專利名稱：一種帶有奇次諧波抑制機制的注入鎖定二倍頻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于模擬/射頻集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種帶有奇次諧波抑制機制的注入鎖定二倍頻器。
背景技術(shù)：
隨著信息技術(shù)的發(fā)展，通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)率不斷提升，各種高數(shù)據(jù)率通信應(yīng)用如無線高清電視、無線USB層出不窮。為滿足高速通信所需要的頻譜資源，新的無線通信標(biāo)準(zhǔn)的載波頻率不斷提升，如醞釀中的802.1lad WLAN標(biāo)準(zhǔn)，其載波頻率在60GHz左右。為了實現(xiàn)可靠地高速數(shù)據(jù)通信，高數(shù)據(jù)率無線通信系統(tǒng)對頻率源提出了更高的要求，具體來說，就是要求頻率源具有較低的相位噪聲、較高的輸出功率，同時消耗的功率較低。由于有源器件的最大可用增益隨著頻率的增加而下降，因 而在較高的頻率上其最大可用增益比較低，導(dǎo)致基頻壓控振蕩器在較高頻段范圍內(nèi)的輸出相位噪聲指標(biāo)較差，影響整個無線通信系統(tǒng)的性倉泛。為解決高頻無線通信系統(tǒng)頻率源的這一難題，可以使用倍頻器來實現(xiàn)頻率源。相比于工作于同一頻率的基頻壓控振蕩器，倍頻器的優(yōu)勢在于，其輸出信號的相位噪聲由輸入信號的相位噪聲決定。由于低頻信號源更容易做到低的輸出相位噪聲，因此倍頻器可以更小的代價實現(xiàn)低相位噪聲的頻率信號輸出。倍頻器的結(jié)構(gòu)比較多樣，其中基于注入鎖定原理的注入鎖定倍頻器具有輸出信號幅度穩(wěn)定、功率效率低的優(yōu)勢。由于注入鎖定倍頻器的鎖定范圍由注入到諧振腔的諧波強度決定，而諧波信號的強度隨著諧波階數(shù)的增加而降低。因而相比于其他階數(shù)的注入鎖定倍頻器，注入鎖定二倍頻器具有較大的注入鎖定范圍，在注入鎖定范圍和輸出信號相位噪聲之間取得了較好的折中。但是普通的注入鎖定二倍頻器存在諧波抑制的問題，即輸出信號中不僅存在所期望的注入信號的二次諧波分量，同時還存在注入信號的基頻和三次諧波分量。由于這些諧波距離二次諧波分量較近，因而在通信系統(tǒng)中會通過各種非線性機制而干擾通信系統(tǒng)的正常工作。為了得到更好的注入鎖定二倍頻器的輸出頻譜，需要對這些諧波進行抑制。但是現(xiàn)有的關(guān)于注入鎖定二倍頻器的專利，如中國專利申請?zhí)枮?010800299403的申請，其電路中并沒有抑制基頻和三次諧波的機制，不具有抑制這些諧波分量的能力，因而本專利申請?zhí)钛a了國內(nèi)在該方面的空白。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決現(xiàn)有的注入鎖定二倍頻器的諧波抑制問題，進而提供了一種帶有奇次諧波抑制機制的注入鎖定二倍頻器。為此，本發(fā)明提供了如下的技術(shù)方案:一種帶有奇次諧波抑制機制的注入鎖定二倍頻器，包括注入緩沖級、壓控振蕩器偏置電路和壓控振蕩器，注入緩沖級的漏極輸出與壓控振蕩器偏置級的漏極輸出并聯(lián)，并與壓控振蕩器交叉耦合對的源極相連；其中:
