第二諧波信號分量。該諧波抑制器接收該諧波信號，以抑制該第一諧波信號分量，並加強該第二諧波分量。該特定諧波應用裝置，接收加強後的該第二諧波信號分量。
較佳地，該第一諧波信號分量包括具有該基本頻率的一次諧波及具有該基本頻率的偶數倍的偶次諧波，該第二諧波信號分量包括具有該基本頻率的三倍的三次諧波。
較佳地，該特定諧波應用裝置為一振盪器，該振盪器具有一振盪頻率，該振盪器被該三次諧波以注入的方式鎖定在該基本頻率的三倍。
較佳地，該諧波抑制器包含至少一濾波器及一諧波抑制電路。
較佳地，該濾波器為一帶拒濾波器。
較佳地，該帶拒濾波器包含一電感與一電容，該電感與該電容串聯。
較佳地，該帶拒濾波器包含一第一電容、一電感、及一第二電容，該第一電容與該電感並聯，而該第一電容與該電感並聯後的電路再與該第二電容串聯。
較佳地，該帶拒濾波器抑制該一次諧波。
較佳地，該諧波抑制電路包含複數個電晶體與複數個電容。
較佳地，該複數個電晶體為雙載子電晶體及場效應電晶體的其中之一。
較佳地，該複數個電晶體包含一第一電晶體與一第二電晶體，該第一電晶體具有一第一閘極、一第一汲極、及一第一源極，而該第二電晶體具有一第二閘極、一第二汲極、及一第二源極。該複數個電容包含一第一電容與一第二電容，該第一電容具有一第一端點與一第三端點，而該第二電容具有一第二端點與一第四端點。該第一閘極與該第四端點連接，該第二閘極與該第三端點連接，該第一源極與該第一端點連接，而該第二源極與該第四端點連接。
較佳地，該諧波抑制電路抑制該偶次諧波。
較佳地，該諧波產生器為一差動電路。
較佳地，該輸入信號包含一非反相基頻信號與一反相基頻信號。
較佳地，該諧波產生器包含複數個電晶體、複數個電感、及複數個電容。
較佳地，該複數個電晶體包含一第一電晶體與一第二電晶體，該第一電晶體具有一第一閘極、一第一汲極、及一第一源極，而該第二電晶體具有一第二閘極、一第二汲極、及一第二源極。該複數個電感包含一第一電感與一第二電感，該第一電感具有一第一端點與一第三端點，而該第二電感具有一第二端點與一第四端點。該複數個電容包含一第一電容與一第二電容，該第一電容具有一第五端點與一第七端點，而該第二電容具有一第六端點與一第八端點。該第一汲極與該第一端點連接，該第二汲極與該第二端點連接，該第一源極及該第二源極皆接地，該第五端點與該第一閘極連接，而該第六端點與該第二閘極連接。該非反相基頻信號輸入該第七端點，而該反相基頻信號輸入該第八端點。
較佳地，該複數個電感加強該三次諧波。
依據上述構想，另一種倍頻裝置被提出，該倍頻裝置包含一諧波產生器及一諧波抑制器。該諧波產生器接收具有一基本頻率之輸入信號，並產生一諧波信號，該諧波信號包括一第一諧波信號分量及一第二諧波信號分量。該諧波抑制器接收該諧波信號，以抑制該第一諧波信號分量，並輸出該第二諧波信號分量。
較佳地，該倍頻裝置更包含至少一緩衝器，該緩衝器輸出該三次諧波。
依據上述構想，一種倍頻裝置的操作方法被提出，該方法包含下列步驟：(a)將一基頻信號輸入該倍頻裝置而產生一一次諧波、一偶次諧波、及一三次諧波。(b)抑制該一次諧波與該偶次諧波。(c)將該三次諧波注入一振盪器，以鎖定一振盪頻率。
請參閱第三圖(a)，其為本案第一實施例的倍頻裝置的示意圖。該倍頻裝置30包含一諧波產生器301、一諧波抑制器302、及一特定諧波應用裝置，該特定諧波應用裝置為一振盪器303。一輸入信號SD 具有一差動電壓Vin，該差動電壓Vin具有一基本頻率f0 ，該諧波產生器301接收具有該基本頻率f0 之輸入信號SD ，並產生電壓為vx 的諧波信號sH ，該諧波信號sH 包括一第一諧波信號分量sHD1 及一第二諧波信號分量sHD2 ，該第一諧波信號分量sHD1 包括頻率為該基本頻率f0 的一次諧波與頻率為偶數倍該基本頻率f0 的偶次諧波，該第二諧波信號分量sHD2 包括頻率為三倍該基本頻率f0 的三次諧波。該一次諧波、偶次諧波、及該三次諧波經過該諧波抑制器302後，輸出具有一注入電壓vinj 的注入信號sinj ，該注入電壓vinj 的頻率為三倍該基本頻率f0 ，該振盪器303所輸出的電壓vout 的頻率被鎖定在三倍該基本頻率f0 ，其中該振盪器303的振盪頻率fc被注入鎖定在三倍的該基本頻率f0 。