注入緩沖級采用共源差分電路，差分電路由兩個NMOS晶體管匪1，匪2構(gòu)成，兩個晶體管的漏極直接相連，注入緩沖級的交流輸入信號為差分注入信號INJ+和INJ-，直流偏置電壓為VC0NV，直流偏置電壓VCONV通過控制匪I和匪2的工作區(qū)和導(dǎo)通角來影響輸出電流信號的波形，影響注入信號INJ+和INJ-諧波轉(zhuǎn)換效率，電阻Rl和R2的阻值較大，為交流扼流電阻，作用是阻止注入交流信號的泄漏，通過將注入緩沖級的漏端連接在一起，對兩個NMOS晶體管匪1和匪2輸出電流進行疊加，實現(xiàn)輸出信號中偶次諧波同相疊加增強，同時實現(xiàn)對奇次諧波反相疊加抵消；壓控振蕩器偏置電路采用差分對匪3和NM4，其作用是為電感電容壓控振蕩器的交叉耦合對NM5和NM6提供直流偏置，以產(chǎn)生足夠的負阻以來補償電感電容諧振腔的損耗，由于交叉耦合對的直流偏置由匪3和NM4單獨提供，因而注入緩沖級的偏置電壓VCONV可以單獨設(shè)置以保證較高的諧波轉(zhuǎn)換效率；壓控振蕩器由NMOS晶體管匪5和NM6、電感L1、變?nèi)莨躒ARl和VAR2以及電阻R5和R6組成，匪5和NM6構(gòu)成交叉耦合對，提供負阻以補償電感電容諧振腔的損耗，諧振腔由電感L1、變?nèi)莨躒ARl和VAR2、電阻R5和R6以及NMOS晶體管的寄生電容組成，當(dāng)壓控振蕩器的自由振蕩頻率與輸入信號的二次諧波之間的頻率差值小于鎖定范圍的時候，壓控振蕩器的輸出將鎖定到輸入信號的二次諧波上，其相位噪聲將由輸入信號決定，通過調(diào)節(jié)變?nèi)莨躒ARl和VAR2的控制電壓VTUNE，改變壓控振蕩器的自由振蕩頻率，拓展注入鎖定二倍頻器的工作頻率范圍。所述的注入緩沖級對差分注入信號進行整形，產(chǎn)生諧波，通過單獨對偏壓VCONV的調(diào)節(jié)，選擇具有最大諧波轉(zhuǎn)換效率的最優(yōu)電壓值，通過將兩個NMOS晶體管的漏端連接在一起，實現(xiàn)偶次諧波的增強和奇次諧波的抵消。所述的壓控振蕩器偏置電路單獨提供壓控振蕩器交叉耦合對在振蕩時所需的偏置電流，因而使得注入緩沖級的偏置電壓可以選擇最優(yōu)值以便具有最大的諧波轉(zhuǎn)換效率，而不至于影響壓控振蕩器的正常工作。所述的 壓控振蕩器在注入鎖定狀態(tài)下的輸出信號由注入緩沖級產(chǎn)生的二次諧波決定，輸出的相位噪聲由輸入信號決定，通過調(diào)節(jié)電壓VTUNE可以實現(xiàn)壓控振蕩器自由振蕩頻率的改變，拓展注入鎖定二倍頻器的工作頻率范圍。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于:1、本發(fā)明的注入緩沖級對注入信號進行諧波轉(zhuǎn)換，以便產(chǎn)生所需要的諧波分量；由于組成注入緩沖級的差分對的兩個NMOS晶體管匪1、匪2的漏極短接在一起，因而能夠?qū)崿F(xiàn)二次諧波疊加的同時將所有奇次諧波進行抵消。2、本發(fā)明的壓控振蕩器偏置電路單獨提供壓控振蕩器的偏置電流，使注入緩沖級的偏置電壓可以設(shè)為具有最大二次諧波轉(zhuǎn)換效率的最優(yōu)電壓值上，使諧波轉(zhuǎn)換和偏置兩個功能不至于相互影響。3、本發(fā)明的壓控振蕩器作為放大器件放大注入到諧振腔的輸入信號的二次諧波，在鎖定的情況下，輸出信號的幅度由壓控振蕩器自由振蕩狀態(tài)下的輸出幅度確定，相位噪聲由輸入信號確定，因而可以在高頻實現(xiàn)以低功耗輸出大擺幅的信號。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1是傳統(tǒng)二倍頻器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的具體實施方式
提供的帶有奇次諧波抑制機制的注入鎖定二倍頻器的電路結(jié)構(gòu)示意圖以及奇次諧波抑制機制的具體工作原理；圖3是導(dǎo)通角與各次諧波轉(zhuǎn)換效率之間的對應(yīng)關(guān)系曲線；圖4是其他實施例1的電路結(jié)構(gòu)；圖5是其他實施例2的電路結(jié)構(gòu)；

圖6是傳統(tǒng)注入鎖定二倍頻器的輸出頻譜；圖7是本發(fā)明的具體實施方式
提供的帶有奇次諧波抑制機制的注入鎖定二倍頻器的輸出電壓頻譜比較。
具體實施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。本發(fā)明的具體實施方式
提供了一種帶有奇次諧波抑制機制的注入鎖定二倍頻器，如圖1所示，包括注入緩沖級1、壓控振蕩器偏置電路2和壓控振蕩器3，注入緩沖級I的漏極輸出與壓控振蕩器偏置級2的漏極輸出并聯(lián)，并與壓控振蕩器交叉耦合對的源極相連。具體的，輸入的兩路差分信號分別進入注入緩沖級I的差分對匪I和匪2的柵端。同時，匪I和匪2的柵端電壓偏置VCONV設(shè)置在最優(yōu)電壓上以便具有最大二次諧波轉(zhuǎn)換效率，因而漏端的輸出電流的波形將不是完整的正弦波，并且在其頻譜中豐富的二次諧波分量的；交流耦合電容Cl和C2用來提供差分對偏置和交流信號；電阻Rl和R2的阻值較大，其作用為防止輸入的交流信號通過直流偏置耦合到交流地；NM1和NM2的漏端端接在一起，對兩晶體管的漏端輸出電流進行疊加，其工作原理如圖2所示:差分輸入的兩路信號的相位差為180°，經(jīng)過注入緩沖級的差分對進行整流之后，其輸出的電路信號中具有豐富的諧波分量，對于其中的奇次諧波(包括基頻信號)，兩路信號的相位差為(2k+l) *180°，即180°，而對于其中的偶次諧波分量，其相位差為2k*180°，即0°。由此可知，兩路信號中的奇次諧波分量反相，偶次諧波分量同相，疊加時奇次諧波相互抵消，偶次諧波強度變?yōu)閱温返亩?，故而實現(xiàn)了奇次諧波的抑制。并且上述推導(dǎo)對任意頻率的注入信號均是成立的，因此這種奇次諧波抑制機制是普遍適用的。壓控振蕩器偏置電路2由NMOS晶體管匪3和NM4，以及電阻R3和R4構(gòu)成，其中晶體管的偏置電壓由VBIAS提供。匪3和NM4作為壓控振蕩器的偏置，為交叉耦合管NM5和NM6提供足夠的直流偏置電流，使匪5和NM6能夠提供足夠的負阻來補償諧振腔的損耗。電阻R3和R4的作用是對交流信號提供一個高阻抗的對地路徑，減少注入緩沖級匪I和匪2在漏端輸出的二次諧波分量經(jīng)過匪3和NM4上的寄生電容泄露到地。壓控振蕩器偏置電路2的工作原理如下:由圖3 (摘自S.Cripps, RF Power Amplifier for WirelessCommunications, 2e, Artech House, 2006)可知，當(dāng)晶體管的導(dǎo)通角為108°左右時，輸出具有最大的二次諧波分量，此時晶體管工作在B類與C類之間，沒有直流電流，不能作為偏置電流源使用，即提供偏置和進行諧波轉(zhuǎn)換這兩個功能之間是存在取舍的。當(dāng)對壓控振蕩器提供一個專門的偏置時，就可以分別將注入緩沖級I和壓控振蕩器偏置電路2的柵端電壓設(shè)為最優(yōu)值，在保證壓控振蕩器能夠振蕩的同時提供最大的二次諧波分量以注入到諧振腔，同時注意到，匪1和匪2偏置在具有最大二次諧波轉(zhuǎn)換效率的電壓上時，其直流電流為零，因而并不消耗直流功率。