請參閱第三圖(b)，其為本案第一實施例的倍頻裝置的電路圖。該諧波產生器301為一差動電路，其包含一第一電晶體M3 、一第二電晶體M4 、一第一電感Ld1、一第二電感Ld2、一第一電容C1 、及一第二電容C2 。該第一電晶體M3 具有一第一閘極G3 、一第一汲極D3 、及一第一源極S3 ，該第二電晶體M4 具有一第二閘極G4 、一第二汲極D4 、及一第二源極S4 。該第一電感Ld1包含一第一端點P1 及一第三端點P3 ，該第一端點P1 與該第一電晶體M3 的該第一汲極D3 相連接。該第二電感Ld2包含一第二端點P2 及一第四端點P4 ，該第二端點P2 與該第二電晶體M4 的該第二汲極D4 相連接。該第一電容C1 包含一第五端點P5 及一第七端點P7 ，該第五端點P5 與該第一電晶體M3 的該第一閘極G3 相連接。該第二電容C2 包含一第六端點P6 及一第八端點P8 ，該第六端點P6 與該第二電晶體M4 的該第二閘極G4 相連接。該第一電晶體M3 的該第一源極S3 與該第二電晶體M4 的該第二源極S4 皆接至地。一非反相基頻信號Vin+輸入該第七端點P7 ，經該第一電容C1 偶合交流的電壓信號後輸入該第一電晶體M3 的該第一閘極G3 ，一反相基頻信號Vin-輸入該第八端點P8 ，交流的電壓信號經該第二電容C2 偶合後被輸入該第二電晶體M4 的該第二閘極G4 。
該諧波抑制器302包含一組濾波器3021及一諧波抑制電路3022。該諧波抑制器302接收該諧波信號sH ，並輸出該第二諧波信號分量sHD2 。該第二諧波信號分量sHD2 包含具有該基本頻率f0 的三倍的三次諧波。該組濾波器3021包含兩個抑制基頻的帶拒濾波器30211及帶拒濾波器30212。該帶拒濾波器30211包含一第一電容Cp1、一第二電容Cg1、及一電感Lp1，該第一電容Cp1與該電感Lp1並聯後再與該第二電容Cg1串聯，該電感Lp1與該第二電容Cg1串聯亦可形成帶拒濾波器。該帶拒濾波器30212包含一第一電容Cp2、一第二電容Cg2、及一電感Lp2，該第一電容Cp2與該電感Lp2並聯後再與該第二電容Cg2串聯，該電感Lp2與該第二電容Cg2串聯亦可形成帶拒濾波器。該帶拒濾波器30211與該帶拒濾波器30212抑制該一次諧波。該諧波產生器301產生各種諧波，其頻率為基本頻率的3倍以上的諧波的能量已經很小而可以忽略，且不會影響到其後級電路的輸入或輸出，就本案而言，後級電路為該諧波抑制器302與該振盪器303。
該諧波抑制電路3022包含一第一電晶體M5 、一第二電晶體M6 、一第一電容Cc1、一第二電容Cc2、一電阻Rb1、一電阻Rb2。該第一電晶體M5 具有一第一閘極G5 、一第一汲極D5 、及一第一源極S5 ，該第二電晶體M6 具有一第一閘極G6 、一第一汲極D6 、及一第一源極S6 。該第一電容Cc1包含一第一端點P9 及一第三端點P11 ，該第二電容Cc2包含一第二端點P10 及一第四端點P12 。該電阻Rb1包含端點P13 及P15 ，該電阻Rb2包含端點P14 及P16 。