壓控振蕩器3的結(jié)構(gòu)為電感電容交叉耦合結(jié)構(gòu)，諧振腔由電感L1、變?nèi)莨躒ARl和VAR2、電阻R5和R6以及交叉耦合對匪5和NM6的寄生電容構(gòu)成。振蕩頻率由L1、VARl和VAR2上的電容，以及寄生電容共同決定。通過調(diào)節(jié)VTUNE的電壓來控制變?nèi)莨躒ARl和VAR2的電容改變振蕩頻率，以此來擴展注入鎖定倍頻的工作范圍，電阻R3和R6的作用是防止交流信號通過變?nèi)莨躒ARl和VAR2泄漏到VTUNE信號的控制端。其他實施例1:注入緩沖級I的輸出還可以接在壓控振蕩器交叉耦合對的漏端，產(chǎn)生的二次諧波信號直接注入到諧振腔里，而不是通過交叉耦合對再注入到諧振腔。其他實施例2:壓控振蕩器偏置電路2的兩個NMOS晶體管可以替換為一個晶體管，只要其提供的偏置電流滿足壓控振蕩器中交叉耦合管的起振要求，其在電路中的實際作用是相同的。采用本具體實施方式
提供的技術(shù)方案，能夠?qū)崿F(xiàn)以下的技術(shù)效果:1、本發(fā)明的注入緩沖級I對注入信號進行諧波轉(zhuǎn)換，以便產(chǎn)生所需要的諧波分量；由于組成注入緩沖 級I的差分對的兩個NMOS晶體管匪1、匪2的漏極短接在一起，因而能夠?qū)崿F(xiàn)二次諧波疊加的同時將所有奇次諧波進行抵消。2、本發(fā)明的壓控振蕩器偏置電路2單獨提供壓控振蕩器3的偏置電流，使注入緩沖級I的偏置電壓可以設(shè)為二次諧波轉(zhuǎn)換效率最高的最優(yōu)電壓上，使諧波轉(zhuǎn)換和偏置兩個功能不至于相互影響。3、本發(fā)明的壓控振蕩器3作為放大器件放大注入到諧振腔的輸入信號的二次諧波，在鎖定的情況下，輸出信號的幅度由壓控振蕩器自由振蕩狀態(tài)下的輸出幅度確定，相位噪聲由輸入信號確定，因而可以在較高的頻率上實現(xiàn)以低功耗輸出大擺幅的信號。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的幾種具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明實施例揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種帶有奇次諧波抑制機制的注入鎖定二倍頻器，其特征在于，包括注入緩沖級(I)、壓控振蕩器偏置電路(2)和壓控振蕩器(3)，注入緩沖級(I)的漏極輸出與壓控振蕩器偏置級(2)的漏極輸出并聯(lián)，并與壓控振蕩器交叉耦合對的源極相連；其中: 注入緩沖級(I)采用共源差分電路，差分電路由兩個NMOS晶體管匪1，匪2構(gòu)成，兩個晶體管的漏極直接相連，注入緩沖級的交流輸入信號為差分注入信號INJ+和INJ-，直流偏置電壓為VCONV，直流偏置電壓VCONV通過控制匪I和匪2的工作區(qū)和導(dǎo)通角來影響輸出電流信號的波形，影響注入信號INJ+和INJ-諧波轉(zhuǎn)換效率，電阻Rl和R2的阻值較大，為交流扼流電阻，作用是阻止注入交流信號的泄漏，通過將注入緩沖級的漏端連接在一起，對兩個NMOS晶體管匪1和匪2輸出電流進行疊加，實現(xiàn)輸出信號中偶次諧波同相疊加增強，同時實現(xiàn)對奇次諧波反相疊加抵消； 壓控振蕩器偏置電路(2)采用差分對匪3和NM4，其作用是為電感電容壓控振蕩器的交叉耦合對NM5和NM6提供直流偏置，以產(chǎn)生足夠的負阻以來補償電感電容諧振腔的損耗，由于交叉耦合對的直流偏置由匪3和NM4單獨提供，因而注入緩沖級的偏置電壓VCONV可以單獨設(shè)置以保證較高的諧波轉(zhuǎn)換效率； 