該第一電晶體M5 的該第一閘極G5 與該第二電容Cc2的該第二端點P10 、及該電阻Rb1的端點P13 連接，該第二電晶體M6 的該第二閘極G6 與該第一電容Cc1的該第一端點P9 、及該電阻Rb2的端點P14 連接。該第二電容Cg1包含端點P17 ，端點P17 與該第一電感Ld1的該第三端點P3 、該第一電容Cc1的該第三端點P11 、該第一電晶體M5 的該第一源極S5 連接。該第二電容Cg2包含端點P18 ，端點P18 與該第二電感Ld2的該第四端點P4 、該第二電容Cc2的該第四端點P12 、該第二電晶體M6 的該第二源極S6 連接。該電阻Rb1的端點P15 與該電阻Rb2的端點P16 連接到電壓Vdd2，該電阻Rb1作為偏壓電阻，對該第一電晶體M5 做偏壓，該電阻Rb2作為偏壓電阻，對該第二電晶體M6 做偏壓。該諧波抑制電路用以抑制該偶次諧波。
該振盪器303包含一電晶體M1 、一電晶體M2 、一電感Ls1、一電感Ls2、及一偏壓電流源3031。該電感Ls1包含端點P19 及端點P21 ，該電感Ls2包含端點P20 及端點P22 。該電晶體M1 的閘極G1 與該電晶體M2 的汲極D2 、及該電感Ls2的端點P20連接，該電晶體M2 的閘極G2 與該電晶體M1 的汲極D1 、及該電感Ls2的端點P19 連接，該電晶體M1 的源極S1 與該電晶體M2 的源極S2 共接至該偏壓電流源3031，該電感Ls1的端點P21 與該電感Ls2的端點P22 共連接至Vdd1。本案的電晶體為雙載子電晶體及場效應電晶體的其中之一皆可適用。
在第三圖(b)中，該倍頻裝置30不需要該振盪器303亦可產生三倍該基本頻率f0 的振盪信號，該諧波產生器301與該諧波抑制器302形成第二種倍頻裝置。
在第三圖(b)中，該正相差動信號Vin+輸入該第一電晶體M3 ，該反相差動信號Vin-輸入該第二電晶體M4 ，將該第一電晶體M3 及該第二電晶體M4 偏壓在適當的偏壓點來產生數倍頻的諧波。在該諧波產生器301的設計上，本案較佳實施例的目的是產生最大的三倍該基本頻率f0 的電流，以下簡稱為三倍頻電流，在諧波產生器301這一級的輸出阻抗亦納入考量，將該第一電晶體M3 與該第二電晶體M4 偏壓在非線性區輸出電流最大的地方，可產生最大的三倍頻電流。
請參閱第四圖，其為本案第一實施例根據第三圖(b)的輸入電壓與三倍頻電流的關係圖。在第四圖中，一輸入電壓Vgs3、一輸入電壓Vgs4、該第一電感Ld1的電感值、及該第二電感Ld2的電感值與三倍頻電流的關係可從圖中得知。由第四圖中可以看出最佳的三倍頻電流是在該第一電感Ld1的電感值及該第二電感Ld2的電感值皆為200pH的時候，且電壓Vgs3與電壓Vgs4皆為0.6伏特的時候。
將該第一電晶體M3 與該第二電晶體M4 偏壓在產生最大三倍頻電流偏壓Vgs-max之後，接下來考慮輸出阻抗的問題。由阻抗理論(out of band impedance)可得知，當輸出阻抗對於一倍該基本頻率f0 、二倍該基本頻率f0 、及三倍該基本頻率f0 分別是短路、短路、及開路時，可以得到最大的三倍頻電流，而可以達到此頻率響應的元件則是電感，因此在第四圖中是利用輸入電壓為最大三倍頻電流偏壓Vgs-max=0.6伏特、該第一電感Ld1的電感值=200pH、及該第二電感Ld2的電感值=200pH來獲得最大三倍頻電流。
請參閱第五圖(a)，其為本案第一實施例諧波抑制電路抑制偶次諧波的示意圖。在源極S5 處的偶次諧波EW1與在源極S6 處的偶次諧波EW2是同相的，所以對該第一電晶體M5 來說，在閘極G5 的偶次諧波交流電壓準位與源極S5 的電壓準位在任何一個時間點皆相同，也就是說輸入該第一電晶體M5 的偶次諧波交流輸入電壓Vgs5=0，偶次諧波在汲極D5 的輸出也就為0，對該第二電晶體M6 來說，在閘極G6 的電壓準位與源極S6 的電壓準位在任何一個時間點皆相同，也就是說輸入該第二電晶體M6 的輸入電壓Vgs6=0，偶次諧波在汲極D6 的輸出也就為0，因此可達到抑制偶次諧波的效果。
同理，該諧波抑制電路3022對於具有奇數倍該基本頻率f0 的奇次諧波則有振幅增加的效果，同時使一次諧波與三次諧波的電流增加。三次諧波的電流增加是本案所需要的，但是一次諧波的電流則是本案不需要的，因次必須有適當的方法將一次諧波的電流做適當的處理。
在該第一電晶體M3 與該第二電晶體M4 工作時，以具有該基本頻率f0 的一次諧波所產生的電流為最大，如果可以將該一次諧波在注入該振盪器303之前預先做處理，使該一次諧波的電流降低，同時使三倍頻電流能夠完全注入該振盪器中303，必能獲得較好的注入效果。因此，本案較佳的實施例是利用該帶拒濾波器30211及該帶拒濾波器30212達到過濾該一次諧波的功效。
請參閱第五圖(b)，其為本案第一實施例帶拒濾波器的電路圖。在第五圖(b)中，該第一電容Cp2與電感Lp2並聯而形成在三倍該基本頻率f0 的高阻抗，然後再與電容Cg2串聯形成在基本頻率f0 的低阻抗，若以基本頻率f0 為20Ghz，則三倍該基本頻率f0 為60GHz。Cg、Cp、及Lp分別代表電容Cg2的電容值、該第一電容Cp2的電容值、及電感Lp2的電感值，從Cg2看進去對地的輸入阻抗推導如下：
設計上將電容值Cg、電容值Cp、及電感值Lp所形成的等效阻抗設計成對20GHz的基本頻率f0 是低阻抗，這樣一次諧波的電流就可以洩流到地。而對於60GHz而言，將電容Cp與電感Lp並聯所形成的等效電路設計成對60GHz，三倍該基本頻率f0 是高阻抗，則可以防止三倍頻電流洩流到地。
由共振頻率的公式可得知：
由以上的推導可知電容值Cg和電容值Cp為倍數關係，但是製程飄移也會對結果造成的一些影響，因此所選擇的電感值Lp也不能太小。由以上的考量就可以設計出一次諧波的洩流電路。同理該帶拒濾波器30211亦使用相同的設計方法來設計。
在第三圖(b)中，在閘極G2 與源極S2 之間會有寄生電容Cgs2形成，在閘極G1 與源極S1 之間會有寄生電容Cgs1形成，電感Ls1與寄生電容Cgs2、及電感Ls2與寄生電容Cgs1形成一個具有頻率選擇功能的電感電容共振電路(LC Tank)，而從汲極D1 與汲極D2 之間對地所形成的等效電路為阻抗值-2/gm的負阻抗，該負阻抗可用來補償該LC Tank共振電路所造成振盪頻率的損耗。為了量測該倍頻裝置30的振盪頻率，該倍頻裝置30需加入緩衝電路以利量測。
請參閱第五圖(c)，其為本案第二實施例的倍頻裝置的電路圖。該倍頻裝置50包含一諧波產生器301及一諧波抑制器302。該諧波產生器301接收具有該基本頻率f0 之輸入信號SD ，並產生電壓為vx 的諧波信號sH ，該諧波信號sH 包括該第一諧波信號分量sHD1 及該第二諧波信號分量sHD2 ，該第一諧波信號分量sHD1 包括頻率為該基本頻率f0 的一次諧波與頻率為偶數倍該基本頻率f0 的偶次諧波，該第二諧波信號分量sHD2 包括頻率為三倍該基本頻率f0 的三次諧波。該諧波抑制器302包含一組濾波器3021及一諧波抑制電路3022。該諧波抑制器302接收該諧波信號sH ，並輸出該第二諧波信號分量sHD2 。該第二諧波信號分量sHD2 包含具有該基本頻率f0 的三倍的三次諧波。在本案第二實施例中，三次諧波從該第一電晶體G5 的該第一級極D5 與該第二電晶體G6 的該第二級極D6 輸出。