壓控振蕩器(3)由NMOS晶體管匪5和NM6、電感L1、變?nèi)莨躒ARl和VAR2以及電阻R5和R6組成，匪5和NM6構(gòu)成交叉耦合對，提供負阻以補償電感電容諧振腔的損耗，諧振腔由電感L1、變?nèi)莨躒ARl和VA R2、電阻R5和R6以及NMOS晶體管的寄生電容組成，當(dāng)壓控振蕩器的自由振蕩頻率與輸入信號的二次諧波之間的頻率差值小于鎖定范圍的時候，壓控振蕩器的輸出將鎖定到輸入信號的二次諧波上，其相位噪聲將由輸入信號決定，通過調(diào)節(jié)變?nèi)莨躒ARl和VAR2的控制電壓VTUNE，改變壓控振蕩器的自由振蕩頻率，拓展注入鎖定二倍頻器的工作頻率范圍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有奇次諧波抑制機制的注入鎖定二倍頻器，其特征在于，注入緩沖級(I)對差分注入信號進行整形，產(chǎn)生諧波，通過單獨對偏壓VCONV的調(diào)節(jié)，選擇具有最大諧波轉(zhuǎn)換效率的最優(yōu)電壓值，通過將兩個NMOS晶體管的漏端連接在一起，實現(xiàn)偶次諧波的增強和奇次諧波的抵消。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有奇次諧波抑制機制的注入鎖定二倍頻器，其特征在于，壓控振蕩器偏置電路(2 )單獨提供壓控振蕩器交叉耦合對在振蕩時所需的偏置電流，因而使得注入緩沖級的偏置電壓可以選擇最優(yōu)值以便具有最大的諧波轉(zhuǎn)換效率，而不至于影響壓控振蕩器的正常工作。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有奇次諧波抑制機制的注入鎖定二倍頻器，其特征在于，壓控振蕩器(3)在注入鎖定狀態(tài)下的輸出信號由注入緩沖級(I)產(chǎn)生的二次諧波決定，輸出的相位噪聲由輸入信號決定，通過調(diào)節(jié)電壓VTUNE可以實現(xiàn)壓控振蕩器自由振蕩頻率的改變，拓展注入鎖定二倍頻器的工作頻率范圍。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種帶有奇次諧波抑制機制的注入鎖定二倍頻器，包括注入緩沖級(1)、壓控振蕩器偏置電路(2)和壓控振蕩器(3)，注入緩沖級(1)的漏極輸出與壓控振蕩器偏置級(2)的漏極輸出并聯(lián)，并與壓控振蕩器交叉耦合對的源極相連。注入緩沖器可以產(chǎn)生輸入信號的二次諧波，并在對輸出的偶次諧波進行疊加的同時抑制奇次諧波；壓控振蕩器偏置電路單獨提供偏置電流，使得注入緩沖器可以偏置在最利于產(chǎn)生二次諧波的電壓上；壓控振蕩器在注入鎖定狀態(tài)下放大注入緩沖器產(chǎn)生的二次諧波，提供幅度穩(wěn)定的輸出信號。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)二次諧波疊加的同時將所有奇次諧波進行抵消，使諧波轉(zhuǎn)換和偏置兩個功能不至于相互影響以及在高頻實現(xiàn)以低功耗輸出大擺幅的信號。
文檔編號H03B19/16GK103219945SQ201310125848
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月12日
發(fā)明者劉幫安, 刁盛錫, 林福江 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)