請參閱第六圖，其為本案在第一實施例中量測振盪頻率的電路圖。該量測振盪頻率電路60包含一倍頻裝置601、一量測電路602、一量測電路603、一差動信號平衡電路604。該被頻裝置601包含該諧波產生器301、該諧波抑制器302、及該振盪器303。該振盪器303亦可以省略，一樣可以輸出三倍該基本頻率f0 的振盪頻率。該量測電路602包含一第一級緩衝器6021、一電晶體M11 作為第二級緩衝器、一低阻抗電路6022、及一偏壓電路6023，該量測電路603包含一第一級緩衝器6031、一電晶體M12 作為第二級緩衝器、一低阻抗電路6032、及一偏壓電路6033。該差動信號平衡電路604包含一信號平衡器6041及複數個電晶體、複數個電阻、複數個電容。
該倍頻裝置601與本案倍頻裝置30的差別在於所輸入的該正相差動信號Vin+與該反相差動信號Vin-是藉由該信號平衡器6041所產生，該基本頻率f0 約19GHz~22GHz輸入該信號平衡器6041後，由該信號平衡器6041產生該正相差動信號Vin+與該反相差動信號Vin-。兩個電容值1.6pF的電容用來交流偶合該正相差動信號Vin+與該反相差動信號Vin-，容值0.4pF的電容用來交流偶合接地，兩個阻值50歐姆的電阻用來做為輸入阻抗的匹配，兩個阻值5k歐姆的電阻用來偏壓該第一電晶體M3 與該第二電晶體M4 至電壓Vb1，該電晶體M17 與該電晶體M18 用來作為靜電防護，以防止靜電對該倍頻裝置601的擊穿。
在第六圖中，該第一級緩衝器6021包含一電晶體M9、一電感Lbuf1、及一電阻Rbuf1。在端點Vop及端點Von處為三倍該基本頻率f0 的頻振盪頻率所輸出的地方，為了不使負載過大而影響振盪，本案量測電路602及量測電路603採用兩級的緩衝器，且所使用的電晶體尺寸亦較小。由於緩衝器直接與振盪器接在一起，所以緩衝器的輸入電容也要考慮，所以使用小尺寸的共源級放大器並且在共源放大器的源極S9 接一適當阻值的電阻Rbuf1以免電流過大將電晶體M9 燒毀。該電感Lbuf1的感抗即為該第一緩衝器6021的負載阻抗。汲極D9 連接至電晶體M11 的閘極G11 ，該電晶體M11 作為源極追隨器，亦作為第二級緩衝器，其具有將振盪信號放大的功能，該源極追隨器在源極S11 輸出振盪信號，該源極追隨器的輸出阻抗較低，可與該低阻抗電路6022的等效阻抗相匹配。
該低阻抗電路6022用來模擬探棒接觸第二級緩衝器的輸出點，探棒的等效阻抗約為50歐姆。該偏壓電路6023為一電流鏡，該電流鏡提供偏壓電流給電晶體M11 。同理，該第一級緩衝器6031包含一電晶體M10 、一電感Lbuf2、及一電阻Rbuf2。該低阻抗電路6032用來模擬探棒接觸第二級緩衝器的輸出點，探棒的等效阻抗約為50歐姆。該偏壓電路6033為一電流鏡，該電流鏡提供偏壓電流給電晶體M12 。
請參閱第七圖(a)，其為本案第一實施例諧波的頻率與電流大小關係圖。橫軸代表頻率，左邊的縱軸代表二次諧波與三次諧波的電流，右邊的縱軸代表一次諧波的電流。兩條短線所構成的虛線連成的曲線代表一次諧波的關係曲線，一長一短線所連成的曲線代表二次諧波的關係曲線，實線代表三次諧波的關係曲線。
由第七圖(a)中可知，二次諧波的電流被壓制到約350微安培，一次諧波的電流在基本頻率f0 為20GHz時約為5.05毫安培，三次諧波的電流在三倍該基本頻率f0 為60GHz時約為800微安培。
請參閱第七圖(b)，其為本案第一實施例諧波的頻率與損耗電流關係圖。橫軸代表頻率，左邊縱軸代表二次諧波與三次諧波的損耗電流，右邊的縱軸代表一次諧波的損耗電流。
由第七圖(b)中可知，一次諧波的損耗電流在該基本頻率f0 為20GHz時為高損耗，這是因為該帶拒濾波器30212在20GHz時為低阻抗，使一次諧波的電流流至地，此可改善諧波排斥率HRR。二次諧波的損耗電流也很高，而三次諧波的損耗電流與在第四圖中三次諧波的電流幾乎相等，代表三次諧波的損耗電流完全用在輸出三次諧波的電流上。
請參閱第七圖(c)，其為本案第一實施例注入振盪器的各諧波電流與頻率關係圖。橫軸代表頻率，縱軸代表注入該振盪器303的諧波電流大小。由第七圖(c)可知，注入該振盪器303的二次諧波的電流被抑制到200微安培以下，注入該振盪器303的一次諧波的電流被抑制在600為安培以下，而注入該振盪器303的三次諧波的電流約為1300微安培，代表三次諧波的電流完全注入該振盪器303。
請參閱第七圖(d)，其為本案第一實施例諧波的功率示意圖。橫軸代表諧波的頻率，縱軸代表諧波的輸出功率。該一次諧波、該二次諧波、及該三次諧波的功率分別為mo1、mo2、及mo3。由第七圖(d)可知，該三次諧波的功率在60GHz時可達到0dBm。
請參閱第七圖(e)，其為本案第一實施例的諧波排斥率的示意圖。橫軸代表鎖定頻率，縱軸代表諧波排斥率。由第七圖(e)可知，在振盪頻率為60GHz時，諧波排斥率都在30dB以上。
請參閱第七圖(f)，其為本案第一實施例的振盪器與緩衝器的輸出功率的示意圖。橫軸代表鎖定頻率，縱軸代表功率。實心正方形代表該振盪器303的輸出功率，實心圓形代表第二級緩衝器的輸出功率。由第七圖(f)可知，在鎖定頻率為59~60GHz時，該振盪器303的輸出功率為最大，該緩衝器的輸出功率亦為最大。
請參閱第七圖(g)，其為本案第一實施例的信號平衡器輸出相位與頻率關係圖。橫軸代表輸入該信號平衡器6041的頻率，縱軸代表該正相差動信號Vin+與該反相差動信號Vin-的相位差。為了抑制偶次諧波，該正相差動信號Vin+與該反相差動信號Vin-的相位差應隨時保持在180度的相位差。由第七圖(g)中可知，在輸入頻率為20GHz時，該正相差動信號Vin+與該反相差動信號Vin-的相位差約為182度。
請參閱第八圖(a)，其為本案第一實施例倍頻裝置30的操作流程圖。本案倍頻裝置30的操作方法包含下列步驟：步驟S801：將一基頻信號輸入該倍頻裝置301而產生一一次諧波、一偶次諧波、及一三次諧波。步驟S802：抑制該一次諧波與該偶次諧波。步驟S803：將該三次諧波注入一振盪器303，以鎖定一振盪頻率fc。本案倍頻裝置30的操作方法還包含下列步驟：使該振盪器起振。
請參閱第八圖(b)，其為本案第二實施例的倍頻裝置的操作流程圖。在第三圖(b)中，本案另一種倍頻裝置是該倍頻裝置30省略了該振盪器303。另一種倍頻裝置的操作方法包含下列步驟：步驟S811：將一基頻信號輸入該倍頻裝置301而產生一一次諧波、一偶次諧波、及一三次諧波。步驟S812：抑制該一次諧波與該偶次諧波。步驟S813：輸出該三次諧波。
綜上所述，本案藉由諧波抑制器來抑制一次諧波與偶次諧波，並加強三次諧波，以達到輸出品質較佳的振盪信號。本發明的說明與實施例已揭露於上，然其非用來限制本發明，凡習知此技藝者，在不脫離本本發明的精神與範圍之下，當可做各種更動與修飾，其仍應屬在本發明專利的涵蓋範圍之內。
201,202,211,212,M1 ,M2 ,M7 ~M18 ．．．電晶體
A,B,C,D,P1 ~P22 ,Vop,Von．．．端點
203,204,Ls1,Ls2,Lp1,Lp2,Lbuf1,Lbuf2．．．電感
Rb,Rb1,Rb2,Rbuf1,Rbuf2．．．電阻
205,215,3031．．．電流源
206．．．導線
213,214．．．緩衝器
In+,in-．．．輸入端
out+,out-．．．輸出端
S1．．．第一基頻信號
S2．．．第二基頻信號
S3．．．兩倍頻信號
f01 ．．．第一基本頻率
f02 ．．．第二基本頻率
2f01 ．．．二倍基本頻率
SD1 ．．．輸入信號
SH ．．．諧波信號
SHD2 ．．．第一諧波信號分量
SHD3 ．．．第二諧波信號分量
Sinj ．．．注入信號
3f1 ,3f2 ．．．三倍基本頻率
f,f0 ．．．基本頻率
3f,3f0 ．．．三倍基本頻率
fc．．．振盪頻率
Vin．．．差動電壓
Vinj ．．．注入電壓
vx ．．．電壓
30,601．．．倍頻裝置
301．．．諧波產生器
302．．．諧波抑制器
303．．．振盪器
3021．．．一組濾波器
3022．．．諧波抑制電路
30211,30212．．．帶拒濾波器
M3 ,M5 ．．．第一電晶體
M4 ,M6 ．．．第二電晶體
Ld1．．．第一電感
Ld2．．．第二電感
C1 ,Cp1,Cp2,Cc1．．．第一電容
C2 ,Cg1,Cg2,Cc2．．．第二電容
Vgs3,Vgs4,Vgs5,Vgs6．．．輸入電壓
Vgs-max．．．最大三倍頻電流偏壓
Vin+．．．非反相基頻信號
Vin-．．．反相基頻信號
60．．．量測振盪頻率電路
602,603．．．量測電路
604．．．差動信號平衡電路
6021,6031．．．第一級緩衝器
6022,6032．．．低阻抗電路
6023,6033．．．偏壓電路
6041．．．信號平衡器
第一圖：習知雙推式振盪器信號的示意圖；
第二圖(a)：習知雙推式振盪器的電路圖；
第二圖(b)：習知注入鎖住式倍頻器的電路圖；
第三圖(a)：本案第一實施例的倍頻裝置的示意圖；
第三圖(b)：本案第一實施例的倍頻裝置的電路圖；
第四圖：本案根據第三圖(b)的輸入電壓與三倍頻電流的關係圖；
第五圖(a)：本案第一實施例的諧波抑制電路抑制偶次諧波的示意圖；
第五圖(b)：本案第一實施例的帶拒濾波器的電路圖；
第五圖(c)：本案第二實施例的倍頻裝置的電路圖；
第六圖：本案第一實施例的量測振盪頻率的電路圖；
第七圖(a)：本案第一實施例的諧波的頻率與電流大小關係圖；
第七圖(b)：本案第一實施例的諧波的頻率與損耗電流關係圖；
第七圖(c)：本案第一實施例的注入振盪器的各諧波電流與頻率關係圖；
第七圖(d)：本案第一實施例的諧波的功率示意圖；
第七圖(e)：本案第一實施例的諧波排斥率的示意圖；
第七圖(f)：本案第一實施例的振盪器與緩衝器的輸出功率的示意圖；
第七圖(g)：本案第一實施例的信號平衡器輸出相位與頻率關係圖；
第八圖(a)：本案第一實施例倍頻裝置的操作流程圖；及
第八圖(b)：本案第二實施例的倍頻裝置的操作流程圖。
30．．．倍頻裝置
301．．．諧波產生器
302．．．諧波抑制器
303．．．振盪器
3021．．．一組濾波器
3022．．．諧波抑制電路
30211,30212．．．帶拒濾波器
Vgs3,Vgs4,Vgs5,Vgs6．．．輸入電壓
Vin+．．．非反相基頻信號
Vin-．．．反相基頻信號
M1 ,M2 ．．．電晶體
M3 ,M5 ．．．第一電晶體
M4 ,M6 ．．．第二電晶體
Ls1,Ls2,Lp1,Lp2．．．電感
Ld1．．．第一電感
Ld2．．．第二電感
C1 ,Cp1,Cp2,Cc1．．．第一電容
C2 ,Cg1,Cg2,Cc2．．．第二電容
Rb1,Rb2．．．電阻

Claims (8)

  1. 一種倍頻裝置，包含：一諧波產生器，接收具有一基本頻率之輸入信號，並產生一諧波信號，該諧波信號包括一第一諧波信號分量及一第二諧波信號分量，其中該第一諧波信號分量包括具有該基本頻率的一次諧波及具有該基本頻率的偶數倍的偶次諧波，該第二諧波信號分量包括具有該基本頻率的三倍的三次諧波；一諧波抑制器，接收該諧波信號，以抑制該第一諧波信號分量，並加強該第二諧波分量，其中該諧波抑制器包含至少一濾波器及一諧波抑制電路，該濾波器為一帶拒濾波器，該帶拒濾波器包含一電感與一電容，該電感與該電容串聯；及一特定諧波應用裝置，接收加強後的該第二諧波信號分量，其中該特定諧波應用裝置為一振盪器，該振盪器具有一振盪頻率，該振盪器被該三次諧波以注入的方式鎖定在該基本頻率的三倍。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的倍頻裝置，其中該帶拒濾波器包含一第一電容、一電感、及一第二電容，該第一電容與該電感並聯，而該第一電容與該電感並聯後的電路再與該第二電容串聯，該帶拒濾波器抑制該一次諧波。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的倍頻裝置，其中：該諧波抑制電路包含複數個電晶體與複數個電容，該複數個電晶體為雙載子電晶體及場效應電晶體的其中之 一；該複數個電晶體包含一第一電晶體與一第二電晶體，該第一電晶體具有一第一閘極、一第一汲極、及一第一源極，而該第二電晶體具有一第二閘極、一第二汲極、及一第二源極；該複數個電容包含一第一電容與一第二電容，該第一電容具有一第一端點與一第三端點，而該第二電容具有一第二端點與一第四端點；該第一閘極與該第四端點連接，該第二閘極與該第三端點連接，該第一源極與該第一端點連接，而該第二源極與該第四端點連接；及該諧波抑制電路抑制該偶次諧波。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的倍頻裝置，其中：該諧波產生器為一差動電路；該輸入信號包含一非反相基頻信號與一反相基頻信號；該諧波產生器包含複數個電晶體、複數個電感、及複數個電容；該複數個電晶體包含一第一電晶體與一第二電晶體，該第一電晶體具有一第一閘極、一第一汲極、及一第一源極，而該第二電晶體具有一第二閘極、一第二汲極、及一第二源極；該複數個電感包含一第一電感與一第二電感，該第一電感具有一第一端點與一第三端點，而該第二電感具有一 第二端點與一第四端點；該複數個電容包含一第一電容與一第二電容，該第一電容具有一第五端點與一第七端點，而該第二電容具有一第六端點與一第八端點；該第一汲極與該第一端點連接，該第二汲極與該第二端點連接，該第一源極及該第二源極皆接地，該第五端點與該第一閘極連接，而該第六端點與該第二閘極連接；該非反相基頻信號輸入該第七端點，而該反相基頻信號輸入該第八端點；及該複數個電感加強該三次諧波。
  5. 一種倍頻裝置，包含：一諧波產生器，接收具有一基本頻率之輸入信號，並產生一諧波信號，該諧波信號包括一第一諧波信號分量及一第二諧波信號分量，其中該第一諧波信號分量包括具有該基本頻率的一次諧波及具有該基本頻率的偶數倍的偶次諧波，該第二諧波信號分量包括具有該基本頻率的三倍的三次諧波；一諧波抑制器，接收該諧波信號，以抑制該第一諧波信號分量，並輸出該第二諧波信號分量，其中該諧波抑制器包含：至少一濾波器，抑制該一次諧波；及一諧波抑制電路，抑制該偶次諧波；及至少一緩衝器，輸出該三次諧波。
  6. 一種倍頻裝置的操作方法，該方法包含下列步驟： (a)將一基頻信號輸入該倍頻裝置而產生一一次諧波、一偶次諧波、及一三次諧波；(b)抑制該一次諧波與該偶次諧波；及(c)將該三次諧波注入一振盪器，以鎖定一振盪頻率。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的方法還包含下列步驟：使該振盪器起振。
  8. 一種倍頻裝置之操作方法，該方法包含下列步驟：(a)將一基頻信號輸入該倍頻裝置以產生一一次諧波、一偶次諧波、及一三次諧波；(b)抑制該一次諧波與該偶次諧波；及(c)輸出該三次諧波。
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